障壁沉積體系研究進展及我國障壁島研究展望

王宏月，王 洋，王紅兵，羅曉楓，麥詠欣，黃旭弘，王中波*

（1.汕頭大學海洋科學研究院，海洋災害預警與防護廣東省重點實驗室，廣東 汕頭 515063；2.中國地質調查局?？诤Ｑ笳{查中心，海南 ?？?570100）

障壁沉積體系是指在風、波浪和沿岸流的共同作用下，在海上發育形成的障壁島，及其與大陸之間形成的灘涂、淺海灣、潟湖或沼澤濕地等沉積單元的統稱，也稱為障壁島體系[1-3].充足的沉積物供應，適宜的海岸沉積動力環境（潮汐、波浪等）和低緩的海岸坡度，是障壁島形成的必需條件[4-5].此外，海平面的緩慢上升對障壁島演化也起著重要作用.一般來說，沉積物供應充足的區域，障壁較為發育；侵蝕程度高或沉積物供應稀少的區域，障壁沉積薄弱.總之，障壁島是通過基底地質、氣候、沉積物、海平面變化和海洋動力學之間復雜的相互作用而演化形成[6].此外，障壁島是障壁沉積體系的核心單元，將開闊海域與近岸地區隔開，其海洋作用較為活躍[7]，是海岸沉積的主要類型之一，構成了全球10%的現代海岸線[6].因而，障壁島的發育和演化與海平面變化、沉積物供應和風暴潮等自然因素以及人類活動有著密切的聯系，是海岸帶地質研究的重點和熱點[3，7].

1 障壁沉積體系理論的提出和發展

“障壁島”（Barrier island）這一術語最終作為通用地質名稱，經歷了長期的發展過程.其研究最早源自de Beaumont對外濱沙壩（Offshore bar）暴露成島的成因分析，至今已超過150年[8].“障壁”（Barrier）首次出現在濱海沉積研究中，是用于地形描述，且不是專用術語[9].Gilbert在研究晚更新世淡水冰川沉積時，開始將“障壁”作為專用術語[10].Price和Shepard在研究近岸沙脊時，放棄使用“外濱沙壩”（Offshore bar）和“沙壩”（Bar），轉而使用“障壁島”[11-12].King曾使用“障壁海灘”（Barrierbeach）來描述“障壁島”或“障壁沙嘴”（Barrier spit）[13].直至Oertel才正式提出并建立了障壁沉積體系模型[1]（圖1），其核心包括陸地、障壁后潟湖、潮汐通道/潮汐三角洲、障壁島、障壁臺地、臨濱等沉積單元，沿用至今.

圖1 障壁沉積體系簡圖（據文獻[1]修改）

2 全球障壁島分布及研究進展

2.1 全球障壁島分布

統計顯示[6]，全球障壁島分布不均，主要集中于北美洲東南沿海地區、北極極地、非洲西海岸、亞歐大陸沿岸以及南美洲東部地區，大洋洲東海岸也有零星分布（圖2）.Glaeser根據海岸線的構造背景，發現占全球長度的49%的障壁島位于后緣拖曳陸緣海岸，24%分布于碰撞板塊邊緣，以及27%分布于邊緣海[14].而Stutz and Pilkey統計認為，后緣拖曳海岸的障壁島占總數的73%，邊緣海海岸的障壁島只的18%[6].二者之間的差異在于對障壁島的統計標準不同，后者沒有考慮海灘障壁、灣口障壁以及碰撞海岸和邊緣海的沙嘴.但以上統計表明障壁島的發育與板塊邊緣類型直接相關，構造差異是控制障壁島分布的主要因素[14].86%的障壁島分布在北半球，反映出5 ka以來海平面波動對障壁島海岸的影響，其中30%的障壁島分布在美國海岸[6].在北美東部的被動大陸邊緣、墨西哥灣海岸、美洲西部碰撞大陸邊緣分布著大量障壁島，其周圍都有低地勢沿海平原的存在，因此障壁島的分布還與鄰近沿海平原的地貌特征有關[14].

2.2 障壁島主要類型

目前全球大約存在1 500個獨立的障壁島，總長15 100 km，占總海岸線的6.5%[6]（圖2），分布在除南極洲以外的所有大陸，出現在不同地質環境和氣候帶.障壁島多出現在陸源碎屑沉積物供給充足的沿海平原，陸源沉積物是障壁島發育的直接物質來源；而沿著大陸邊緣海和碰撞邊緣出現的障壁島多為現有岬角的侵蝕和沿岸沙嘴的進積[14].

三角洲障壁島體系是重要的障壁島類型（圖2），占全球障壁島總長度的30%，在南美洲、亞洲和非洲占據的比例達一半以上，但由于海平面不同時期的變化，北美洲和歐洲的三角洲障壁島僅占據10%[15].這類障壁島的形成條件與三角洲發育條件基本一致，都需要充足沉積物供給、低緩的地形和足夠強的波浪作用，且河控、潮控和浪控型三角洲均可以發育障壁島海岸[15].其中，河控型的密西西比河三角洲的研究程度最高，但由于巨量物質供應，全新世沉積發育了多期障壁岸線，形成障壁島鏈，形成模式主要為沙嘴沖斷和向海加積，因此其障壁島模式缺少普適性[16-17].多數三角洲障壁島的形成機制受控海平面上升引起的潮汐通道、臨濱形態和隨之改變的波浪、潮汐和河流過程.而人類活動引起的泥沙通量、動力環境改變，會加速海平面上升引起的障壁島演化[6，18-20].

極地障壁島主要包括位于北美西北部和亞歐大陸北部的障壁島，占據比例為25%，但其長度僅占12.5%，平均長度只有3 km，海拔偏低，多為海侵沉積[6，21].如阿拉斯加波弗特海岸沿線的障壁島平均海拔是1～2 m，長度在100 m左右，多由礫石組成，形成動力機制是高強度的波浪能、冰漂流、冰川作用以及物理風化作用，明顯區別于低緯度地區沙質障壁島[22].

碳酸鹽障壁島在全球障壁島中所占比例不足1%，但為豐富障壁島的演化提供重要指標[6].波斯灣的阿布扎比群島和尤卡坦半島由于氣候干旱，形成原生碳酸鹽巖沉積物，因此障壁島沉積物組成中陸源碎屑物質很少，多為海洋骨架和鮞狀碳酸鹽砂；阿布扎比海岸的全新世層序的特征與相鄰潟湖的受保護性質密切相關，潟湖富含碳酸鹽沉積物，其向海岸遷移導致海岸沙壩的進積[23].這些碳酸鹽巖島嶼為障壁島臨濱沉積物提供了充足的物源供給，同時也顯示出其不同的陸源物質屬性[6].

極少數微弱成巖的更新世沙丘也可形成障壁島，該類障壁島的沉積物能體現其所在區域的氣候和地質沉積環境，如喬治亞海群島[6].此外，這類障壁島沉積體還出現在北極地區、澳大利亞東南部和波斯灣（圖2）.如波斯灣因哈卡島和巴扎魯托島海岸在退潮時出現的碳酸鹽沙洲，其表層碳酸鹽顆粒在早期成巖作用下固化，為障壁島發育創造利條件[23].

圖2 全球障壁島分布圖（據文獻[6]修改）

2.3 障壁島沉積體系研究進展

障壁島沉積體系研究具有明顯的階段性，早期的研究集中在障壁島的定義和描述[1，14]，其后為個體障壁島的形成和演化機制[15，24]，以及障壁島的系統分類[25].目前的障壁島沉積的研究熱點主要圍繞在人類活動對障壁島的影響[19]和極端天氣對障壁島的影響[18，26].

早期，學者根據研究區域不同提出了多種的障壁島成因認識.Curray指出障壁的形成是對于全新世晚期海平面上升速度降低的反應[27].而其他學者則強調障壁島的位置變遷，認為多數障壁海岸是從海岸位置向海遷移到現在位置[28-31].此外，波浪形成的階地下沉或沖積平原的淹沒[32]，及海灘與陸地分離和濱岸沙嘴向海進積也是障壁島的成因[33].后者認為，在寬闊平坦海岸，障壁多為海灘向海遷移；而在不規則海岸，障壁為沙嘴進積.同時，構造運動也使部分海底沙壩出露水面形成障壁島，但其形成機制為個例不普遍適用[4].在大西洋中部海岸，沿岸沉積物的運移也是改造障壁體系的一種作用，但也僅出現在局部地區[34].

Hoyt基于障壁島沉積的各種影響因素，總結了三種主要的障壁島演化理論[4]，分別是：（1）障壁是由波浪作用改造的陸架沉積物，是沉積物垂直加積高于海平面而形成[9]；（2）沿岸搬運沉積物形成的沙嘴，隨后被風暴浪潮沖斷而形成[14]；（3）障壁起源于沿岸沙脊的淹沒[35].

此外，多數障壁島演變模式研究主要集中地貌變化和形成過程，而對比地層中的多向變化、侵蝕和再作用變化的開展的沉積機制研究較少[36-37].障壁島地層演化研究需要精確的年代地層分析，其是探討障壁海岸沉積過程和演化機制的基礎.全新世時期通常由石英顆粒OSL和地層等富碳物質14C測量進行確定[38].Fruergaard et al.基于淺部地震地層和精確OSL年齡證實了北海瓦登海法努島主要成因為全新世的海平面變化[39].南非莫桑比克海岸因哈卡島和巴扎魯托島的演化過程也通過障壁島地層OSL年齡揭示出沉積物來自全新世海侵，形成于沿岸沙嘴并經歷后期海侵過程改造[40].而人類世以來的障壁島年齡判斷相對較難，一定程度上制約了研究開展，但近年來，OSL技術在障壁島復合體十年尺度沉積地層研究獲得了突破[41].

目前研究認為，影響障壁島體系形成和發育的主要因素有基底斜坡地形、下覆地層沉積物性質、區域構造抬升或沉降、海平面相對變化、岸線演化、沉積物供應以及水動力環境[42].其中，短時間尺度障壁島演化主要受控于基底地形、海平面相對變化、碎屑沉積物供應和波浪、潮流和風場變化，同時人類活動和極端天氣不容忽視[20，43].此外，先期臨濱地形和沉積物通量變化也會影響障壁島的演變，會導致障壁島向陸遷移、瓦解或形成海底沙壩[43].Pilkey et al.指出在波浪能量相對較低、海岸沉積物供應缺乏的條件下，障壁島也可能形成[24].

綜上所述，目前障壁島研究主要集中在沉積體系形成和演化過程，最新研究則聚焦海平面變化、風暴潮對于障壁島演化的影響，為海岸保護和合理開發提供數據支持和發展策略.

3 我國障壁島研究的現狀及展望

我國是典型的邊緣海海岸，障壁島發育相對較少[6，14]（圖2），零星分布在渤海西北部、海南島東部和臺灣西南部海岸.在早期的研究中，障壁島體系稱為沙壩—潟湖體系，常見于我國廣東、廣西、臺灣、山東和河北等沿岸[44-45].山東半島海岸潟湖成因的三種模式：橫向泥沙輸送，縱向泥沙搬運，橫縱沙源共同作用[46]；沙壩沉積具有典型海退層序，其發育受控于泥沙供給[47-48].也有學者提出，冰后海侵時期，不斷向陸遷移的古濱岸沙是現代沙壩的基礎，海平面變化控制潟湖-沙壩的海進-海退地層轉換，而海岸地形、沉積物供給和風暴潮也有一定影響[44，47，49].此外，粵東碣石灣潟湖沉積研究發現，潮汐和波浪作用控制地貌演變，人類活動影響地形變化[50].因此，我國沙壩—潟湖海岸有多種成因，很難將不同區域海岸的演化統一為單一模式[51].

目前，我國障壁島研究主要集中在渤海西北岸的灤河口障壁島[7，52-54].渤海灤河三角洲障壁島原是我國發育最典型的障壁體系.然而，20世紀80年代以來，流域水利工程建設引起灤河入海輸沙量銳減，同時，海岸工程不合理開發導致河口障壁島岸線的嚴重侵蝕（后退速率高達0.5 m/a），潟湖萎縮（最高速率為1～2 m/a），外側障壁島鏈破壞嚴重[52].曹妃甸障壁后潟湖造陸后，原來潮汐通道被封閉，導致老龍溝淤塞，天然良港已不復存在[55].近年來，人類活動和風暴潮作用對灤河三角洲障壁島演化的影響不斷增強[7].

前期工作發現，我國廣東省粵東地區韓江三角洲蓮陽河河口發育了一套典型障壁島沉積體系（圖3）.目前，韓江三角洲研究多集中三角洲平原地層分布和沉積模式[56-60]，而該障壁島體系相關成因未見報道.由于蓮陽河河口海岸目前是韓江三角洲最典型的自然海岸之一（圖3），被汕頭市列為“河段保護范圍”，幾乎未受到人為直接改造，很好地保持了障壁島自然發育特征.

韓江三角洲地貌研究表明，平原的上游以河流作用為主，形成天然堤、決口扇、沼澤洼地等沖積特征的建設性三角洲；下游海洋（波浪作用）動力較強，形成沙堤—潟湖為特征的破壞性三角洲[57].同時，與多數三角洲障壁島不同的是，韓江三角洲障壁島風成沉積顯著，大量風成沙丘發育.河口障壁沉積地貌具有典型的風成沉積特征，障壁坪表現出典型的向陸風成沉積特征.因此，風成沉積是韓江三角洲障壁體系演化的一個不可忽略的要素.

基于先期衛星遙感影像（1986-2021）和野外地質考察，初步判斷韓江三角洲河口障壁沉積體系形成于1988～1990年間三角洲前緣的臨濱砂席，隨海平面上升和人類活動影響，分別發育為灣口障壁、沙嘴、障壁島（鏈）不同地貌類型，最后臨濱向陸遷移，在2000年之后，障壁島沉積體系基本穩定，緩慢向陸遷移形成目前形態（圖3）.

圖3 韓江三角洲河口障壁島及岸線變遷

綜上所述，障壁島由于其特殊的地理位置和地貌特征，以及現代障壁島顯著的人類活動和自然演化的雙重驅動屬性，是國際河口海岸沉積過程和環境演變研究的熱點之一.目前，日益強烈的人類活動嚴重影響了我國障壁島的地貌形態及沉積環境，一定程度上威脅到海岸帶的生態環境，且相關研究薄弱.因此，在全球變暖、海平面持續上升的背景下，以韓江三角洲障壁島及其河口作為研究區，開展的障壁島成因及其環境演化研究，對比國內外典型三角洲障壁島沉積體系演變，探討沉積模式轉變觸發機制，豐富和完善三角洲沉積模式，進行10～100年不同時間尺度三角洲岸線和障壁島演化預測，以及探討我國三角洲河口海岸可持續發展具有積極的理論和現實意義.

4 結論

障壁沉積體系是平行海岸的沙礫島嶼，包括障壁島、潟湖、潮汐通道、潮汐三角洲、臨濱、障壁臺地和陸地，障壁島是障壁體系的核心單元.全球障壁島分布差異明顯，主要分布在后緣拖曳板塊海岸，而碰撞板塊邊緣和邊緣海海岸也有分布.全球障壁島總數約有1 500個，總長達到15 100 km，占海岸線的6.5%.障壁島沉積研究具有明顯的階段性，依次從障壁島的定義、形成和演化機制、系統分類等研究，一直到目前的研究熱點，即人類活動和極端天氣對障壁島的影響等.我國障壁島分布較少，破壞嚴重，且研究薄弱.韓江三角洲障壁島是在全球變暖、海平面持續緩慢上升的背景下，由人類活動和自然過程共同作用下形成，因此開展其成因及環境演化研究，對豐富和完善三角洲沉積模式、進行岸線和障壁島演化預測，以及探討我國三角洲河口海岸可持續發展具有重要意義.