日照近岸海域晚更新世以來地層結(jié)構(gòu)及沉積環(huán)境演化

郝 義, 種衍飛, 馮英明, 張 昊, 臧 浩, 楊 帆, 李廣雪

日照近岸海域晚更新世以來地層結(jié)構(gòu)及沉積環(huán)境演化

郝 義1, 2, 種衍飛1, 2, 馮英明1, 2, 張 昊1, 2, 臧 浩1, 2, 楊 帆1, 2, 李廣雪3, 4

(1. 山東省煤田地質(zhì)局第一勘探隊(duì), 山東 青島 266427; 2. 日照海洋地質(zhì)院士工作站, 山東 日照 276800; 3.中國海洋大學(xué)海底科學(xué)與探測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山東 青島 266100; 4. 中國海洋大學(xué) 海洋地球科學(xué)學(xué)院, 山東 青島 266100)

根據(jù)在日照近岸海域施工的地質(zhì)鉆孔和淺地層剖面測(cè)量資料, 對(duì)比南黃海已有鉆孔成果, 系統(tǒng)地開展日照近岸海域晚更新世以來地層結(jié)構(gòu)特征識(shí)別和沉積環(huán)境演化重建。結(jié)果表明: 日照近岸海域沉積地層中見含有有孔蟲化石的第二海相層, 形成年代介于34.3～41.4 cal.ka B.P., 對(duì)應(yīng)MIS3的暖濕階段, 該層位可能與古三角洲有關(guān)。沉積層從上往下分別為: 濱海相細(xì)砂混雜泥質(zhì)沉積層(命名為DU1沉積單元); 河流-河口相粉砂質(zhì)黏土夾粗砂、粉砂層(DU2沉積單元); 淺海相粉砂質(zhì)黏土夾粗砂層(DU3沉積單元); 河流-湖泊相粗砂夾黏土層(DU4沉積單元)。晚更新世以來日照東部南黃海海域主要經(jīng)歷了2～3次顯著的海侵和海退, 各區(qū)域因條件不同表現(xiàn)有所差異: 日照近岸淺水區(qū)主要表現(xiàn)為兩次海侵和海退, 東部深水區(qū)主要表現(xiàn)為三次海侵和海退, 由于地勢(shì)高低和侵蝕破壞等原因, 總體表現(xiàn)為從離岸深水區(qū)域向近岸淺水區(qū)域海相地層厚度逐漸減少的趨勢(shì), 部分地層出現(xiàn)尖滅消失。

沉積演化; 地層結(jié)構(gòu); 海相地層; 晚更新世; 近岸海域; 日照

日照市海岸線北起白馬河口, 南至繡針河口, 全長(zhǎng)(不含島嶼岸線)168.5 km。優(yōu)質(zhì)海灘綿延分布, 長(zhǎng)約43 km。近海海底地勢(shì)平緩, 主要?jiǎng)澐譃槿照战，F(xiàn)代沉積區(qū)和海侵沉積區(qū)[1]。近年來陸域河流輸沙減少, 陸源碎屑供應(yīng)匱乏, 導(dǎo)致海底沉積物主要表現(xiàn)為海侵特征, 而全新世沉積蓋層較為缺乏。

前人對(duì)日照海岸帶地質(zhì)環(huán)境特征進(jìn)行過廣泛研究。王松濤等[2]通過開展日照海岸帶綜合調(diào)查工作, 發(fā)現(xiàn)日照近岸海域主要為晚更新世以來形成的沖積-海積平原的自然延伸, 后期被全新世的海相沉積層不同程度的覆蓋; 宋紅瑛等[3]對(duì)日照近海表層沉積物進(jìn)行粒度分析, 劃分了不同的沉積環(huán)境區(qū); 秦亞超等[4]通過對(duì)南黃海西部日照海域柱狀樣巖芯的剖面觀察和古生物分析, 探討了深海氧同位素第3階段(MIS3)的沉積歷史和古環(huán)境特征, 估算了末次海侵過程中水下平原的剝蝕厚度; 郝義等[5]通過淺地層剖面資料, 分析了日照海岸帶的古河道分布特征, 推測(cè)古河道的形成年代為MIS2-MIS4的較長(zhǎng)地質(zhì)時(shí)期。汪品先等[6]通過對(duì)中國沿海地區(qū)鉆孔樣品進(jìn)行微體古生物分析, 認(rèn)為中國東部沿海的第四紀(jì)地層中普遍發(fā)育4個(gè)海侵層。另有學(xué)者根據(jù)日照東部陸架區(qū)海域施工的大陸架科學(xué)鉆探孔和其他地質(zhì)鉆孔資料, 對(duì)其地層結(jié)構(gòu)特征和沉積演化歷史進(jìn)行了分析研究[7-10]。以往研究中少見針對(duì)日照近岸海域海底地層結(jié)構(gòu)及沉積演化的分析, 缺少與穿透沉積地層的鉆探巖芯資料相結(jié)合的精細(xì)化分析和研究, 沒有將近岸海域地層與東部陸架區(qū)海域地層建立聯(lián)系并分析其演化特征。本文基于以往研究成果, 結(jié)合在日照海域開展的地質(zhì)鉆探、淺地層剖面測(cè)量及樣品測(cè)試資料, 通過分析日照近海海底地層結(jié)構(gòu)特征, 探討沉積演化歷史, 推測(cè)沉積演化對(duì)海平面變化的響應(yīng), 豐富日照近岸海域?qū)有虻貙訉W(xué)理論, 為日照臨近海域地層結(jié)構(gòu)和沉積演化特征研究提供借鑒和對(duì)比。

1 研究區(qū)概況

日照海岸帶大地構(gòu)造位置為蘇魯造山帶膠南—威海隆起區(qū)中的嵐山凸起區(qū), 地理位置位于南黃海中部, 岬灣相連, 發(fā)育平直的基巖砂礫質(zhì)海岸。日照海域潮汐特征為正規(guī)半日潮, 潮流順時(shí)針旋轉(zhuǎn), 漲潮流主方向?yàn)槟衔飨? 落潮流主方向?yàn)楸睎|向, 以南西向漲潮流占優(yōu)勢(shì), 漲落潮流均與海岸方向平行[11]。日照近岸海域表層沉積物類型主要包括含結(jié)核礫砂、礫砂、砂、粉砂質(zhì)砂、砂質(zhì)粉砂、砂-粉砂-黏土、黏土質(zhì)粉砂[12], 南北兩側(cè)的港口附近沉積物粒徑細(xì), 分選較差, 其它區(qū)域粒徑粗, 分選差[3]。受黃海沿岸流影響, 海底近岸沉積物由北向南運(yùn)移[13-14], 沉積物主要來源為潮白河、兩城河、傅疃河、繡針河等河流攜帶的陸源碎屑和沿岸沖刷物。

日照近海海底地貌特征主要有水下淺灘、現(xiàn)代水下三角洲、海底沖蝕平原3種類型[2]。水下淺灘主要分布在水深15 m以內(nèi)的近岸淺水區(qū), 水下地形自岸邊向海緩慢傾斜, 該地貌特征中表層沉積物以砂-粉砂-黏土和黏土質(zhì)粉砂為主, 在近岸5 m水深內(nèi)有中、細(xì)砂分布[2]?，F(xiàn)代水下三角洲主要分布在傅疃河口5 m等深線處, 水下地形逐漸平緩, 三角洲呈扇狀分布, 中部為粗砂, 兩側(cè)為細(xì)砂, 向外過渡為黏土質(zhì)粉砂[2]。海底沖蝕平原區(qū)主要分布在水深15 m以外坡度平緩區(qū)域, 在表層砂質(zhì)沉積物中含有大量鈣質(zhì)結(jié)核, 為更新世殘留沉積層, 全新世海侵時(shí)被海水淹沒, 發(fā)育成海底沖蝕平原[2]。

2 材料與方法

為查明研究區(qū)海底淺部地層結(jié)構(gòu)特征, 2019年10月山東省煤田地質(zhì)局第一勘探隊(duì)在日照近海開展了約130 km的淺地層剖面測(cè)量, 采用的儀器為法國SIG公司生產(chǎn)的SIG 2 Mille電火花震源淺地層剖面測(cè)量系統(tǒng), 激發(fā)間隔2.2 s, 激發(fā)能量1 300 J, 帶通濾波200～2 000 Hz。震源和水聽器電纜拖于船后, 釋放長(zhǎng)度20～30 m。淺地層剖面的穿透深度大于30 m, 垂直分辨率小于0.5 m。在進(jìn)行時(shí)深轉(zhuǎn)換時(shí), 參考以往經(jīng)驗(yàn)[2], 結(jié)合本次實(shí)際情況, 海底以下各地震單元采用的聲波平均速率為1 600 m/s, 測(cè)線主要位于水深6～20 m的區(qū)域(圖1)。由于兩條淺地層地震剖面線間距較近, 差異變化不大, 本次只選取其中一條WZC05進(jìn)行對(duì)比分析。

圖1 研究區(qū)淺地層剖面測(cè)線及鉆孔位置圖(引自文獻(xiàn)[2])

根據(jù)淺地層剖面分析資料, 2019年12月在研究區(qū)施工了兩口全取芯地質(zhì)鉆探孔WZK01和WZK02 (表1), 均穿透沉積層到達(dá)強(qiáng)風(fēng)化基巖。鉆孔位于淺地層剖面線上, 所處海域水深14～17 m。

在實(shí)驗(yàn)室, 將巖芯對(duì)半剖開, 一半用于拍照和保存, 一半用于描述和取樣。粒度分析樣品的取樣間隔約20 cm, 兼顧沉積層的垂向變化。有孔蟲鑒定和AMS14C測(cè)年樣品采集于有機(jī)質(zhì)含量較多的層位。根據(jù)化驗(yàn)分析結(jié)果繪制了鉆孔巖芯柱狀圖。巖芯樣品處理及分析由山東省物化探勘查院巖礦測(cè)試中心完成。

粒度分析取原始樣品10～20 g, 經(jīng)雙氧水和稀鹽酸浸泡處理, 除掉有機(jī)質(zhì)和碳酸鹽, 然后洗鹽, 用六偏磷酸鈉溶液分散后, 根據(jù)規(guī)范要求分別選用不同的方法進(jìn)行測(cè)試。細(xì)顆粒樣品使用激光粒度儀法測(cè)定, 所用儀器為BT-9300ST激光粒度分析儀。該儀器粒徑測(cè)量范圍0.05～1 500 μm, 分辨率為0.01Φ, 重復(fù)測(cè)量的相對(duì)誤差≤1%。粗顆粒樣品使用篩析法測(cè)定。將4～0.063 mm之間的粒度按1/2Φ間隔, 分離成14個(gè)粒級(jí)分別稱重, 求得以質(zhì)量分?jǐn)?shù)表示的粒度分布。平均粒徑、分選系數(shù)、偏態(tài)和峰態(tài)等粒度參數(shù)的計(jì)算和等級(jí)劃分, 采用Folk等[16]提出的方法。

古生物鑒定樣品先經(jīng)沖洗, 再置于烘箱在90 ℃下烘干, 過標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)篩保留粒徑≥0.063 mm的顆粒物, 然后在奧林巴斯SZ61雙目體視顯微鏡下進(jìn)行鑒定。根據(jù)個(gè)體數(shù)量進(jìn)行縮分, 一般縮分至樣品中有孔蟲個(gè)體數(shù)不少于100枚, 對(duì)于豐度較低的樣品則全樣統(tǒng)計(jì)。有孔蟲屬種鑒定主要依照何炎等[17]和汪品先等[18-19]相關(guān)文獻(xiàn)資料。

AMS14C測(cè)年以5 568 a為半衰期, 同時(shí)測(cè)量樣品的δ13C值, 并根據(jù)分餾效應(yīng)進(jìn)行校正, 獲得慣用年齡。測(cè)年材料為沉積物中的有機(jī)質(zhì), 測(cè)試所用的儀器為美國NEC公司的加速器質(zhì)譜分析計(jì), 型號(hào)為XCAMS, 測(cè)量精度為0.3%。在慣用年齡的基礎(chǔ)上, 根據(jù)Marine 13海洋曲線進(jìn)行包括海洋碳貯庫效應(yīng)在內(nèi)的系統(tǒng)校正, 海洋貯存庫校正值(Delta R)為–81± 60 a。采用 BetaCal 3.21 校正軟件對(duì)原始測(cè)年數(shù)據(jù)進(jìn)行日歷年齡校正, 測(cè)試結(jié)果見表2。

表2 研究區(qū)地質(zhì)鉆孔巖芯的AMS14C年齡

3 地層結(jié)構(gòu)分析

3.1 淺地層地震剖面特征

根據(jù)淺地層地震剖面中的反射結(jié)構(gòu)、地震相單元外形和平面組合、反射振幅、同相軸連續(xù)性等地震參數(shù)特征差異, 劃分SU(seismic unit)地震單元, 代表產(chǎn)生其反射的沉積物的巖性組合和沉積特征[2]; 根據(jù)不同沉積物的沉積環(huán)境、物質(zhì)組成和層理特征, 將地層劃分為不同的DU(deposition unit)沉積單元。

3.1.1 SU1地震反射特征及其地質(zhì)屬性

T1(time)反射界面是接近海底的地震反射界面, 界面平直、清晰, 反射強(qiáng)度高, 可連續(xù)追蹤。由于海面反射信號(hào)產(chǎn)生的“鬼波”效應(yīng)[2], 海底面至T1反射界面間的SU1地震地層受到很大影響, 且該層很薄, 在剖面中顯示不清楚, 表現(xiàn)不連續(xù), 在海底侵蝕區(qū)表現(xiàn)為局部缺失。與該地震單元對(duì)應(yīng)的DU1沉積層主要為一套含水量高、能量低、易侵蝕和易流動(dòng)交換的淺海相表層沉積, 主要巖性為細(xì)砂混雜泥質(zhì)沉積。

3.1.2 SU2地震反射特征及其地質(zhì)屬性

在淺地層剖面中(圖2), T2反射界面為一高振幅的侵蝕面, 可連續(xù)追蹤, 推測(cè)為強(qiáng)水動(dòng)力環(huán)境下形成的河流相沉積底界面, 與下伏地層呈假整合或角度不整合接觸(圖2)。此界面與T1反射界面延伸趨勢(shì)類似, 坡度較小, 呈近水平狀態(tài), 同相軸整體較平滑, 由岸向海埋深緩慢增大。

圖2 WZC05淺地層剖面解譯圖

DU2沉積單元是T1和T2反射界面所包含的地層, 以頂超方式超覆在其他地層之上, 遍布全區(qū), 該層厚度整體較小, 一般不超過9 m, 總體呈近岸薄、向海厚的特征。由于長(zhǎng)期受陸相河流作用的高能環(huán)境影響, 沉積層物質(zhì)混雜, 地震反射信號(hào)較亂(圖2)。

3.1.3 SU3地震反射特征及其地質(zhì)屬性

SU3地震單元的T3反射界面在研究區(qū)內(nèi)皆有顯示, 同相軸表現(xiàn)為振幅中等、連續(xù)性中等, 埋深介于7～20 m, 由岸向海埋深呈崎嶇狀逐漸增大, 推測(cè)為晚更新世末期、全新世初期高海平面發(fā)育的不整合面。

DU3沉積單元位于T2和T3反射界面之間, 整體顯示為弱振幅反射的地震剖面特征, 層內(nèi)反射以波狀或近平行層理為主, 因位置不同而呈現(xiàn)較大差異。該沉積單元呈現(xiàn)出近岸薄、遠(yuǎn)岸厚的特征(圖2), 厚度介于2～10 m。最薄處位于傅疃河口外側(cè), 形態(tài)上由河口處向海逐漸加厚。

3.1.4 SU4地震反射特征及其地質(zhì)屬性

SU4地震單元底部的T4反射界面同相軸具有振幅強(qiáng)、連續(xù)性差、起伏不平的特點(diǎn), 代表了沉積層物質(zhì)混雜、地震反射信號(hào)亂的特征。反射界面埋深介于10～40 m, 由岸向海埋深逐漸增大, 等值線與海岸線走向整體一致。

DU4沉積單元位于T3和T4之間, 層內(nèi)無明顯層間反射結(jié)構(gòu), 以雜亂層理為主。層厚介于2～25 m, 近岸厚度薄, 一般小于10 m, 遠(yuǎn)岸厚度較大, 介于10～25 m。

3.2 鉆孔巖芯地層特征

結(jié)合淺剖資料對(duì)研究區(qū)地層的揭示, 并綜合距離較近的WZK01和WZK02兩個(gè)鉆孔巖芯的巖性特征, 將研究區(qū)的海底地層劃分為4個(gè)主要沉積單元, 根據(jù)沉積物物質(zhì)組成和粒度參數(shù)特征, 將主要沉積單元又細(xì)分為亞單元(圖3、表3), 具體巖性描述如下:

DU1沉積單元: 上部沉積物主要為深灰色松散的細(xì)砂混雜泥質(zhì)沉積, 成分以石英和長(zhǎng)石為主, 具有腥臭味, 局部可見貝殼碎屑和礫石, 下部沉積物主要為黏土質(zhì)粉砂, 顏色為黃灰-灰色, 局部見黃棕色銹斑(圖4)。粒度測(cè)試結(jié)果顯示, 上部砂平均含量為71.94%, 下部粉砂平均含量為66.62%, 平均粒徑(mean grain size,z)平均值為4.66Φ; 分選系數(shù)(i)平均值為2.66, 分選差; 偏態(tài)(ki)平均值為1.56, 顯示出正偏態(tài); 峰態(tài)(g)平均值為3.13, 形狀非常尖銳, 說明物質(zhì)來源較為均一。

圖3 鉆孔WZK01-WZK02聯(lián)合剖面圖

表3 研究區(qū)地質(zhì)鉆孔巖芯各沉積單元沉積特征

續(xù)表

DU2沉積單元: 在兩處鉆孔中呈現(xiàn)的性質(zhì)略有不同。上部沉積物主要為黃褐色粉砂質(zhì)黏土, 含少量鈣質(zhì)結(jié)核和鐵錳氧化物結(jié)核, 見生物潛穴; 中部為黃褐色粗砂, 含少量黏性土, 砂顆粒呈次棱角狀, 但該層僅見于WZK01鉆孔中, 而在WZK02鉆孔中未有揭示(圖3); 下部為黃灰色細(xì)粉砂夾粉砂質(zhì)黏土, 含少量鐵質(zhì)氧化物及云母碎屑, 夾粉砂質(zhì)黏土薄層, 底部含少量粉砂, 該段巖性變化較大, 夾陸源碎屑?？傮w反映河流-河口相沉積特點(diǎn)。該沉積單元主要成分為粉砂(圖5、圖6), 約占56%～80%,z平均值為6.18Φ;i平均值為1.63, 分選較差;ki平均值為0.81, 表現(xiàn)為極正偏態(tài);g平均值為2.08, 形狀很尖銳, 粒度垂向變化較小, 顯示沉積環(huán)境較為穩(wěn)定。

DU3沉積單元: 上部為深灰色粉砂質(zhì)黏土, 灰黑色有機(jī)質(zhì)含量較高, 局部見棕色銹斑、貝殼碎屑和交錯(cuò)層理, 反映了海相沉積的特點(diǎn), 該層在WZK01鉆孔缺失(圖3)。中部為灰色粗砂, 含粒徑大于20 mm的礫石少許, 底部含少量貝殼碎屑, 砂顆粒呈次棱角狀, 反映了海陸交互相沉積的特點(diǎn)。下部為深灰色粉砂質(zhì)黏土, 灰黑色有機(jī)質(zhì)含量較高, 局部見棕色銹斑。該沉積單元主要成分為粉砂和黏土, 局部夾薄層粗砂,z平均值為6.76Φ;i平均值為1.72, 表現(xiàn)為分選較差, 分選系數(shù)在該層中表現(xiàn)為由上到下逐漸增大的趨勢(shì);ki平均值為0.33, 表現(xiàn)為極負(fù)偏態(tài);g平均值為2.08, 表現(xiàn)為很尖銳, 粒度垂向變化較大, 反映強(qiáng)弱水動(dòng)力條件交替出現(xiàn)的特征。

DU4沉積單元: 該沉積層主要由分選差的厚層粗砂-砂礫組成, 中間夾黏土層, 表現(xiàn)為粗砂與黏土互層的特點(diǎn)。上部為黃褐色粗砂, 含少量黏性土及較多粒徑大于20 mm的礫石, 砂顆粒呈次棱角狀, 顯示河流相沉積特點(diǎn); 中部為兩層薄層黏土夾厚層粗砂, 黏土為淺黃夾灰綠色, 含較多淺灰綠色黏土團(tuán)塊及鐵質(zhì)氧化物, 反映湖泊相沉積特點(diǎn), 粗砂為黃褐色, 砂不純, 含少量黏性土, 見較多粒徑大于20 mm的礫石、碎石, 砂顆粒呈次棱角狀。下部為黃褐色粉砂質(zhì)黏土和粗砂, 粉砂質(zhì)黏土中見少量鐵錳氧化物和炭質(zhì)斑點(diǎn), 偶見礫石, 粗砂中含少量黏性土, 砂顆粒呈次棱角狀, WZK02鉆孔27.5～ 27.9 m處, 見灰綠色黏土團(tuán)塊和炭質(zhì)斑點(diǎn)。該沉積單元主要成分為砂, 局部夾薄層黏土和粉砂(圖5、圖6),z平均值為4.73Φ;i平均值為2.54, 表現(xiàn)為分選差;ki平均值為0.79, 表現(xiàn)為正偏態(tài);g平均值為3.06, 表現(xiàn)為非常尖銳。巖芯中砂級(jí)組分在深度上的分布并不均勻, 主要集中在DU4沉積單元的頂部和底部, 分選系數(shù)在兩處的數(shù)值較大, 說明該沉積單元中沉積物分選較差、粒度垂向變化較大、砂與粉砂互層發(fā)育, 顯示沉積環(huán)境變化較大。根據(jù)該沉積單元的粒度特征、發(fā)育厚度及埋藏深度等特征, 推測(cè)其主要為末次冰期早冰階, 發(fā)育在古陸架上的河流-湖泊相沉積層及風(fēng)化層。

圖4 WZK02鉆孔部分巖芯照片

注: a、b:(Cushman); c、d:(Linnaeus); 巖芯長(zhǎng)度單位為m

圖5 WZK01鉆孔綜合柱狀圖

在DU4沉積單元的底部發(fā)育灰褐色強(qiáng)風(fēng)化層, 主要為砂礫石, 礫石呈次棱角狀, 礦物成分以石英、長(zhǎng)石及暗色礦物為主(表2)。由于該層沉積物粒徑較大, 未對(duì)粒度樣品進(jìn)行取樣分析。

選取不同沉積單元的代表性樣品通過概率累積曲線圖、頻率分布圖(圖7、圖8)進(jìn)行對(duì)比, 進(jìn)一步分析其沉積環(huán)境差異。概率累積曲線圖中, DU1、DU3沉積單元沉積物的搬運(yùn)方式主要表現(xiàn)為跳躍和懸浮, 跳躍組分含量在70%～90%, 斜率較大, 該組分粒徑集中在2～9Φ粒級(jí)區(qū)間, 曲線傾角主要呈近45°左右; 懸浮組分含量在10%～15%, 該組分粒徑集中在9～10Φ粒級(jí)區(qū)間。沉積物以跳躍組分為主, 較粗組分和較細(xì)組分含量很少, 沉積環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定, 反映離河口較遠(yuǎn)且水動(dòng)力條件較弱的濱淺海相沉積環(huán)境特點(diǎn)[20]。DU2、DU4沉積單元沉積物的搬運(yùn)方式除了跳躍和懸浮之外, 出現(xiàn)滾動(dòng)搬運(yùn), 滾動(dòng)組分含量在10%～25%, 組分含量粒徑集中在–2～–1Φ粒級(jí)區(qū)間; 跳躍組分含量在75%～ 95%, 斜率相對(duì)平緩, 組分含量粒徑集中在–1～9Φ粒級(jí)區(qū)間; 懸浮組分含量在5%～15%, 組分含量粒徑集中在9～10Φ粒級(jí)區(qū)間, 可知既有水動(dòng)力條件較強(qiáng)的河床相粗顆粒物質(zhì), 也有水動(dòng)力減弱的河口相細(xì)顆粒物質(zhì)[21], 沉積環(huán)境不穩(wěn)定, 表現(xiàn)為河流相沉積環(huán)境特點(diǎn)。

圖6 WZK02鉆孔綜合柱狀圖

圖7 WZK01(a)和WZK02(b)鉆孔巖芯沉積物概率累積曲線圖

圖8 WZK01(a)和WZK02(b)鉆孔巖芯沉積物頻率分布曲線圖

沉積物的頻率曲線特征是判斷沉積作用形式的重要手段之一, 頻率曲線的峰態(tài)變化反映了沉積作用形式的變化[20]。WZK01和WZK02鉆孔巖芯沉積物的頻率分布曲線主要表現(xiàn)為不對(duì)稱的雙峰或多峰類型(圖8)。WZK01、WZK02鉆孔巖芯中DU3沉積單元的樣品主要為雙峰, 峰值區(qū)間相對(duì)較窄, 主峰范圍位于5～7Φ之間, 主要成分為細(xì)顆粒的粉砂, 主峰在左側(cè), 次峰在右側(cè), 表現(xiàn)為弱水動(dòng)力條件的濱淺海相沉積環(huán)境[21]。

WZK01、WZK02鉆孔巖芯中DU2、DU4沉積單元的樣品主要表現(xiàn)為不對(duì)稱的多峰, 主峰位于–1Φ處, 對(duì)應(yīng)沉積物成分為細(xì)礫, 主峰在左側(cè), 次峰在右側(cè)。粒徑區(qū)間在–2～10Φ之間, 變化范圍較大。該類沉積物以峰態(tài)窄尖, 極正偏、細(xì)尾較長(zhǎng)為主要特征, 反映了較強(qiáng)水動(dòng)力條件的河流相沉積環(huán)境[21]。

為分析研究區(qū)內(nèi)沉積物沉積過程中的性質(zhì)變化, 將鉆孔巖芯中的部分樣品在-(: 累積曲線上顆粒含量1%處對(duì)應(yīng)的粒徑, 單位為μm;: 累積曲線上顆粒含量50%處對(duì)應(yīng)的粒徑, 單位為μm)圖中進(jìn)行沉積環(huán)境判別(圖9)。圖9中r代表最易作滾動(dòng)懸浮搬運(yùn)的顆粒粒徑;s代表遞變懸浮中最粗顆粒的粒徑;μ代表均勻懸浮中最粗顆粒的粒徑[22]。本次研究中, DU2和DU4部分樣品數(shù)據(jù),-圖的應(yīng)用結(jié)果不太理想, 其原因可能是采樣時(shí)出現(xiàn)了不同巖性的樣品混合情況, 在后續(xù)分析中進(jìn)行了排除。如-所示, DU2、DU4沉積單元樣品主要位于滾動(dòng)懸浮和均勻懸浮的區(qū)域, 少量位于遞變懸浮區(qū)域, 而位于-圖上部、值較大的樣品主要對(duì)應(yīng)于DU2、DU4沉積單元中平均粒徑介于1～3Φ的粗顆粒物質(zhì)細(xì)砂至粗砂, 為較強(qiáng)水動(dòng)力條件下的產(chǎn)物, 總體反映了DU2、DU4沉積單元樣品所處的河流沉積環(huán)境。DU1、DU3沉積單元樣品主要位于均勻懸浮的區(qū)域, 長(zhǎng)軸方向平行于=曲線, 反映弱水動(dòng)力條件的淺海沉積環(huán)境[23]。從DU2、DU4沉積單元樣品到DU1、DU3沉積單元樣品, 反映了沉積環(huán)境由河床、河口壩為代表的強(qiáng)水動(dòng)力條件向三角洲、淺海為代表的弱水動(dòng)力條件的轉(zhuǎn)變。各沉積單元所處的-圖位置與累計(jì)概率曲線圖、頻率分布曲線圖所顯示的結(jié)果一致, 說明研究區(qū)海底沉積物所處的沉積環(huán)境有河床、河口壩為代表的強(qiáng)水動(dòng)力條件和三角洲、淺海為代表的弱水動(dòng)力條件兩種不同類型。

3.3 海相地層分析

經(jīng)古生物樣品分析, 在研究區(qū)WZK01鉆孔孔深11.79～11.84 m處的深灰色粉砂質(zhì)黏土中發(fā)現(xiàn)了生活環(huán)境為淺海的浮游有孔蟲化石(sp.和sp.)[24-25]。在WZK02鉆孔孔深10.27～ 10.32 m處的深灰色粉砂質(zhì)黏土中也發(fā)現(xiàn)了生活在海灣淺水沉積環(huán)境中的底棲有孔蟲化石[26-27], 分別為(Cushman) (圖4a、b)嗜溫轉(zhuǎn)輪蟲和(Linnaeus)(圖4c、d)半缺五玦蟲。由于所取樣品在兩個(gè)鉆孔中所處的層位基本一致, 推測(cè)該層位對(duì)應(yīng)的DU3沉積單元為淺水沉積環(huán)境的海相地層。

圖9 鉆孔巖芯沉積物C-M曲線圖

在日照北部黃家塘灣海域HZK01鉆孔(圖1)孔深16.45～16.50 m處, 與DU3沉積單元對(duì)應(yīng)的深灰色粉砂質(zhì)黏土中采集AMS14C測(cè)年樣, 測(cè)得年齡為34.3 cal.ka B.P.(表2), 對(duì)應(yīng)于晚更新世 MIS 3階段的中晚期; 在WZK01鉆孔孔深11.79～11.84 m處的深灰色粉砂質(zhì)黏土中采集AMS14C測(cè)年樣, 測(cè)得年齡大于43.5 cal.ka B.P.(表2); 在WZK02鉆孔孔深10.27～ 10.32 m處的深灰色粉砂質(zhì)黏土中采集AMS14C測(cè)年樣(圖4), 測(cè)得年齡為41.4 cal.ka B.P.(表2), 對(duì)應(yīng)于晚更新世 MIS 3階段的中期。測(cè)年年齡總體對(duì)應(yīng)晚更新世末次冰期MIS3中的暖濕階段[28], 該時(shí)期發(fā)生了海侵事件, 形成了濱海-淺海相的沉積地層[29-30]。

4 沉積環(huán)境演化

前人研究表明, 晚更新世以來, 黃海經(jīng)歷了3次顯著的海侵和3次大規(guī)模的海退, 海平面發(fā)生數(shù)百米的波動(dòng), 導(dǎo)致了我國東部海陸環(huán)境的變遷[6, 31-34], 形成了較為復(fù)雜的海陸相交互沉積。氣候變化引起的海平面升降變化和物源變化是晚第四紀(jì)沉積環(huán)境的主要控制因素, 但不同時(shí)期的其他因素, 如地勢(shì)高低、河流入海、潮汐、海洋環(huán)流等也對(duì)局部沉積環(huán)境產(chǎn)生影響。

對(duì)比全球海平面變化和日照近岸及黃海海域施工的SYS0804和CSDP-2兩個(gè)鉆孔資料(圖10、圖11), 推斷日照東部海域晚更新世以來經(jīng)歷的主要沉積演化如下:

MIS6期(128～189 cal.ka B.P.), 為強(qiáng)海退的全球冰期低海平面時(shí)期[35], SYS0804鉆孔處表現(xiàn)為河流沉積(河漫灘)環(huán)境[8]。CSDP-2鉆孔處在該時(shí)期形成的陸相沉積被后期的海侵或河流侵蝕而消失[10], 被后期疊加的海相層覆蓋。而WZK01和WZK02鉆孔所在的日照近岸區(qū)域, 可能由于地勢(shì)較高而處于侵蝕狀態(tài), 導(dǎo)致MIS6沉積地層的缺失。

MIS5期(74～128 cal.ka B.P.), 海平面逐漸上升, 最高海平面時(shí)期要高于現(xiàn)今海平面, 發(fā)生了汪品先等提出的“星輪蟲海侵”[6], 最大海侵范圍比現(xiàn)代海岸線向西南推進(jìn)約125 km[37], SYS0804鉆孔附近發(fā)育近岸淺海沉積[8], CSDP-2鉆孔附近表現(xiàn)為淺水陸架區(qū)的冷水團(tuán)沉積[10], 兩者為同期的第三海相層。日照近岸的WZK02鉆孔附近也應(yīng)形成近岸淺海沉積, 而巖芯中未顯示該地層, 可能與該區(qū)所處地勢(shì)較高, 海相層被后期發(fā)育的河流侵蝕有關(guān)。

MIS4期(60～74 cal.ka B.P.), 海平面出現(xiàn)波動(dòng)性下降, 海水逐漸退出南黃海大部分區(qū)域, 直至低于現(xiàn)今海平面80 m左右[34, 38], 研究區(qū)沉積環(huán)境從早期的近岸淺海-濱海沉積向河流-湖泊沉積過渡, 形成陸相沉積地層。WZK02鉆孔處在這一時(shí)期對(duì)應(yīng)形成了DU4沉積單元, 厚度約20 m, 主要為黃褐色、淺黃夾灰綠色的粗砂、粉砂質(zhì)黏土、黏土, 含少量鐵質(zhì)氧化物和炭質(zhì)斑點(diǎn), 反映了由淺海-濱海沉積向河流-湖泊沉積的過渡沉積特征。SYS0804鉆孔處形成深灰色黏土質(zhì)粉砂夾細(xì)砂、粉砂質(zhì)細(xì)砂層, 見少量鈣質(zhì)結(jié)核, 為河流沉積環(huán)境的產(chǎn)物, 其厚度不超過10 m[8]; CSDP-2鉆孔處形成深黃灰色-深綠灰色以細(xì)砂為主的河流沉積, 厚度約5 m[10], 均遠(yuǎn)低于近岸區(qū)域?？赡苡捎谌照战秴^(qū)域地勢(shì)較高, 陸源物質(zhì)供應(yīng)充足且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng), 導(dǎo)致該沉積地層在WZK01、WZK02鉆孔的近岸區(qū)域要厚于SYS0804、CSDP-2鉆孔處的遠(yuǎn)岸區(qū)域(圖11)。

圖10 日照東部海域典型鉆孔分布圖(據(jù)文獻(xiàn)[1, 4, 36]修改)

MIS3期(24～60 cal.ka B.P.), 對(duì)應(yīng)全球性的高海平面時(shí)期, 南黃海發(fā)生了大規(guī)模的海侵, 汪品先等稱之為“假輪蟲海侵”[6], 這次海侵使得南黃海陸架全部被海水淹沒, 形成了廣泛發(fā)育的大面積的淺海-三角洲體系[36], 對(duì)應(yīng)研究區(qū)內(nèi)的第二海相層。WZK01、WZK02鉆孔處形成深灰色粉砂質(zhì)黏土夾灰色粗砂, 局部見棕色銹斑、貝殼碎屑和交錯(cuò)層理, 為淺海相沉積, 并發(fā)生了海陸交互作用, 黏土夾雜粗砂層位可能與古三角洲有關(guān), 對(duì)應(yīng)DU3沉積單元。HZK04鉆孔附近區(qū)域, 可能未沉積海相層或者后期遭受侵蝕和再沉積等過程, 在沉積層底部未見明顯的海相層[40]。SYS0804鉆孔處早期形成深灰-灰色黏土質(zhì)粉砂、潮汐層理發(fā)育的濱海-近岸淺海沉積, 中期形成由深綠灰-深灰色中砂、黏土質(zhì)粉砂夾粉砂-細(xì)砂組成的潮道充填沉積[8]; CSDP-2鉆孔處形成以深灰色-棕褐色粉砂和黏土質(zhì)粉砂為主的三角洲沉積[10]。在日照東部海域整體上總體呈現(xiàn)海相層由離岸深水區(qū)向近岸淺水區(qū)逐漸減薄至尖滅, 海侵強(qiáng)度逐漸減弱的趨勢(shì)(圖11)。

MIS2期(12～24 cal.ka B.P.), 海平面大幅度下降, 全球海面平均下降約130 m[41-42], 在此期間, 東海陸架外緣中北部發(fā)育3條古海岸沙堤, 分布在目前水下122～155 m[41]。日照東部大部分陸架海域暴露于地表, 河道廣泛發(fā)育[9], 形成河流相-河口相沉積層[34], 即DU2沉積單元, 同時(shí)河道下切老地層形成古河道[5]。而CSDP-2和SYS0804鉆孔附近區(qū)域缺失MIS2沉積, 推測(cè)該處位于河間高地, 可能由于地勢(shì)較高或沉積物較薄, 在后期的海侵過程中被侵蝕掉[10]。

MIS1期(現(xiàn)在～12 cal.ka B.P.), 全球氣候回暖, 海平面逐步上升, 潮流也逐漸成為南黃海陸架沉積動(dòng)力的主控因素[9]。全新世初期, 隨著海平面的上升, 陸架區(qū)的坡積物摻雜了其他陸源物質(zhì)被海水動(dòng)力再造, 形成了物理性質(zhì)復(fù)雜的濱海相沉積體[8, 10]。WZK01、WZK02鉆孔處形成以深灰色泥質(zhì)沉積或細(xì)砂混雜泥質(zhì)沉積為主的濱海相沉積, 對(duì)應(yīng)于研究區(qū)內(nèi)的第一海相層。該層在整個(gè)研究區(qū)沉積不穩(wěn)定, 近岸淺水區(qū)沉積較薄, 部分海底侵蝕區(qū)厚度很小, 甚至缺失, 離岸深水區(qū)沉積增厚。SYS0804鉆孔處是以灰黃、灰色細(xì)-中砂為主的濱?！皻埩簟背练e[8], CSDP-2鉆孔處形成以深灰-灰色粉砂層為主的濱岸-內(nèi)陸架沉積[10]。

圖11 日照東部海域典型鉆孔地層對(duì)比(據(jù)文獻(xiàn)[8-10, 39]修改)

5 結(jié)論

分析WZK01和WZK02鉆孔地質(zhì)巖芯資料, 將日照近岸海域晚更新世以來的地層劃分為4個(gè)主要的沉積單元, 從上往下分別為: 全新世濱海相深灰色細(xì)砂混雜泥質(zhì)沉積層DU1沉積單元; 晚更新世河流-河口相黃灰色粉砂質(zhì)黏土夾粗砂、粉砂層DU2沉積單元; 晚更新世淺海相深灰色粉砂質(zhì)黏土夾粗砂層DU3沉積單元; 晚更新世河流-湖泊相黃褐色粗砂夾黏土層DU4沉積單元。其中DU4沉積地層具有靠岸一側(cè)地層薄, 向海一側(cè)地層厚的趨勢(shì)。

日照近海海底地層中見含有有孔蟲化石的第二海相層, 形成年代主要介于34.3～41.4 cal.ka B.P., 對(duì)應(yīng)末次冰期MIS3的暖濕階段, 日照近海在該時(shí)期發(fā)生了海陸交互作用, 形成的黏土夾雜粗砂層位可能與古三角洲有關(guān)。

晚更新世以來日照東部南黃海海域主要經(jīng)歷了2～3次顯著的海侵和海退, 各區(qū)域因條件不同表現(xiàn)有所差異: 日照近岸淺水區(qū)主要表現(xiàn)為兩次海侵和海退, 發(fā)育兩個(gè)海相地層與兩個(gè)陸相地層, 分別對(duì)應(yīng)MIS1、MIS3和MIS2、MIS4時(shí)期; 日照東部深水區(qū)主要表現(xiàn)為三次海侵和海退, 發(fā)育三個(gè)海相地層與三個(gè)陸相地層。由于地勢(shì)較高和地層出露導(dǎo)致的侵蝕破壞等原因, 結(jié)合CSDP-2、SYS0804等鉆孔研究成果, 可以看出日照東部南黃海海域的海相層厚度總體表現(xiàn)為從離岸深水區(qū)域向近岸淺水區(qū)域逐漸減少的趨勢(shì), 部分地層出現(xiàn)尖滅消失。

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Analysis of stratigraphic configuration characteristics and sediment evolution since the Late Pleistocene in the offshore area of Rizhao

HAO Yi1, 2, CHONG Yan-fei1, 2, FENG Ying-ming1, 2, ZHANG Hao1, 2, ZANG Hao1, 2, YANG Fan1, 2, LI Guang-xue3, 4

(1. The First Exploration Team of Shandong Coalfield Geologic Bureau, Qingdao 266427, China; 2. Rizhao Marine Geology Academician Workstation, Rizhao 276800, China; 3. Key Lab of Submarine Geosciences and Prospecting Techniques, Ministry of Education, and College of Marine Geosciences, Ocean University of China, Qingdao 266100, China; 4. College of Marine Geosciences, Ocean University of China, Qingdao 266100, China)

Based on the comprehensive analysis of the geological drilling and shallow stratigraphic seismic profile data obtained from the offshore area of Rizhao, the authors studied the stratigraphic characteristics identification and sedimentary evolution environment rebuilding by comparing the results of other boreholes in the Continental Shelf of South Yellow Sea. The second marine layer containing foraminiferal fossils was discovered in the seabed strata. This layer may be related to ancient deltals. The dating results of the samples collected form the second marine layer show that the ages range from 34.3 to 41.4 cal. ka B.P., which indicates that the formation of the second marine layer occurred in MIS3. The stratum in Rizhao offshore area was divided into four main sedimentary stratigraphical units (DU1, DU2, DU3, DU4 from top to bottom). DU1 sedimentary unit is a littoral facies containing fine sand mixed with argillaceous deposits; DU2 sedimentary unit is river and estuary facies of silty clay intercalated with coarse sand and fine sand layer; DU3 sedimentary unit is shallow sea layer of dark gray silty clay with coarse sand; DU4 sedimentary unit is fluvial and lacustrine facies of coarse sand with clay. Two or three marine strata are mainly developed in the eastern sea area of Rizhao, corresponding to MIS1, MIS3, or MIS5. Regional differences due to different conditions, two transgressions and regressions happened in shallow water area of Rizhao coastal, and yet three transgressions and regressions in deep water area of eastern Rizhao. Due to the height of the terrain or erosion and destruction, it shows a decreasing trend of thickness for marine strata from offshore area to near-shore area, and some strata have disappeared.

sediment evolution; stratigraphic configuration; marine strata; Late Pleistocene; offshore area; Rizhao

Apr. 1, 2022

P736.2

A

1000-3096(2022)08-0015-17

10.11759/hykx20220401001

2022-04-01;

2022-04-16

國家自然科學(xué)基金創(chuàng)新群體項(xiàng)目(42121005); 山東省2019年度省級(jí)地質(zhì)勘查項(xiàng)目(201951); 山東省煤田地質(zhì)局2019年度科研專項(xiàng)獎(jiǎng)勵(lì)基金項(xiàng)目(201905); 山東省2021年部省合作地質(zhì)勘查項(xiàng)目(202157)

[National Natural Science Foundation of Innovative Research Groups, No. 42121005; The Provincial Geological Exploration Project of Shandong Province in 2019, No. 201951; Special Fund for Scientific Research Award of Shandong Coalfield Geologic Bureau in 2019, No. 201905; Geological Exploration Project of Cooperation between the Ministry of Natural Resources and Shandong Province in 2021, No. 202157]

郝義(1982—), 男, 山東淄博人, 碩士, 高級(jí)工程師, 從事礦產(chǎn)勘查和海洋地質(zhì)調(diào)查與研究, 電話: 0633-3212335, E-mail: chhy0533@163.com

(本文編輯: 叢培秀)