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        黃河三角洲ZK1孔晚第四紀(jì)以來沉積層序演化及其古環(huán)境意義①

        2013-12-08 06:14:50李國剛胡邦琦畢建強(qiáng)宋卓利布如源李建敏
        沉積學(xué)報 2013年6期
        關(guān)鍵詞:有孔蟲淺海三角洲

        李國剛 胡邦琦 畢建強(qiáng) 宋卓利 布如源 李建敏

        (1.國家海洋局北海分局 山東青島 266061;2.國家海洋局北海海洋工程勘察研究院 山東青島 266061;3.國土資源部海洋油氣資源和環(huán)境地質(zhì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 山東青島 266071)

        晚第四紀(jì)以來,我國東部沿海平原地區(qū)歷經(jīng)多次海陸變遷,以河海交互作用與三角洲發(fā)育為主要特色[1~3]。河口三角洲地區(qū)處于海陸過渡地帶,受控于海陸交互作用,對氣候環(huán)境變化敏感,因此大河三角洲沉積研究已成為研究地區(qū)海平面升降及氣候環(huán)境演化歷史的重要課題。近年來,與海平面變化密切相關(guān)的黃河三角洲形成演化研究成為中國東部海岸研究的熱點(diǎn)。前人研究表明,黃河三角洲自晚第四紀(jì)以來經(jīng)歷多次海平面升降和氣候冷暖更替,形成了海陸交替的復(fù)雜地層序列[4~7]。本文以現(xiàn)代黃河三角洲陸地巖芯ZK1為基礎(chǔ),根據(jù)巖性變化、微體古生物化石特征、14C年齡等劃分沉積環(huán)境,結(jié)合前人資料還原沉積演化歷史。與前人研究的巖芯相比,ZK1孔深100 m,鉆至第4陸相層,從取樣位置、鉆孔深度、測試方法和分析精度等方面來說,ZK1均屬研究黃河三角洲地區(qū)沉積環(huán)境演化的理想巖芯。

        1 研究材料和方法

        現(xiàn)代黃河三角洲自1855年黃河再次注入渤海后形成,位于山東北部,渤海灣與萊州灣之間。由于高含沙特性,黃河決口改道頻繁發(fā)生,在河口形成一系列三角洲葉瓣,現(xiàn)代黃河三角洲就是不同時期葉瓣疊加形成的復(fù)合體[4]。黃河三角洲包括陸上三角洲和水下三角洲,其中陸上三角洲地勢平坦,廣泛分布決口扇、分流河道和泛濫平原沉積物。

        2009年5月采用回轉(zhuǎn)或沖擊鉆方法,在現(xiàn)代黃河陸上三角洲獲取巖芯 ZK1(圖1),該孔坐標(biāo)37°51'01″N,118°28'01″E,地面標(biāo)高 5.0 m,實(shí)際進(jìn)尺100.1 m,巖芯采取率 88%。室內(nèi)首先使用GEOTEK生產(chǎn)的多感應(yīng)巖芯記錄儀對全部巖芯進(jìn)行物理性質(zhì)無損測試,記錄磁化率等參數(shù);然后對巖芯剖樣,依次進(jìn)行巖性描述、拍照等工作;最后以10 cm間距對巖芯分樣。ZK1巖芯共測試粒度樣品880個、微體古生物鑒定79個、AMS14C年代7個。

        粒度分析采用激光粒度分析法,測試步驟為取適量的10%的H2O2和0.5 N的HCl分別去除沉積物中的有機(jī)質(zhì)和碳酸鹽。處理過后的樣品經(jīng)多次洗鹽,加入偏磷酸鈉后,超聲波分散,上機(jī)測試。測試儀器為Microtrac S3500擴(kuò)展型激光粒度儀。粒級標(biāo)準(zhǔn)采用尤登—溫德華氏等比制Φ值粒級標(biāo)準(zhǔn),使用矩法計算粒度參數(shù),沉積物分類命名采用謝帕德沉積物粒度三角圖分類法。

        圖1 研究區(qū)和鉆孔位置Fig.1 Map of study area and core location of ZK1

        微體古生物鑒定樣品采用標(biāo)準(zhǔn)方法處理,先將沉積物樣品置于烘箱在60℃下干燥,稱重,干樣用純凈水浸泡2~3天,待樣品充分分解后過250目(孔徑為0.063 mm)網(wǎng)篩沖洗,沖洗后篩上樣品低溫烘干,后過100目(孔徑0.154 mm)干篩。對較粗的(>0.154 mm)組分在體視顯微鏡下進(jìn)行有孔蟲和介形蟲鑒定和統(tǒng)計。微體古生物鑒定在同濟(jì)大學(xué)海洋地質(zhì)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成。

        按照上述微古鑒定預(yù)處理方法處理樣品,鏡下挑選足夠的(不少于10 mg)混合底棲有孔蟲樣品做AMS14C測年,測試工作在美國伍茲霍爾海洋研究所完成,測試結(jié)果如表1。鑒于本區(qū)有孔蟲數(shù)量總體偏少,一些層位選取軟體動物殼體代替有孔蟲測試,但需考慮軟體動物殼體作14C測年的局限性,即貝殼殼體可能來源于下伏地層,導(dǎo)致14C年代比實(shí)際地層年代偏老。

        表1 ZK1孔AMS 14C測年結(jié)果Table 1 Results of AMS 14C dating of core ZK1

        2 研究結(jié)果

        2.1 粒度及巖性特征

        采用等比制(Φ值標(biāo)準(zhǔn))粒級分類,ZK1沉積物粒級組分由砂(<4Φ)、粉砂(4~8Φ)、黏土(>8Φ)組成,三者平均含量分別為48.17%、46.93%和4.89%,各組分含量如三角圖。按照謝帕德沉積物分類法,ZK1孔沉積物類型以砂、粉砂、砂質(zhì)粉砂為主(圖2)。沉積物各粒度參數(shù)垂向上存在較大差異:平均粒徑介于1.69~7.85Φ,平均為4.45Φ;分選系數(shù)介于0.32~2.57之間,分選程度好—差不等;偏態(tài)介于-2.15~2.28,大部分沉積物為正偏;峰態(tài)介于0.43~3.14之間,大部分沉積物為尖峰態(tài)。

        圖2 ZK1孔沉積物粒度組分三角圖Fig.2 The triangular map of sediment grain composition of Core ZK1

        通過對ZK1孔巖芯沉積物的詳細(xì)觀察和分析,包括巖性、顏色、含水量、軟體動物殼體情況、沉積構(gòu)造等特征,并結(jié)合粒度數(shù)據(jù),將該孔自上而下分為24層,ZK1孔巖性分層見表2。

        2.2 微體古生物特征

        ZK1孔共對79個樣品進(jìn)行微體古生物鑒定,其中40個樣品中發(fā)現(xiàn)有孔蟲,主要分布在孔深5.67~20.45 m、40.50~50.67 m和78.05~92.10 m的三個取樣層中,總計挑得8189枚,豐度在中部40.50~50.67 m層段最高,其中在孔深50.67 m處最高豐度達(dá)1350枚/g(圖3)。ZK1孔有孔蟲分屬33屬59種,其中玻璃質(zhì)螺旋殼類和平旋殼類種數(shù)、豐度等最高。ZK1孔底棲有孔蟲以廣鹽類和近岸淺海類為多,其中數(shù)量最多、出現(xiàn)頻率最高的是畢克卷轉(zhuǎn)蟲Ammonia beccarii,其相對豐度平均為32.2%,在47.1%的樣品中都以第一優(yōu)勢種出現(xiàn)。其次是縫裂希望蟲Elphidium magellanicum,平均相對豐度為13.1%,主要分布在5.67~20.45 m、40.50~50.67 m之間。其余常見的屬種依次為:五玦蟲 Quinqueloculina spp.(11.3%),具瘤先希望蟲 Protelphidium tuberculatum(9.6%)、亞易變篩諾寧蟲 Cribrononion subincertum(8.4%)、德國海恩斯蟲Haynesina germanica(4.8%)和異地希望蟲Elphidium advenum(4.4%)。

        表2 ZK1巖芯巖性分層Table 2 Division of sediment characteristic of Core ZK1

        介形蟲出現(xiàn)在42個樣品中,其中海相介形蟲見于39個樣品中,陸相介形蟲見于11個樣品中??傆嬏舻煤O嘟樾蜗x3 286瓣,陸相介形蟲41瓣。介形蟲分布與有孔蟲一樣,主要產(chǎn)于上述3個取樣層中。數(shù)量豐度變化大,豐度最高為662瓣/g,見于孔深50.67 m處。介形蟲在樣品中的分異度最高18種,在5.67~20.45 m層中普遍較高(圖4)。

        圖3 ZK1孔有孔蟲垂向分布Fig.3 The vertical distribution of foraminifer species of Core ZK1

        圖4 ZK1孔介形蟲垂向分布Fig.4 The vertical distribution of ostracods species of Core ZK1

        介形蟲共發(fā)現(xiàn)37屬45種,其中陸相類5屬6種,以廣鹽類和淺海類占優(yōu)勢,又以典型中華美花介Sinocytheridea impressa最多,在全群中的相對豐度平均高達(dá)27.2%,在39.3%樣品中以第一優(yōu)勢種出現(xiàn)。其余種按平均豐度由高到低依次為:陳氏新單角介Neomonoceratina chenae(18.6%)、美山雙角花介Bicornucythere bisanensis(17.7%)、布氏形純艷花介Pistocythereis bradyformis(9.8%)、豐滿陳氏介 Tanella opima(4.5%)、古屋刺面介 Spinileberis furuyaensis(4.2%)、眼點(diǎn)彎貝介 Loxoconcha ocellata(3.9%)和中華潔面介Albileberis sinensis(2.3%)。陸相介形蟲主要見于上部孔深30 m以上和80 m以下層段,其中孔深85.32 m處豐度最高(4.5瓣/10g)。樣品中輪藻化石見于孔深 21.15 m、31.67 m、32.77 m和85.32 m等4個樣品中,最高豐度(7.3枚/10g)見于21.15 m處。在孔深15.72 m、18.8 m和82.76 m等樣品中見較多的雙殼類和螺類。

        3 討論

        3.1 沉積環(huán)境劃分

        根據(jù)微體古生物組合特征和巖性特征,ZK1孔自上而下可識別出10個沉積相(圖5),歸結(jié)為3個海侵層,各海侵層沉積特征如下。

        (1)第Ⅰ海侵層

        第Ⅰ海侵層(5.63~20.62 m),包括河口三角洲相(5.63~14.04 m)和濱岸淺海相(14.04~20.62 m)兩段:

        ①河口三角洲相(5.63~14.04 m)

        有孔蟲以廣鹽類為主,其中畢克卷轉(zhuǎn)蟲Ammonia beccarii數(shù)量豐度高達(dá)47.2%,高于下段的8.5%。介形蟲群以半咸水種豐滿陳氏介Tanella opima(21.1%)和廣鹽類眼點(diǎn)彎貝介 Loxoconcha ocellata(15.4%)為主。受河流沖淡水的影響,此段多數(shù)(62.5%)樣品中可見少量陸相介形蟲和植物種子、真菌類孢子。

        本段沉積物以粉砂、砂質(zhì)粉砂為主,也有細(xì)砂層、黏土紋層等,表現(xiàn)為不同粒度交替沉積的層序,為不同時期黃河三角洲疊覆堆積體[8]。廣泛發(fā)育的脈狀、透鏡層理顯示曾受潮流影響;底部發(fā)育的生物淺穴則說明其形成于低能環(huán)境(如三角洲側(cè)緣)。8.26 m處含貝殼殼體的細(xì)砂薄層可能為不同時期三角洲間的改造沉積。取自8.85 m處的細(xì)砂樣品粒度概率累積曲線呈現(xiàn)三段式(圖6),由一個跳躍總體和兩個懸浮總體組成,跳躍總體含量近70%,跳躍組分和懸浮組分交點(diǎn)在3Φ附近,具有河流沉積的曲線形式。

        ②濱岸淺海相(14.04~20.62 m)

        本段微體古生物以淺海類為主,如有孔蟲異地希望蟲Elphidium advenum、五玦蟲Quinqueloculina spp.和介形蟲陳氏新單角介Neomonoceratina chenae、布氏形純艷花介Pistocythereis bradyformis等淺海類的豐度明顯高于上層,同現(xiàn)卷轉(zhuǎn)蟲Ammonia annectens、丸橋卷轉(zhuǎn)蟲A.maruhasii等淺海種主要出現(xiàn)在此層。由于此層中含有較多的冷水種,推測海水較冷。

        本段有孔蟲和軟體動物殼體含量豐富,測年數(shù)據(jù)較多。取自16.35 m和18.73 m(貝殼碎屑層)的貝殼樣品AMS14C年齡分別為2 130±4014C aB.P.和6 550±3014C aB.P.,取自17.62 m和19.40 m(泥炭層)的混合底棲有孔蟲AMS14C年齡分別為4 280±3014C aB.P.和8 130±3514C aB.P.,均表明該層為全新世海侵以來的沉積。

        沉積物表現(xiàn)為海流、波浪、生物等因素影響的沉積構(gòu)造,對應(yīng)于濱岸淺水的次級沉積環(huán)境,如16.73 m處富含貝殼碎屑的細(xì)砂層形成于靠近低潮線的前濱環(huán)境。其下為潮灘沉積,存在有沼澤沉積物形成的泥炭層,并發(fā)育蟲穴生物擾動痕跡,取自該層20.10 m的粉砂樣品概率累積曲線呈二段式(圖6),均為懸浮總體,指示沉積相形成時水動力弱,沉積物在懸浮狀態(tài)下堆積。

        (2)第Ⅱ海侵層

        第Ⅱ海相層(39.52~51.52 m)可分為濱岸淺海相(39.52~49.57 m)和河口三角洲(49.57~51.52 m)兩段,之間被結(jié)核薄層區(qū)分。

        ①濱岸淺海相(39.52~49.57 cm)

        微體古生物以廣鹽類為主,但含有較多的淺海類,其中有孔蟲以廣鹽類的縫裂希望蟲Elphidium magellanicum(24.7%)、畢克卷轉(zhuǎn)蟲 Ammonia beccarii(23.0%)和淺海類的具瘤先希望蟲Protelphidium tuberculatum(17.4%)為常見,介形蟲則以廣鹽類典型中華美花介Sinocytheridea impressa(35.0%)和淺海類陳氏新單角介Neomonoceratina chenae(25.8%)為優(yōu)勢,推測本段以濱岸淺海的沉積環(huán)境為主。根據(jù)有孔蟲群中出現(xiàn)較多的冷水種冷水面頰蟲Buccella frigida、縫裂希望蟲Elphidium magellanicum和具瘤先希望蟲Protelphidium tuberculatum,推測該沉積時期可能存在沿岸的冷水流。43.12m處的混合底棲有孔蟲14C年齡為40 700±44014C aB.P.,超出14C測年上限,僅供參考。

        39.52~47 .57m處沉積物發(fā)育大量蟲孔和生物擾動,以及概率累積曲線的一段式形態(tài)(圖6),均說明當(dāng)時為沉積速率較低的低能沉積環(huán)境,如淺灘。頂部出現(xiàn)的鈣質(zhì)結(jié)核和鐵銹染痕說明后期水面較淺,甚至暴露出水面[9]。47.57~49.57 m含貝殼碎屑的砂體為濱岸沉積,發(fā)育波狀層理、潮汐層理。

        ②河口三角洲相(49.57~51.52 m)

        有孔蟲仍以廣鹽類為主,畢克卷轉(zhuǎn)蟲Ammonia beccarii在數(shù)量豐度上占絕對優(yōu)勢(72.2%),但介形蟲中出現(xiàn)大量的半咸水種光滑三原介Sanyuania sublaevis(21.2%)和古屋刺面介Spinileberis furuyaensis(74.0%),反映了河口半咸水環(huán)境。

        本段沉積物主體為淺灰色—灰褐色砂質(zhì)粉砂層,沉積物粒度概率累積曲線呈現(xiàn)三段式(如圖6),以牽引流的跳躍搬運(yùn)為主,跳躍總體含量可達(dá)70%~80%,又因靠近河口,具有相當(dāng)?shù)膽腋〗M分。沉積物淺銹色特征,說明當(dāng)時水位較淺,后期發(fā)育鈣質(zhì)結(jié)核層,與上覆地層呈突變接觸。推斷本層為該海侵層沉積初期的河口三角洲環(huán)境。

        (3)第Ⅲ海侵層

        本層可細(xì)分為濱岸淺海相(76.00~83.63 m)和潮灘相(83.63~92.70 m)兩段。

        ①濱岸淺海相(76.00~83.63 m)

        圖5 ZK1孔綜合沉積演化圖Fig.5 General sedimentary environment evolution of Core ZK1

        圖6 ZK1孔各海侵層典型沉積物粒度概率累積曲線Fig.6 Typical probability accumulation curves of sediments grain size from different transgressions of Core ZK1

        微體古生物由廣鹽類和淺海類組成,其中81.75 m以上層含有較多的冷水種縫裂希望蟲Elphidium magellanicum和具瘤先希望蟲Protelphidium tuberculatu,兩者平均豐度合計12.8%,推斷為海水溫度較低的濱岸環(huán)境,與現(xiàn)代黃河口兩側(cè)淺海溫度類似;而81.75 m以下層出現(xiàn)暖水種有孔蟲施羅特假車輪蟲Pseudorotalia schroeteriana,平均豐度32.2%,推斷為推測為鹽度正常的濱岸淺海沉積環(huán)境,海水溫度較高,與現(xiàn)代浙閩沿岸溫度接近。

        76.00~77 .60 m段沉積物中含貝殼碎屑、生物孔穴的砂體為平均低潮線附近的沿岸砂壩,貝殼碎屑層為鑒別海灘砂體的標(biāo)志。取自76.39 m處的細(xì)砂沉積物粒度概率累積曲線包含1個跳躍總體和2個懸浮總體(圖6),以跳躍組分為主,分選好,為波浪分選結(jié)果,由于缺少恒定的強(qiáng)水流,沉積物具有較多分選差的懸浮組分。77.60~81.75 m粉砂為潮灘沉積物,具有潮汐層理、脈狀層理,可見蟲孔構(gòu)造,其中77.60~78.20 m的黑色有機(jī)粉砂為鹽沼沉積。潮灘沉積物粒度概率累積曲線以一段式、僅含懸浮總體為特征(圖6)。

        ②潮灘相(83.63~92.70 m)

        本段微體古生物化石含量較少,具有較多的半咸水種,其中半咸水有孔蟲德國海恩斯蟲Haynesina germanica平均豐度高達(dá)50%。介形蟲中的半咸水種光滑三原介Sanyuania sublaevis和古屋刺面介Spinileberis furuyaensis,兩者的平均豐度為21.5%,并出現(xiàn)4屬4種的陸相介形蟲,平均豐度4.4%。

        從沉積物巖性特征上看,本段主體為灰褐色粉砂,夾有多個黃褐色—灰褐色砂質(zhì)粉砂層,多處發(fā)育鐵銹色染痕和鈣質(zhì)結(jié)核,均說明此沉積相時而露出水面,時而被海水淹沒,存在多次海陸交替,推測為海陸過渡的潮灘相沉積環(huán)境。

        3.2 地層對比與海平面變化

        選取渤海鄰近區(qū)域研究較深入的巖芯BQ1、S3、HB-1[5~7,10],與本區(qū) ZK1 孔作對比,討論黃河三角洲古環(huán)境變化和海平面升降歷史。BQ1孔位于渤海西岸,鉆進(jìn)深度95.6 m,可分辨出晚更新世以來3個海相層。S3孔位于黃河三角洲頂端東部邊緣,孔深450.27 m,是渤海及其周邊最長的晚新時代巖芯之一,可分辨出中更新世中晚期以來7個海相地層(圖7)。HB-1孔位于黃河三角洲頂端近海,孔深61 m,可分辨出MIS3以來的7次海平面變化。這3孔測年資料詳細(xì),海陸地層劃分清楚。

        圖7 ZK1孔與鄰近海區(qū)鉆孔地層對比Fig.7 Stratigraphic comparison between Core ZK1 and other cores from the nearby area

        通過測年資料對比,確定ZK1孔與已知巖芯相應(yīng)層位年代一致。如S3孔第1海相層(0~23 m)底部濱海沼澤相泥炭14C年齡為8340±120aB.P.,與取自ZK1第1海侵層潮灘沼澤沉積物和有孔蟲14C年齡相一致(分別為8 130±35 aB.P.和8 050±35 aB.P.)。S3孔第2海相層(43~52 m)底界貝殼碎屑14C年齡為49 720±2 200 aB.P.,亦與取自ZK1第2海相層的有孔蟲14C年代相一致(40 700±440 aB.P.)。根據(jù)已知巖芯研究,渤海自晚更新世以來海平面發(fā)生過多次重大變化[1,5~7],其中包括 3 次大的海平面上升過程,分別是MIS3的渤海海侵(65~53 kaB.P.)和獻(xiàn)縣海侵(39~22 kaB.P.)、MIS1的黃驊海侵(9~0 kaB.P.),其地層均以海相微體古生物組合和沉積相為標(biāo)志,分別對應(yīng)MIS3以來ZK1、S3、HB-1孔的各海相層。

        由此概括ZK1孔的海平面變化過程:晚更新世進(jìn)入末次冰期以來(MIS4),該區(qū)氣候較冷,海水退出渤海海區(qū),沉積了ZK1底部的陸相河湖沉積(圖7中第Ⅳ陸相層)。MIS3開始,氣候變暖,進(jìn)入末次冰期的第一間冰階,海面上升,發(fā)生了晚更新世的首次海侵——本區(qū)稱為渤海海侵,沉積有ZK1孔的第Ⅲ海侵層;之后氣候變冷,海平面下降,沉積了第Ⅲ陸相層;約距今39 ka開始,氣候再次變暖,進(jìn)入末次冰期的第二間冰階,海水上升,再次淹沒渤海,沉積有獻(xiàn)縣海侵層,即ZK1孔的第Ⅱ海侵層。大約20 kaB.P.,進(jìn)入末次冰期冰盛期(MIS2),海水再次退出渤海,本區(qū)分布河流湖泊,沉積了第Ⅱ陸相層。約11 kaB.P.,氣候急劇升溫,末次冰期結(jié)束,進(jìn)入冰后期(MIS1)。約8.5 kaB.P.開始海水淹沒本區(qū),陸續(xù)沉積第Ⅰ海侵層中的潮灘、濱淺海相沉積。6 kaB.P.海侵達(dá)到最大范圍,約4 kaB.P.開始,黃河多次注入渤海[8,11],沉積了第Ⅰ海侵層中的水下三角洲沉積。由于黃河的高含沙量,河口三角洲淤積成陸,黃河在三角洲平原泛濫擺動,沉積了ZK1孔頂部的第Ⅰ陸相層。

        4 結(jié)論

        通過對黃河三角洲百米巖芯ZK1孔沉積物沉積粒度、微體古生物鑒定、AMS14C測年等測試分析,結(jié)合巖性特征得到如下結(jié)論:ZK1孔共發(fā)育10個沉積相,可識別3個海侵層,其中第Ⅰ海侵層的河口三角洲相和濱岸淺海相,第Ⅱ海侵層的濱岸淺海相和河口三角洲相,第Ⅲ海侵層的近岸淺海相和潮灘相,均以廣鹽或淺海類微古組合和特征巖性為標(biāo)志。與前人研究對比,3個海侵層自下而上對應(yīng)于MIS3的渤海海侵和獻(xiàn)縣海侵、MIS1的黃驊海侵,指示自MIS4以來研究區(qū)共發(fā)生3次主要海平面波動。ZK1孔與鄰近鉆孔結(jié)合,豐富了晚第四紀(jì)以來黃河三角洲地區(qū)沉積環(huán)境演變和海平面變化研究。

        致謝 國家海洋局第一海洋研究所喬淑卿、劉焱光、姚政權(quán)、吳永華、王昆山,以及同濟(jì)大學(xué)趙泉鴻教授等在樣品分樣、鑒定測試等方面提供了大量幫助,在此衷心感謝。對審稿人提出寶貴建議深表感謝!

        References)

        1 中國科學(xué)院海洋研究所海洋地質(zhì)研究室.渤海地質(zhì)[M].北京:科學(xué)出版社,1985[Department of Marine Geology,Institute of Oceanology,Chinese Academy of Sciences.Geology of the Bohai Sea[M].Beijing:Science Press,1985]

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