珠江三角洲全新世海平面升降及其對全球變化的響應*

彭 杰，楊小強，黃文婭，蘇志華

(1.中山大學地球科學與地質工程學院，廣東 廣州 510275;2. 中國科學院邊緣海地質重點實驗室，廣東 廣州510640)

全新世氣候特征及其一些極端氣候事件的研究，為揭示現今人類生活環境的變化規律及其未來趨勢，提供了不可替代的基礎素材。迄今為止，在早中全新世氣溫升高、中晚全新世氣溫降低的總體趨勢之下，最顯著的氣候事件被認為是發生在～8.2 ka的變冷記錄[1-3]，認為格陵蘭淡水注入、北大西洋環流形式的突變是導致該事件發生的主要因素[4-5]。除此之外，其它一系列氣候事件也相繼在高分辨率的石筍和海洋沉積中被揭示[6-7]，顯示了全新世與末次冰期期間類似的氣候不穩定性特征。但是對這些氣候事件的認識，仍然存在一些疑問，它們的全球性特征，以及驅動機制存在諸多未解之謎。如著名的～8.2 ka變冷事件和～4.2 ka的干旱事件，在熱帶區域很難發現類似的記錄，許多學者甚至質疑這些事件的真實性[8-13]。另外一方面，作為地球環境系統中的重要一員，全球海平面的波動規律及其機制，以及它與這些千年、百年尺度的氣候事件之間的聯系更是甚少有比較系統的討論[14-21]。其中最大的難題在于短尺度海平面波動指標的建立以及高分辨率年代學標尺的確定。

河流三角洲通常具有很高的沉積速率，沉積體系隨海侵或海退過程而發生明顯變化，是研究海平面波動和古氣候變化的良好載體。珠江三角洲毗鄰南海，位于東亞季風影響區域，沉積始于晚更新世，全新世沉積厚度一般在8～20 m波動。前期沉積學、地球化學、微體古生物學、礦物學等方面的工作，揭示沉積物可以記錄短尺度的南海海平面的變化過程和陸地降雨變化規律[22-26]。但是由于沉積相的復雜性和地層年代學工作的不確定性，不同區域鉆孔地層的對比及其對沉積物記錄的海平面變化規律的認識，存在較大爭議，從而影響深入探討區域短尺度海平面變化與全球氣候變化之間的關系及其可能的驅動機制。

對珠江三角洲一些代表性鉆孔，如位于廣州番禺的PD鉆孔和深圳的SX97鉆孔，已有的巖石磁學和環境磁學工作揭示，沉積物中磁性礦物的類型、組份和粒度的變化，與海平面的升降密切相關[24,27]。但遺憾的是，在這些前期工作中由于沉積物年齡的不確定性，導致甚少涉及海平面變化歷史的討論。本文主要應用旋回沉積學和磁化率變化相聯系的方法，進行區域地層的對比；應用地球磁場長期變化，確定沉積物的年代框架，進而討論高頻海平面波動及其與全球變化的聯系。

1 地質背景

珠江三角洲位于熱帶、亞熱帶過渡區域，面積約1.1萬 km2，現代氣候主要受亞洲季風體系和海洋作用控制?，F今的三角洲是由三大主要珠江水系(東江、西江和北江)在入?？谛纬傻谋容^開闊的平原地帶(圖1)。區域內花崗巖和花崗片麻巖構成一些低山、丘陵。發育的一系列活動斷層[28]，導致不同區域沉積速率和沉積厚度產生較大差異。進入全新世以來，一般認為三角洲具有持續、緩慢的沉降特征[28]。三角洲沉積開始于晚更新世，沉積物大部分由粘土、粉砂質粘土和細砂組成。沉積厚度從幾米到幾十米變化，沉積速率約在50～200 cm/ka 之間。

三個代表性鉆孔SX97和PD、PD2以不銹鋼鉆具旋轉鉆進直至基巖而獲得(圖1)。鉆孔SX97位于深圳市珠江河口東北岸22°46′10″N, 113°46′42″E。鉆孔長約30.6 m, 巖性變化如下: 0～3.85 m 是人工填土，3.85～10.84 m主要由粉砂質粘土、粘土質粉砂、粉砂和細砂組成，含有貝殼夾層；10.84～12.12 m為多種顏色混雜的風化粘土(一般稱作“花斑粘土”)；12.12～16.46 m逐漸從雜色粘土質粉砂向橘紅色粗砂轉變；16.46～26.04 m為灰綠色、灰白色粉砂和細砂，底部則為灰白色含細礫粗砂。

鉆孔PD長約17.5 m，位于廣州番禺(22°53.859′N, 113°28.782′E)。主要沉積物為灰色、灰黑色粘土、粉砂質粘土和粘土質粉砂，含有不同大小的貝殼碎片。黃色、紅色、白色和灰色等多種顏色混雜的“花斑粘土”出現在鉆孔中部12.02～11.99 m, 10.39～10.30 m 和 9.13～7.4 m三個層位。底部15.2～17.5 m主要為灰色含細礫粗砂，在13.9～15.2 m之間灰色粉砂和細砂占主體。鉆孔PD2距離PD只有800 m左右, 長約29.8 m。沉積物相對比較均質，從0～24.8 m主要為灰黑色粘土和粉砂質粘土，含有貝殼碎片和不對稱的粉砂夾層。在15.40～16.0 m 之間沉積物為含有黃色粘土結核的灰黃色粘土。24.8 m之下主要為灰黃色中、細砂[25]。

鉆孔PD和PD2距離相近，但是沉積厚度不同、花斑粘土在PD2鉆孔不甚發育的特征，可能歸因于2個鉆孔分別位于“珠江口斷層”兩側，鉆孔PD2可能位于下降盤，故沉積速率遠大于鉆孔PD。

圖1 珠江三角洲及研究鉆孔地理位置圖

2 鉆孔沉積物14C測年

鉆孔PD共選擇10個樣品供14C定年，其中5個用加速器質譜儀(AMS)測試而其它5個用傳統液體本底閃爍儀進行測量。除一個樣品為貝殼外，其它均為全巖有機質。用于AMS測量的樣品在西安地球環境研究所完成預處理，然后在北京大學重離子物理實驗室完成測試。常規14C測年在中國科學院廣州地球化學研究所完成。PD鉆孔底部3個粉砂和細砂樣品進行熱釋光年代確定，在中國科學院廣州地球化學研究所完成。SX97鉆孔的12個14C年齡和PD鉆孔的4個14C年齡分別來自文獻[22,25]。

表1 鉆孔沉積物14C測年1)

1)*代表加速器質譜儀(AMS)年齡; SX97鉆孔年齡除來自文獻[22]外，部分由中國科學院廣州地球化學研究所余素華研究員提供; TL-代表熱釋光年齡

表1顯示不同鉆孔沉積物的14C年齡結果顯示嚴重的新、老倒置現象。對鉆孔PD而言，花斑粘土之上沉積物的年齡僅分布在1.805±0.03和3.725±0.03 ka之間。在該區域，Zong et al.和劉春蓮等[26,29]根據JT81，V37和PRD05等幾個鉆孔的14C數據，認為珠江三角洲初次海侵發生在約9 ka，在約6.8 ka開始向海退轉變。如果以花斑粘土之上沉積作為全新世初始沉積的標志，對比鉆孔PD、SX97與JT81、V37、PRD05的沉積物(圖2)，可以發現鉆孔PD、SX97全新世沉積物年齡明顯存在問題。在早、中全新世全球高海平面期間，鉆孔PD缺失該時期沉積，而在海退期間，卻存在細粒沉積物，這很難在沉積原理上進行解釋。

圖2 鉆孔PD，SX97和JT81，V37，PRD05全新世沉積物對比[26,29]

Yim(1999)[30]曾提出，在低海平面時期，三角洲沉積物暴露地表，其測年物質可能被地下水污染，從而導致測年信息的不確定。本文研究的3個鉆孔位于現代海平面之上，地下水位隨海平面和陸地淡水的供應而變化，這種變化也許會影響碳同位素的遷移，進而導致14C測年的不可預期性。

3 鉆孔間地層對比

鉆孔SX97和PD巖石磁學結果證明主要的載磁礦物為河流輸入的碎屑性磁鐵礦，其濃度和粒度隨著沉積物性質而變化[24,27]。而在花斑粘土層，針鐵礦和赤鐵礦占據重要位置，反映了沉積后暴露地表經歷長期風化的過程[27]。三個鉆孔在磁性礦物類型、濃度和粒度方面變化的相似性，表明整個沉積過程主要受控于海平面的波動。因此，有理由推測沉積物磁化率值代表了沉積過程和沉積環境的變化。也就是磁化率值的大小變化，響應一個沉積旋回。磁化率變化的一些顯著特征值是同期沉積，可以提供鉆孔間地層對比的替代性指標(圖3)。

SX97和PD鉆孔中部花斑粘土厚約1 m，磁化率值較低，可以作為鉆孔地層對比最明顯的標志層。盡管在PD2鉆孔沒有發現明顯的類似地層，但是在鉆孔中部(約15～17 m)存在一層灰黃色的粘土沉積，其中包含黃色粘土結核，具有低的磁化率值。在此層之下，伴隨一磁化率非常低的層位，與PD鉆孔磁化率特征非常相似，而在此層之上，沉積物磁化率值呈現總體增加的趨勢，可以判斷該層是與花斑粘土同時期的沉積。從花斑粘土開始，巖性呈現高頻變化特征，粒度從細到粗，沉積物顏色從深到淺，旋回式變化與沉積物磁化率大小表現出良好的一致性。在鉆孔上部，存在一磁化率值突然增大的層位，與巖性的突然變化相一致，代表了晚全新世以來的沉積，也可以作為地層對比的一個標志層。如果以沉積物從細到粗、顏色從深到淺以及貝殼等生物含量多少作為一個沉積旋回(表2)(鉆孔PD2全新世沉積巖性較均一，難以劃分沉積旋回)，與磁化率的從大到小綜合考慮，它們可以作為鉆孔間地層對比的良好工具。盡管鉆孔SX97的磁化率變化幅度弱于其它兩個鉆孔，但是仍能比較清楚的鑒別出響應于巖性變化的峰、谷特征(圖3)?；谶@種旋回沉積學的對比，自花斑粘土向上，可以建立3個鉆孔間地層對比的基本方案，將之劃分為7個可對比層(以字母a-g標記)(圖3)。雖然在磁化率和沉積旋回可對比層位，3個鉆孔的沉積物年齡存在巨大差異，鉆孔沉積物的14C年齡無法提供準確的年代信息，但是清楚的沉積旋回仍然表明珠江三角洲全新世以來海平面至少存在7次顯著的高頻波動。

表2 SX97與PD鉆孔沉積物沉積旋回劃分

4 鉆孔SX97磁傾角變化

鉆孔PD、PD2由于巖心管在破開之后，失水破裂而無法進行古地磁方面的研究，故只有鉆孔SX97的沉積物用來進行古地磁方向的獲取。以5 cm為間距取樣，共取得200個立方體(2 cm×2 cm×2 cm)樣品(13.85～15.7 m之間沉積物為粗砂無法取樣)。首先選擇部分樣品分別在0～80 mT交變磁場或20～650 ℃溫度區間(MMTD60 熱退磁爐)進行磁清洗，并分別在2G-755超導系統測量其剩磁。實驗結果表明，16 mT或200 ℃基本可以消除次生剩磁的影響。在更強的交變場或更高溫度，可以獲得樣品的特征剩磁(圖4)。為了避免沉積物中高矯力礦物對交變退磁的影響，對剩下的所有樣品進行熱退磁實驗。由于沒有確定鉆孔方位角，故只能討論特征剩磁傾角的變化。

至少選擇4個以上的退磁數據點，以最小二乘法進行分析，獲取樣品特征剩磁。去除最大角偏差>8°的樣品，特征剩磁傾角隨深度的變化如圖5(c)所示。從磁傾角變化曲線，可以識別出比較明顯的8個峰、谷變化(標記為‘α-τ’)，代表了該區域全新世地球磁場的長期變化特征。

圖4 沉積物交變退磁與熱退磁正交矢量投影. 結果顯示交變退磁和熱退磁均可獲得沉積物特征剩磁NRM-天然剩磁，TH-熱退磁，AF-交變退磁. 實心/空心圓分別表示水平/垂直投影.

5 討 論

5.1 基于磁傾角變化對比的沉積物年代框架

如上討論，由于沉積物14C數據無法提供準確的年齡信息，我們擬以地球磁場長期變化對比進行地層年代的確定。眾多的研究證明，在千年時間尺度、約數千公里范圍內，地球磁場長期變化(PSV)具有相同的特征，可以作為區域地層對比和年代確定的良好工具[31-35]。Ali(1999)首先在日本Biwa湖建立了亞洲區域全新世的地球磁場長期變化曲線[35]，與從亞洲其它湖泊重建的PSV曲線和考古記錄表現出良好的一致性[36-37]，為PSV的區域對比提供了參照物。以14C年齡作為基本的參考，將鉆孔SX97的磁傾角變化曲線與Biwa湖[35]、海南雙池嶺[36]和云南洱海[37]的長期變化曲線對比，以求確定鉆孔不同深度的沉積物對比年齡(圖5)。確定SX97鉆孔的年齡框架之后，根據沉積地層旋回對比方案，進一步確定PD和PD2兩個鉆孔的年代標尺(表3)。依據這種方法，可以建立3個鉆孔的年代—深度模型(圖6)。結果顯示，3個鉆孔全新世初始沉積基本一致，始于約9 ka，與全球海平面快速上升至拐點轉向基本穩定的時間一致。盡管不同鉆孔之間沉積速率有所差異，但是各個區域沉積過程基本穩定，受同一因素控制。

圖5 鉆孔SX97沉積物巖性(a)、體積磁化率(b)以及特征剩磁傾角(c)變化. 同時顯示與東亞其它區域的地球磁場長期變化曲線對比. (d)日本Biwa湖[35]，(e)海南雙池嶺[36]，(f)云南洱海[37]. 圖中字母α-τ分別指磁傾角一些特征的峰、谷變化，虛線代表可對比特征點。

表3 根據地球磁場長期變化對比確定的鉆孔沉積物年齡

Table 3 Sediment ages obtained from correlating the deposition cycles and susceptibility variations between cores utilizing the inclination curve

PD2/cmPD/cmSX97/cm年齡/ka18060600 75～0 853451501351 0～1 24051902001 35～1 54802302501 8～2 07003233052 4～2 69204403904 65～4 8010204904705 7～5 911806505807 3～7 514007107088 5～8 7

5.2 珠江三角洲全新世高頻海平面變化歷史

當沉積容納空間主要被海平面的變化所影響時[26]，沉積物粒度的大小主要受控于河流和海洋的相互作用過程。一般情況下，更細的沉積物粒度是海進過程、水深增加的結果[26,29]。尤其是磁鐵礦一類的重礦物，對搬運水動力條件更為敏感。當河流搬運動力受海水頂托作用而快速減弱時，粗顆粒重礦物首先在向陸一側堆積，而細顆粒重礦物則懸浮或躍移搬動一段距離在向海一側堆積。在同一位置，當海平面上升、水深增加時，將導致更細顆粒的重礦物含量增加。區域降雨增加導致的河流搬運動力的增強，對重礦物的粒度也有影響，但是這種變粗多表現為更短時期的事件性堆積，很難形成較長時期的連續堆積。

圖6 鉆孔SX97，PD以及PD2年齡-深度模型

PD鉆孔詳細的巖石磁學結果表明沉積物磁化率和飽和等溫剩磁(SIRM)值的增大，歸因于磁鐵礦濃度的增加[27]。更高SIRM/κ的比值反映了細粒磁性礦物組分的增加，與由于水深的增加而導致的水動力條件的減弱相關。最顯著的SIRM/κ峰值一般為灰黑色粘土沉積的特征，向上粒度變粗，含有有孔蟲遺體。因此SIRM/κ的波動可能反映了海侵與海退過程[27]。χARM/SIRM同樣也是磁性礦物粒度的指標，與SIRM/κ相比總體趨勢兩者相似，但其變化頻率更為顯著，對磁鐵礦濃度的變化更為敏感。由此推測，磁性參數χARM/SIRM反映了磁鐵礦粒度的變化，也可以作為反映海平面變化的替代性指標。

因此，我們認為鉆孔PDχARM/SIRM比值的旋回式變化，響應于海平面的升降過程[27]。鉆孔PD的磁化率和χARM/SIRM，以及PD2磁化率值隨時間的變化如圖7所示。在圖中，磁化率的變化與χARM/SIRM并不總是表現出嚴格的一致，這歸因于磁化率對磁性礦物濃度的變化更為敏感。

圖7 珠江三角洲海平面變化與全球氣候變化之間的聯系. χARM/SIRM的低值代表了較低的海平面時期. 圖中灰色條帶代表可以與氣候變化相聯系的高頻海平面變化

從替代性指標χARM/SIRM反映的海平面變化分析，其與其它區域的海平面變化規律基本相似，代表了珠江三角洲區域約9 ka以來百年尺度的海平面變化過程[14-19]。該區域初次海侵發生在約9.2 ka，最大海侵時期在約9.1～7.7 ka之間，該時期也是季風降雨最大時期[6]。但是，并沒有發現全球性的～8.2 ka變冷事件對應的記錄。在最大海侵之后，χARM/SIRM開始減小，表現出旋回式變化特征。主要的海平面變化分別發生在1.2～1.5, 3.0～3.2, 4.0～4.75, 5.25～5.75, 6.2～6.3 和7.25～7.75 ka BP (圖7)，與北大西洋赤鐵礦顆粒表示的冰筏事件相一致[8]。同時在時間誤差允許范圍之內，也與石筍記錄表示的季風減弱事件具有一致性[11-12]。

在構造基本穩定的前提下，全球海平面的變化很大程度歸因于全球冰量的變化[16]，冰期/間冰期的轉換導致非常顯著的海平面升降。因此，全新世以來海平面變化的長期趨勢與氣候變化一致，這是無可爭議的。但是，在百年-千年時間尺度，海平面波動的驅動機制存在諸多不確定性因素，如區域海平面的波動由于地殼抬升或下降，將導致更為復雜的結果。因此，在不同海域以不同的替代性指標推斷而出的海平面變化曲線具有較大的差異性，很難與全球變化相聯系[14-16,19]。在我們的研究中，盡管沒有直接的證據表明珠江三角洲區域海平面的變化響應于古氣候變化歷史，但是替代性指標χARM/SIRM與北大西洋赤鐵礦顆粒含量的同步變化趨勢，以及～8 ka 和～7 ka高海平面與強的季風降雨導致更多的淡水注入同步[26]，表明在珠江三角洲高頻的海平面波動與全球氣候變化之間存在緊密聯系。

6 結 論

1) 珠江三角洲旋回沉積學分析為進行不同區域鉆孔地層對比提供良好的工具，每個沉積旋回反映了沉積環境的變化過程。

2)基于沉積物記錄的地球磁場長期變化曲線，可以為三角洲沉積物提供區域可對比的年代學框架。

3) 以環境磁學參數χARM/SIRM為替代性指標來反映高頻海平面的波動，可以發現6次明顯的低海平面時期和兩次高海平面時期與全球氣候同步變化的規律。

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