海洋風暴沉積的微體生物研究進展

陳 敏，戚洪帥，沈林南，張愛梅，王承濤，方 琦

(1.自然資源部第三海洋研究所，福建 廈門 361005； 2.自然資源部北部灣濱海濕地生態(tài)系統(tǒng)野外科學觀測研究站，廣西 北海 536015； 3.廈門市國土資源與房產(chǎn)管理局，福建 廈門 361013)

熱帶風暴是全球最主要的海洋自然災(zāi)害之一。全球每年發(fā)生80～100個熱帶風暴，而中國是受熱帶風暴影響最嚴重的國家之一[1-2]。在我國歷史上，單次熱帶風暴造成的死亡人數(shù)超過10萬人的有8次，其中在1696年長江三角洲發(fā)生的風暴潮曾導致十多萬人死亡[3]。

人類通過儀器對熱帶風暴資料進行記錄的年限較短，不超過150 a。強臺風的危害極大，其形成后毀滅性極強，因此人們希望能夠掌握其形成和活動規(guī)律。隨之而來的就是古風暴學的發(fā)展，通過一些地質(zhì)記錄和歷史文獻來研究地質(zhì)歷史時期以來古風暴的活動規(guī)律[4]。

早在二十世紀五十至六十年代，地質(zhì)學家就開始對現(xiàn)代風暴沉積進行研究。當時的研究表明，由于暴風浪的影響，沉積物的運移和搬運都會出現(xiàn)變化[5-7]。二十世紀七十至八十年代風暴沉積研究達到了頂峰，其中最著名的就是提出了陸架風暴沉積理論，該理論對風暴沉積學的影響重大，在沉積學的歷史長河中具有里程碑式的意義[8-9]。古風暴學在二十世紀九十年代逐漸出現(xiàn)在人們的視野中，作為一門新興學科，其主要是通過沉積物中的地質(zhì)記錄，揭示幾百年甚至幾千年前熱帶氣旋活動的規(guī)律。地質(zhì)記錄里的古風暴一般具有作用時間短、形成突然、強度大等特點，同時也會保留一些標志性的特殊古生物化石[10-14]。風暴期間產(chǎn)生較強的風浪會越過較低的障壁沙咀/島進而改造后方海灣和潟湖沉積物，其高強度的改造作用遠強于正常天氣條件[2]。在臺風盛行期間，其產(chǎn)生的大浪及風暴潮對沉積物的搬運作用急劇增強。風暴期間的向岸流和沖越流會攜帶較多海相微體生物，使其沉積在海岸后方的湖沼環(huán)境中；可根據(jù)這一特征利用微體化石來標識沉積層的風暴成因[4]。因此微體化石作為一項重要的指標，可以用來指示風暴沉積，并很好的判斷其特征[15-19]。

低能沉積環(huán)境中的沿海沉積物記錄了古風暴的地質(zhì)證據(jù)，這些事件的許多最佳重建方法都來自微體生物(硅藻、有孔蟲和花粉)組合的變化[20]。本文對目前國內(nèi)外風暴沉積的微體生物研究進展進行綜述，以期為風暴沉積研究提供借鑒和參考。

1 現(xiàn)代風暴沉積的微體生物特征

在現(xiàn)代臺風風暴過程中的微體生物研究目前還較為有限，可查詢到的文獻記錄較少，且所獲樣品一般距離臺風中心有一定距離，很難恰巧位于臺風登陸點附近。

1.1 不同沉積環(huán)境中微體生物的沉積特征研究

前人在從后濱到內(nèi)陸架的各種不同沉積環(huán)境中開展了風暴過程微體生物的沉積特征研究(表1)。

表1 現(xiàn)代風暴沉積的微體生物特征

首先，許多研究集中在海岸后方的鹽沼中。鹽沼中的沉積環(huán)境較為穩(wěn)定，臺風風暴盛行期間，會伴隨強烈降水和巨大的風浪作用，沉積物大多被搬運和沉積在鹽沼中，形成沖越沉積，這些沉積中的生物特征與正常天氣下明顯不同。Hawkes等(2012)比較了得克薩斯州加爾維斯頓和圣路易斯群島的三個地點由颶風Ike(2008年9月13日登陸)造成的沖越沉積物的數(shù)量、粒度分布、有機質(zhì)含量和有孔蟲群落；該次風暴潮的高度在2.7～3.7 m，向陸淹沒范圍為113～330 m；在風暴過程中，只有10%～30%的風暴侵蝕沉積物以沖越的方式沉積下來，而其余70%～90%的風暴侵蝕沉積物則重新沉積在近岸環(huán)境中；風暴之前的草地/鹽沼土中幾乎不含有孔蟲，而在風暴沉積的沖越砂中則含有墨西哥灣海灣和近岸環(huán)境特有的種類Ammoniaspp. 和Elphidiumspp.，以及常常出現(xiàn)在內(nèi)陸架環(huán)境的Bolivinasubaenariensis、Quinqueloculinaseminulum和其他浮游性種類，表明這些沖越沉積來源于近岸和內(nèi)陸架區(qū)域，由此估算出了風暴沉積砂層厚度約為2～28 cm；在該項研究中發(fā)現(xiàn)僅憑沉積學和地層學數(shù)據(jù)無法分辨風暴沉積層，因此有孔蟲的應(yīng)用是非常重要的[24]。這也許給了我們一些啟示，在古風暴沉積記錄中微體生物化石記錄是否比一些沉積學記錄更靈敏。另一個不同的例子來源于1992年的颶風Andrew。該颶風登陸美國路易斯安娜海岸之后，在鹽沼中發(fā)現(xiàn)的風暴沉積層具有較高的硅藻種類多樣性，較低的海水種含量和氮含量，同時風暴沉積物分選較差；這與之前的沖越砂研究有所不同，沒有出現(xiàn)非常多的近岸和內(nèi)陸架種，這是因為在風暴期間，各種不同來源的硅藻發(fā)生了遷移和混合，導致沒有一種類群能占據(jù)主導地位，所以種類多樣性高；而海水種減少和淡水種增多與颶風洪水和附近半咸水、淡水區(qū)域在颶風期間的物質(zhì)搬運輸入有關(guān)[22]。而來自于2005年颶風季節(jié)美國密西西比州和阿拉巴馬州沿岸的鹽沼沉積記錄表明，在風暴沉積物中幾乎沒有有孔蟲，而在鹽沼沉積物中發(fā)現(xiàn)了大量代表鹽沼環(huán)境的有孔蟲類群；風暴沉積物中缺失有孔蟲這一現(xiàn)象可能是由于其在海灘砂和沙丘砂中本來就很稀少，還有可能是因為沉積后變化造成的[23]。由此可見，沿岸鹽沼的風暴沉積中微體化石以外來混合為特征，而具體情況根據(jù)它們不同的物源而有所差異。

其次，我國學者在潮灘上的研究表明，在1981年14號臺風(中心最高風力達到12級以上，形成了巨大的風暴潮，潮位高達5.59 m，超過了此前當?shù)貧v史上實測潮位的最高記錄)經(jīng)過杭州灣后，杭州灣北部濱岸潮灘上的風暴沉積中有孔蟲和孢粉的基本特征出現(xiàn)了變化，風暴潮作用期間有孔蟲個體數(shù)量明顯增加，且其組合和分布也有明顯變化，個體數(shù)達到平時的2～6倍，殼體直徑變大，在高潮線附近廣鹽性種類數(shù)量明顯下降，從臺風前的70%以上降至19%；從有孔蟲組合上看濱海沼澤型被強潮河口型(主要是浮游有孔蟲)代替，從而導致差異性變小[21]。高潮坪有孔蟲數(shù)量和浮游種類的增多說明臺風將離岸水體中的有孔蟲攜帶到潮坪上。從孢粉特征來看，臺風前草本花粉含量由潮間帶向海逐漸減少，而木本和蕨類則相反，臺風過后雖然主要種屬不變，但組合與分布發(fā)生一定變動；在特大風暴潮期間沉積物中孢粉數(shù)量急劇降低，僅為平時的4%～5%；蕨類和木本含量增高，高潮坪增加幅度超過了20%；草本花粉含量降低幅度較大，在高潮坪可達約50%；木本、草本和蕨類在潮間帶沉積中含量相近，沒有明顯的分布差異[21]。在臺風強烈水動力的擾動下，不難發(fā)現(xiàn)潮灘上的沉積物發(fā)生了垂直海岸方向的遷移和混合，因此其孢粉種類組成更均勻，差異性更小。

再次，Chen等(2019)在東海內(nèi)陸架泥質(zhì)區(qū)對2009年臺風Morakot前后表層沉積硅藻的變化進行了研究，在臺風發(fā)生前后，沒有觀察到優(yōu)勢種的顯著變化；但硅藻組合特征存在變化，表明臺風期間沉積物在大范圍內(nèi)發(fā)生了運移和混合；由于臺風期間強大的水動力條件，原有的代表臺灣暖流的硅藻組合與代表沿海水體的硅藻組合之間的界線消失了，淡水種甚至被運移到離岸100 km處，原有的季節(jié)性模式被顛覆(圖1)；這表明臺風可以大大改變東海內(nèi)陸架上表層沉積物的分布[25]。

圖1 東海內(nèi)陸架區(qū)域2009年夏季臺風Morakot前后表層沉積硅藻的變化Fig. 1 Changes in surface sedimentary diatoms in the inner continental shelf of the East China Sea before and after Typhoon Morakot in summer 2009本圖修改自文獻[25]。

1.2 微體生物信號的留存情況研究

現(xiàn)代風暴發(fā)生后，這些當時的標志性微體生物信號多大程度上能留存下來以及它們可否保存在地層中以供人們識別是一個重要的問題。這方面的研究目前非常少，可以肯定的是在較高能的環(huán)境下風暴的標志性微體生物信號留存困難。在低能海岸潟湖或鹽沼環(huán)境下的留存研究表明，登陸1 a后颶風Andrew對沉積物組成沒有影響，沉積過程恢復到颶風前的特征；但颶風發(fā)生2 a后，硅藻種群仍然沒有恢復到颶風前的狀況，颶風通過減少沉積物中的硫化物含量使得硅藻種群向附生種為主發(fā)生了轉(zhuǎn)變[22]。在Hawkes等的研究中，也觀察到了上一個風暴事件(1983年的Alicia颶風)帶來的異地有孔蟲，同時伴隨著低的有機質(zhì)含量(約5%)和高的砂含量[24]，顯然這次風暴記錄與之后2008年發(fā)生的颶風Ike風暴記錄之間存在空白。因此，什么樣的風暴？能在哪里？如何被保存下來？還是一個需要科學家繼續(xù)挖掘研究的挑戰(zhàn)。

2 古風暴沉積的微體化石特征

相對于現(xiàn)代風暴沉積的研究而言，海岸古風暴沉積的微體化石研究更為豐富，國內(nèi)外有許多代表性研究(表2)。微體化石主要被用來幫助識別古風暴沉積層或古風暴事件，從而探討歷史時期特定區(qū)域的風暴歷史和頻次，進行古風暴重建。

表2 古風暴沉積的微體化石特征

2.1 古風暴層微體化石特征的研究

前人很多研究探討了推斷的古風暴層中微體化石的特征。許多學者認為風暴層常常具有高的有孔蟲數(shù)量和種類多樣性[17,19,31]。許世遠等(1989)在長江三角洲的沼澤低地、貝殼沙堤、三角洲前緣和前三角洲等處都發(fā)現(xiàn)了風暴沉積；其中，在上海查山等地的剖面揭示出風暴沉積中陸相與海相動植物遺體共存，出現(xiàn)一定數(shù)量的廣鹽性有孔蟲，以Ammoniabeccarii為主；在上海南庫貝殼沙堤等地的風暴沉積中，富含Ammoniaanneetens等大個體有孔蟲，直徑為0.5～0.7 mm，殼體多破碎或磨蝕[26]。黃光慶等(1997、1998)通過對珠江口沉積物中有孔蟲進行分析，發(fā)現(xiàn)正常海況下有孔蟲種類較少，主要為廣鹽性有孔蟲，殼體分異度低，優(yōu)勢度高，多見畸形殼體，無浮游種；而在臺風風暴沉積中有孔蟲的特點有明顯變化，其殼體分異度高，優(yōu)勢度低，廣鹽性和窄鹽性有孔蟲混雜分布，且個體較小，殼徑與沉積物粒徑分布呈正相關(guān)關(guān)系，與現(xiàn)代河口原地埋藏群不同，能夠識別出這些有孔蟲為異地埋藏群(圖2)[15-16]。

圖2 珠江口鉆孔中的異地有孔蟲含量和風暴沉積層Fig.2 Content of heterochthonous foraminifera and storm deposits in cores in the Pearl River Estuary本圖修改自文獻[15]，鉆孔NL和鉆孔VB1位于珠江口內(nèi)，鉆孔DEW42位于珠江口外。

為了找出風暴在不同登陸地點(風暴登陸中心和登陸點50 km外)沉積痕跡的差異性，Collins等(1999)對美國南卡羅萊納州海岸沉積進行了研究，發(fā)現(xiàn)1989年9月颶風Hugo在登陸點附近的Prices Inlet地區(qū)形成了厚約8 cm的風暴砂層，其中含有許多來自于近海的有孔蟲；在颶風登陸點50 km外的Sandpiper地區(qū)，可以看到夾在淡水有孔蟲層之間的近海有孔蟲層，但是X射線或沉積學研究都沒有檢測到該風暴事件的痕跡[17]。Hippensteel等(1999)在美國南卡羅來納州Folly島的鹽沼沉積中發(fā)現(xiàn)了現(xiàn)代風暴沉積中混有近海和漸新世—中新世的有孔蟲，這些有孔蟲來源于近岸沉積的侵蝕[18]。Lane等(2011)通過對美國佛羅里達州沿海潟湖沉積的研究，發(fā)現(xiàn)了長達4 500 a的颶風引發(fā)的風暴潮記錄，有些起源于距離海岸至少5 km的海洋有孔蟲存在于沿海的古風暴層中，離岸有孔蟲的存在和長期保存表明基于微體化石的古颶風重建是可行的[29]。這部分研究大多數(shù)來源于有孔蟲，而關(guān)于硅藻，商志文等(2013)曾提到在渤海灣西岸的鉆孔中有一層位可能受風暴事件影響，其中硅藻保存較差，屬種也相對單一[32]。

2.2 利用微體化石進行的古風暴重建

利用有孔蟲、硅藻、孢粉等進行的海岸古風暴重建研究主要是在沿岸沼澤和潟湖中進行。研究者們主要通過微體化石和地層學等證據(jù)相結(jié)合，識別全新世的古風暴層，并研究全新世風暴活動的時空變化、大小和頻率，尤其是百年甚至千年尺度的氣候變化與風暴的關(guān)系，從而可以評估長期的生態(tài)影響[20]。

在英國Morecambe灣濱岸湖沼相進行的孢粉和硅藻地層學研究中，Zong等(1999)識別出(6 030±70)～(5 740±60) a BP之間的9次強風暴沉積事件；在這些風暴事件中海洋硅藻從河口通過水道或越過沙壩被沖刷至后方潟湖環(huán)境，海洋硅藻的峰值被解釋為風暴潮條件下堆積的結(jié)果；孢粉數(shù)據(jù)則給出了植被變化的一些信息[27]。而在美國墨西哥灣沿岸阿拉巴馬州一個沼澤沉積層的花粉研究表明，阿拉巴馬州海岸在過去1 200 a中，兩次被4級或5級颶風直接襲擊，每年登陸的概率為0.17%；颶風來襲后鹽生植物(藜科)和灌木(楊梅科)的種群擴大了，這可能是由于鹽水沖入沼澤地以及過度沖刷過程導致土壤鹽漬化所致；每次強烈颶風和隨之而來的大火之后，松樹種群均顯著減少，這表明反復發(fā)生的颶風與火災(zāi)相互作用導致樹木死亡[28]。在亞洲地區(qū)，Sato等(2016)通過對日本中部沿海潟湖沉積進行硅藻化石分析重建了其全新世晚期的環(huán)境變化，根據(jù)硅藻的豐度確定了兩個事件沉積層，在其中一層中海水種或半咸水種Glyphodesmiswilliamsonii占主導地位，該層被解釋為海嘯或風暴潮造成的短暫沉積[30]。

3 研究地點的選擇與化石適用性的探討

綜上所述，大多數(shù)風暴研究需要選擇在沿岸的低能環(huán)境下，尤其以湖泊[33]、沼澤[19,22-23,34]、沿海池塘[17,35]、潟湖/海灣[36]和沿海洼地[29]為佳。而較高沉積速率的河口也能保存有較好的風暴沉積層，例如在長江口風暴作用產(chǎn)生的沉積物會被后期常態(tài)沉積掩埋，從而避開之后水動力作用的改造；但在長江河口叉道地區(qū)水動力條件較強，風暴沉積不易保存，容易遭到破壞[26]。

在幾種主要微體化石的選擇上，大多數(shù)學者選擇有孔蟲和硅藻作為研究現(xiàn)代風暴和古風暴的良好類群。有孔蟲具有堅硬的鈣質(zhì)外殼，其死亡后殼體易于保存，對海洋環(huán)境變化極為敏感[37-38]，因此有孔蟲可以作為沉積記錄的重要載體，對探討現(xiàn)代和古代風暴沉積均有著重要的作用[39-44]。而硅藻是一種較為常見的單細胞藻類，幾乎地球上所有水體都能看見硅藻生長的蹤跡[45-47]，其主要以浮游和底棲的形式存在于各類水體中，對環(huán)境的溫度、鹽度和營養(yǎng)鹽等反應(yīng)敏感[44,48-49]，鑒于其死亡后硅質(zhì)殼體不易被溶解，易于保存在沉積物中，故而可以作為研究古環(huán)境變化[44-45,50-51]和古風暴特征的重要手段之一[32,52]。另一種重要的微體化石是孢粉，具有總體數(shù)量大和不易遭受破壞的特點[53]，可以用來揭示地質(zhì)歷史時期陸地植被對氣候變化的響應(yīng)，還能通過孢粉研究古氣候及古環(huán)境變化歷史，作為識別古環(huán)境演變的重要載體[54-55]；但是孢粉受到風暴作用的直接影響有限，且較難分辨地層中孢粉異常層位是否是風暴成因還是其他成因，故其應(yīng)用有限?？偟膩碚f，將有孔蟲和硅藻作為風暴研究的指標已經(jīng)較為成熟。

4 結(jié)論和展望

通過對有關(guān)風暴沉積微體生物研究的梳理，我們得到以下幾點結(jié)論：

(1)微體生物是否能記錄風暴沉積事件取決于它們是否能很好的保存下來。古風暴記錄研究地點的選擇變得非常重要，最好的基于微體化石的古風暴重建應(yīng)來自于有利的沿海環(huán)境，這些環(huán)境既是低能的，又具有足夠的容納空間，可以沉積和保存沉積物。從以往的研究來看沿海沼澤、潟湖、洼地或者水坑等低能沉積環(huán)境都是比較合適的地點，易于保存風暴沖越沉積物，而開闊的潮灘、淺海、河口外部則較難保存這些微體生物記錄。

(2)在風暴沉積的識別過程中，一般需要結(jié)合地層學和微體化石證據(jù)對海岸沉積物序列進行分析，有時微體化石信號比其他的沉積學信號要靈敏。風暴的微體化石特征依賴于對正常原地組合類群中異質(zhì)性類群的識別，這些異質(zhì)性類群可以理解為“異地埋藏群”，尤其是在應(yīng)用有孔蟲或硅藻的異質(zhì)性類群時。

(3)現(xiàn)代風暴微體生物研究雖然已有幾十年歷史，但是由于風暴過程的復雜性以及形成和保存等問題，仍有待進一步研究。了解現(xiàn)代風暴過程中不同沉積環(huán)境下微體生物的沉積特征、面貌以及它們的形成和保存機制是亟待解決的問題。

(4)總的來說，微體生物能靈敏的反映其生存環(huán)境，因此它們在搬運和埋藏過程中能很好的記錄風暴沉積事件過程。微體生物在研究現(xiàn)代和古風暴沉積方面是一個很好和有效的指標，有時更優(yōu)于其他沉積學指標。在未來的研究中，還需開展更多不同沿岸沉積環(huán)境下的現(xiàn)代風暴研究，并著重于提高古風暴重建的可靠性、準確性和精確性，以及探討微體化石記錄與風暴強度之間的相關(guān)關(guān)系。