全新世海侵以来现行黄河口区域沉积层序及古气候演化*
2018-07-30冯秀丽李国刚王晓明
宋 湦, 冯秀丽**, 李国刚, 王晓明, 滕 珊
(1．中国海洋大学海洋地球科学学院，山东 青岛 266100； 2.海底科学与探测技术教育部重点实验室，山东 青岛 266100；3.国家海洋局北海海洋工程勘察研究院,山东 青岛 266061)
大型河流入海泥沙等物质是海洋沉积物的主要来源之一，每年全球通过河流进入海洋的沉积物大约有20×109t[1-3]。这些通过大型河流进入海洋的大量沉积物一部分随潮流和波浪进行迁移，另外一部分会在河口处形成三角洲平原及水下三角洲等[4]。河口三角洲上不同时期的沉积体层层堆叠，携带着各自沉降时期的古生物环境和气候变化等信息[5]，这些信息可以为沉积环境反演提供高分辨率记录[6-9]。
目前，沉积物的地球化学信息广泛应用于多种地质过程和气候变化的研究中[10-14]，通过常量元素及微量元素的指示作用对沉积环境及气候变化进行分析已经被认可[15]，并且被广泛应用于国内外相关研究中[16-24]。在现行黄河口周边区域已经进行过不少沉积环境演化方面的研究，晚更新世以来，渤海共经历了三次大规模海侵事件，形成了海陆相间的沉积层叠置分布[25-26]。
位于现行黄河口西北部的HB-1钻孔记录了40 ka BP以来的微体古生物信息，显示现今的海相层形成开始于8～13 ka BP之间的海侵事件[27]，同样位于现行黄河口近岸海域的GYDY钻孔记录的全新世海侵事件发生于约9.9 ka BP[28]，而位于现行黄河口陆上的钻孔QSG[29]也记录了这一海侵事件，可见渤海全新世的海侵淹没了现行黄河口区域，形成最新的海相层，各个钻孔发生海侵的时间与其位置有关；渤海的海侵事件与全球气候变化相关，海侵发生在间冰期，海退发生在冰期，现行黄河口区域的微体古生物[27]、孢粉序列[30]、磁化率等代用指标均对气候变化有良好响应[31]，相对而言，对于地球化学代用指标的气候变化研究还不够深入。
本文利用粒度、微体古生物、AMS14C测年数据对现行黄河口BH6钻孔的沉积层序进行划分，利用常量元素特征比值对钻孔全新世以来的古气候演化进行研究。
1 材料及方法
1.1 钻孔位置
钻孔BH6位于渤海西部近岸(见图1)，现行黄河入海口外，水深10 m，孔位坐标37°48′34.287″N、119°21′10.930″E，钻孔实际进尺深度30.73 m,采样率88%。然后在实验室中将柱状岩芯沿横切面直径剖开，一半作为备份，另一半分样测试。分样测试以间距10 cm进行采样，共测试247个激光粒度样品，80个常量元素分析样品，23块微体古生物样品。从测试样品中选出位于钻孔深度10.27 m处的贝壳样品送至美国伍兹霍尔海洋学研究所(WHOI)进行14C测年。
图1 BH6及周边钻孔(HB-1[27]、GYDY[28]、QSG[29])位置图Fig.1 Location of BH6 and the surrounding boreholes(HB-1,GYGD,QSG)
1.2 分析方法
粒度分析采用OMEC LS-601激光粒度仪，测量范围0.1～200 μm，中值粒径重复精度±3%，测试前取适量的10% H2O2和0.5 mol/L HCl分别去除沉积物中的有机质和碳酸盐，处理过后的样品经洗盐，超声波分散后上机测试。粒级标准采用等比制Ф值粒级标准；使用矩法计算粒度参数，即平均粒径Mz、分选系数σi、偏态SK及峰态Kg；沉积物分类命名采用Shepard沉积物粒度三角图分类法。
常量元素分析采用日本RIGAKU公司的ZSX100e型X-射线荧光分析仪(XRF)进行常量元素含量的定量分析。将研磨至200目的沉积物样品粉末，在100 ℃以下烘干，在30 MPa压力下压制成直径为35 mm左右的圆形样片，依次放入样品盒中，进行常量元素的X射线荧光定量分析(SiO2, Al2O3, Fe2O3, MgO, CaO, Na2O, K2O, TiO2, MnO, P2O5)。在进行元素分析时，每批样品均带有空白和标准。每个提取步骤和整个方法的分析精密度采用平行双样来控制，本实验使用标准样品GBW07315、GBW07316、BHVO-2、BCR-2做质量监控，准确度采用近海海洋沉积物标准参考物质(GBW07314)来评价。
样品以标准的微体化石分析方法处理：沉积物样品置于烘箱在60 ℃温度下干燥后称重，干样用自来水浸泡2～3 d使沉积物充分分解，然后用250目(孔径为0.063 mm)网筛冲洗，冲洗剩下的砂样放在烘箱中(温度不超过60 ℃)烘干。再经100目(孔径0.154 mm)干筛。对较粗的(> 0.154 mm)组分在体视显微镜下进行有孔虫和介形虫鉴定和统计。有孔虫和介形虫只从大于150 μm的粗组分中挑出，进行定量分析和属种鉴定，统计丰度、常见属种在样品群落中的出现率及其相对丰度、群落的优势度E1和样品中种的简单分异度。
2 结果和讨论
2.1 沉积相划分与沉积层序
2.1.1 沉积相划分 根据钻孔的岩性特征，结合有孔虫和介形虫分析资料(见图2)，并参考沉积物岩性、粒度参数，将岩芯分为5个沉积相(见图3)。
图2(a) BH6孔有孔虫丰度(枚数/g)、简单分异度(种数)和常见属种相对丰度(%)深度分布Fig.2(a) Vertical distribution of Foraminiferal abundance(number/g), simple diversity (species) and the relative abundance of common species(%) in core BH6
图2(b) BH6孔介形虫丰度(枚数/g)、简单分异度(种数)和常见属种相对丰度(%)，棘皮类丰度(枚/g)、植物种子丰度(枚/g)的深度分布Fig.2(b) Vertical distribution of Ostracodl abundance(number/g), simple diversity (species),relative abundance of common species(%),echinoderm abundance (number/g) and plant seed abundance (number/g) in core BH6
图3 BH6孔粒度分布、岩性及沉积相划分Fig.3 Particle size distribution, lithologic and sedimentary facies division of core BH6
①(0～4.87 m)：顶部1m为新近沉积的灰褐色粉砂；1～4.87 m为灰褐色砂质粉砂，本段分析3块样品，在其中2块样品中只见2枚广盐类有孔虫Ammoniabeccarii和4瓣广盐类介形虫Albileberissinensis。顶部样品中见1瓣陆相介形虫Ilyocyprissp.。样品中见较多的植物碎屑和植物种子，其中以圆形深褐色真菌类孢子居多，丰度平均1.5枚/g。
本段少见有孔虫和海相介形虫，但见陆相介形虫及较多的植物种子和真菌类孢子，分析此段受河流冲淡水的影响；以砂质粉砂为主，无明显层理，这与该孔接近河口具较高沉积速率有关，此段应为近河口的三角洲前缘亚相。
②(4.87～8.08 m)：沉积物主要粉砂，夹灰黑色黏土质粉砂层，偶见透镜状层理，显示水动力条件较上覆层弱，本段应为前三角洲沉积亚相。①②段共同组成三角洲沉积相。
③(8.08～12.08 m)：取自本段10.27 m深度的贝壳样品14C测年年龄为(6 590±30) a14C a BP，证实了本段为全新世海相沉积。本段有孔虫和介形虫数量和种数是全孔最高的层段。有孔虫共见34种，有孔虫仍以广盐类为主，其中最常见和数量最多的优势种是毕克卷转虫Ammoniabeccarii，平均丰度37.0%。；介形虫以浅海类为主，优势种为陈氏新单角介Neomonoceratinachenae，平均丰度19.2%；此段含有较多的浅海种，如有孔虫半缺五玦虫Quinqueloculinaseminula(18.5%)、具瘤先希望虫Protelphidiumtuberculatum(15.7%)、异地希望虫Elphidiumadvenum(5.8%)、缝裂希望虫Elphidiummagellanicum(5.7%)，介形虫陈氏新单角介Neomonoceratinachenae(19.2%)、肯登沟眼花介Alocopocytherekendengensis(13.9%)等。根据有孔虫中出现较多冷水种具瘤先希望虫Protelphidiumtuberculatum、缝裂希望虫Elphidiummagellanicum，推测此时海水较冷。本段是棘皮类(海胆刺和蛇尾类)化石最富集层段，该类生物为典型的狭盐性生物，由此推测此时海水盐度稳定，水深较深。
本段上部沉积物以灰色粉砂为主，夹砂质粉砂薄层，广泛发育脉状层理说明曾受潮流影响，具有生物扰动构造，说明沉积较为缓慢。下部沉积物为灰黑色细砂，均含有贝壳碎屑，其中埋深11.42～11.47 m为5 cm厚的贝壳碎屑层，贝壳碎屑大量富集于灰黑色细砂中，应为滨岸浅水的次级沉积环境，这些富含贝壳碎屑的细砂层形成于靠近低潮线的前滨环境。综合上述分析，本段上部因为浅海相，下部应为滨岸相沉积。
④(12.08～23.85 m)：本段样品都含有孔虫，但与上覆层段显著不同，数量十分稀少，平均仅1.5枚/g。有孔虫种数和分异度也低，组成以2个广盐类占绝对优势，其中毕克卷转虫Ammoniabeccarii数量最多，平均丰度52.2%；其次是亚易变筛诺宁虫Cribrononionsubincertum，平均丰度22.4%。其余常见种包括浅海类的具瘤先希望虫Protelphidiumtuberculatum(6.5%)和异地希望虫Elphidiumadvenum(6.5%)。
介形虫只见于4个样品，数量稀少，都少于10瓣，平均丰度仅0.3瓣/g。见12个海相种和4个陆相种，因数量稀少，很难确定其优势成分。陆相介形虫见于孔深21.29和23.49 m样品中。棘皮类和软体动物壳体在本段中十分少见。
本段沉积物为黄褐色细砂、粉砂质砂，分选较好，水动力较强；有孔虫主要为广盐类，顶部出现轮藻化石，且下部出现个别陆相介形虫，推断本段海平面有不稳定波动，为河口边滩-潮坪相沉积，向上过渡为滨岸浅海相，向下过渡为陆相湖泊沉积，是海陆过渡相。
⑤(23.85 m～)：本段分析6块样品，只在3个样品中见个别有孔虫，最高丰度仅0.3枚/g。介形虫见于4个样品中，以陆相类为主，其种数和丰度是全孔中最高的，尤在孔深28.16和29.17 m二块样品中，数量丰富，平均丰度15.6瓣/10 g。陆相介形虫见4属6种，其中玻璃介种Candonasp.和土星介种Ilyocyprisspp.较多见，这些属种在第四纪地层中常见于湖泊、河流和沼泽等淡水环境中，在28.16 m样品中见个别轮藻化石。本段微体化石以含陆相介形虫为主。
沉积物有多段灰褐色粉砂与灰色黏土质粉砂层，粒径较细，水动力条件弱；密实固结，可见铁锈色染痕、钙质结核，说明水面较浅，甚至暴露出水面；局部发育透镜状层理和波状层理，可见毫米级黏土纹层，说明水流作用较弱，处于低能环境，推测本段为陆相近岸的湖泊沉积。
综上，BH6孔可以划分为5个沉积相层，其中⑤为陆相层，④为海陆过渡相层，①②③为海相层。
2.1.2 沉积层序对比 结合海平面升降历史及区域地质演化历史，对比周边钻孔记录，重建本区域地层发育过程。
受冰期间冰期交叠的影响，晚第四纪以来渤海区域发生了多次海平面变化，形成多个海侵-海退旋回。本区多个钻孔对比发现钻孔皆有相似沉积序列，完整记录了全新世以来区域内发生的一次海侵事件。以陆相河流湖泊沉积密实层为基面，依据海平面变化模型划分为低海面层序、海侵层序、高海面层序，其中低海面层序包括上一个海侵-海退旋回后露出的陆相湖沼相、陆相河流相；海侵层序包括海平面上升过程中的的滨海湖沼相、河漫滩、河口砂坝、河口边滩、潮坪相、浅海相；高海面层序主要是加积层序，包括前三角洲相、三角洲前缘相、河床相。BH6孔的⑤段为陆相层，属于低海面层序，④为海陆过渡相层，③为浅海相，属于海侵层序，①②为水下三角洲沉积层，在高海面时期沉积而成，属高海面层序。
晚更新世以来渤海共出现三次大规模海侵[32]，其中最后一次海侵“黄骅海侵”发生在10～9 ka BP左右，测年数据表明本区域记录的海侵过程即为“黄骅海侵”，海侵序列下界面时序应为海侵开始时间；HB-1钻孔与QSG钻孔的三角洲相沉积年代记录均在1 ka BP左右，本区域的四个钻孔位置接近且均有三角洲相沉积，可以以此作为高海面层序的下界时序；综合区域柱状样测年数据及区域地质发育历史，可以确定两个等时面，分别为海侵序列开始时间10～9 ka BP以及三角洲相发育时间1 ka BP左右。
2.2 地球化学特征比值及古气候变化
2.2.1 地球化学特征比值筛选 用沉积物地球化学指标重建古气候、古环境演化历史是古全球变化研究的重要组成部分。因为气候、环境条件决定了沉积物中部分化学元素组成和分布，所以研究沉积物中环境指示元素的地球化学特征，揭示其在环境演变过程中的地球化学行为，可为重建古气候演化序列和环境演变的动态过程提供重要依据[33-34]。一些特征常微量地球化学元素及其比值，由于对气候环境比较敏感，常常作为气候环境指标应用于流域化学风化及气候变化研究中，如化学风化指数 CIA、Na2O/CaO、K2O/Na2O、K2O/CaO、Al2O3/Na2O、Rb/K2O、Sr/CaO等，它们的大小常用来指示沉积物的化学风化程度，即元素的迁移淋失程度，这同沉积物形成时的气候环境尤其是大气降水量密切相关[35-40]。
图4 BH6孔与周边钻孔地层(HB-1[27]、GYDY[28]、QSG[29])对比Fig.4 Compared with the core BH6 and surrounding holes (HB-1,GYGD, QSG)
本文选用K2O/Na2O、Al2O3/Na2O、MgO/Al2O3、SiO2/Al2O3、CIA、K2O/CaO六项指标对BH6孔沉积古气候演化进行分析，选用多个比值来反映气候变化状况，是为了各指标的之间相互比对与验证，以确保获取的古气候信息的可靠性和准确性。化学风化指数(CIA：Chemical index alteration)可以用来确定物源区的化学风化程度，其值越大，风化程度越大，CIA值主要受温度和降水量变化的控制，反映的是硅酸盐矿物的风化程度，不受元素迁移后再淀积的影响[41]。因此，CIA 可以很好地反映沉积物形成时的化学风化情况而不是后期环境变化，在化学风化研究中得到了广泛运用。CIA计算公式如下：
CIA = [n(Al2O3)/[n(Al2O3)+n(Ca O*)+n(Na2O)+n(K2O)]]×100。
式中的各组分的含量均以摩尔分数表示，其中的 CaO*指岩石硅酸岩中的CaO，除了要去除碳酸盐之外，该值还取决于全岩的P2O5和 Na2O含量。McLennan[42]提出，n(CaO’)=n(CaO)-10×n(P2O5)/3，若计算后的n(CaO’)
由表1可以看出，K2O/Na2O、Al2O3/Na2O、MgO/Al2O3、SiO2/Al2O3、CIA、K2O/CaO六项指标相关性在0.617～0.984之间，总体相关性很好，可以认为它们对于表征气候变化有同样的作用，其中CIA与Al2O3/Na2O相关性最好，CIA的垂向波动变化范围在36.53～66.6之间，平均值为54.46，总体呈现弱化学风化，Al2O3/Na2O曲线垂直波动变化范围在2.18～11.18之间，两者垂向变化趋势都比较明显，表明其对气候变化比较敏感。本文主要以CIA指数作为气候演化的代表因子。
图5 BH6孔常量元素垂向分布Fig.5 Vertical distribution of major elements in core BH6
表1 常量元素特征比值相关性Table 1 Correlation of the major element characteristic ratios
图6 常量元素特征比值垂向分布Fig.6 The vertical distribution of characteristic ratios of major elements
2.2.2 古气候变化 目前对我国海平面变化特别是近6 ka以来的变化研究尚有不同的观点，本文选取具有代表性的两条海平面变化曲线(见图7)，结合沉积相分析结果，以及地球化学特征比值表征的气候变化，分析BH6孔的沉积过程。
末次盛冰期，海面较现代海面低，盛冰期陆相层以河流、湖泊相沉积为主，此时渤海陆架出露，成为陆地的一部分，之后气候慢慢转暖，海平面慢慢上升，此时期对应BH6钻孔的陆相层。
在10～9 ka BP左右，海水进入渤海，这一时期CIA指数最高，达到了66以上，显示此段气候处于大暖期，冰川融化，海面继续升高，同时陆上河流水源充沛，黄河此时在平原地区漫流，混合其他河流进入地势较低的渤海，BH6孔此时发育河口边滩，可能是有河流从这里汇入渤海，河口的强水动力淘选使粒度较粗，分选好。
这一时期海平面是波动上升的状态，研究区时而出露，时而被淹没，这一时期CIA指数基本稳定在50～60之间，指示气候较之前的暖期温凉，在18 m左右有一个明显的降温事件。从前文中的沉积相划分来看，这一时期属④段海陆过渡相，这一段不仅含有有陆相介形虫，上部还有不少浅海相有孔虫，说明后期水深较深。
(改自薛春汀[43]，其中数据来自Zhao & Zhang[44]、赵希涛[45]。 Modified from Xue,data from Zhao & Zhang and Zhao.)
图7 中国近10 ka以来海平面变化
Fig.7 Sea level changes in China since 10 ka
大概在6 ka BP左右，本区达到最高海平面，发育③浅海相，从这一时期发育贝壳碎屑层来判断，海平面在上升阶段曾有过短暂的稳定期；从CIA指数上看，此段气候有波动，存在一个小的冷暖交替，小冷期也有可能是海平面的短暂平稳的气候原因，本段微体古生物丰度最高，且含有较多狭盐类生物，推测这时候的水深应该大于20 m。
到了1 ka BP左右三角洲在渤海西南部广泛发育，本区域发育了前三角洲相，CIA指数上升到60左右，接近最大值，呈现稳定的暖湿气候，此段浅海相有孔虫较前一段少很多，以广盐性有孔虫为主，海水深度应有所下降；1855年黄河从苏北平原改道重新进入渤海，本区发育三角洲前缘相。CIA曲线显示这一时期气候转向温凉，在埋深5 m左右有一次较为明显的冷暖波动。
综上，BH6孔常量元素特征比值对于古气候的指示作用反映了全新世海侵以来本区域气候总体暖湿，经历了暖-温凉-暖-温凉的过程，在6～10 ka BP、6～1 ka BP之间分别出现明显的冷事件，推测8.2 ka BP冷事件和4.2 ka BP冷事件[46-47]。
3 结论
(1)本文根据黄河三角洲黄河现行入海口处BH6钻孔的粒度分布、岩性特征、有孔虫介形虫种类及分布对BH6孔的沉积相进行划分，认为BH6孔连续记录了全新世海侵以来的区域沉积层序，可以划分为5个沉积单元：①河口的三角洲前缘亚相；②前三角洲相沉积；③近岸浅海沉积；④河口边滩至潮坪相沉积；⑤陆相近岸湖泊沉积。其中层①到层③为海相层；层④为海陆过渡相层；层⑤为陆相层。
(2)结合海平面变化情况，通过钻孔10.27 m处的AMS14C测年结果结合周围钻孔的地质年代状况建立了BH6钻孔年代框架，认为钻孔记录了全新世海侵以来的沉积变化，通过对钻孔常量元素特征比值的分析研究，建立了古气候演化过程，认为全新世海侵以来BH6钻孔古气候总体经历了暖-温凉-暖-温凉的过程。
