中國東部陸架第四紀(jì)沉積環(huán)境演化研究進(jìn)展與展望

姚政權(quán)，劉健，萬世明，劉焱光，易亮，劉建興，單新，喬淑卿，趙德博，肖國橋，王昆山，竇衍光，王中波，胥勤勉，石學(xué)法

1. 自然資源部第一海洋研究所，自然資源部海洋地質(zhì)與成礦作用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青島 266061

2. 青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國家實(shí)驗(yàn)室海洋地質(zhì)過程與環(huán)境功能實(shí)驗(yàn)室，青島 266237

3. 中國地質(zhì)調(diào)查局青島海洋地質(zhì)研究所，青島 266237

4. 中國科學(xué)院海洋研究所，中國科學(xué)院海洋與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青島 266071

5. 同濟(jì)大學(xué)海洋與地球科學(xué)學(xué)院，海洋地質(zhì)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092

6. 中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）地理與信息工程學(xué)院，流域關(guān)鍵帶演化湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430074

7. 汕頭大學(xué)海洋科學(xué)研究院，海洋災(zāi)害預(yù)警與防護(hù)廣東省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，汕頭 515063

8. 中國地質(zhì)調(diào)查局天津地質(zhì)調(diào)查中心，天津 300170

中國東部陸架及邊緣海（渤海、黃海和東海）位于西太平洋與亞洲大陸的過渡區(qū)，是海陸相互作用、物質(zhì)和能量交換頻繁和強(qiáng)烈的區(qū)域。亞洲大陸通過河流為主的源-匯系統(tǒng)向海輸送了全球約3分之2的碎屑物質(zhì)[1]，如此大量的陸源碎屑物質(zhì)輸入對(duì)陸架、邊緣海乃至全球大洋的沉積過程、生物地球化學(xué)循環(huán)和海洋生態(tài)系統(tǒng)演變都具有重要影響[2-4]。

新生代以來，東亞及相鄰海區(qū)的氣候和環(huán)境格局發(fā)生了重大變化，其中最為重要的是青藏高原隆升和西太平洋一系列邊緣海的形成[5]以及亞洲季風(fēng)系統(tǒng)的建立[6]。伴隨著上述一系列重大氣候和環(huán)境格局的更替，以黃河和長江為代表的東亞大河水系也經(jīng)歷了相應(yīng)調(diào)整[7-9]，這些重大氣候和環(huán)境格局變化對(duì)中國東部陸架及鄰近海域沉積過程及環(huán)境變化具有重要影響。此外，因中國東部陸架地勢平緩，該區(qū)沉積環(huán)境對(duì)海平面變化十分敏感。第四紀(jì)冰期-間冰期氣候旋回導(dǎo)致海平面波動(dòng)變化[10]，特別是中更新世以來變幅增加，最大可達(dá)百余米[11]。上述變化在中國東部陸架表現(xiàn)為以海侵和海退為主要特征的沉積層序[12-21]。因此，中國東部陸架沉積記錄了碎屑物質(zhì)從內(nèi)陸至海洋的源-匯過程，對(duì)深入理解新生代亞洲構(gòu)造變形、季風(fēng)系統(tǒng)演變、海平面變化與重大水系演化具有重要意義[5,22-24]。

但是，由于陸架區(qū)沉積物來源十分復(fù)雜，受海陸相互作用影響強(qiáng)烈，長尺度及高分辨率年代框架的建立較為困難，在一定程度上限制了對(duì)上述問題的深入理解。近年來，隨著中國各類海洋基礎(chǔ)調(diào)查專項(xiàng)的實(shí)施，在中國東部陸架區(qū)進(jìn)行了大量淺層鉆探并獲得了許多高質(zhì)量鉆孔（圖1、表1）[17,20,25-46]，基于對(duì)這些鉆孔巖心年代學(xué)、沉積學(xué)、礦物學(xué)、地球化學(xué)和微體古生物學(xué)等綜合研究，極大推動(dòng)了中國東部陸架沉積環(huán)境演化規(guī)律與機(jī)制研究進(jìn)展[4,19-21,31-34]。本文在回顧和總結(jié)上述研究的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)綜述中國東部陸架區(qū)第四紀(jì)以海侵-海退為主要特征的沉積環(huán)境變化，探討黃河和長江貫通的時(shí)代及控制因素，揭示陸架沉積環(huán)境變化及其與構(gòu)造、氣候和海平面變化的聯(lián)系。最后，簡要提出未來在中國東部陸架實(shí)施鉆探需重點(diǎn)關(guān)注的科學(xué)問題。

1 中國東部陸架沉積第四紀(jì)年代學(xué)研究

中國東部陸架區(qū)由于物源和沉積動(dòng)力復(fù)雜多變，精確可靠、高分辨率年代框架的建立較為困難。早在20世紀(jì)80年代，Qin[25]對(duì)取自渤海中部長度為240 m的BC-1鉆孔巖心進(jìn)行了古地磁和14C測年研究，得到鉆孔底部年代約為200 ka。此后直到最近十幾年，又有一系列位于中國東部陸架及沿岸的長鉆孔進(jìn)行了詳細(xì)的年代學(xué)研究，例如，渤海西岸長度均約為200 m的BZ1和BZ2鉆孔磁性地層學(xué)研究結(jié)果揭示了鉆孔底部年代分別為2.2 Ma[26]和3.2 Ma[27]。黃河三角洲平原長度約為400～500 m的CK3和G4鉆孔古地磁研究揭示了過去約5～7 Ma以來的沉積歷史[28]。渤海南岸3個(gè)長度為約200～400 m的鉆孔BH1、BH2和HLL02古地磁研究結(jié)果表明其底界年代可達(dá)上新世約3～5 Ma[29]。渤海北部沿岸孔深383 m的MT04巖石磁學(xué)和古地磁研究結(jié)果顯示底部年代為3.2 Ma[30]。渤海北部遼東灣長度均為約70 m的鉆孔JXC-1和YKC-2古地磁學(xué)研究表明，鉆孔沉積底部年齡分別為1.2 Ma和0.7 Ma[31]。渤海中部海域長度為200 m的TJC-1鉆孔磁性地層學(xué)結(jié)果顯示，鉆孔底部年代為2.28 Ma[32]。來自黃河三角洲北岸長度為200.3 m的鉆孔YRD-1 101古地磁研究結(jié)果揭示了過去1.9 Ma 的沉積歷史[33]。對(duì)渤海中部靠近渤海海峽長度為212 m的 BH08鉆孔磁性地層學(xué)研究顯示，該鉆孔底部年代約為1 Ma[34]。

關(guān)于黃海陸架第四紀(jì)沉積地層的年代，早在1989年就有學(xué)者開展了研究（如QC1和QC2孔），揭示了黃海陸架早更新世以來的沉積演化歷史[42]。葛淑蘭等[40]對(duì)南黃海進(jìn)尺為70 m的 EY02-2孔進(jìn)行了古地磁和巖石磁學(xué)研究，結(jié)果顯示鉆孔底部位于B/M 界限（年代為約0.78 Ma）。南黃海長度為125 m的 NHH01鉆孔磁性地層學(xué)研究結(jié)果表明，鉆孔底部年代為約1 Ma[41]。南黃海長度為300 m的CSDP-1鉆孔是目前黃海海域?yàn)閿?shù)不多的具有精確年代控制、且鉆穿第四紀(jì)地層的鉆孔之一，古地磁年代學(xué)研究結(jié)果表明，其底界年代為約3.5 Ma[33]。最近，劉健等[38]對(duì)南黃海鉆取深度達(dá)2 809.9 m的CSDP-2孔進(jìn)行了研究，推測該鉆孔底部時(shí)代為三疊紀(jì)至奧陶紀(jì)，古地磁學(xué)研究揭示了上部592 m沉積形成于5.2 MaBP以來。

圖1 文中提到的中國東部陸架主要鉆孔位置鉆孔信息見表1。Fig.1 Location of main cores on the eastern shelf of China mentioned in textDetailed information of these cores are listed in Table 1.

與渤海和黃海陸架相比，東海陸架區(qū)長序列鉆孔的年代學(xué)研究程度相對(duì)較弱。取自東海北部長度為153.6 m的ECS-DZ1鉆孔磁性地層學(xué)研究表明，鉆孔底部年代約為2 Ma，且存在較長時(shí)間的地層缺失[44]。應(yīng)用古地磁強(qiáng)度和環(huán)境磁學(xué)指標(biāo)，東海陸架長度為82.9 m的SFK-1鉆孔底界年代約為深海氧同位素MIS 6[45]。位于長江三角洲平原長度為172.3 m的CJ-1孔古地磁研究結(jié)果顯示，古地磁B/M界限位于鉆孔152.5 m處，根據(jù)沉積速率推測鉆孔底部年代約為0.89 Ma[43]。同樣位于長江三角洲陸上平原的Ch-1鉆孔（長度344.64 m）可劃分為下更新統(tǒng)、中更新統(tǒng)、上更新統(tǒng)和全新統(tǒng)4個(gè)沉積單元[47]。而其他位于長江三角洲平原的鉆孔，如FX、MFC、ZK9等沉積底界年代大多為晚第四紀(jì)以來[17,46]。

表1 文中提及的中國東部陸架主要鉆孔巖心信息Table 1 Detailed information of cores on the coastal area and the eastern shelf of China mentioned in text

需要注意的是，上述沉積地層年代框架的建立主要是基于磁性地層學(xué)方法，但該方法的優(yōu)勢是建立構(gòu)造尺度上的年代標(biāo)尺，而對(duì)更高分辨率，如軌道尺度上的年代卻顯得不足。為了獲得高分辨率地層年代框架，有研究者結(jié)合了天文調(diào)諧方法建立了渤海[34]和黃海[48-49]1 Ma以來軌道尺度年代框架（圖2、圖3），為探討冰期-間冰期陸架沉積環(huán)境演化奠定了年代學(xué)基礎(chǔ)。不過，海岸帶-陸架區(qū)沉積是一個(gè)十分復(fù)雜的沉積體系，在陸源物質(zhì)輸運(yùn)入海的沉積初期，由于波浪、潮汐和海流等多種因素的影響，導(dǎo)致沉積物侵蝕、搬運(yùn)和再堆積，因而在最終地層記錄中，沉積物最終保存量可能非常有限[50]。因此，理解沉積地層的連續(xù)性對(duì)準(zhǔn)確解釋沉積記錄十分重要。天文調(diào)諧方法在建立渤海和黃海沉積地層年代框架的成功應(yīng)用，也從另一方面說明了渤海和黃海海域的沉積地層至少在軌道尺度（4～10萬年）上是大致連續(xù)的[34]，即使在冰期低海面時(shí)期，這些區(qū)域的沉積物也并沒有被完全侵蝕掉。但是，在東海陸架的一些區(qū)域，冰期低位體系域河流相沉積會(huì)受到海侵時(shí)期浪、潮的再搬運(yùn)，從而形成海侵滯留[51]。因此，在應(yīng)用層序地層或氣候旋回地層的方法來建立沉積地層年齡框架時(shí)應(yīng)考慮具體海域環(huán)境變化的影響。

圖2 渤海BH08鉆孔天文調(diào)諧方法建立的年代框架[34]深海氧同位素曲線引自文獻(xiàn)[48]。Fig.2 The constructed chronology of core BH08 from the Bohai Sea using astronomical tunning methods [34]The record of marine oxygen isotope is from reference [48].

2 中國東部陸架第四紀(jì)沉積環(huán)境變化研究

迄今為止，中國東部陸架第四紀(jì)沉積環(huán)境演化研究具有代表性的工作主要集中在渤海和黃海海域，為理解陸架第四紀(jì)沉積環(huán)境變化提供了重要資料（圖4）。中國東部陸架大量的鉆孔研究顯示在第四紀(jì)期間，特別是晚第四紀(jì)以來該區(qū)普遍以海侵和海退沉積為主要特征，而且海侵-海退序列可與全球氧同位素分期對(duì)比[14,16,18-19,21,25,34,52-55]。早期關(guān)于中國東部海侵變化的研究主要集中在沿海平原和海岸帶，陸架區(qū)由于當(dāng)時(shí)鉆孔材料的缺乏而研究程度相對(duì)薄弱。早期研究表明，中國東部沿海平原第四紀(jì)以來普遍發(fā)育4個(gè)海侵層[13]，海侵層與陸相層分別形成于氣候溫暖期和氣候寒冷期。根據(jù)古地磁和14C年代數(shù)據(jù)推測，這四個(gè)海侵層自下而上分別對(duì)應(yīng)于深海氧同位素MIS9、MIS5、MIS3和MIS1[13]。基于渤海灣西岸60個(gè)鉆孔的沉積學(xué)和微體古生物研究結(jié)果，王強(qiáng)和李鳳林[14]認(rèn)為本區(qū)第四紀(jì)以來發(fā)生5次海水入侵事件。渤海灣南岸黃河三角洲S3孔沉積學(xué)研究結(jié)合古地磁、14C和ESR年代數(shù)據(jù)，表明中更新世晚期（約400 ka）以來該區(qū)發(fā)生了7次海侵-海退過程[56]。最近，王中波等[57]基于中國東部陸架28個(gè)晚第四紀(jì)鉆孔實(shí)測數(shù)據(jù)和高分辨率地震剖面的綜合分析，并結(jié)合前人發(fā)表的46個(gè)鉆孔資料，揭示了MIS 5以來中國東部陸架普遍存在3次海侵過程（MIS 5, MIS 3和MIS 1）。

圖3 黃海NHH01鉆孔天文調(diào)諧方法建立的年代框架[49]深海氧同位素曲線引自文獻(xiàn)[48]。Fig.3 The constructed age model of core NHH01 from the Yellow Sea using astronomical tunning methods[49]The record of marine oxygen isotope is from reference[48].

近年來，隨著古地磁、釋光等年代學(xué)技術(shù)的提高，中國學(xué)者對(duì)渤、黃海海域數(shù)個(gè)長尺度鉆孔巖心進(jìn)行了詳細(xì)的年代學(xué)和沉積環(huán)境變化研究。綜合萊洲灣南岸3個(gè)鉆孔的年代學(xué)和沉積學(xué)研究結(jié)果顯示，這一區(qū)域自200 ka以來發(fā)生了4次海侵，作者認(rèn)為這4次海侵分別形成于MIS1、MIS3—5、MIS6和MIS7[20]，其中發(fā)生在MIS6的海侵事件可能受到區(qū)域構(gòu)造活動(dòng)的影響[58]。渤海BH08鉆孔沉積學(xué)、微體古生物學(xué)和地球化學(xué)研究結(jié)果顯示[21,34]，渤海早更新世末期以來至少發(fā)生了10次海侵-海退變化（圖4），而且這些海侵沉積可與深海氧同位素指示的間冰期很好地對(duì)應(yīng)，并提出了間冰期海平面變化控制渤海海侵沉積的概念模型[21]。Yi等[29]通過對(duì)渤海南岸3個(gè)鉆孔記錄的沉積環(huán)境進(jìn)行綜合對(duì)比研究，認(rèn)為渤海在晚上新世以來主要以湖相沉積環(huán)境為主，“渤海古湖”的解體發(fā)生在約1 Ma以來，之后以海相和陸相交互沉積占據(jù)主導(dǎo)[29]。南黃海NHH01鉆孔沉積環(huán)境研究顯示，黃海陸架在過去1 Ma以來主要以海相沉積為主，只有在冰期極盛期如MIS10、MIS18和MIS20發(fā)育河流相沉積[41]。同樣來自南黃海的CSDP-1鉆孔沉積揭示了在3.5～1.66 Ma研究區(qū)以河流相為主，在1.66～0.83 Ma以潮坪相和河流相交互沉積為主要特征，而直至0.83 Ma，現(xiàn)代淺海與河流的交互沉積才開始主導(dǎo)這一區(qū)域的沉積環(huán)境變化[60]。南黃海中部隆起區(qū)CSDP-2研究揭示，從約5.2 ～1.7 Ma，研究區(qū)發(fā)育河流沉積；約1.7 Ma以來發(fā)生自新生代以來的首次海侵，此后的環(huán)境演化與CSDP-1鉆孔一致[38]。

上述研究結(jié)果表明，雖然不同海域的海侵次數(shù)及特征不盡相同，但總體上表現(xiàn)出海侵均發(fā)生于第四紀(jì)溫暖的間冰期，且在空間上呈現(xiàn)由陸向海方向海侵次數(shù)先增加后減少的變化規(guī)律[49]（圖4）。除此之外另一個(gè)明顯的特征是，中國東部陸架海侵沉積在空間上大范圍普遍出現(xiàn)的時(shí)間為早更新世末期（約1 Ma）[8,59]。比較而言，在東海陸架有關(guān)沉積環(huán)

境演化的時(shí)間尺度相對(duì)較短，主要以MIS5/MIS3至全新世為主[45-46,61-62]，且大多數(shù)記錄集中在長江三角洲平原地區(qū)。長江三角洲平原 FX 和 MFC 鉆孔沉積環(huán)境研究表明，晚第四紀(jì)以來該區(qū)共記錄了兩次海侵過程，分別形成于MIS5和MIS3，且在MIS5期受到河流作用的影響更為強(qiáng)烈[16,17]。從MIS3末期至末次盛冰期，海平面下降致使長江下切，造成陸架上廣泛發(fā)育呈長條形或扇形的下切河谷[63]，長數(shù)十至數(shù)百千米，寬數(shù)十千米，深約40～90 m[61]。隨著冰后期海平面逐步上升和可容空間的增加，在河谷內(nèi)充填了長江的河道、河漫灘、河口灣沉積體系，而后的進(jìn)積形成了現(xiàn)代長江三角洲[64]。

3 長江和黃河貫通入海時(shí)代研究

早始新世以來，伴隨青藏高原的階段性隆升，亞洲地形發(fā)生倒轉(zhuǎn)并呈現(xiàn)現(xiàn)今西高東低的地貌格局[5,22]。這一重大環(huán)境格局的變化導(dǎo)致亞洲水系發(fā)生根本性變化，黃河和長江雛形出現(xiàn)并最終貫通入海[7-9,65-66]。但是，對(duì)于黃河和長江貫通入海的時(shí)代及其機(jī)制，學(xué)術(shù)界仍存在不同的觀點(diǎn)（圖5）。長江流經(jīng)三峽的時(shí)間通常被視為長江貫通入海的重要標(biāo)志。前人應(yīng)用磷灰石裂變徑跡和低溫?zé)崮甏鷮W(xué)方法，認(rèn)為長江貫通三峽可能發(fā)生在始新世[66]。長江三角洲鉆孔沉積中獨(dú)居石年齡譜的研究表明，在上新世向第四紀(jì)轉(zhuǎn)折期，沉積物的物源發(fā)生了改變，表明長江貫通入?？赡馨l(fā)生在第四紀(jì)初期[67]。同樣取自長江三角洲巖心沉積中鋯石U-Pb年齡研究表明，上新世約3.2 Ma以來沉積物鋯石中出現(xiàn)大量來自長江上游物質(zhì)的信息，表明長江貫通的時(shí)間應(yīng)不晚于3.2 Ma[68]。Zheng等[7]根據(jù)長江下游沉積地層中鋯石U-Pb測年數(shù)據(jù)，認(rèn)為現(xiàn)代長江水系格局在早中新世（約23 Ma）就已形成，并強(qiáng)調(diào)了青藏高原隆升和季風(fēng)降水在此時(shí)的增強(qiáng)可能起了重要作用。

關(guān)于黃河的形成與貫通入海時(shí)代，同樣存在諸多爭議。早期研究中，有關(guān)黃河形成與演化的研究主要集中在黃河中、上游地貌學(xué)分析。前人通過對(duì)黃河流域各類地質(zhì)與構(gòu)造證據(jù)進(jìn)行綜合對(duì)比，認(rèn)為黃河早在始新世就呈現(xiàn)自西向東的水系格局[65]。根據(jù)地層學(xué)、地質(zhì)年代學(xué)和地貌資料，Craddock等[69]認(rèn)為，黃河的出現(xiàn)和上游盆地的整合發(fā)生在約1.8～0.5 Ma。三門峽是黃河流經(jīng)中下游入海前的最后一道峽谷，因此其切穿時(shí)間通常認(rèn)為是黃河貫通入海的時(shí)間?；谌T峽風(fēng)成沉積在約0.15 Ma粒度突然變粗和沉積速率增加，Jiang等[70]將這一變化歸因于黃河在此時(shí)切穿三門峽。根據(jù)三門峽黃土沉積序列的古地磁測年，Pan等[71]認(rèn)為黃河切穿三門峽入海的時(shí)間不晚于約1.2 Ma。與上述結(jié)論相似，Kong等[72]對(duì)三門峽河流階地和沉積序列應(yīng)用10Be/26Al測年和鋯石U-Pb年齡，認(rèn)為黃河切穿三門峽的時(shí)間為約1.3～1.4 Ma。最近，有學(xué)者通過對(duì)三門古湖沉積相的研究顯示，三門古湖由湖相沉積轉(zhuǎn)變?yōu)轱L(fēng)成沉積的年代為約1.6 Ma，說明黃河在約1.6 Ma前貫通三門峽[73]。對(duì)于探討黃河貫通入海時(shí)代，黃河下游及其入海后陸架區(qū)的沉積記錄非常關(guān)鍵。黃河三角洲鉆孔沉積元素地球化學(xué)研究結(jié)果顯示，在第四紀(jì)早期鉆孔沉積中的元素組成與現(xiàn)代黃河一致，認(rèn)為黃河在第四紀(jì)早期就已流入渤海[74]。Xiao等[9]通過對(duì)取自華北平原年代超過8 Ma的3個(gè)鉆孔沉積的鋯石年齡研究發(fā)現(xiàn)，大約從1.6 MaBP開始，3個(gè)鉆孔同時(shí)大量出現(xiàn)黃河中、上游的鋯石信息，表明黃河此時(shí)已經(jīng)貫通入海，將這些鋯石從中游和上游帶到下游沉積，這與來自三門峽沉積地層的研究[73]結(jié)論一致。渤海和黃海是黃河物質(zhì)的主要匯區(qū)，通過對(duì)取自渤海和黃海鉆孔沉積物黏土礦物及地球化學(xué)研究，發(fā)現(xiàn)這一地區(qū)在0.88 Ma發(fā)生了一次重要的物源轉(zhuǎn)變，表現(xiàn)為由渤海周邊近源的山地河流供給為主轉(zhuǎn)變?yōu)辄S河供給為主，由此認(rèn)為黃河至少在0.88 MaBP前就已貫通入海[75]。Zhang等[8]對(duì)南黃海陸架晚上新世以來的沉積序列進(jìn)行了沉積相、黏土礦物和Sr-Nd同位素組成等研究，發(fā)現(xiàn)在3.5～0.8 Ma物源主要來自于老長江物質(zhì)，而0.8 Ma以來主要來自于黃河，暗示黃河至少從中更新世就開始影響南黃海[8]，這一發(fā)現(xiàn)與Yao等[75]的認(rèn)識(shí)吻合。

圖5 不同研究顯示的長江（黑色）、黃河（綠色）貫通時(shí)代Fig.5 Timing of the integration of the Yangtze River (black bars) and Yellow River (green bars)

由此看來，目前學(xué)術(shù)界對(duì)長江和黃河貫通入海的年代仍沒有達(dá)成廣泛一致，而且對(duì)造成這些大河最終貫通入海的原因，究竟是氣候驅(qū)動(dòng)還是構(gòu)造控制，仍存在分歧[7-9,72-73,75]?！皹?gòu)造控制”觀點(diǎn)認(rèn)為，黃河或長江的最終貫通是由于青藏高原的隆升[7-8]，因?yàn)闃?gòu)造隆升加劇了中國“西高東低”這種地形和地貌格局，導(dǎo)致河流的侵蝕基準(zhǔn)面降低從而造成水系的溯源侵蝕加劇。“氣候驅(qū)動(dòng)”觀點(diǎn)主要強(qiáng)調(diào)了亞洲季風(fēng)降水和中更新世氣候轉(zhuǎn)型對(duì)河流水系的調(diào)整[9, 73, 75]。

4 中國東部陸架第四紀(jì)沉積環(huán)境與海平面、構(gòu)造和氣候變化的聯(lián)系

陸架沉積層序主要受控于沉積物供給和可容空間的相互平衡，而二者則與海平面、構(gòu)造、氣候變化及水動(dòng)力條件等密切相關(guān)。沉積物供給指河流從內(nèi)陸攜帶的沉積物，其產(chǎn)生及堆積過程受全球氣候、區(qū)域構(gòu)造活動(dòng)等因素的影響，而可容空間的變化主要取決于區(qū)域構(gòu)造運(yùn)動(dòng)（如隆升、沉降）和全球絕對(duì)海平面變化的雙重影響[76-77]。由于中國東部陸架區(qū)水深較淺且地形平緩，受海平面變化影響強(qiáng)烈，因此海平面變化是控制陸架沉積的重要因素，海平面升降變化及頻繁的海侵-海退對(duì)陸架沉積的改造作用顯著。在構(gòu)造穩(wěn)定期，海面快速上升造成可容空間增加，發(fā)育以低沉積物供給與高海面為特點(diǎn)的陸架沉積體系和地層堆疊樣式；在海平面下降的海退期，可容空間減少，有利于陸源沉積物向海進(jìn)積，發(fā)育以補(bǔ)給為主導(dǎo)的沉積體系[78]。

海平面變化研究表明，晚上新世以來的間冰期時(shí)期全球海平面呈逐漸降低的趨勢[79]。但中國東部陸架海侵變化研究顯示這一地區(qū)海侵規(guī)模和影響是加強(qiáng)的，陸架區(qū)大規(guī)模海侵發(fā)生在晚更新世以來[13,16,19,53,57,80]。從長時(shí)間尺度來看，渤海和黃海陸架海域的沉積記錄雖然顯示最早海侵發(fā)生在約1.7 Ma[37-38,59]，但在中更新世約1 Ma以前，這一區(qū)域以河湖相為主，直到中更新以來才出現(xiàn)海相和陸相交互沉積的特征[8,21,29,34,37-38,59]。上述變化與全球海平面變化的趨勢不完全一致，其原因可能受到中國東部持續(xù)下沉的影響[8,13,19,81-82]，因?yàn)樽酝淼谌o(jì)以來，中國東部陸架一直處于構(gòu)造下沉過程中[83]。進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，約1 Ma以來，南黃海陸架沉積序列主要以低頻（約100 ka）的海平面波動(dòng)為主，而在較淺的渤海沉積中除了有100 ka周期外，還存在高頻（約40 ka）的海平面變化信息（圖6）[49]。這一發(fā)現(xiàn)意味著中國東部陸架沉積環(huán)境整體受到了海平面變化的影響，不同海域地形和地貌的差別可能不足以導(dǎo)致海平面變化對(duì)沉積環(huán)境產(chǎn)生顯著的差異化影響。通過與印度尼西亞Sangiran地區(qū)和日本Osaka灣沉積記錄的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，約0.8～1 Ma大規(guī)模的海侵至少在東南亞沿海普遍存在[84-85]，這可能是由于中更新世轉(zhuǎn)型期后以100 ka為主導(dǎo)周期的高海平面持續(xù)時(shí)間加長造成的[49]。

上述結(jié)果表明，中國東部陸架區(qū)海侵-海退是在本區(qū)第四紀(jì)以來持續(xù)的構(gòu)造沉降背景下，由于冰期-間冰期海平面升降變化造成的。中國東部陸架區(qū)的研究結(jié)論與全球其他陸架區(qū)研究基本一致，均表明海平面變化是控制陸架沉積層序的重要因素[86-87]。來自新西蘭Wanganui盆地的研究表明，第四紀(jì)期間在海平面升降幅度達(dá)100多米的背景下，該地區(qū)普遍形成具有41 ka和100 ka周期的海侵與海退沉積旋回[88]，揭示了海平面變化在沉積層序形成中的主要控制作用。在美國東部新澤西陸架區(qū)IODP313航次鉆孔的微體古生物[89]、層序地層[90]和孢粉研究[87]進(jìn)一步證實(shí)了全球海面變化對(duì)陸架地層層序的絕對(duì)控制。

應(yīng)當(dāng)指出，雖然海平面變化在陸架沉積層序形成和環(huán)境演化中占重要地位，但其他因素如氣候變化也不容忽視。研究表明，氣候變化會(huì)導(dǎo)致沉積物供給發(fā)生改變，對(duì)沉積層序可能產(chǎn)生強(qiáng)烈的改造[91]。例如，即使在海平面上升期間，突然增加的陸源物質(zhì)輸入也可能在淺海陸架形成以進(jìn)積為主的陸相沉積體系；而在海平面下降時(shí)期，若陸源物質(zhì)供給嚴(yán)重不足也可以形成退積型海相沉積體系[76]。上述情形均會(huì)造成地層記錄與海平面變化之間的不一致。由于陸架沉積是包含海平面、氣候驅(qū)動(dòng)的沉積物供給、區(qū)域構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、水動(dòng)力變化等因素綜合作用的結(jié)果，因此要區(qū)分出陸架沉積中諸如海平面、氣候等因素如何影響沉積層序并非易事。

由于中國東部廣大區(qū)域處于東亞季風(fēng)的影響下，季風(fēng)降水是調(diào)控該區(qū)水文循環(huán)的主要因素，并通過影響水系徑流變化從而改變流域內(nèi)碎屑物質(zhì)產(chǎn)生和搬運(yùn)。據(jù)此可以推測，中國東部陸架沉積中應(yīng)當(dāng)記錄了季風(fēng)氣候變化的信息。最近，我們對(duì)渤海BH08鉆孔粒度進(jìn)行深入分析，獲得了分別代表粗粒組分的 PC1（31～500 μm）和代表細(xì)粒組分的PC2（18～66 μm）兩個(gè)主成分[92]。周期分析結(jié)果顯示，PC1具有以海平面變化為特征的100 ka和40 ka主周期，而PC2除了具有上述兩個(gè)周期外，還表現(xiàn)出顯著的20 ka周期[92]（圖7）。由此推測PC1主要受海平面變化的影響，而PC2則受季風(fēng)降水和海平面變化的共同控制。這一現(xiàn)象清晰揭示了季風(fēng)變化控制了中更新世以來渤海沉積物的供應(yīng)[92]，且海平面變化及水動(dòng)力作用會(huì)進(jìn)一步改造入海沉積物的分布和輸運(yùn)。

圖6 渤、黃海陸架軌道尺度沉積環(huán)境變化[49]海平面變化曲線引自文獻(xiàn)[86]。Fig.6 The sedimentary environmental change at orbital timescale in the Bohai Sea and Yellow Sea[49]The sea-level curve is from reference[86].

5 中國東部陸架鉆探展望

總體而言，目前在中國東部渤、黃、東海陸架地層完整鉆穿第四紀(jì)的記錄還很少，能夠覆蓋新生代的記錄幾乎沒有，因而對(duì)陸架邊緣海地質(zhì)環(huán)境演化與亞洲構(gòu)造變形、季風(fēng)系統(tǒng)演化、海平面變化、重大水系建立與調(diào)整等一系列重要地質(zhì)事件的耦合機(jī)制還不清楚。國際大洋發(fā)現(xiàn)計(jì)劃（International Ocean Discovery Program, IODP, 2013—2023）及其前身（ODP、DSDP等）是地球科學(xué)史上規(guī)模最大、影響最深、合作成效最為顯著的國際合作研究計(jì)劃。從1998年中國正式加入IODP以來，以中國科學(xué)家為主導(dǎo)實(shí)施了南海4個(gè)鉆探航次ODP184(1999年)、IODP349（2014年）和IODP367/368/368X（2017年）。然而直到目前，在中國東部渤、黃、東海內(nèi)陸架還沒有實(shí)施大洋鉆探。雖然在2013年實(shí)施的以日本海為主題的IODP346航次在沖繩海槽北部鉆取了兩個(gè)站位，但其底界年代僅為約0.4 Ma[95]。因此，在中國東部陸架亟需開展深部鉆探與綜合研究工作，將有助于顯著提升我們對(duì)前述一系列重大科學(xué)問題的認(rèn)知。

圖7 渤海BH08鉆孔沉積粒度揭示的海平面與東亞夏季風(fēng)變化[92]石筍氧同位素曲線引自文獻(xiàn)[93]，北半球65度夏季太陽輻射數(shù)據(jù)引自文獻(xiàn)[94]。Fig.7 Changes in grain size of BH08 sequence and implication for sea level and East Asian summer monsoon[92]Stalagmite δ18O record is from reference [93] and summer insolation at 65° N is from reference[94].

20世紀(jì)90年代，在中國還未正式加入IODP之前，石學(xué)法[96]已詳細(xì)闡述了中國邊緣海開展大洋鉆探的重要意義，提出古黑潮演變與陸海相互作用、長江/黃河入海時(shí)代對(duì)沖繩海槽沉積環(huán)境的影響、陸架沉積作用對(duì)古季風(fēng)和青藏高原隆升的響應(yīng)以及海平面變化等一系列科學(xué)問題。鄭洪波[97]從海陸對(duì)比和海陸相互作用的視角，提出研究中國新生代宏觀地質(zhì)格局變化、青藏高原隆升、西太平洋邊緣海擴(kuò)張和亞洲季風(fēng)系統(tǒng)的建立是中國科學(xué)家參與IODP計(jì)劃的優(yōu)勢所在。隨后，于2007年提交了在長江中下游和東海陸架盆地實(shí)施大洋鉆探的建議書（IODP第683號(hào)建議書），主要目標(biāo)是揭示長江歷史和東亞季風(fēng)演化，并為青藏高原的演化提供新證據(jù)[24]。

時(shí)隔二十多年，現(xiàn)在看來上述問題仍是中國東部陸架研究的主要科學(xué)目標(biāo)，許多重大科學(xué)問題并未得到解決。這其中，尤以陸架邊緣海地質(zhì)環(huán)境演化與亞洲構(gòu)造隆升、季風(fēng)系統(tǒng)演化、海平面變化、重大水系調(diào)整的耦合機(jī)制最為突出，不但對(duì)深入理解新生代東亞地質(zhì)環(huán)境和氣候格局演化具有重要意義，而且也是未來在中國東部陸架區(qū)進(jìn)行大洋鉆探的重點(diǎn)研究方向。此外，陸架邊緣海雖然只占全球海洋面積的8%，但貢獻(xiàn)了全球海洋有機(jī)碳埋藏通量的80%以上，而中國東部近海有機(jī)碳埋藏又占全球邊緣海沉積碳埋藏的約10%[98]。因此，中國東部陸架是重要的有機(jī)碳儲(chǔ)庫，在區(qū)域和全球碳循環(huán)中發(fā)揮了重要作用。在新生代東亞構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、氣候和海平面協(xié)同演變背景下，中國東部陸架沉積源-匯過程及有機(jī)碳埋藏如何影響及反饋區(qū)域及全球氣候變化也是開展陸架科學(xué)鉆探應(yīng)關(guān)注的研究內(nèi)容。

此外，還應(yīng)加強(qiáng)海陸對(duì)比研究。青藏高原的隆升和東亞邊緣海的形成促成了從陸地到海洋這一全球最大沉積源-匯系統(tǒng)的形成，大量陸源物質(zhì)從亞洲大陸輸運(yùn)到太平洋和印度洋，其中絕大部分物質(zhì)堆積在陸架邊緣海。陸源物質(zhì)從源到匯的輸運(yùn)過程成為聯(lián)接內(nèi)陸和海洋過程的關(guān)鍵紐帶。因而，與國際大陸科學(xué)鉆探計(jì)劃（International Continental Scientific Drilling Program，ICDP）結(jié)合起來，選取合適區(qū)域，如長江下游盆地-東海陸架閩浙隆起-沖繩海槽實(shí)施海陸斷面聯(lián)合鉆探，開展新生代東亞大陸從源到匯過程、青藏高原隆升與東部陸架邊緣海形成的關(guān)聯(lián)機(jī)制、東亞季風(fēng)-海平面變化對(duì)陸架沉積層序的影響等研究，加強(qiáng)上述海陸對(duì)比研究對(duì)深入認(rèn)識(shí)新生代東亞構(gòu)造和地貌演化、亞洲邊緣海形成、季風(fēng)與水系演化、海平面變化及有機(jī)碳埋藏的耦合機(jī)制具有重要意義。

6 結(jié)語

本文回顧了前人在中國東部陸架（渤海、黃海和東海）獲得的長序列沉積巖心的相關(guān)研究，結(jié)合最近二十年來中國海洋專項(xiàng)新獲得的數(shù)據(jù)資料和研究成果，闡述了中國東部陸架區(qū)沉積環(huán)境變化及其與區(qū)域構(gòu)造、海平面和東亞季風(fēng)氣候變化的聯(lián)系機(jī)制；基于目前在長江、黃河流域及東部陸架區(qū)開展的沉積物源研究，討論了長江和黃河貫通入海的可能時(shí)代及控制因素；針對(duì)目前中國東部陸架能夠揭示新生代演化歷史的沉積記錄非常缺乏這一現(xiàn)狀，提出在中國東部陸架開展陸架鉆探的重要意義和必要性，并且將新生代以來陸架地質(zhì)環(huán)境演變與東亞構(gòu)造歷史、季風(fēng)系統(tǒng)演化、海平面變化、重大水系調(diào)整及陸架有機(jī)碳埋藏的耦合機(jī)制作為陸架鉆探的重點(diǎn)科學(xué)目標(biāo)。