基于沉積成因地化元素指標(biāo)的閩北海灣晚更新世海侵地層辨識(shí)及其意義*

孫丹丹 劉 平 張 杰 于俊杰 岳 偉 王繼龍 彭 博 劉 演 李 月 陳 靜

1華東師范大學(xué)河口海岸學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 2002412中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局南京地質(zhì)調(diào)查中心，江蘇南京 2100163江蘇師范大學(xué)地理測(cè)繪與規(guī)劃學(xué)院，江蘇徐州 221116

1 概述

隨著冰期—間冰期旋回，第四紀(jì)以來(lái)全球海平面也發(fā)生周期性大幅升降波動(dòng)(Linsley，1996；Chapmanetal.， 2000；Lambeck and Chappell，2001)。海平面的波動(dòng)勢(shì)必引起沿海地區(qū)發(fā)生海侵和海退。然而，沿岸地區(qū)的海侵地層并不僅僅是氣候—冰量—海面作用下的沉積產(chǎn)物，其和區(qū)域構(gòu)造活動(dòng)、后期沉積物壓實(shí)以及陸源河流泥沙充填等多重海陸升降因素的改造密切相關(guān)，可以說(shuō)是海動(dòng)與地動(dòng)效應(yīng)的共同產(chǎn)物(于革等，2016)。因此，通過(guò)海侵地層的記錄與全球海平面波動(dòng)的對(duì)比，可揭示區(qū)域地動(dòng)因素的變化?？梢?jiàn)，海侵地層的可靠辨識(shí)是探討區(qū)域海侵過(guò)程及其機(jī)制的關(guān)鍵基礎(chǔ)。

20世紀(jì)70年代末開(kāi)始，中國(guó)學(xué)者們針對(duì)東部沿海—陸架地區(qū)的第四紀(jì)地層、環(huán)境以及海侵旋回進(jìn)行了大量的研究，普遍認(rèn)為大規(guī)模海侵發(fā)生于晚第四紀(jì)，尤其是晚更新世以來(lái)(汪品先等，1981；秦蘊(yùn)珊和趙松齡，1987；Linetal.， 1989；Liuetal.， 2017)。晚更新世以來(lái)，全球存在2期相對(duì)高海平面階段(深海氧同位素MIS5期和MIS3期)，其中MIS5期接近或高于現(xiàn)代海平面，遠(yuǎn)高于MIS3期海平面(Shackleton，1987；Linsley，1996；Chapmanetal.， 2000；Lambeck and Chappell，2001；Siddalletal.， 2003)。然而，中國(guó)東部沿岸晚更新世以來(lái)MIS5和MIS3期海侵地層記錄有明顯的區(qū)域差異。這2期海侵地層在長(zhǎng)江三角洲及其以北的沿岸區(qū)域記錄較為連續(xù)(汪品先等，1981；Linetal.， 1989；王張華等，2004；Yietal.， 2012；Wangetal.， 2013；Lietal.， 2018；Gaoetal.， 2021)，而在長(zhǎng)江三角洲以南的浙閩沿岸地區(qū)僅發(fā)現(xiàn)其中1期海侵地層，盡管其形成年代還具有一定爭(zhēng)議(韓書(shū)華和張靜，1992；陳聰?shù)龋?016；Shangetal.， 2018)。如果年代準(zhǔn)確以及海侵地層可靠，那么這一差異很可能反映了區(qū)域構(gòu)造升降過(guò)程。

海陸交互地區(qū)海侵地層的辨識(shí)通常采用對(duì)鹽度較為敏感的有孔蟲(chóng)化石指標(biāo)，這也是長(zhǎng)江三角洲及其北部沿岸地區(qū)辨識(shí)第四紀(jì)海侵地層的主要依據(jù)(汪品先等，1988；Liuetal.， 2010，2018；Wangetal.， 2013)。然而，并不是所有海岸環(huán)境都適合有孔蟲(chóng)的生長(zhǎng)，且其碳酸鹽殼體埋藏后的保存率也是個(gè)問(wèn)題(汪品先，1992；曾從盛，1997；Wang and Chappell，2001；Berkeleyetal.， 2009；周洋等，2015；Charrieauetal.， 2018)。浙閩沿岸第四紀(jì)地層中有孔蟲(chóng)化石并不豐富，尤其是晚更新世地層。前人多采用巖性、粒度、硅藻等指標(biāo)來(lái)推測(cè)海侵地層(姚慶元等，1985；陳園田，1991；鄭榮章等，2005)?？梢?jiàn)，急需尋找一套不受限于生物生存及死亡后保存環(huán)境、簡(jiǎn)單可靠且有效的判別指標(biāo)，來(lái)辨識(shí)浙閩沿岸晚第四紀(jì)海侵地層。

本研究以閩北寧德地區(qū)2個(gè)海灣內(nèi)的第四紀(jì)鉆孔為研究對(duì)象，擬對(duì)其沉積物中沉積成因的地球化學(xué)元素進(jìn)行分析，基于海灣表層沉積物中的相應(yīng)指標(biāo)，辨識(shí)晚第四紀(jì)海侵地層；結(jié)合微體古生物、礦物等指標(biāo)來(lái)探討該指標(biāo)的可靠性；并結(jié)合年代框架，初步探討閩北沿岸晚更新世的海侵過(guò)程。

2 研究區(qū)概況

福建沿海第四紀(jì)地層發(fā)育，主要以晚第四紀(jì)地層為主(童永福，1985；王雨灼，1990；陳園田，1991)，其基底為燕山晚期花崗巖及侏羅紀(jì)火山巖。福建沿海整體處于新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的上升區(qū)，但是內(nèi)部分化顯著，以閩江為界，南升北降(童永福，1985；童永福和徐書(shū)勇，1989)，其中發(fā)育多個(gè)斷陷盆地。該區(qū)沉積了晚第四紀(jì)以來(lái)的海相、陸相及海陸交互相地層(韓書(shū)華和張靜，1992；鄭榮章等，2005；Yueetal.， 2015)，為研究福建沿海晚第四紀(jì)以來(lái)的海侵事件及海平面的升降提供了理想的材料。

本研究選取位于福建省東北部寧德地區(qū)的2個(gè)海灣為研究區(qū)域，一個(gè)是半封閉的三沙灣，一個(gè)是相對(duì)開(kāi)放的霞浦灣(圖 1)。三沙灣位于寧德市東南部，地形口小腹大，出水口僅有一個(gè)東沖口，四周為山環(huán)繞，外圍陸地整體呈四周向中心高度降低的趨勢(shì)，地形高差較大。灣內(nèi)主要有交溪和霍童溪兩大河流輸入，年均輸沙量為57.6×104t和29.2×104t(據(jù)當(dāng)?shù)厮恼灸嗌硨?shí)測(cè)資料計(jì)算)。三沙灣潮汐形態(tài)為非正規(guī)半日潮，平均潮差為5.35m，港灣內(nèi)的平均潮差由灣口向?yàn)稠斨饾u增大。霞浦灣位于霞浦縣東南部，面向東海，岸線曲折，島嶼眾多。霞浦灣內(nèi)主要河流為杯溪和羅漢溪，受進(jìn)入福建東海潮波分支的影響，霞浦灣潮汐類型為規(guī)則半日潮，平均潮差大于4m。

圖 1 閩北寧德霞浦灣、三沙灣位置和采樣點(diǎn)分布Fig.1 Location of Xiapu and Sansha bays in Ningde area northern Fujian Province and sampling points

3 樣品和方法

3.1 鉆孔和表層樣品采集

本研究于2018年在福建寧德市三沙灣和霞浦灣區(qū)域獲取第四紀(jì)鉆孔5個(gè)，鉆孔全部鉆遇基巖，取心率達(dá)90%以上(圖 1；表 1)。此外，2020年5月采集了三沙灣表層沉積物樣品14件，其中潮間帶和海灣表層沉積物各7件，海灣采樣水深在12.8～31.2m之間(圖 1)。

表 1 閩北海灣鉆孔信息和實(shí)驗(yàn)樣品數(shù)統(tǒng)計(jì)Table 1 Information of cores and experimental samples in the bays of northern Fujian

3.2 實(shí)驗(yàn)與分析方法

5個(gè)鉆孔共計(jì)326個(gè)鉆孔沉積物樣品和14個(gè)現(xiàn)代表層沉積物樣品進(jìn)行了有孔蟲(chóng)(部分含有介形蟲(chóng))豐度和酸溶相地球化學(xué)元素分析，NDGK2和NDQK11孔共計(jì)56個(gè)樣品進(jìn)行了自生黃鐵礦的統(tǒng)計(jì)，詳細(xì)信息見(jiàn)表 1。

3.2.1 微體古生物

3.2.2 酸溶相(沉積成因)地球化學(xué)元素

該實(shí)驗(yàn)方法參照王愛(ài)華等(2019)進(jìn)行。將樣品低溫凍干后，稱取1.5g左右樣品，剔除貝殼和有機(jī)碎屑后仔細(xì)研磨；然后置于離心管內(nèi)加入75mL50%醋酸溶液，超聲震蕩1h后于4000 r/min離心機(jī)內(nèi)離心5min；吸取離心后的上清液于蒸發(fā)皿中，在180℃加熱板上加熱3～4h直至蒸發(fā)皿中僅剩橘紅色固體；用5‰HNO3溶液溶解蒸發(fā)皿中固體，并轉(zhuǎn)移到干凈的離心管中定容至50mL。經(jīng)過(guò)預(yù)處理的樣品采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀ICAP7400進(jìn)行元素含量測(cè)試，主要分析元素為Sr、Ba、Mn 和Fe。測(cè)試結(jié)果的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差均在2%以下。該實(shí)驗(yàn)在華東師范大學(xué)河口海岸學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成。

3.2.3 自生黃鐵礦

取20g左右干樣放入100mL小燒杯中，加入適量六偏磷酸鈉充分浸泡48h，待碎屑礦物完全分散以后，用孔徑為500μm和32μm的套篩反復(fù)進(jìn)行水篩，直至粗粉砂和細(xì)砂粒級(jí)沉積物基本被收集。取2.0g左右烘干后的寬廣粒級(jí)(500～32μm)碎屑物置入裝有重液聚鎢酸鈉(常溫下密度為2.88g/cm3)的離心管中充分浸濕5min，再利用離心法進(jìn)行重液分離，回收離心管底部的重礦物。在實(shí)體顯微鏡下，隨機(jī)挑選超過(guò)300顆礦物進(jìn)行自生黃鐵礦的鑒定與統(tǒng)計(jì)，獲得自生黃鐵礦的相對(duì)含量。該實(shí)驗(yàn)在華東師范大學(xué)河口海岸學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成。

4 結(jié)果

4.1 寧德地區(qū)第四紀(jì)地層特征

寧德地區(qū)第四紀(jì)地層普遍發(fā)育在新近紀(jì)古風(fēng)化殼之上，古風(fēng)化殼是由一套殘積黏土和風(fēng)化基巖地層組成，其下基底為中生代基巖。第四紀(jì)地層底部普遍發(fā)育一套陸相沉積地層： 下部為礫石層，磨圓度較好；上覆砂質(zhì)和黏土層，推測(cè)為河床—河漫灘相。這套陸相地層之上覆蓋著1～3層深灰色黏土沉積，普遍粒度較細(xì)，均質(zhì)，且含有大量貝殼和植物碎屑，尤其是頂層黏土層，具有海相層的沉積特征。相鄰的深灰色黏土層之間多為雜色黏土層，質(zhì)硬，含有鈣質(zhì)結(jié)核(圖 2)。

圖 2 福建寧德地區(qū)第四紀(jì)鉆孔巖性及有孔蟲(chóng)、介形蟲(chóng)豐度(NDGK2孔底棲有孔蟲(chóng)和介形蟲(chóng)數(shù)據(jù)見(jiàn)南京地質(zhì)調(diào)查中心， 2019①)Fig.2 Lithology of Quaternary cores and abundance of foraminifera and ostracods in Ningde area，F(xiàn)ujian Province(Abundance of benthic foraminifera and ostracods in the core NDGK2 is cited from Nanjing Geological Survey Center, 2019①) ① 南京地質(zhì)調(diào)查中心.2019.寧德第四紀(jì)鉆孔有孔蟲(chóng)、 介形蟲(chóng)報(bào)告(內(nèi)部報(bào)告).

根據(jù)鉆孔中深灰色黏土地層的分布特征，該區(qū)域有以下3類沉積單元：

1)單層深灰色黏土層。分布于山前。地層自下而上分別是古風(fēng)化殼、礫石層和深灰色黏土層。典型鉆孔地層參見(jiàn)NDQK2和NDQK8孔(圖 2)。

2)2層深灰色黏土層。分布于自陸向海的中間部位。地層自下而上分別是古風(fēng)化殼、礫石層、深灰色黏土層、雜色黏土層和深灰色黏土層。典型鉆孔地層參見(jiàn)NDQK6孔(圖 2)。

3)3層深灰色黏土層。分布于東南區(qū)域飛鸞灣外部分地區(qū)以及霞浦利埕附近(圖 1)，范圍較小。地層自下而上分別是古風(fēng)化殼、礫石層、深灰色黏土層、雜色黏土層(底部含有卵石，中部含有粗砂層)、深灰色黏土層、雜色黏土層和深灰色黏土層。典型鉆孔地層參見(jiàn)NDGK2和NDQK11孔(圖 2)。

4.2 寧德地區(qū)第四紀(jì)鉆孔有孔蟲(chóng)、介形蟲(chóng)特征

從寧德地區(qū)5個(gè)鉆孔沉積物中的有孔蟲(chóng)和介形蟲(chóng)分布來(lái)看，位于三沙灣區(qū)域內(nèi)的4個(gè)鉆孔NDGK2、NDQK2、NDQK6和NDQK8孔，其有孔蟲(chóng)和介形蟲(chóng)僅出現(xiàn)在頂部深灰色淤泥質(zhì)黏土層中(圖 2)。而位于霞浦灣區(qū)域的NDQK11孔，其有孔蟲(chóng)出現(xiàn)在頂部和第2層深灰色黏土層中。5個(gè)鉆孔沉積物中的有孔蟲(chóng)總豐度存在較大差異，其中NDQK11孔總體最大，可達(dá)15000枚/100g，其次是NDGK2孔，達(dá)3000枚/100g，NDQK8孔有孔蟲(chóng)總豐度最小，僅為68枚/100g。這些鉆孔的有孔蟲(chóng)種屬分布類似，以NDQK6孔為例，有孔蟲(chóng)以底棲有孔蟲(chóng)為主，主要為玻璃質(zhì)殼和瓷質(zhì)殼，同現(xiàn)孔輪蟲(chóng)、亞洲篩九字蟲(chóng)和希望蟲(chóng)屬較多，介形蟲(chóng)以中華美花介和美山雙角花介為主(圖 3)。

圖 3 閩北海灣NDQK6孔有孔蟲(chóng)和介形蟲(chóng)分布特征Fig.3 Foraminiferal and ostracod assemblages in the core NDQK6 in the bays of northern Fujian Province

4.3 寧德地區(qū)第四紀(jì)鉆孔沉積成因地球化學(xué)元素及自生黃鐵礦特征

總體來(lái)看，各項(xiàng)指標(biāo)隨深度變化明顯，可將兩鉆孔(NDGK2和NDQK11孔)自下而上分為5段(圖 4)。

圖 4 閩北海灣NDGK2和NDQK11孔沉積成因地球化學(xué)元素特征及自生黃鐵礦含量Fig.4 Characteristics of geochemical elements of sedimentary origin and content of authigenic pyrite in the cores of NDGK2 and NDQK11 in the bays of northern Fujian Province

層Ⅳ： 兩孔的Sr/Ba值較層Ⅲ明顯降低，變化范圍分別為1.77～7.71、1.09～8.25，均大于1。Mn/Fe值有所升高，屬于鉆孔高值區(qū)，均值分別為0.12和0.12。NDGK2孔未出現(xiàn)自生黃鐵礦，NDQK11孔自生黃鐵礦含量小于15%(圖 4)。

4.4 寧德三沙灣表層沉積物有孔蟲(chóng)及沉積成因地球化學(xué)元素特征

表 2 寧德三沙灣表層沉積物有孔蟲(chóng)及沉積成因地化元素特征Table 2 Characteristics of foraminifera and sedimentary geoche-mical elements in the surficial sediments of Sansha Bay， Ningde area

5 討論

5.1 基于沉積成因地化元素的閩北海灣晚第四紀(jì)沉積相辨識(shí)

圖 5 基于寧德三沙灣表層沉積物有孔蟲(chóng)及沉積成因地化指標(biāo)辨識(shí)NDGK2和NDQK11鉆孔沉積環(huán)境Fig.5 Identification of sedimentary environment of the cores of NDGK2 and NDQK11 based on foraminifera and geochemical elements of sedimentary origin in the surficial sediments of Sansha Bay，Ningde area

5.2 有孔蟲(chóng)等微體古生物化石在閩北海灣晚更新世地層沉積相識(shí)別中應(yīng)用的局限性

在海陸相互作用地區(qū)的地層沉積相辨識(shí)中，有孔蟲(chóng)化石經(jīng)常被用來(lái)作為海相地層的標(biāo)志。在中國(guó)東部沿海第四紀(jì)海侵研究中，有孔蟲(chóng)化石也是最主要且有效的海相沉積地層的判別依據(jù)，尤其是在細(xì)顆粒沉積物中其保存較好(汪品先等，1988；汪品先，1992；Liuetal.， 2010，2017；Wangetal.， 2013)。

究其原因，其一，可能是有孔蟲(chóng)生長(zhǎng)環(huán)境受限。本研究發(fā)現(xiàn)寧德地區(qū)表層沉積物和鉆孔沉積物中多數(shù)有孔蟲(chóng)殼體大小在50～200μm，相對(duì)于長(zhǎng)江三角洲等區(qū)域明顯偏小。前人研究顯示，與外海連通性受到制約的海灣和無(wú)障壁海岸環(huán)境條件不同會(huì)造成兩地有孔蟲(chóng)群體存在差異(張良等，2020)。本研究中寧德半封閉性三沙灣和開(kāi)放性霞浦海灣鉆孔中第2層黏土層中的有孔蟲(chóng)化石記錄也不一致，很可能意味著半封閉性海灣的水體環(huán)境不利于有孔蟲(chóng)生長(zhǎng)(圖 2，圖 5)。其二，可能是受埋藏條件影響，如有孔蟲(chóng)殼體埋藏后被溶蝕等。有孔蟲(chóng)殼體的溶蝕作用主要在熱帶—亞熱帶濕熱氣候的河口海岸區(qū)域較常見(jiàn)，尤其當(dāng)沉積物粒度細(xì)，有機(jī)質(zhì)含量高，水體或沉積物多呈酸性還原狀態(tài)時(shí)(汪品先，1992；朱曉東等，1996)。

綜上，福建半封閉海灣晚更新世海侵地層中有孔蟲(chóng)存在缺失，在判定該區(qū)域沉積環(huán)境時(shí)具有一定的局限性，需結(jié)合其他指標(biāo)綜合判斷。

5.3 閩北海灣MIS5期和MIS3期海侵地層發(fā)現(xiàn)的意義

福建沿岸地區(qū)第四系沉積物基本以晚第四系沉積物為主，直接覆蓋于基巖之上。除了頂部全新世(MIS1期)海侵層外，晚更新世普遍存在1期海侵，盡管形成年代還具有一定的爭(zhēng)議性。有人認(rèn)為其發(fā)生于MIS3期，也有研究認(rèn)為是MIS5期(童永福和徐書(shū)勇，1989；韓書(shū)華和張靜，1992；曾從盛，1997；鄭榮章等，2005；陳聰?shù)龋?016；Shangetal.， 2018)。本研究中NDGK2孔的光釋光和AMS14C年代數(shù)據(jù)顯示，底部海相沉積物(Ⅰ層)年齡約90000cal.aBP，Ⅲ層海相沉積物的年齡基本晚于60000cal.aBP。頂部海相沉積物(Ⅴ層)年齡均未超過(guò)10000cal.aBP，屬于全新世沉積物(圖 6；于俊杰等，2021)。因此，寧德海灣晚第四紀(jì)鉆孔地層中記錄的3層海相沉積物可能自下而上對(duì)應(yīng)于晚更新世MIS5、MIS3和全新世MIS1期。這說(shuō)明晚第四紀(jì)以來(lái)，該區(qū)至少經(jīng)歷了晚更新世的2期和全新世的1期海侵過(guò)程，和全球海平面的高海平面時(shí)期較為一致(Shackleton，1987；Linsley，1996；Chapmanetal.， 2000；Lambeck and Chappell，2001；Siddalletal.， 2003)。

本研究中NDGK2和NDQK11孔記錄的全新世和晚更新世晚期的2次海侵地層和前期研究較為一致，但底部記錄的海侵層(圖 6；MIS5期，Ⅰ層)在福建沿海地層記錄中較少出現(xiàn)。早期文獻(xiàn)中曾提及在霞浦地區(qū)(和NDGK11孔位置接近)可能存在這期海侵層，但是限于年代技術(shù)以及缺少沉積環(huán)境代用指標(biāo)并未深入研究(王雨灼，1990)。同時(shí)，這期海侵記錄顯示其海侵強(qiáng)度明顯較弱，很可能和當(dāng)時(shí)該地的古地勢(shì)較高有關(guān)。因此，本研究所辨識(shí)的晚更新世2期海侵地層對(duì)今后深入研究該區(qū)構(gòu)造沉降歷史提供了可能。

6 結(jié)論

閩北海灣晚第四紀(jì)地層中發(fā)育的3套深灰色黏土層具有海相特征，但有孔蟲(chóng)和介形蟲(chóng)在晚更新世地層中存在缺失，有孔蟲(chóng)在判定閩北海灣晚更新世海侵地層上存在局限性。結(jié)合三沙灣現(xiàn)代表層沉積物的相關(guān)特征，沉積成因的地球化學(xué)元素Sr/Ba和Mn/Fe值可以有效指示3層海侵地層。結(jié)合年代框架，3層海侵層自鉆孔從下而上分別對(duì)應(yīng)于MIS5、MIS3和MIS1期，受控于全球海平面變化和區(qū)域構(gòu)造沉降的共同影響?？梢?jiàn)，沉積成因地球化學(xué)元素指標(biāo)可以有效辨識(shí)閩北海灣晚更新世海侵地層，這將有助于進(jìn)一步了解該區(qū)晚第四紀(jì)海侵過(guò)程及其控制因素。