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苏北LYK钻孔千年以来的沉积记录及古环境演化

齐晓婕 黄宝琦 秦亚超 刘嘉栋

齐晓婕, 黄宝琦, 秦亚超, 刘嘉栋. 苏北LYK钻孔千年以来的沉积记录及古环境演化[J]. 海洋地质与第四纪地质, 2021, 41(3): 33-43. doi: 10.16562/j.cnki.0256-1492.2020091901
引用本文: 齐晓婕, 黄宝琦, 秦亚超, 刘嘉栋. 苏北LYK钻孔千年以来的沉积记录及古环境演化[J]. 海洋地质与第四纪地质, 2021, 41(3): 33-43. doi: 10.16562/j.cnki.0256-1492.2020091901
QI Xiaojie, HUANG Baoqi, QIN Yachao, LIU Jiadong. Sedimentary records and paleo-environmental evolution of core LYK in northern Jiangsu province for a thousand of year.[J]. Marine Geology & Quaternary Geology, 2021, 41(3): 33-43. doi: 10.16562/j.cnki.0256-1492.2020091901
Citation: QI Xiaojie, HUANG Baoqi, QIN Yachao, LIU Jiadong. Sedimentary records and paleo-environmental evolution of core LYK in northern Jiangsu province for a thousand of year.[J]. Marine Geology & Quaternary Geology, 2021, 41(3): 33-43. doi: 10.16562/j.cnki.0256-1492.2020091901

苏北LYK钻孔千年以来的沉积记录及古环境演化


doi: 10.16562/j.cnki.0256-1492.2020091901
详细信息
    作者简介:

    齐晓婕(1996—),女,硕士研究生,古生物与地层学专业,E-mail:qixiaojie7777@126.com

    通讯作者: 黄宝琦(1972—),女,副教授,硕士生导师,主要从事古海洋学与古气候学研究。E-mail:bqhuang@pku.edu.cn
  • 基金项目:  国家自然科学基金“晚上新世—早更新世西太平洋底栖有孔虫群演变的古海洋学意义及其与深层海水环流变化的关系”(41376043);中国地质调查局项目“1∶25万日照幅、连云港幅海洋区域地质调查”(GZH201400206、DD20160139、DD20190236,DD2019037);广东省基础与应用基础研究基金“晚上新世—早更新世亚南极太平洋海区古环流演化”(2019A1515110896)
  • 中图分类号: P736.22

Sedimentary records and paleo-environmental evolution of core LYK in northern Jiangsu province for a thousand of year.

More Information
  • 摘要: 对废黄河水下三角洲北翼LYK钻孔微体生物群的分布特征及属种组合进行研究,共鉴定底栖有孔虫50属67种,介形类30属46种,运用Q型聚类分析,将钻孔内底栖有孔虫划分为5个组合,并结合AMS14C测年结果和沉积物粒度特征,恢复了研究区域千年以来的沉积环境演化:在黄河流入前,研究区发育粒度较细、分选较好的陆架沉积,微体生物群组合接近正常海相;在黄河夺淮入海后,研究区开始接受巨量的粗颗粒沉积物,分选变差,出现了大量近岸半咸水属种的有孔虫和介形虫,沉积环境从典型的浅海向三角洲前缘演变;直到黄河北归后,大量泥沙供给断绝,在波浪和潮流的共同作用下,研究区经历了侵蚀和再沉积过程,沉积物砂泥比升高,微体生物群丰度和分异度急剧下降,广盐类微体生物群增加;随着侵蚀中心逐渐南移,研究区动力条件趋于稳定,前期形成的侵蚀洼地逐渐接受径流和潮流的双向沉积,出现大量浮游有孔虫等异地分子;近年来,伴随波浪和潮汐的改造加工,研究区逐渐形成了趋于平缓的夷平面,由动荡的滨岸逐渐过渡到现今稳定的浅海相沉积环境。
  • 图  1  LYK钻孔位置及苏北岸线变迁[9]

    Figure  1.  The location of core LYK and the change of northern Jiangsu shoreline[9]

    图  2  LYK钻孔粒度参数垂向变化

    Figure  2.  Vertical variation of grain-size parameters of the core LYK

    图  3  LYK钻孔聚类结果

    Figure  3.  Clustering of the core LYK

    图  4  LYK孔微体古生物特征及特征属种变化

    Figure  4.  Distribution of micropaleontology assemblages and special species in the core LYK

    图  5  废黄河三角洲LYK钻孔综合参数及沉积环境恢复

    Figure  5.  Palaeoenvironmental parameters and evolution of the abandoned Yellow River delta from core LYK

    表  1  LYK站位壳类AMS14C测年结果

    Table  1.   AMS14C dating of core LYK

    实验室编号深度/cm测年材料直接测定值常规年龄/aBP日历年龄/AD
    Beta-4931511060~1064贝壳670±301100±301219±170
    Beta-4931521206~1210贝壳180±30 580±301649±158
    Beta-4931531830~1834贝壳440±30 800±301485±165
    Beta-4931541956~1960贝壳890±301320±301010±195
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-09-19
  • 修回日期:  2020-12-10
  • 网络出版日期:  2021-01-20
  • 刊出日期:  2021-06-28

苏北LYK钻孔千年以来的沉积记录及古环境演化

doi: 10.16562/j.cnki.0256-1492.2020091901
    作者简介:

    齐晓婕(1996—),女,硕士研究生,古生物与地层学专业,E-mail:qixiaojie7777@126.com

    通讯作者: 黄宝琦(1972—),女,副教授,硕士生导师,主要从事古海洋学与古气候学研究。E-mail:bqhuang@pku.edu.cn
基金项目:  国家自然科学基金“晚上新世—早更新世西太平洋底栖有孔虫群演变的古海洋学意义及其与深层海水环流变化的关系”(41376043);中国地质调查局项目“1∶25万日照幅、连云港幅海洋区域地质调查”(GZH201400206、DD20160139、DD20190236,DD2019037);广东省基础与应用基础研究基金“晚上新世—早更新世亚南极太平洋海区古环流演化”(2019A1515110896)
  • 中图分类号: P736.22

摘要: 对废黄河水下三角洲北翼LYK钻孔微体生物群的分布特征及属种组合进行研究,共鉴定底栖有孔虫50属67种,介形类30属46种,运用Q型聚类分析,将钻孔内底栖有孔虫划分为5个组合,并结合AMS14C测年结果和沉积物粒度特征,恢复了研究区域千年以来的沉积环境演化:在黄河流入前,研究区发育粒度较细、分选较好的陆架沉积,微体生物群组合接近正常海相;在黄河夺淮入海后,研究区开始接受巨量的粗颗粒沉积物,分选变差,出现了大量近岸半咸水属种的有孔虫和介形虫,沉积环境从典型的浅海向三角洲前缘演变;直到黄河北归后,大量泥沙供给断绝,在波浪和潮流的共同作用下,研究区经历了侵蚀和再沉积过程,沉积物砂泥比升高,微体生物群丰度和分异度急剧下降,广盐类微体生物群增加;随着侵蚀中心逐渐南移,研究区动力条件趋于稳定,前期形成的侵蚀洼地逐渐接受径流和潮流的双向沉积,出现大量浮游有孔虫等异地分子;近年来,伴随波浪和潮汐的改造加工,研究区逐渐形成了趋于平缓的夷平面,由动荡的滨岸逐渐过渡到现今稳定的浅海相沉积环境。

English Abstract

  • 黄河是中华文明的摇篮,见证了民族的兴衰与更替,对人民的日常生活与经济状况有着极其深远的影响。以多沙善淤著称的黄河,是中国也是世界含沙量最大的河流。在历史进程中, 黄河曾频繁地决口改道,据统计自形成至今,较大的改道共有26次[1],每次流经的年限长短各异,河流流路和河口位置常在山东—渤海和江苏—黄海之间变动和迁移。

    公元1128年,为阻金兵南下,宋人决开黄河堤防,迫使其南徙夺占淮河水道[2],携带7000余亿吨泥沙注入黄海,巨量沉积物不断进积,岸线逐渐向海推进,浅海区原有的潟湖和沙堤,与海岸处新形成的大规模沙咀、沙洲淤积合并,以增叠并陆的方式发育了沼泽平原相三角洲[3-4],陆上三角洲面积为9000 km2,水下三角洲面积可达25000 km2[5]。直到公元1855年黄河在铜瓦厢决口,流路才得以北归,重新注入渤海,自此结束了长达七百余年的黄河南流、夺淮入海局面[2]。径流量剧减致使苏北沿岸入海泥沙枯竭,废黄河口处的泥沙动力平衡被打破,岸滩与水下三角洲侵蚀后退,原先强烈淤涨的三角洲从此进入一个新的调整阶段,被遗弃在江苏北部,成为废黄河三角洲[6-8]

    废黄河三角洲的核心区域以云梯关为顶点,向北可至灌河口,向南可达射阳河口。海岸线总长139.9 km,正逐步由淤泥质海岸向砂质海岸转变[9]。受三角洲地形影响,该地区海岸线与浅水等深线向海凸出,外无大型沙洲和岛屿屏蔽掩护,波浪可长驱直入,且河口区是波浪辐聚区,波能易于集中,动力作用强,是本区岸滩与水下地形演变的重要动力因素[10]。常浪为偏北向,强浪为北-北东向,受黄海沿岸流和季风的影响,波浪季节性变化显著,冬季主要以偏北向风浪为主,夏季大多是以南向浪为主的混合浪[11]。苏北沿海受到东海前进驻波和黄海旋转潮波两个系统控制,潮流多属不正规半日潮,往复流较显著,涨潮以南东向流为主,落潮以北西向流为主,涨潮流速大于落潮流速,且沿岸存在自北向南的潮余流[12]

    苏北废黄河三角洲在地质历史时期短时间内的大幅变迁,为海岸环境演变的系统研究提供了难得的实例,长期以来一直是我国海岸三角洲研究的热点地区之一[13-14]。对苏北废黄河三角洲的研究,最早主要是利用人类生产生活遗留的痕迹,并结合地方志以及人文标志等方法,来推测古三角洲的演变情况[15-17]。废黄河三角洲主要以陆源泥沙的纵向推进和横向决口为主要的沉积方式形成[18],其水下部分的展布范围,最远仍可至现今20 m等深线处[19]。秦亚超等结合地层剖面解释和岩心剖面分析,将废黄河水下三角洲北翼的沉积体识别为三角洲前缘和前三角洲两个沉积单元[20]。近岸海域表层沉积物的分析表明,废三角洲北部受潮流和季风影响显著,沉积物冬季的粒径粗于夏季粒径,沉积物粒度由岸向海、由北至南不断变粗,表明了现今南强北弱的水动力差异[12]。陈可锋等[21]通过建立潮波数学模型恢复了黄河北归后,南黄海旋转潮波动力中心由北向南不断迁移的过程。但关于本三角洲地区千年以来沉积环境的演变,尚缺乏具体研究。

    苏北废黄河三角洲发育在海陆过渡相环境中,对气候和环境的变化非常敏感[22-23],作为黄河在黄海入海口处形成的沉积物,其形成演化与径流、潮流的双重动力作用密切相关,入海泥沙的扩散使三角洲岸线不断向海推进,而海洋作用又会导致岸线逐渐向陆后退[24]。当黄河入海口的位置发生移动时,海岸线位置与形态会随之发生变化,三角洲沉积物的粒度、分选、微体生物群等多方面性质也会显著改变,因此沉积物的性质能够提供沉积环境和沉积特征等重要信息[25-27]

    本文在测得位于废黄河三角洲北部LYK钻孔沉积物AMS14C年龄的基础上,对该钻孔底栖有孔虫和介形虫的属种组合变化进行分析,并结合沉积物的粒度特征,恢复了研究区千年以来的沉积古环境变化,为重建苏北废黄河三角洲的演化过程提供了重要依据。

    • 本文研究的LYK钻孔位于南黄海苏北海域的废黄河三角洲北部(34°46′42.768″N、119°58′41.364″E)(图1)、灌河口外,水深13.9 m,取芯长度75.6 m。以上部21.3 m晚全新世岩心为研究对象,进行沉积物粒度分析的样品采样间隔为20 cm,共取得107个样品;微体化石研究样品采样间隔为20 cm,每个样品50 g,共取得107个样品。

      图  1  LYK钻孔位置及苏北岸线变迁[9]

      Figure 1.  The location of core LYK and the change of northern Jiangsu shoreline[9]

      沉积物样品过筛后,用Mastersizer 2000型激光粒度仪进行粒度数据的测量,粒级间隔为0.25 Φ。粒度样品的前处理方法如下:称取适量样品置于烧杯,充分混合后加入浓度为6%的H2O2,以除去沉积物中的有机组分;加入适量稀盐酸溶解掉生物壳体等碳酸盐成分;用蒸馏水清洗样品至pH值呈中性;最后加入适量(NaPO36,并用超声波机振荡,待样品完全分散之后,再进行上机测试[20]。利用GRADISTAT粒度处理软件,采用Folk-Ward公式计算沉积物的平均粒径、分选系数、偏态和峰态等粒度参数的垂向变化[28-29]

      将粒度波动较大处的样品置于显微镜下,挑选其中的贝壳碎片并进行称重,在壳类质量多于5 mg的样品中选取4个样品,各挑出10 mg贝壳碎片在美国Beta实验室进行AMS14C年龄测定,14C半衰期采用5568a,测年范围通常在46.6ka以内。测试结果据其δ13C值进行分馏效应校正为惯用年龄,并根据Marine 20海洋曲线进行系统校正,海洋储库校正值(Delta R)为(−234 ± 60)a,校正软件为BetaCal 8.20。

      进行微体古生物研究的样品,取样后置于60 ℃低温环境下进行干燥,称重后将其放入水中,浸泡至样品充分散开;用孔径为63 μm的标准铜筛和纯净水进行筛洗至样品无泥附着,收集粒径大于63 μm的粗组分,置于烘箱进行60 ℃低温烘干并称重;置于显微镜下分别鉴定样品中的有孔虫属种和介形虫属种并统计相应数量[30]。在鉴定过程中,若样品所含微体生物个体数量较大,则需进行分样至样品中的底栖有孔虫个体数达150枚左右[31]。挑出的样品主要依据郑守仪[32]、汪品先[33-34]、Loeblich and Tappan[35]等标准进行鉴定统计,并计算样品中有孔虫和介形虫的丰度、简单分异度、优势属种含量、底栖有孔虫三大类壳含量等特征值。将每个样品中底栖有孔虫属种的百分含量导入数据分析软件PAST 3.0,以主要用于生态学和环境科学的Bray–Curtis相似性作为判别距离,进行Q型聚类分析[36]。底栖有孔虫的氧碳同位素测试由美国Beta实验室的IRMS稳定同位素质谱仪完成,选取2 mg干净且完整的Ammonia beccarii个体作为测试样本,结果换算为PDB标准数据,δ18O的分析精度优于± 0.2‰,δ13C的分析精度优于± 0.1‰。

    • 贝壳碎片质量相对大,不易受外力搬运扰动,测年结果可信度高,为浅海测年的常用材料。在LYK钻孔粒度波动较大处选取的4个测年样品中,下部3个样品的沉积物年龄符合下老上新的沉积序列,但钻孔最上部的一个样品年龄出现了倒置现象(表1),这可能反映了在水动力或风暴干扰下,较老的沉积物被侵蚀搬运后发生了再沉积现象。据记载黄河于公元1128年夺淮入海[2],结合测年结果,推测黄河改道的沉积记录应始于1834 cm深度之下。

      表 1  LYK站位壳类AMS14C测年结果

      Table 1.  AMS14C dating of core LYK

      实验室编号深度/cm测年材料直接测定值常规年龄/aBP日历年龄/AD
      Beta-4931511060~1064贝壳670±301100±301219±170
      Beta-4931521206~1210贝壳180±30 580±301649±158
      Beta-4931531830~1834贝壳440±30 800±301485±165
      Beta-4931541956~1960贝壳890±301320±301010±195
    • 粒度分布是对沉积物源和动力条件的综合响应,是沉积物的基本属性之一。根据砂泥百分比、平均粒径、分选、峰态、偏态等粒度参数,可以有效地判断沉积物的物质来源、搬运介质、动力条件和气候变化等环境信息[37-38],粒度的时空变化机制已经成为沉积学中研究海陆相互作用和全球气候变化不可或缺的手段[3],LYK钻孔沉积物粒度参数的垂向变化揭示了相应的沉积环境演化过程。

      LYK钻孔沉积物以粉砂为主,平均含量为43.84%,分布较均匀,垂向差异小;其次是砂质沉积物,主要分布在钻孔中上部,平均含量为34.86%,含量由下向上递增且垂向差异较大;黏土含量最少,平均含量仅为21.30%,主要集中在钻孔底部,含量向上递减(图2)。平均粒径代表了粒度分布的集中趋势,它受控于物源及搬运动力等因素[39]。LYK钻孔沉积物的平均粒径为3.28~8.25 Φ,平均值为5.65 Φ。自钻孔底部向上,沉积物粒径呈明显的递增变化,颗粒由细变粗。

      图  2  LYK钻孔粒度参数垂向变化

      Figure 2.  Vertical variation of grain-size parameters of the core LYK

      分选系数反映了颗粒沉积时的一致性[40],LYK钻孔沉积物的分选系数为0.81~2.63,平均值为1.78,分选中等,由下到上呈先增大后减小的趋势。偏度代表粒度分布的不对称程度,一般而言,河成沉积粒度分布以正偏为主,海滩沉积物偏度近于零[41],LYK钻孔沉积物的偏度为−0.18~0.65,平均值为0.34,正偏显著;钻孔峰度分布范围为0.71~2.48,平均值为1.37,代表粒度频率曲线较为尖锐。

      根据粒度特征分析,将LYK钻孔沉积物自下而上划分为4段,分别描述如下:

      阶段Ⅰ(2132~1892 cm):沉积物以粉砂和黏土为主,几乎不含砂质沉积物,粉砂含量为46.8%~62.56%,平均值为52.7%,黏土含量为37.4%~53.2%,平均值为47.3%;平均粒径分布稳定,整体较小,平均值为8.02 Φ;分选系数为1.36~1.66,平均值为1.49,分选好;偏度为0.12~0.19,平均值为0.16,分布近对称;峰度为0.94~1.01,平均值为0.97,近正态分布。粒度频率分布为单峰曲线,峰值较低平,为宽峰曲线。

      阶段Ⅱ(1892~1262 cm):沉积物中的粉砂和黏土含量均减少,粉砂含量范围为34.95%~69.47%,平均值为49.19%,黏土含量降低显著,分布范围为12.77%~46.01%,平均值为31.13%,砂质沉积物含量波动增长,最低含量为0%,最高含量为52.28%,平均值为19.68%。平均粒径、分选系数、偏度以及峰度变化剧烈且频繁,平均粒径为4.84~7.99 Φ,平均值为6.68 Φ,较上段变粗;分选系数最低值为1.48,最高可达2.55,平均值为2.06,是该钻孔分选最差的阶段;偏度为−0.18~0.63,平均值为0.20,以对称和正偏交错分布;峰度平均值为0.91,分布近正态。粒度频率曲线为双峰型,峰值较低。

      阶段Ⅲ(1262~632 cm):沉积物以砂质为主,含量范围为10.29%~75.68%,平均值为41.34%;粉砂含量次之,含量范围为23.87%~51.81%,平均值为37.40%;黏土含量逐步降低,最低含量为3.21%,平均含量为12.50%。平均粒径向上逐渐波动升高,波动范围为3.72~6.60 Φ,平均值为4.75 Φ;分选系数向上波动降低,平均值为1.91,较上段分选变好;偏度为−0.15~0.64,平均值为0.47,分布以近对称为主;峰度较上段显著增加,平均值增高至1.47,峰值逐步尖锐。粒度频率曲线为不明显的双峰,粗粒首峰的峰值较高,范围较窄,细粒次峰较宽平,且峰值较低。

      阶段Ⅳ(632~0 cm):沉积物以砂、粉砂为主,超过总沉积的90%,砂质沉积含量范围为42.82%~61.08%,平均值为55.98%;粉砂含量范围为34.53%~46.97%,平均值37.44%;黏土平均含量达到本钻孔最低,仅为6.58%。平均粒径上下基本一致,为3.85~4.85 Φ,平均值为4.24 Φ;分选系数也很稳定,平均值为1.39,较上段分选性显著变好;偏度为0.34~0.62,平均值为0.47,全部为正偏,分布以近对称为主;峰度曲线上下几乎一致,峰值尖锐,平均值为2.01。粒度频率曲线为不明显的双峰,首次峰差异较大,首峰为粗粒沉积,峰值较大。

    • 受到径流和潮流的双向作用,三角洲海域的水深、温度、盐度和动力条件等变化极为显著,而广泛生活在其中的有孔虫、介形虫等微体生物群对这些环境因子非常敏感,且壳体能够很好地保存在沉积物中,是指示环境变化的可靠依据[42]。钻孔中微体生物群属种组合的垂向差异性分布,可以有效恢复地质历史时期的气候变迁和沉积环境演变。侵蚀、搬运、再沉积、溶解等次生作用会对埋藏在沉积物中的微体生物群壳体进行改造,壳体的保存情况亦为指示沉积环境的有效指标[43]。对沉积物中有孔虫和介形虫的分布研究,仍然是现今重建海陆过渡相沉积环境的重要载体[44-46]

      LYK钻孔共发现底栖有孔虫50属67种,丰度为12~2080枚/50g,简单分异度为5~23。以滨岸-浅水的广盐底栖属种为主,部分层位含有小个体的浮游有孔虫。以Ammonia beccarii、Elphidium magellanicum、Astrononion tasmanensi、Quinqueloculinasp.、Elphidium advenum为优势种(占全群比例高于3%的种),其他属种Cribrononion frigidum、Bolivina sp.、Pararotalia sp.、Elphidium sp.、Ammonia compressiusculaNonion sp.等含量亦较高,其中以A. beccarii的数量最为丰富,为0~512枚/50 g。LYK钻孔中的底栖有孔虫以玻璃壳主,共鉴别有56种,平均含量为91.9%,瓷质壳质有5种,平均含量为7.3%,胶结壳质有6种,平均含量最低,为0.8%。

      LYK钻孔共鉴别介形虫30属46种,丰度为3~1664枚/50 g,简单分异度为2~20,主要分布在钻孔0.6 m以下深度范围,以Cytheropteron miurense、Bicornucythere bisanensis、Sinocythere reticulata、Aurila miii、Neomonoceratina dongtaiensis、Leptocythere sp.、Sinocytheridea impressa、Sinocythere dongtaiensis、Cythere lutea lutca、Callistocythere multirugosa、Munseropteron pupilla等滨岸广盐型属种为主要优势种(占全群比例高于3%的种)。

      为了进一步分析钻孔内微体生物群与沉积环境之间的关系,选取107个底栖有孔虫样品进行Q型聚类分析(图3),并综合有孔虫和介形虫的丰度、分异度、优势属种含量、底栖有孔虫三大壳类比例、底栖有孔虫壳体δ18O和δ13C等指标的变化,将钻孔沉积物分成5种环境类型(图4):组合Ⅰ(2132~1892 cm)、组合Ⅱ(1892~1192 cm)、组合Ⅲ(1192~732 cm)、组合Ⅳ(732~142 cm)、组合Ⅴ(142~0 cm) 。

      图  3  LYK钻孔聚类结果

      Figure 3.  Clustering of the core LYK

      图  4  LYK孔微体古生物特征及特征属种变化

      Figure 4.  Distribution of micropaleontology assemblages and special species in the core LYK

      组合Ⅰ(2132~1 892 cm):本层段底栖有孔虫丰度为12~1072枚/50 g,简单分异度平均值为10,底栖有孔虫三大类壳体中以玻璃质壳为主,含量可达89.56%~100%,瓷质壳平均含量为8.15%,垂向分布上相对较高,胶结质壳含量几乎为零,未见浮游属种。以A. beccarii、E. advenum、A. tasmanensis、Pararotalia sp.等广温广盐浅水种为优势种,其中A. beccarii含量最高,在样品中所占比例为12.5%~75%,其次为E. advenum,含量为6.06%~23.44%,两者均为近岸内陆架种[47]。介形虫丰度为3~272枚/50 g,简单分异度为3~11,以广盐性喜半咸水种C. miurense为主要优势种[48],其他优势种包括S. reticulata、A. miii、C. multirugosa、M. pupilla等。

      组合Ⅱ(1892~1192 cm):本层段底栖有孔虫丰度为26~2080枚/50 g,平均值为758枚/50 g,简单分异度增加至7~22,平均值为15,浮游属种含量极少;壳体以玻璃质为主,瓷质壳含量略有降低,胶结质壳含量迅速增加至本钻孔最高值。以A. beccarii、E. magellanicum、E. advenum、A. tasmanensis、Quinqueloculina sp.等浅水种为优势类群,E. magellanicum含量增加为第2优势种,含量最高可达30.86%,为低温低盐型属种[48]。介形虫丰度为6~1664枚/50 g,简单分异度为2~20,以C. miurense、S. reticulata等浅水种为主要优势类群,其他优势属种包括B. bisane、N. dongtaiensis等近岸半咸水种,内陆架广盐性浅水种C. multirugosa、M. pupilla等含量显著减少[48],δ18O和δ13C均出现不同程度的负偏。

      组合Ⅲ(1192~732 cm):本层段底栖有孔虫丰度急剧降低,最高值仅为976枚/50 g,平均含量仅为481枚/50 g,简单分异度降低为10~20,平均值为14。玻璃质壳含量出现钻孔内最低值,胶结质含量为1%,瓷质壳有孔虫含量出现钻孔最高值,平均含量增高至9%,几乎不含浮游属种。以A. beccarii、E. magellanicum、A. tasmanensis、Quinqueloculina sp.等浅水种为优势类群。介形虫丰度和简单分异度亦显著降低,丰度平均值为323枚/50 g,简单分异度为2~20,平均值仅为13.9,以N. dongtaiensis、B. bisane、S. impressa、C. miurense等广盐种为主要优势类群,其中广盐型S. impressa增加显著。本层段微体生物群丰度和分异度大幅降低,广盐型属种含量显著增加。

      组合Ⅳ(732~142 cm):本层段底栖有孔虫丰度迅速回升至118~1744枚/50 g,平均值为581枚/50 g,简单分异度回升至10~23,平均值为18.2,以A. beccarii、E. magellanicum等近岸半咸水属种为绝对优势种,Quinqueloculina sp.、Bolivina sp.、Nonion sp.等广盐浅海型属种含量减少。壳体仍然以玻璃质为主,平均含量为93.5%,瓷质壳含量降低至5.9%,胶结质含量在该段中部再次升高,最高值为3.7%。浮游属种爆发式增加至48~240枚/50 g,平均值为52.5枚/50 g。介形虫丰度极低,平均值仅为40枚/50 g,简单分异度为5~14,以N. dongtaiensis、A. sinensis、B. bisane、S. dongtaiensis、Wichmannella sp.等近岸浅水种为主要优势类群。

      组合Ⅴ(142~0 cm):本层段底栖有孔虫丰度较上段变化较小,为140~476枚/50 g,分异度略微上升至13~18,在三大类壳体中,玻璃壳含量降低,胶结质和瓷质壳含量升高,浮游属种较上段减少。介形虫丰度极低,分异度亦逐渐减低,平均值仅为7.8。

    • 综合LYK钻孔的测年结果、沉积特征、有孔虫及介形虫属种组合等信息,将研究区千年以来的沉积古环境演化分为5个阶段(图5)。

      图  5  废黄河三角洲LYK钻孔综合参数及沉积环境恢复

      Figure 5.  Palaeoenvironmental parameters and evolution of the abandoned Yellow River delta from core LYK

      阶段Ⅰ(2132~1892 cm):该段沉积整体以细粒、分选好、近对称、宽平峰为特征,不含砂质粗组分,沉积物来源较单一,反映了沉积区相对稳定的水动力条件。不同壳质的底栖有孔虫属种分别适应于不同的生态环境,玻璃质壳为正常浅海底栖有孔虫中的优势属种,胶结壳底栖有孔虫主要分布在潮上带和低盐潟湖带等低盐的海陆过渡相环境中,瓷质壳底栖有孔虫群则主要出现于盐度正常甚至偏高的海洋环境中[49-50]。本层段底栖有孔虫丰度和分异度较高,壳体大多为玻璃质,几乎不含胶结质壳体,指示了较高的海水盐度。优势属种为A. beccariiE. advenum,A. beccarii是我国分布最广泛的广盐浅水种,在0.5~50‰的盐度范围内均能生存,大量分布于潮间带、河口、海湾等滨浅海环境中[51],而后者在我国黄海常分布在水深20~50 m的区域[48],为典型的近岸内陆架种。介形虫丰度和简单分异度亦较高,以C. miurense为主要优势种,该种为一广盐性喜半咸水种,多分布于水深20~50 m的内陆架区[49]。以上特征反映了本层段接近正常海相的沉积环境,与陆架环境相符。在黄河改道前,南黄海苏北沿岸发育有小型水下三角洲,系之前多次小型的黄河侵淮事件形成[52]。钻孔所在区域离岸较远,水深相对较深,环境稳定,沉积颗粒较细,分选好,主要发育浅海—半咸水型微体生物群,丰度和分异度均较高,属于典型的浅海陆架沉积。

      阶段Ⅱ(1892~1192 cm):该段沉积整体以中细粒、分选中等、双峰、波动频繁为特征,黏土含量减少,砂质粗组分显著增多,粒度参数波动剧烈且频繁,双峰态频率曲线显示潮流与径流的双向作用,沉积物分选变差指示了水动力条件的增强。底栖有孔虫丰度和分异度较上段增加,壳体仍以玻璃质为主,耐低盐度的胶结质壳含量迅速增加至本钻孔最高值,反映了淡水输入的增强;有孔虫优势属种为浅水种,E. magellanicum的含量迅速增多,为低温低盐型属种,在我国黄海通常代表水深为5~10 m的低潮坪近岸环境[53]。介形虫丰度和分异度皆为本钻孔的最高值,以C. miurense、S. reticulata等近岸半咸水种为主,多分布于水深小于20 m的近岸区[49],内陆架广盐性的浅水种含量显著减少,δ18O和δ13C的负偏表明沉积区盐度降低,这是由于同位素分馏作用而导致的大气降水贫18O,因此地表径流中的δ18O值会明显低于海水。这些特征均反映了水深变浅、淡水输入增强的沉积环境,与三角洲前缘沉积特点相似,结合测年数据,推测该阶段即为黄河夺淮入海期间形成的沉积物。

      黄河南流夺淮河水道后,携带大量沉积物注入黄海,研究区沉积环境从典型的陆架向三角洲前缘演变,以三角洲的进积和加积作用为主导,接受了巨量的黄河粗颗粒沉积物。研究区位于灌河口外,由于废黄河主河道是向东北方向进积的,在扇形三角洲的北翼,从废黄河口至灌河口一带,随着距离河口和主河道越来越远,进积和加积逐渐减弱,并且灌河是黄河南流入黄海时期的重要分流河道,入海泥沙持续堆积。结合秦亚超等人在研究区的浅地层剖面结果[20],推测该段沉积物为两个相邻三角洲叶瓣的并置和叠加沉积的结果。

      阶段Ⅲ(1192~732 cm):该段沉积整体以中粒、分选中等、偏好—不明显双峰为特征,黏土含量大幅减少,砂质粗组分占明显优势,粒度参数依旧大幅波动。底栖有孔虫丰度急剧降低,耐恶劣环境的瓷质壳类属种含量出现钻孔最高值。介形虫丰度和简单分异度亦显著降低至钻孔最低值,其中S. impressa含量明显增加,是我国分布最广的广盐型属种,在2‰至正常盐度的海水中均可生存,较为集中地分布在水深50 m以浅的滨岸带[49]。微体生物群丰度和分异度大幅降低,广盐型属种含量的增加以及粒度参数的强烈波动,均反映了水深加深且极为动荡的滨岸沉积环境。结合样品测年数据的倒置现象,推测该阶段水动力条件极为动荡,发生了大范围的侵蚀和再沉积现象。

      黄河北归之后,泥沙供给枯竭,且苏北沿岸无其他大型河流注入,地势较高的水下三角洲顶部,在以潮流和偏北向波浪为主导的海洋动力下[54],侵蚀掀起表层松散泥沙沉积物,剥蚀下来的物质呈再悬浮状态在波浪作用下向两侧搬运,在落潮流输沙作用下离岸搬运。侵蚀初期,由于废黄河三角洲的海岸线以入海口为中心呈尖头状向突出20余千米,且发育有宏大的水下三角洲,由北向南传播的强波受到阻挡,侵蚀主要集中在三角洲北部[10],故研究区接受强烈剥蚀。但经过长期的侵蚀后退,废三角洲岸段水下地形已发生了明显变化,向海突出部分已被夷平, 近岸等深线也趋于平直,昔日的河口已后退形成小型海湾,阻碍消失后的潮流和波浪,在由北向南传播时更加顺畅无阻,波能辐聚中心和强侵蚀部位也因此向南逐渐偏移,研究区水动力逐渐减弱,在水深较大的区域发生再沉积。

      阶段Ⅳ(712~142 cm):该段沉积整体以中粒、分选好、不明显双峰为特征,以砂质粗粒沉积为主,几乎不含黏土,各粒度参数较稳定,上下基本一致,水动力较上段稳定。底栖有孔虫丰度和分异度迅速回升,壳体仍然以玻璃质壳为主,耐低温低盐的胶结质含量在该段中部再次升高,反映了陆源输入增强。浮游属种爆发式增加,浮游有孔虫本质上为大洋性生物,在现代黄海仅生活在120°E以东的海域,它们在浅海沉积中大量出现,明显是由潮流从大洋搬运而来后,在近岸埋藏[55-56],本段近岸半咸水属种为绝对优势种,广盐浅海型属种含量减少,这表明了河流影响的加强和海水的逐渐淡化。介形虫丰度极低,近岸浅水种为主要优势类群。该阶段出现了近岸原地半咸水属种、窄盐海相属种、浮游有孔虫混合的现象,表明了陆源输入和潮流搬运的增强。以上特征表明该阶段水动力条件较上段减弱,潮流和径流双向沉积的环境条件,环境由滨岸向浅海逐渐过渡。

      当侵蚀中心转移到废黄河三角洲南部区域后,研究区的水动力条件再次回归稳定,伴随水深进一步加大,水动力条件偏弱的侵蚀洼地开始接受潮流和径流的双相沉积,以灌河为代表的小型河流逐渐向海加积,海水盐度降低后,出现了大量半咸水型微体生物群;同时潮流沉积的增强,使得该阶段出现大量浮游有孔虫及窄盐型属种等异地分子,系由黄海暖流及涨潮流搬运而来。因此,地势崎岖不平的水下三角洲经历了夷平过程。

      阶段Ⅴ(142~0 cm):本层段底栖有孔虫丰度和分异度较上段差异不大,在三大类壳体中,玻璃壳含量降低,胶结质和瓷质壳含量升高,浮游属种较上段减少。介形虫丰度和分异度较上段逐渐减低,微体生物群均以广盐浅海相为优势属种。这反映了近年来研究区在经历了波浪和潮汐一个多世纪以来的改造加工后,逐渐形成了趋于平缓的夷平面和现今稳定的浅海相沉积。

    • 综合AMS14C测年结果、粒度特征、有孔虫和介形虫微体生物群记录,恢复了LYK钻孔所在区域千年以来的沉积古环境变化,为重建苏北废黄河三角洲的演化过程提供了重要依据。

      研究区在黄河流入以前发育粒度较细、分选较好的陆架沉积,有孔虫丰度和分异度较高;在公元1128年黄河夺淮入海后,研究区接受巨量的黄河沉积物,径流作用占主导地位,沉积环境从典型的浅海向三角洲前缘演变,沉积物粒度变粗,分选变差,且出现了大量近岸半咸水属种的有孔虫和介形虫;直到公元1855年黄河北归,大量泥沙供给断绝,在波浪和潮流的共同作用下,水下三角洲经历了剥蚀和搬运再沉积过程,研究区水深加大,沉积物中砂泥比波动升高,微体生物群丰度和分异度急剧下降,广盐类微体生物群增加。随侵蚀中心的逐渐南移,研究区动力条件趋于稳定,沉积物粒度参数趋于稳定,侵蚀洼地逐渐接受径流和潮流的双向沉积,导致海水盐度降低,出现大量半咸水型有孔虫和浮游有孔虫等异地分子。近年来,伴随波浪和潮汐的改造加工,研究区逐渐形成了趋于平缓的夷平面,由动荡的滨岸逐渐过渡到现今稳定的浅海相沉积。

      致谢:感谢北京大学重离子加速器中心在AMS14C测年方面提供支持。

参考文献 (56)

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