西沙群岛及其海域的海底地形是在前寒武纪变质岩基底长期裸露，经受剥蚀的地形基础上发育起来的^[9-13]。灰砂岛沉积主要在新生代晚期发育，西沙群岛已知的31个岛屿中，除高尖石岛与火山作用相关外，其余都为碳酸盐岛屿^[14]，大部分岛屿出露的沉积物有珊瑚礁灰岩，贝壳、珊瑚砂砾岩、松散的白色贝壳、珊瑚砂砾岩、鸟粪贝壳珊瑚砂^[5]。西沙群岛长期受到东亚季风气候的影响，夏天以从海洋吹向大陆的西南风为主，热带低压气旋影响下经常出现台风，冬天以来自内陆的东北季风为主^[8]，在灰砂岛的冲蚀和堆积作用中发挥着重要作用^[2]。研究区所在的宣德环礁位于海南岛南偏西方向约180海里，在我国的南海战略中扮演着重要的角色。礁盘上发育有赵述岛、北岛、中岛、南岛、永兴岛、石岛6座灰砂岛(图 1)。其中永兴岛及石岛是三沙市政府所在地，有常住渔民；赵述岛是七连屿工委所在地，有常住渔民；北岛上也有渔民定居。永兴岛和石岛上的钻井揭示在大约19.08m(西科1井)、24.68m(西石1井)、17.72m(西永2井)的珊瑚碎屑砂岩下为原地珊瑚礁格架灰岩，说明西沙宣德环礁灰砂岛是在礁坪的基础上发育起来的^[14-17]。宣德环礁的灰砂岛中，除了石岛经表生成岩作用固结外，其余灰砂岛都是由生物砂砾堆积而成。大多数灰砂岛发育于环礁的礁坪上，且岛屿的长轴方向与所在礁坪的延长方向大多一致^[5]。石岛上的风成石灰岩和化石土壤层多次频繁交替出现，反映末次冰期气候的干、湿变化^[15]。

2015年9月，本次研究在南岛南端的沙嘴处取了1根柱状样，样长1.20m。取样使用透明PVC管，人力垂直砸入沙滩并挖出。将PVC管两头封好塞子，进行现场描述后，封装运回室内，按照0.1m的间隔取样，送至美国Beta实验室进行AMS¹⁴C测试，并将结果进行2 SIGMA校正，取样深度及测试结果见表 1。

本次在永兴岛南侧靠近机场跑道的位置施工了一口地质浅钻SSZK1(大体位置见图 1)，孔深55.92m。岩心经现场岩性描述后，封装运回室内进行岩心纵剖工作，在不同的深度位置共选取了16个年龄测试样品，其中AMS¹⁴C测年样品8个，送至美国Beta实验室进行测试，并将得到的结果进行2 SIGMA校正；U系测年样品8个，送至中国科学院地质与地球物理研究所铀系年代学实验室进行测试，具体的描述及测试结果见表 2。由于¹⁴C的半衰期限制，测试的范围上限大体位于距今40ka左右，所以在18.39和24.30m深度的样品已经超出了测试范围。何起祥、张明书等(1986)的研究表明，在西沙珊瑚礁区，¹⁴C测试年龄偏小，而U系测试年龄则偏大^[18]，本文所测的结果也显示同一点的U系测年结果比¹⁴C测年结果大，但在小于1万年的结果中，我们采用¹⁴C测年结果。

宣德环礁自北向南共有赵述岛、北岛、中岛、南岛、石岛、永兴岛6座灰砂岛。本次在上述岛屿进行了1:2000的地质调查，地质点按照网格化布设，点距为50m。本次野外露头考察主要描述地质点的地貌、地层岩性、物理地质等现象，岩石的颜色、结构、矿物成分、粒度等外貌特征，并描述沿途地质特征，在具有代表性的观测点采取样品(图 2)。对于形成于潮间带的海滩岩，本次并没有采样进行测年，只能参考卢演俦等的研究成果^[2,19]，认为其形成于千年以内，属于晚全新世地层。

图  2  岛屿野外及露头照片

Figure 2.  Photos of islands and outcrops

宣德环礁出露水面的部分可分为两个礁盘，即七连屿礁盘和永兴岛礁盘，本文所探讨的岛屿中赵述岛、北岛、中岛、南岛位于七连屿礁盘的中部(图 1)，4个岛屿的位置比较集中，地形平缓，地质情况比较接近。地表出露2套全新统地层，其靠岛内一侧的地层岩性为灰白色松散、未胶结成岩的鸟粪珊瑚砂屑灰岩，未在岛中部发现磷质胶结的珊瑚砂岩或砾岩。根据在南岛和永兴岛所钻的两口柱子，表层3m以内未固结的鸟粪珊瑚砂屑灰岩年龄都在2000年以内(表 1、表 2)，说明该套地层属晚更新世沉积。靠海一侧的全新世地层岩性为固结的珊瑚砾屑灰岩(海滩岩)和松散的贝壳珊瑚砂砾；卢演俦等认为西沙群岛各岛屿周围的海滩岩属于全新统晚期产物^[5]，在海滩岩中还发现有废钢铁、破罐子、碎玻璃胶结在其中，因此，陈俊仁等将其归结于现代沉积物^[19]。因此，各个岛屿上出露的地层大部分是全新世晚期的沉积物，除了以上2套全新世地层外，在石岛还发育晚更新世晚期生物碎屑灰岩。

赵述岛平面上呈不规则椭圆形，长轴为北东东—南西西向，长约718m，短轴为北西—南东向，长约368m。岛屿面积约19.23hm²，地表出露2套全新世地层(图 3A)。

图  3  七连屿灰砂岛沉积地层分布图

Figure 3.  Geological maps of coral island of Qilianyu Shoal

全新世未固结的珊瑚砂屑灰岩地层发育面积约16.91hm²，占岛屿87%的面积。灰白色，松散，主要成分以珊瑚砂屑为主，未见固结成岩的地层。地层延展方向为北东-西南，东北部的地层短轴方向长度更长，西南部的则较短，推测受到季风控制作用较强，且东北季风作用更强烈。

该地层主要分布在岛屿的北、西、南侧的潮间带中部及下部，向海中倾斜，倾角约10°。在赵述岛的东半部分呈半包围形状，分布面积约2.32hm²。该珊瑚砾屑灰岩属于海滩岩，表面呈褐灰色，新鲜断面呈灰白色，生物碎屑为块状构造，分选差。海滩岩在东北侧即礁盘靠海一侧更发育，优于西南侧即礁盘内侧靠潟湖方向，其原因是靠海一侧的波浪作用较强。

北岛平面上呈纺锤形，长轴为近北西—南东向，长约1478m，短轴为近北东—南西向，长约274m，岛屿面积约30.46hm²，地表出露2套全新统地层(图 3B)。

晚全新世未固结的鸟粪珊瑚砂屑灰岩地层主要为灰白色，松散，主要成分以珊瑚砂屑为主。岛屿大部分地区地表发育此地层，发育面积约29.51hm²，占岛屿的96.8%左右。该地层展布的方向与礁盘的展布方向一致，但是在迎风面的海岸线长度短于背风面的海岸线，说明在迎风面一侧的剥蚀作用强，海岸线短而平直，而背风面一侧更有利于该地层的保存，海岸线长而弯曲。

珊瑚砾屑灰岩属于海滩岩，表面呈褐灰色，新鲜断面呈灰白色，生物碎屑为块状构造，分选差(图 2A)，主要分布在岛屿南北两侧的潮间带中部及下部，向海倾斜，倾角约10°；该地层在北岛的北侧分布约0.96hm²，南侧分布约0.44hm²，迎风面一侧海滩岩发育优于背风面一侧，说明迎风面一侧的波浪作用强烈。

中岛平面上呈近椭圆形，长轴为近北西-南东向，长约593m，短轴为近北东—南西向，长约230m，岛屿面积约11.04hm²，地表出露2套全新世地层(图 3C)。

该地层沉积物为灰白色，松散，主要成分以珊瑚砂屑为主。岛屿大部分地区地表发育此地层，发育面积约10.14hm²，占岛屿面积的91.8%左右。该地层在迎风面和背风面的海岸线长度大致相等，地层发育较对称，说明在该区南北两侧的风力、水动力条件较一致。

珊瑚砾屑灰岩表面呈褐灰色，新鲜断面呈灰白色，生物碎屑块状结构，块状构造，分选差(图 2B)，主要分布在岛屿的东北和西南两侧的潮间带中部及下部，向海中延伸，倾角约10°；该层位在中岛的东北侧分布约0.49hm²，西南侧分布约0.41hm²，两侧海滩岩发育程度相近，发育均较连续。

南岛柱状样测年样品采样间距为0.1m，测得的最老年龄为BP1865，揭示了该岛中部出露的晚全新世未固结的鸟粪珊瑚砂屑灰岩地层，可以发现其地层倒转现象严重，说明灰砂岛沉积在百年尺度内沉积过程中搬运改造机制复杂，严重受到风力、水动力的改造，其沉积序列不适合在百年尺度内研究(表 1)。该岛平面上呈梭形，长轴为北西—南东向，长约854m，短轴为北东—南西向，长约158m，岛屿面积约10.13hm²，地表出露2套全新世地层(图 3D)。

该地层发育面积约9.42hm²，占整个岛屿面积93%左右，沉积物岩性以灰白色、松散的珊瑚砂屑为主。该地层北侧由于缺少海滩岩的阻挡，东南部迎风面一侧受到剥蚀而成港湾状，从形状上看和北岛特征一致，迎风面一侧的剥蚀作用强，海岸线短而平直，背风面一侧海岸线长而弯曲。

该岛的晚全新世海滩岩特征与其他岛屿一致，主要分布在岛屿的东北和西南两侧的潮间带中部及下部，向海中延伸，倾角约10°；该地层在南岛的东北侧分布约0.44hm²，西南侧分布约0.28hm²，可以看出迎风一侧的海滩岩更发育而使海岸线更加平直，在海滩岩断开处则海岸线成港湾状，背风一侧海滩岩发育相对较少，海岸线则更弯曲。

永兴岛上的SSZK1钻孔在18.39m处钻遇了松散的珊瑚砂之下的珊瑚礁硬底，其生长年代为69779±274aBP(MIS4冰期)，是一个重要的暴露界面, 而灰砂岛沉积形成于该暴露面之上。对18.39m以下的原地珊瑚礁U系测年结果可以发现，钻遇的珊瑚礁大部分形成于MIS5、MIS7、MIS9、MIS11间冰期，反映了晚更新世期间碳酸盐岩台地明显受到冰期-间冰期旋回的海平面变化的控制。

石岛上的最老的晚更新世灰砂岛沉积年代为58500aBP^[4,7]，基本上可以断定宣德环礁的灰砂岛沉积最早是MIS4冰期暴露时开始形成，且主要分布在石岛。SSZK1钻孔13.43m处的测年结果为6480±30aBP，说明中全新世以来永兴岛就开始发育灰砂岛沉积，但其形成年代不早于69779±274aBP(表 2)。进行¹⁴C测年的采样间距大约为1m，测量的地层年龄只有一个发生倒转，可见该区可能是灰砂岛沉积期次间相互影响较少，或者是因为增大取样间距减少了地层倒转的概率。按照其沉积速率和沉积过程，可将这段灰砂岛沉积时期划分为淹没期、初始期、扩张期和稳定期(表 2)。淹没期为浅水礁坪生长时期，开始时间为晚更新世末MIS4期，是形成灰砂岛的基础时期。初始期为灰砂岛沉积的关键时期，开始时间为中全新世，沉积速率为0.14167~0.29444cm/a, 其沉积速率要足够大以至于能形成一定规模的珊瑚砂沉积物，在礁坪中停留，不至于被海浪带走。扩张期开始时间为2130±30aBP，沉积速率为0.53~0.548cm/a，该期是灰砂岛岛屿的建设期，其岛屿规模不断壮大。稳定期开始时间为1680±30aBP，沉积速率为0.09404cm/a，该期岛屿面积变化较小。

永兴岛与石岛原本是2个岛，相距约800m，近年来由于永兴岛机场跑道的修建以及填海造地，两个岛已连接为一个岛。平面上呈不规则形状，长轴为近东西向，长约3191m，短轴为近北西-南东向，长约1576m，面积约3.01km²，地形平缓。地表除机场跑道及填海造地的地区之外，出露3套地层(图 4)。

图  4  永兴岛-石岛灰砂岛沉积地层分布图

Figure 4.  Geological map of Woody Island and Shidao Island

该地层主要分布在石岛上，分布面积约6.39hm²，普遍认为是风成沉积，灰白色，由分选很好的珊瑚、贝壳等生物碎屑组成，砾径0.1~0.8mm，未见砾石成分，接触式胶结，块状构造。层理发育，交错层理随处可见(图 2C)，于石岛东南侧(图 4紫色三角星处)可见发育的根管结构(图 2D)。该地层的东北部在短轴方向长度比西南部小，说明该地层在迎风面受到的冲蚀作用更强烈。

永兴岛大部分地表发育此地层，发育面积约1.73km²。灰白色，松散，主要成分以未胶结成岩的珊瑚砂屑为主。

永兴岛海滩岩主要分布在公路西侧的潮间带中部及下部，向海倾斜，倾角约10°；分布面积约2.57hm²，岩石表面呈褐灰色，新鲜断面呈灰白色，生物碎屑呈块状构造，分选差。但由于目前正在填海造地，该地层可能会被覆盖。

灰砂岛的形成主要受气候背景的影响，还受海岸地貌及碳酸盐岩生产力的制约，在海平面高位期发育更好^[20]。对宣德环礁的6个灰砂岛研究显示灰砂岛的发育形状受到季风、海岸地貌和海平面的影响显著。大部分灰砂岛沉积在海水高位期的全新世发育，并且由于迎风区的风力和水动力强，灰砂岛受到的冲蚀作用也强，但迎风区的海滩岩面积相对大且连续，对岛屿内部的中全新世地层又具有保护作用。在迎风面海滩岩不发育的地方，灰砂岛内部的珊瑚砂可能会被冲蚀，如南岛。迎风区的海滩岩较发育且连续，轨迹平直，导致迎风面的海岸线平直且短，背风面海滩岩发育不连续，且沉积物易保存，使得背风面的海岸线轨迹弯曲且长，如北岛和南岛。若迎风面和背风面的风力和水动力条件相当，则发育成类似中岛形状的灰砂岛。

(1) 南岛钻孔揭示灰砂岛在百年尺度沉积过程中的搬运改造机制复杂，灰砂岛不同期次间沉积相互混杂，不利于开展百年尺度的灰砂岛沉积研究，从而难以揭示过去的沉积过程及其反映的古环境古气候信息。永兴岛SSZK1钻孔揭示晚更新统的主要岩性以18.39m为分界线，其下为珊瑚礁灰岩硬底，其上为珊瑚、贝壳生物碎屑的松散沉积物，更新统与全新统的分界面可能在18.39m。永兴岛灰砂岛沉积时期可划分为淹没期、初始期、扩张期和稳定期。

(2) 在宣德环礁的6座灰砂岛上主要发育有3套地层，分别是晚更新世风成沉积、全新世未固结的鸟粪珊瑚砂屑灰岩和全新世海滩岩和松散的贝壳珊瑚砂砾。灰砂岛的形状受到季风和海岸地貌的影响显著，其中主要是通过控制海滩岩的发育来影响灰砂岛形状，除中岛以外，其他岛屿在迎风面和背风面一侧的发育特征不一。

(3) 结合钻孔分析和岛屿露头观测结果，基本上可以断定宣德环礁的灰砂岛沉积最早是在MIS4冰期暴露时期开始形成，且主要分布在石岛；海水高位的间冰期是珊瑚礁发育的主要时期，在中全新世和晚全新世开始快速发育灰砂岛沉积。