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中国东部陆架第四纪沉积环境演化研究进展与展望

姚政权 刘健 万世明 刘焱光 易亮 刘建兴 单新 乔淑卿 赵德博 肖国桥 王昆山 窦衍光 王中波 胥勤勉 石学法

姚政权,刘健,万世明,等. 中国东部陆架第四纪沉积环境演化研究进展与展望[J]. 海洋地质与第四纪地质,2022,42(5): 42-57. doi: 10.16562/j.cnki.0256-1492.2022063001
引用本文: 姚政权,刘健,万世明,等. 中国东部陆架第四纪沉积环境演化研究进展与展望[J]. 海洋地质与第四纪地质,2022,42(5): 42-57. doi: 10.16562/j.cnki.0256-1492.2022063001
YAO Zhengquan,LIU Jian,WAN Shiming,et al. Progress and prospects of research on the Quaternary sedimentary environment in the eastern shelf of China[J]. Marine Geology & Quaternary Geology,2022,42(5):42-57. doi: 10.16562/j.cnki.0256-1492.2022063001
Citation: YAO Zhengquan,LIU Jian,WAN Shiming,et al. Progress and prospects of research on the Quaternary sedimentary environment in the eastern shelf of China[J]. Marine Geology & Quaternary Geology,2022,42(5):42-57. doi: 10.16562/j.cnki.0256-1492.2022063001

中国东部陆架第四纪沉积环境演化研究进展与展望


doi: 10.16562/j.cnki.0256-1492.2022063001
详细信息
    作者简介:

    姚政权(1980—),男,博士,研究员,从事海洋沉积与古环境、古气候研究,E-mail:yaozq@fio.org.cn

    通讯作者: 姚政权(1980—),男,博士,研究员,从事海洋沉积与古环境、古气候研究,E-mail:yaozq@fio.org.cn石学法(1965—),男,博士,研究员,从事海洋地质与海底成矿作用研究,E-mail:xfshi@fio.org.cn
  • 基金项目:  青岛海洋科学与技术试点国家实验室山东省专项经费(2022QNLM050203);国家自然科学基金“晚第四纪长江和黄河物质在东海外陆架的沉积记录及其对环境变化的响应”(41876059)
  • 中图分类号: P736

Progress and prospects of research on the Quaternary sedimentary environment in the eastern shelf of China

More Information
  • 摘要: 中国东部陆架位于亚洲大陆与西太平洋的过渡区域,是连接全球最大的沉积源-汇系统的重要纽带,记录了东亚构造变形、亚洲季风系统形成与演化、海平面变化及东亚重大水系变迁等诸多重要信息。在总结前人研究的基础上,结合最近20年来中国海洋专项获得的数据资料和研究成果,综述了中国东部陆架区第四纪以海侵-海退变化为主要特征的沉积环境变化,探讨了陆架沉积环境变化与区域构造、海平面和东亚季风气候变化的联系;基于目前在长江、黄河流域及东部陆架区开展的沉积物源-汇研究,讨论了长江和黄河贯通入海的可能时代及控制因素;提出新生代以来陆架地质环境演变与东亚构造历史、季风系统演化、海平面变化、重大水系调整及陆架有机碳埋藏的耦合机制研究是未来在中国东部陆架实施科学钻探的重点科学目标。
  • 图  1  文中提到的中国东部陆架主要钻孔位置

    钻孔信息见表1。

    Figure  1.  Location of main cores on the eastern shelf of China mentioned in text

    Detailed information of these cores are listed in Table 1.

    图  2  渤海BH08钻孔天文调谐方法建立的年代框架[34]

    深海氧同位素曲线引自文献[48]。

    Figure  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].

    图  3  黄海NHH01钻孔天文调谐方法建立的年代框架[49]

    深海氧同位素曲线引自文献[48]。

    Figure  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].

    图  4  中国渤、黄海海域及沿岸第四纪沉积环境对比[49]

    钻孔位置及信息见图1表1,标准极性柱引自文献[59]。

    Figure  4.  Comparison of sedimentary environmental change in the Bohai Sea and Yellow Sea and coastal area[49]

    The location and information of the cores are shown in Figure 1 and Table 1. The Geological time scale is from reference [59].

    图  5  不同研究显示的长江(黑色)、黄河(绿色)贯通时代

    Figure  5.  Timing of the integration of the Yangtze River (black bars) and Yellow River (green bars)

    图  6  渤、黄海陆架轨道尺度沉积环境变化[49]

    海平面变化曲线引自文献[86]。

    Figure  6.  The sedimentary environmental change at orbital timescale in the Bohai Sea and Yellow Sea[49]

    The sea-level curve is from reference[86].

    图  7  渤海BH08钻孔沉积粒度揭示的海平面与东亚夏季风变化[92]

    石笋氧同位素曲线引自文献[93],北半球65度夏季太阳辐射数据引自文献[94]。

    Figure  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].

    表  1  文中提及的中国东部陆架主要钻孔岩心信息

    Table  1.   Detailed information of cores on the coastal area and the eastern shelf of China mentioned in text

    区域钻孔纬度/(°)经度/(°)长度/m水深/m底界年龄/Ma文献来源
    渤海BC-139.15119.9240.5240.24[25]
    BH0838.28120212.4281[34]
    BH137.28119.1198.843[29]
    BH237.17119.07228.2陆上3[29]
    BZ138.85117.38204.5陆上2.2[26]
    BZ239.03117.14203.6陆上3.2[27]
    CK338.15117.54500陆上6.6[28]
    G239.07117.631226陆上8.5[35]
    G338.83117.43905陆上8[36]
    G438.04117.6400陆上5.2[28]
    HLL0237.03119.13425陆上5[29]
    JXC-140.4121.0570.3221.2[31]
    Lz90837.15118.97101.3陆上0.12[20]
    MT0439.27118.83383陆上3.2[30]
    TJC-138.73118.95200.3262.28[32]
    YKC-240.43121.6170.2130.7[31]
    YRD-110138.04118.6200.31.81.9[37]
    黄海CSDP-134.3122.37300.152.53.5[33]
    CSDP-234.56121.262 809.9225*[38]
    DLC70-336.33123.5371.2720.8[39]
    EY02-234.5123.570790.89[40]
    NHH0135.22123.22125.6731[41]
    QC132.52122.5117.229.51[42]
    QC234.3122.27108.849.11.9[42]
    东海CJ-131.13121.75172.3陆上0.89[43]
    ECS-DZ130.48112.05153.6122[44]
    EY02-130.73126.5770900.26[40]
    FX31.20121.25102陆上0.12[17]
    MFC31.24121.46112陆上0.12[17]
    SFK-129.1125.388.382.90.15[45]
    ZK930.88122.425012.50.013[46]
      注:*为上部550 m沉积的底界年代。
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-06-30
  • 修回日期:  2022-08-20
  • 刊出日期:  2022-10-28

中国东部陆架第四纪沉积环境演化研究进展与展望

doi: 10.16562/j.cnki.0256-1492.2022063001
    作者简介:

    姚政权(1980—),男,博士,研究员,从事海洋沉积与古环境、古气候研究,E-mail:yaozq@fio.org.cn

    通讯作者: 姚政权(1980—),男,博士,研究员,从事海洋沉积与古环境、古气候研究,E-mail:yaozq@fio.org.cn石学法(1965—),男,博士,研究员,从事海洋地质与海底成矿作用研究,E-mail:xfshi@fio.org.cn
基金项目:  青岛海洋科学与技术试点国家实验室山东省专项经费(2022QNLM050203);国家自然科学基金“晚第四纪长江和黄河物质在东海外陆架的沉积记录及其对环境变化的响应”(41876059)
  • 中图分类号: P736

摘要: 中国东部陆架位于亚洲大陆与西太平洋的过渡区域,是连接全球最大的沉积源-汇系统的重要纽带,记录了东亚构造变形、亚洲季风系统形成与演化、海平面变化及东亚重大水系变迁等诸多重要信息。在总结前人研究的基础上,结合最近20年来中国海洋专项获得的数据资料和研究成果,综述了中国东部陆架区第四纪以海侵-海退变化为主要特征的沉积环境变化,探讨了陆架沉积环境变化与区域构造、海平面和东亚季风气候变化的联系;基于目前在长江、黄河流域及东部陆架区开展的沉积物源-汇研究,讨论了长江和黄河贯通入海的可能时代及控制因素;提出新生代以来陆架地质环境演变与东亚构造历史、季风系统演化、海平面变化、重大水系调整及陆架有机碳埋藏的耦合机制研究是未来在中国东部陆架实施科学钻探的重点科学目标。

English Abstract

  • 中国东部陆架及边缘海(渤海、黄海和东海)位于西太平洋与亚洲大陆的过渡区,是海陆相互作用、物质和能量交换频繁和强烈的区域。亚洲大陆通过河流为主的源-汇系统向海输送了全球约3分之2的碎屑物质[1],如此大量的陆源碎屑物质输入对陆架、边缘海乃至全球大洋的沉积过程、生物地球化学循环和海洋生态系统演变都具有重要影响[2-4]

    新生代以来,东亚及相邻海区的气候和环境格局发生了重大变化,其中最为重要的是青藏高原隆升和西太平洋一系列边缘海的形成[5]以及亚洲季风系统的建立[6]。伴随着上述一系列重大气候和环境格局的更替,以黄河和长江为代表的东亚大河水系也经历了相应调整[7-9],这些重大气候和环境格局变化对中国东部陆架及邻近海域沉积过程及环境变化具有重要影响。此外,因中国东部陆架地势平缓,该区沉积环境对海平面变化十分敏感。第四纪冰期–间冰期气候旋回导致海平面波动变化[10],特别是中更新世以来变幅增加,最大可达百余米[11]。上述变化在中国东部陆架表现为以海侵和海退为主要特征的沉积层序[12-21]。因此,中国东部陆架沉积记录了碎屑物质从内陆至海洋的源-汇过程,对深入理解新生代亚洲构造变形、季风系统演变、海平面变化与重大水系演化具有重要意义[5, 22-24]

    但是,由于陆架区沉积物来源十分复杂,受海陆相互作用影响强烈,长尺度及高分辨率年代框架的建立较为困难,在一定程度上限制了对上述问题的深入理解。近年来,随着中国各类海洋基础调查专项的实施,在中国东部陆架区进行了大量浅层钻探并获得了许多高质量钻孔(图1表1[17, 20, 25-46],基于对这些钻孔岩心年代学、沉积学、矿物学、地球化学和微体古生物学等综合研究,极大推动了中国东部陆架沉积环境演化规律与机制研究进展[4, 19-21, 31-34]。本文在回顾和总结上述研究的基础上,重点综述中国东部陆架区第四纪以海侵-海退为主要特征的沉积环境变化,探讨黄河和长江贯通的时代及控制因素,揭示陆架沉积环境变化及其与构造、气候和海平面变化的联系。最后,简要提出未来在中国东部陆架实施钻探需重点关注的科学问题。

    图  1  文中提到的中国东部陆架主要钻孔位置

    Figure 1.  Location of main cores on the eastern shelf of China mentioned in text

    表 1  文中提及的中国东部陆架主要钻孔岩心信息

    Table 1.  Detailed information of cores on the coastal area and the eastern shelf of China mentioned in text

    区域钻孔纬度/(°)经度/(°)长度/m水深/m底界年龄/Ma文献来源
    渤海BC-139.15119.9240.5240.24[25]
    BH0838.28120212.4281[34]
    BH137.28119.1198.843[29]
    BH237.17119.07228.2陆上3[29]
    BZ138.85117.38204.5陆上2.2[26]
    BZ239.03117.14203.6陆上3.2[27]
    CK338.15117.54500陆上6.6[28]
    G239.07117.631226陆上8.5[35]
    G338.83117.43905陆上8[36]
    G438.04117.6400陆上5.2[28]
    HLL0237.03119.13425陆上5[29]
    JXC-140.4121.0570.3221.2[31]
    Lz90837.15118.97101.3陆上0.12[20]
    MT0439.27118.83383陆上3.2[30]
    TJC-138.73118.95200.3262.28[32]
    YKC-240.43121.6170.2130.7[31]
    YRD-110138.04118.6200.31.81.9[37]
    黄海CSDP-134.3122.37300.152.53.5[33]
    CSDP-234.56121.262 809.9225*[38]
    DLC70-336.33123.5371.2720.8[39]
    EY02-234.5123.570790.89[40]
    NHH0135.22123.22125.6731[41]
    QC132.52122.5117.229.51[42]
    QC234.3122.27108.849.11.9[42]
    东海CJ-131.13121.75172.3陆上0.89[43]
    ECS-DZ130.48112.05153.6122[44]
    EY02-130.73126.5770900.26[40]
    FX31.20121.25102陆上0.12[17]
    MFC31.24121.46112陆上0.12[17]
    SFK-129.1125.388.382.90.15[45]
    ZK930.88122.425012.50.013[46]
      注:*为上部550 m沉积的底界年代。
    • 中国东部陆架区由于物源和沉积动力复杂多变,精确可靠、高分辨率年代框架的建立较为困难。早在20世纪80年代,Qin[25]对取自渤海中部长度为240 m的BC-1钻孔岩心进行了古地磁和14C测年研究,得到钻孔底部年代约为200 ka。此后直到最近十几年,又有一系列位于中国东部陆架及沿岸的长钻孔进行了详细的年代学研究,例如,渤海西岸长度均约为200 m的BZ1和BZ2钻孔磁性地层学研究结果揭示了钻孔底部年代分别为2.2 Ma[26]和3.2 Ma[27]。黄河三角洲平原长度约为400~500 m的CK3和G4钻孔古地磁研究揭示了过去约5~7 Ma以来的沉积历史[28]。渤海南岸3个长度为约200~400 m的钻孔BH1、BH2和HLL02古地磁研究结果表明其底界年代可达上新世约3~5 Ma[29]。渤海北部沿岸孔深383 m的MT04岩石磁学和古地磁研究结果显示底部年代为3.2 Ma[30]。渤海北部辽东湾长度均为约70 m的钻孔JXC-1和YKC-2古地磁学研究表明,钻孔沉积底部年龄分别为1.2 Ma和0.7 Ma[31]。渤海中部海域长度为200 m的TJC-1钻孔磁性地层学结果显示,钻孔底部年代为2.28 Ma[32]。来自黄河三角洲北岸长度为200.3 m的钻孔YRD-1101古地磁研究结果揭示了过去1.9 Ma 的沉积历史[33]。对渤海中部靠近渤海海峡长度为212 m的 BH08钻孔磁性地层学研究显示,该钻孔底部年代约为1 Ma[34]

      关于黄海陆架第四纪沉积地层的年代,早在1989年就有学者开展了研究(如QC1和QC2孔),揭示了黄海陆架早更新世以来的沉积演化历史[42]。葛淑兰等[40]对南黄海进尺为70 m的 EY02-2孔进行了古地磁和岩石磁学研究,结果显示钻孔底部位于B/M 界限(年代为约0.78 Ma)。南黄海长度为125 m的 NHH01钻孔磁性地层学研究结果表明,钻孔底部年代为约1 Ma[41]。南黄海长度为300 m的CSDP-1钻孔是目前黄海海域为数不多的具有精确年代控制、且钻穿第四纪地层的钻孔之一,古地磁年代学研究结果表明,其底界年代为约3.5 Ma[33]。最近,刘健等[38]对南黄海钻取深度达2 809.9 m的CSDP-2孔进行了研究,推测该钻孔底部时代为三叠纪至奥陶纪,古地磁学研究揭示了上部592 m沉积形成于5.2 MaBP以来。

      与渤海和黄海陆架相比,东海陆架区长序列钻孔的年代学研究程度相对较弱。取自东海北部长度为153.6 m的ECS-DZ1钻孔磁性地层学研究表明,钻孔底部年代约为2 Ma,且存在较长时间的地层缺失[44]。应用古地磁强度和环境磁学指标,东海陆架长度为82.9 m的SFK-1钻孔底界年代约为深海氧同位素MIS 6[45]。位于长江三角洲平原长度为172.3 m的CJ-1孔古地磁研究结果显示,古地磁B/M界限位于钻孔152.5 m处,根据沉积速率推测钻孔底部年代约为0.89 Ma[43]。同样位于长江三角洲陆上平原的Ch-1钻孔(长度344.64 m)可划分为下更新统、中更新统、上更新统和全新统4个沉积单元[47]。而其他位于长江三角洲平原的钻孔,如FX、MFC、ZK9等沉积底界年代大多为晚第四纪以来[17, 46]

      需要注意的是,上述沉积地层年代框架的建立主要是基于磁性地层学方法,但该方法的优势是建立构造尺度上的年代标尺,而对更高分辨率,如轨道尺度上的年代却显得不足。为了获得高分辨率地层年代框架,有研究者结合了天文调谐方法建立了渤海[34]和黄海[48-49]1 Ma以来轨道尺度年代框架(图2图3),为探讨冰期-间冰期陆架沉积环境演化奠定了年代学基础。不过,海岸带-陆架区沉积是一个十分复杂的沉积体系,在陆源物质输运入海的沉积初期,由于波浪、潮汐和海流等多种因素的影响,导致沉积物侵蚀、搬运和再堆积,因而在最终地层记录中,沉积物最终保存量可能非常有限[50]。因此,理解沉积地层的连续性对准确解释沉积记录十分重要。天文调谐方法在建立渤海和黄海沉积地层年代框架的成功应用,也从另一方面说明了渤海和黄海海域的沉积地层至少在轨道尺度(4~10万年)上是大致连续的[34],即使在冰期低海面时期,这些区域的沉积物也并没有被完全侵蚀掉。但是,在东海陆架的一些区域,冰期低位体系域河流相沉积会受到海侵时期浪、潮的再搬运,从而形成海侵滞留[51]。因此,在应用层序地层或气候旋回地层的方法来建立沉积地层年龄框架时应考虑具体海域环境变化的影响。

      图  2  渤海BH08钻孔天文调谐方法建立的年代框架[34]

      Figure 2.  The constructed chronology of core BH08 from the Bohai Sea using astronomical tunning methods [34]

      图  3  黄海NHH01钻孔天文调谐方法建立的年代框架[49]

      Figure 3.  The constructed age model of core NHH01 from the Yellow Sea using astronomical tunning methods[49]

    • 迄今为止,中国东部陆架第四纪沉积环境演化研究具有代表性的工作主要集中在渤海和黄海海域,为理解陆架第四纪沉积环境变化提供了重要资料(图4)。中国东部陆架大量的钻孔研究显示在第四纪期间,特别是晚第四纪以来该区普遍以海侵和海退沉积为主要特征,而且海侵–海退序列可与全球氧同位素分期对比[14, 16, 18-19, 21, 25, 34, 52-55]。早期关于中国东部海侵变化的研究主要集中在沿海平原和海岸带,陆架区由于当时钻孔材料的缺乏而研究程度相对薄弱。早期研究表明,中国东部沿海平原第四纪以来普遍发育4个海侵层[13],海侵层与陆相层分别形成于气候温暖期和气候寒冷期。根据古地磁和14C年代数据推测,这四个海侵层自下而上分别对应于深海氧同位素MIS9、MIS5、MIS3和MIS1[13]。基于渤海湾西岸60个钻孔的沉积学和微体古生物研究结果,王强和李凤林[14]认为本区第四纪以来发生5次海水入侵事件。渤海湾南岸黄河三角洲S3孔沉积学研究结合古地磁、14C和ESR年代数据,表明中更新世晚期(约400 ka)以来该区发生了7次海侵-海退过程[56]。最近,王中波等[57]基于中国东部陆架28个晚第四纪钻孔实测数据和高分辨率地震剖面的综合分析,并结合前人发表的46个钻孔资料,揭示了MIS 5以来中国东部陆架普遍存在3次海侵过程(MIS 5, MIS 3和MIS 1)。

      图  4  中国渤、黄海海域及沿岸第四纪沉积环境对比[49]

      Figure 4.  Comparison of sedimentary environmental change in the Bohai Sea and Yellow Sea and coastal area[49]

      近年来,随着古地磁、释光等年代学技术的提高,中国学者对渤、黄海海域数个长尺度钻孔岩心进行了详细的年代学和沉积环境变化研究。综合莱洲湾南岸3个钻孔的年代学和沉积学研究结果显示,这一区域自200 ka以来发生了4次海侵,作者认为这4次海侵分别形成于MIS1、MIS3—5、MIS6和MIS7[20],其中发生在MIS6的海侵事件可能受到区域构造活动的影响[58]。渤海BH08钻孔沉积学、微体古生物学和地球化学研究结果显示[21, 34],渤海早更新世末期以来至少发生了10次海侵-海退变化(图4),而且这些海侵沉积可与深海氧同位素指示的间冰期很好地对应,并提出了间冰期海平面变化控制渤海海侵沉积的概念模型[21]。Yi等[29]通过对渤海南岸3个钻孔记录的沉积环境进行综合对比研究,认为渤海在晚上新世以来主要以湖相沉积环境为主,“渤海古湖”的解体发生在约1 Ma以来,之后以海相和陆相交互沉积占据主导[29]。南黄海NHH01钻孔沉积环境研究显示,黄海陆架在过去1 Ma以来主要以海相沉积为主,只有在冰期极盛期如MIS10、MIS18和MIS20发育河流相沉积[41]。同样来自南黄海的CSDP-1钻孔沉积揭示了在3.5~1.66 Ma研究区以河流相为主,在1.66~0.83 Ma以潮坪相和河流相交互沉积为主要特征,而直至0.83 Ma,现代浅海与河流的交互沉积才开始主导这一区域的沉积环境变化[60]。南黄海中部隆起区CSDP-2研究揭示,从约5.2 ~1.7 Ma,研究区发育河流沉积;约1.7 Ma以来发生自新生代以来的首次海侵,此后的环境演化与CSDP-1钻孔一致[38]

      上述研究结果表明,虽然不同海域的海侵次数及特征不尽相同,但总体上表现出海侵均发生于第四纪温暖的间冰期,且在空间上呈现由陆向海方向海侵次数先增加后减少的变化规律[49]图4)。除此之外另一个明显的特征是,中国东部陆架海侵沉积在空间上大范围普遍出现的时间为早更新世末期(约1 Ma)[8, 59]。比较而言,在东海陆架有关沉积环境演化的时间尺度相对较短,主要以MIS5/MIS3至全新世为主[45-46, 61-62],且大多数记录集中在长江三角洲平原地区。长江三角洲平原 FX 和 MFC 钻孔沉积环境研究表明,晚第四纪以来该区共记录了两次海侵过程,分别形成于MIS5和MIS3,且在MIS5期受到河流作用的影响更为强烈[16, 17]。从MIS3末期至末次盛冰期,海平面下降致使长江下切,造成陆架上广泛发育呈长条形或扇形的下切河谷[63],长数十至数百千米,宽数十千米,深约40~90 m[61]。随着冰后期海平面逐步上升和可容空间的增加,在河谷内充填了长江的河道、河漫滩、河口湾沉积体系,而后的进积形成了现代长江三角洲[64]

    • 早始新世以来,伴随青藏高原的阶段性隆升,亚洲地形发生倒转并呈现现今西高东低的地貌格局[5, 22]。这一重大环境格局的变化导致亚洲水系发生根本性变化,黄河和长江雏形出现并最终贯通入海[7-9, 65-66]。但是,对于黄河和长江贯通入海的时代及其机制,学术界仍存在不同的观点(图5)。长江流经三峡的时间通常被视为长江贯通入海的重要标志。前人应用磷灰石裂变径迹和低温热年代学方法,认为长江贯通三峡可能发生在始新世[66]。长江三角洲钻孔沉积中独居石年龄谱的研究表明,在上新世向第四纪转折期,沉积物的物源发生了改变,表明长江贯通入海可能发生在第四纪初期[67]。同样取自长江三角洲岩心沉积中锆石U-Pb年龄研究表明,上新世约3.2 Ma以来沉积物锆石中出现大量来自长江上游物质的信息,表明长江贯通的时间应不晚于3.2 Ma[68]。Zheng等[7]根据长江下游沉积地层中锆石U-Pb测年数据,认为现代长江水系格局在早中新世(约23 Ma)就已形成,并强调了青藏高原隆升和季风降水在此时的增强可能起了重要作用。

      图  5  不同研究显示的长江(黑色)、黄河(绿色)贯通时代

      Figure 5.  Timing of the integration of the Yangtze River (black bars) and Yellow River (green bars)

      关于黄河的形成与贯通入海时代,同样存在诸多争议。早期研究中,有关黄河形成与演化的研究主要集中在黄河中、上游地貌学分析。前人通过对黄河流域各类地质与构造证据进行综合对比,认为黄河早在始新世就呈现自西向东的水系格局[65]。根据地层学、地质年代学和地貌资料,Craddock等[69]认为,黄河的出现和上游盆地的整合发生在约1.8~0.5 Ma。三门峡是黄河流经中下游入海前的最后一道峡谷,因此其切穿时间通常认为是黄河贯通入海的时间。基于三门峡风成沉积在约0.15 Ma粒度突然变粗和沉积速率增加,Jiang等[70]将这一变化归因于黄河在此时切穿三门峡。根据三门峡黄土沉积序列的古地磁测年,Pan等[71]认为黄河切穿三门峡入海的时间不晚于约1.2 Ma。与上述结论相似,Kong等[72]对三门峡河流阶地和沉积序列应用10Be/26Al测年和锆石U-Pb年龄,认为黄河切穿三门峡的时间为约1.3~1.4 Ma。最近,有学者通过对三门古湖沉积相的研究显示,三门古湖由湖相沉积转变为风成沉积的年代为约1.6 Ma,说明黄河在约1.6 Ma前贯通三门峡[73]。对于探讨黄河贯通入海时代,黄河下游及其入海后陆架区的沉积记录非常关键。黄河三角洲钻孔沉积元素地球化学研究结果显示,在第四纪早期钻孔沉积中的元素组成与现代黄河一致,认为黄河在第四纪早期就已流入渤海[74]。Xiao等 [9]通过对取自华北平原年代超过8 Ma的3个钻孔沉积的锆石年龄研究发现,大约从1.6 MaBP开始,3个钻孔同时大量出现黄河中、上游的锆石信息,表明黄河此时已经贯通入海,将这些锆石从中游和上游带到下游沉积,这与来自三门峡沉积地层的研究[73]结论一致。渤海和黄海是黄河物质的主要汇区,通过对取自渤海和黄海钻孔沉积物黏土矿物及地球化学研究,发现这一地区在0.88 Ma发生了一次重要的物源转变,表现为由渤海周边近源的山地河流供给为主转变为黄河供给为主,由此认为黄河至少在0.88 MaBP前就已贯通入海[75]。Zhang等[8]对南黄海陆架晚上新世以来的沉积序列进行了沉积相、黏土矿物和Sr-Nd同位素组成等研究,发现在3.5~0.8 Ma物源主要来自于老长江物质,而0.8 Ma以来主要来自于黄河,暗示黄河至少从中更新世就开始影响南黄海[8] ,这一发现与Yao等[75]的认识吻合。

      由此看来,目前学术界对长江和黄河贯通入海的年代仍没有达成广泛一致,而且对造成这些大河最终贯通入海的原因,究竟是气候驱动还是构造控制,仍存在分歧[7-9, 72-73, 75]。“构造控制”观点认为,黄河或长江的最终贯通是由于青藏高原的隆升[7-8],因为构造隆升加剧了中国“西高东低”这种地形和地貌格局,导致河流的侵蚀基准面降低从而造成水系的溯源侵蚀加剧。“气候驱动”观点主要强调了亚洲季风降水和中更新世气候转型对河流水系的调整[9, 73, 75]

    • 陆架沉积层序主要受控于沉积物供给和可容空间的相互平衡,而二者则与海平面、构造、气候变化及水动力条件等密切相关。沉积物供给指河流从内陆携带的沉积物,其产生及堆积过程受全球气候、区域构造活动等因素的影响,而可容空间的变化主要取决于区域构造运动(如隆升、沉降)和全球绝对海平面变化的双重影响[76-77]。由于中国东部陆架区水深较浅且地形平缓,受海平面变化影响强烈,因此海平面变化是控制陆架沉积的重要因素,海平面升降变化及频繁的海侵-海退对陆架沉积的改造作用显著。在构造稳定期,海面快速上升造成可容空间增加,发育以低沉积物供给与高海面为特点的陆架沉积体系和地层堆叠样式;在海平面下降的海退期,可容空间减少,有利于陆源沉积物向海进积,发育以补给为主导的沉积体系[78]

      海平面变化研究表明,晚上新世以来的间冰期时期全球海平面呈逐渐降低的趋势[79]。但中国东部陆架海侵变化研究显示这一地区海侵规模和影响是加强的,陆架区大规模海侵发生在晚更新世以来[13, 16, 19, 53, 57, 80]。从长时间尺度来看,渤海和黄海陆架海域的沉积记录虽然显示最早海侵发生在约1.7 Ma[37-38, 59],但在中更新世约1 Ma以前,这一区域以河湖相为主,直到中更新以来才出现海相和陆相交互沉积的特征[8, 21, 29, 34, 37-38, 59]。上述变化与全球海平面变化的趋势不完全一致,其原因可能受到中国东部持续下沉的影响[8, 13, 19, 81-82],因为自晚第三纪以来,中国东部陆架一直处于构造下沉过程中[83]。进一步的研究发现,约1 Ma以来,南黄海陆架沉积序列主要以低频(约100 ka)的海平面波动为主,而在较浅的渤海沉积中除了有100 ka周期外,还存在高频(约40 ka)的海平面变化信息(图6[49]。这一发现意味着中国东部陆架沉积环境整体受到了海平面变化的影响,不同海域地形和地貌的差别可能不足以导致海平面变化对沉积环境产生显著的差异化影响。通过与印度尼西亚Sangiran地区和日本Osaka湾沉积记录的对比发现,约0.8~1 Ma大规模的海侵至少在东南亚沿海普遍存在[84-85],这可能是由于中更新世转型期后以100 ka为主导周期的高海平面持续时间加长造成的[49]

      图  6  渤、黄海陆架轨道尺度沉积环境变化[49]

      Figure 6.  The sedimentary environmental change at orbital timescale in the Bohai Sea and Yellow Sea[49]

      上述结果表明,中国东部陆架区海侵-海退是在本区第四纪以来持续的构造沉降背景下,由于冰期-间冰期海平面升降变化造成的。中国东部陆架区的研究结论与全球其他陆架区研究基本一致,均表明海平面变化是控制陆架沉积层序的重要因素[86-87]。来自新西兰Wanganui盆地的研究表明,第四纪期间在海平面升降幅度达100多米的背景下,该地区普遍形成具有41 ka和100 ka周期的海侵与海退沉积旋回[88],揭示了海平面变化在沉积层序形成中的主要控制作用。在美国东部新泽西陆架区IODP313航次钻孔的微体古生物[89]、层序地层[90]和孢粉研究[87]进一步证实了全球海面变化对陆架地层层序的绝对控制。

      应当指出,虽然海平面变化在陆架沉积层序形成和环境演化中占重要地位,但其他因素如气候变化也不容忽视。研究表明,气候变化会导致沉积物供给发生改变,对沉积层序可能产生强烈的改造[91]。例如,即使在海平面上升期间,突然增加的陆源物质输入也可能在浅海陆架形成以进积为主的陆相沉积体系;而在海平面下降时期,若陆源物质供给严重不足也可以形成退积型海相沉积体系[76]。上述情形均会造成地层记录与海平面变化之间的不一致。由于陆架沉积是包含海平面、气候驱动的沉积物供给、区域构造运动、水动力变化等因素综合作用的结果,因此要区分出陆架沉积中诸如海平面、气候等因素如何影响沉积层序并非易事。

      由于中国东部广大区域处于东亚季风的影响下,季风降水是调控该区水文循环的主要因素,并通过影响水系径流变化从而改变流域内碎屑物质产生和搬运。据此可以推测,中国东部陆架沉积中应当记录了季风气候变化的信息。最近,我们对渤海BH08钻孔粒度进行深入分析,获得了分别代表粗粒组分的 PC1(31~500 μm)和代表细粒组分的PC2(18~66 μm)两个主成分[92]。周期分析结果显示,PC1具有以海平面变化为特征的100 ka和40 ka主周期,而PC2除了具有上述两个周期外,还表现出显著的20 ka周期[92]图7)。由此推测PC1主要受海平面变化的影响,而PC2则受季风降水和海平面变化的共同控制。这一现象清晰揭示了季风变化控制了中更新世以来渤海沉积物的供应[92],且海平面变化及水动力作用会进一步改造入海沉积物的分布和输运。

      图  7  渤海BH08钻孔沉积粒度揭示的海平面与东亚夏季风变化[92]

      Figure 7.  Changes in grain size of BH08 sequence and implication for sea level and East Asian summer monsoon[92]

    • 总体而言,目前在中国东部渤、黄、东海陆架地层完整钻穿第四纪的记录还很少,能够覆盖新生代的记录几乎没有,因而对陆架边缘海地质环境演化与亚洲构造变形、季风系统演化、海平面变化、重大水系建立与调整等一系列重要地质事件的耦合机制还不清楚。国际大洋发现计划(International Ocean Discovery Program, IODP, 2013—2023)及其前身(ODP、DSDP等)是地球科学史上规模最大、影响最深、合作成效最为显著的国际合作研究计划。从1998年中国正式加入IODP以来,以中国科学家为主导实施了南海4个钻探航次ODP184 (1999年)、IODP349(2014年)和IODP367/368/368X(2017年)。然而直到目前,在中国东部渤、黄、东海内陆架还没有实施大洋钻探。虽然在2013年实施的以日本海为主题的IODP346航次在冲绳海槽北部钻取了两个站位,但其底界年代仅为约0.4 Ma[95]。因此,在中国东部陆架亟需开展深部钻探与综合研究工作,将有助于显著提升我们对前述一系列重大科学问题的认知。

      20世纪90年代,在中国还未正式加入IODP之前,石学法[96]已详细阐述了中国边缘海开展大洋钻探的重要意义,提出古黑潮演变与陆海相互作用、长江/黄河入海时代对冲绳海槽沉积环境的影响、陆架沉积作用对古季风和青藏高原隆升的响应以及海平面变化等一系列科学问题。郑洪波[97]从海陆对比和海陆相互作用的视角,提出研究中国新生代宏观地质格局变化、青藏高原隆升、西太平洋边缘海扩张和亚洲季风系统的建立是中国科学家参与IODP计划的优势所在。随后,于2007年提交了在长江中下游和东海陆架盆地实施大洋钻探的建议书(IODP第683号建议书),主要目标是揭示长江历史和东亚季风演化,并为青藏高原的演化提供新证据[24]

      时隔二十多年,现在看来上述问题仍是中国东部陆架研究的主要科学目标,许多重大科学问题并未得到解决。这其中,尤以陆架边缘海地质环境演化与亚洲构造隆升、季风系统演化、海平面变化、重大水系调整的耦合机制最为突出,不但对深入理解新生代东亚地质环境和气候格局演化具有重要意义,而且也是未来在中国东部陆架区进行大洋钻探的重点研究方向。此外,陆架边缘海虽然只占全球海洋面积的8%,但贡献了全球海洋有机碳埋藏通量的80%以上,而中国东部近海有机碳埋藏又占全球边缘海沉积碳埋藏的约10%[98]。因此,中国东部陆架是重要的有机碳储库,在区域和全球碳循环中发挥了重要作用。在新生代东亚构造运动、气候和海平面协同演变背景下,中国东部陆架沉积源-汇过程及有机碳埋藏如何影响及反馈区域及全球气候变化也是开展陆架科学钻探应关注的研究内容。

      此外,还应加强海陆对比研究。青藏高原的隆升和东亚边缘海的形成促成了从陆地到海洋这一全球最大沉积源-汇系统的形成,大量陆源物质从亚洲大陆输运到太平洋和印度洋,其中绝大部分物质堆积在陆架边缘海。陆源物质从源到汇的输运过程成为联接内陆和海洋过程的关键纽带。因而,与国际大陆科学钻探计划(International Continental Scientific Drilling Program,ICDP)结合起来,选取合适区域,如长江下游盆地-东海陆架闽浙隆起-冲绳海槽实施海陆断面联合钻探,开展新生代东亚大陆从源到汇过程、青藏高原隆升与东部陆架边缘海形成的关联机制、东亚季风-海平面变化对陆架沉积层序的影响等研究,加强上述海陆对比研究对深入认识新生代东亚构造和地貌演化、亚洲边缘海形成、季风与水系演化、海平面变化及有机碳埋藏的耦合机制具有重要意义。

    • 本文回顾了前人在中国东部陆架(渤海、黄海和东海)获得的长序列沉积岩心的相关研究,结合最近二十年来中国海洋专项新获得的数据资料和研究成果,阐述了中国东部陆架区沉积环境变化及其与区域构造、海平面和东亚季风气候变化的联系机制;基于目前在长江、黄河流域及东部陆架区开展的沉积物源研究,讨论了长江和黄河贯通入海的可能时代及控制因素;针对目前中国东部陆架能够揭示新生代演化历史的沉积记录非常缺乏这一现状,提出在中国东部陆架开展陆架钻探的重要意义和必要性,并且将新生代以来陆架地质环境演变与东亚构造历史、季风系统演化、海平面变化、重大水系调整及陆架有机碳埋藏的耦合机制作为陆架钻探的重点科学目标。

参考文献 (98)

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