黃河三角洲ZK1孔晚第四紀以來沉積層序演化及其古環(huán)境意義①

李國剛 胡邦琦 畢建強 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)境地質重點實驗室 山東青島 266071)

晚第四紀以來，我國東部沿海平原地區(qū)歷經多次海陸變遷，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。前人研究表明，黃河三角洲自晚第四紀以來經歷多次海平面升降和氣候冷暖更替，形成了海陸交替的復雜地層序列［4～7］。本文以現代黃河三角洲陸地巖芯ZK1為基礎，根據巖性變化、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，現代黃河三角洲就是不同時期葉瓣疊加形成的復合體［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月采用回轉或沖擊鉆方法，在現代黃河陸上三角洲獲取巖芯 ZK1(圖1)，該孔坐標37°51＇01″N，118°28＇01″E，地面標高 5.0 m，實際進尺100.1 m，巖芯采取率 88%。室內首先使用GEOTEK生產的多感應巖芯記錄儀對全部巖芯進行物理性質無損測試，記錄磁化率等參數;然后對巖芯剖樣，依次進行巖性描述、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質和碳酸鹽。處理過后的樣品經多次洗鹽，加入偏磷酸鈉后，超聲波分散，上機測試。測試儀器為Microtrac S3500擴展型激光粒度儀。粒級標準采用尤登—溫德華氏等比制Φ值粒級標準，使用矩法計算粒度參數，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準方法處理，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行有孔蟲和介形蟲鑒定和統(tǒng)計。微體古生物鑒定在同濟大學海洋地質國家重點實驗室完成。

按照上述微古鑒定預處理方法處理樣品，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，測試結果如表1。鑒于本區(qū)有孔蟲數量總體偏少，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，導致14C年代比實際地層年代偏老。

表1 ZK1孔AMS 14C測年結果Table 1 Results of AMS 14C dating of core ZK1

2 研究結果

2.1 粒度及巖性特征

采用等比制(Φ值標準)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、砂質粉砂為主(圖2)。沉積物各粒度參數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、沉積構造等特征，并結合粒度數據，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個樣品進行微體古生物鑒定，其中40個樣品中發(fā)現有孔蟲，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1350枚/g(圖3)。ZK1孔有孔蟲分屬33屬59種，其中玻璃質螺旋殼類和平旋殼類種數、豐度等最高。ZK1孔底棲有孔蟲以廣鹽類和近岸淺海類為多，其中數量最多、出現頻率最高的是畢克卷轉蟲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。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。總計挑得海相介形蟲3 286瓣，陸相介形蟲41瓣。介形蟲分布與有孔蟲一樣，主要產于上述3個取樣層中。數量豐度變化大，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27.2%，在39.3%樣品中以第一優(yōu)勢種出現。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，其中畢克卷轉蟲Ammonia beccarii數量豐度高達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%)和廣鹽類眼點彎貝介 Loxoconcha ocellata(15.4%)為主。受河流沖淡水的影響，此段多數(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、砂質粉砂為主，也有細砂層、黏土紋層等，表現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(如三角洲側緣)。8.26 m處含貝殼殼體的細砂薄層可能為不同時期三角洲間的改造沉積。取自8.85 m處的細砂樣品粒度概率累積曲線呈現三段式(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，同現卷轉蟲Ammonia annectens、丸橋卷轉蟲A.maruhasii等淺海種主要出現在此層。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，測年數據較多。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。

沉積物表現為海流、波浪、生物等因素影響的沉積構造，對應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。根據有孔蟲群中出現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)，均說明當時為沉積速率較低的低能沉積環(huán)境，如淺灘。頂部出現的鈣質結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，畢克卷轉蟲Ammonia beccarii在數量豐度上占絕對優(yōu)勢(72.2%)，但介形蟲中出現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—灰褐色砂質粉砂層，沉積物粒度概率累積曲線呈現三段式(如圖6)，以牽引流的跳躍搬運為主，跳躍總體含量可達70%～80%，又因靠近河口，具有相當的懸浮組分。沉積物淺銹色特征，說明當時水位較淺，后期發(fā)育鈣質結核層，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，與現代黃河口兩側淺海溫度類似;而81.75 m以下層出現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志。取自76.39 m處的細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，為波浪分選結果，由于缺少恒定的強水流，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，可見蟲孔構造，其中77.60～78.20 m的黑色有機粉砂為鹽沼沉積。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—灰褐色砂質粉砂層，多處發(fā)育鐵銹色染痕和鈣質結核，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，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志，分別對應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，沉積有獻縣海侵層，即ZK1孔的第Ⅱ海侵層。大約20 kaB.P.，進入末次冰期冰盛期(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，末次冰期結束，進入冰后期(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，結合巖性特征得到如下結論: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志。與前人研究對比，3個海侵層自下而上對應于MIS3的渤海海侵和獻縣海侵、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孔與鄰近鉆孔結合，豐富了晚第四紀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、吳永華、王昆山，以及同濟大學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!

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