吳 潔,劉春蓮, 2,張素青,楊婷婷, 2,殷 鑒
(1.中山大學地球科學系,廣東 廣州510275;2廣東省地質過程與礦產資源探查重點實驗室,廣東 廣州510275)
河口三角洲地區處于海陸過渡地帶,對氣候與環境變化非常敏感,尤其是反映海平面變化及其所導致的一系列環境變化的沉積記錄保存良好,為研究晚第四紀環境變化提供了極為有利的條件。有孔蟲和介形類作為河口三角洲環境中兩類重要的生物類群,它們的化石和現代類型數量均很多,且生態適應范圍也很廣。因此,尤為適合作為河口三角洲環境分析的指標[1-2]。自20世紀80年代起,部分學者已陸續開始利用這兩類微體生物重建珠江三角洲地區晚第四紀古環境[3-8],基本認識了微體動物群對于海平面變化等古環境演變的生態響應,但在沉積相和沉積旋回的劃分上還存在一些分歧。這主要是由于珠江三角洲晚第四紀不同斷塊的構造運動具有明顯的地區差異性[9-10],不同構造單元的沉積物中記錄的海侵旋回及環境變遷存在著較大的時空差異。本文通過分析珠江三角洲廣州—番禺斷塊的PRD17孔中有孔蟲和介形類組合特征,并結合測年數據、巖性、沉積物粒度及顏色反射率等特征,重建了PRD17孔晚更新世以來的環境演化。經與前人工作對比,探討了海平面變化和地殼升降對海侵旋回的綜合影響,為進一步了解珠江三角洲晚第四紀環境演化提供依據。
PRD17孔位于珠江三角洲廣州番禺魚窩頭鎮(22°51′07″N,113°26′30″E),孔深33.34 m。在孔深26.43~1.14 m的巖芯中共取116個樣品用于微體化石分析,取樣間距約為20 cm。頂部和底部巖芯未取樣,因前者可能受人工擾動,后者主要為礫石及基巖風化層。沉積物樣品在60 ℃下烘干,稱取約100 g干樣在燒杯中用水浸泡~24 h,待樣品散開后分別用0.063和0.125 mm孔徑篩過篩。其中大于0.125 mm的沉積物是含有孔蟲和介形類的主體,將用于微體化石的鑒定和統計(以100 g干樣計算)。
沉積物粒度是判別沉積環境尤其是水動力條件的良好指標[11]。本文對PRD17孔深27.46~1.10 m的巖芯進行了粒度分析取樣,共計120個樣品。每個樣品取10 g左右,放入60 ℃烘箱烘干后稱取干樣質量。隨后加入約10 mLφ=10%的HCl溶液,以除去樣品中的碳酸鹽,充分攪拌直至樣品中無氣泡產生。接著加入約10 mL體積分數φ為20%的H2O2溶液,以去除有機質,攪拌使其充分反應。靜置12 h后抽去上層清液,加入10 mL的0.1 mol/L的(NaPO3)6作為分散劑,攪拌后靜置12 h抽去上層清液,最后用水稀釋、清洗樣品,保留沉積物懸濁液待上機測試。本次粒度測試采用英國產Mastersizer 2000激光粒度儀,其測量范圍為0.02~2 000 μm。對于粒徑大于2 000 μm的樣品,先過2 mm濕篩,然后稱量篩上物的干樣質量,細粒部分仍用激光粒度儀進行測試,兩部分數據合并得出完整的粒度分布。
沉積物顏色是沉積物最醒目的標志,它主要取決于沉積物的礦物組分和有機質含量,也可反映沉積物形成時的氧化還原程度[12]。本文采用香港美能達公司生產的CR-400/410手持色差儀對PRD17孔巖芯進行了高分辨率的顏色反射率測定,測點間距為2 cm,測試范圍為孔深33.24~1.12 m的巖芯。獲得了兩個顏色反射率指數L*和a*的變化曲線,分別代表樣品亮度和紅綠彩度。前者可反映沉積物的碳酸鹽和有機質含量的變化[13]。L*越高,表明碳酸鹽含量越高,有機質含量越低,反之亦然。后者可反映不同價態鐵的氫氧化物含量及碳酸鎂含量。較高的a*值代表巖心顏色較紅,反映較強的氧化沉積環境,而a*值較低則代表沉積環境氧化性較弱,還原性較強[14]。
沉積物年齡采用常規14C測年法,利用超低本底液體閃爍儀(1220 Quantulus)對富有機質的沉積物樣品進行測定,在中國科學院廣州地球化學研究所進行測試。共獲得7個14C年齡值,采用CALIB軟件校正為日歷年齡(圖1),其它各深度的年齡根據等間距插值法估算。文中討論皆使用校正后年齡。

圖1 PRD17孔巖性特征及14C測年結果
將巖芯從中間剖開,詳細觀察巖性、沉積構造及其它組分(包括軟體動物殼體及其碎片、炭屑和結核等)特征,結合粒度分析結果,將全孔巖芯從下至上劃分為12層(圖1)。
A.孔深33.27~29.82 m:灰黃色中粗砂,含礫石。平均粒徑分布范圍為0.99~1.34Φ,分選性差。
B.孔深29.82~26.63 m:灰白色中細砂。平均粒徑范圍為3.31~4.53Φ,分選性中等。上部巖性特征及顏色反射率值發生明顯變化。
C.孔深26.63~24.48 m:深灰色細砂。沉積物粒度波動較大,平均粒徑范圍為1.92~4.60Φ,分選性中等。24.57~24.79和25.95~26.55 m兩個層位含有較多腐木碎屑。
D.孔深24.48~22.34 m:深灰色粉砂質黏土。平均粒徑范圍為3.21~5.43Φ,分選性較差。22.40 m處發現大塊腐木(2 cm×3 cm)。上部含少量貝殼碎片。孔深23.30 m處開始持續出現微體動物化石。表明海平面上升,鉆孔所在地開始受到海水影響。
E.孔深22.34~20.13 m:深灰色黏土。平均粒徑范圍為3.93~5.00Φ,分選性差。上部含一層厚約16 cm的泥炭層。一些層位含貝殼。微體化石總豐度逐漸增加。
F.孔深20.13~17.05 m:深灰色黏土質中細砂。平均粒徑范圍為1.48~4.44Φ,分選性較差。含大量貝殼碎片。微體動物群豐度和分異度先降后升。
G.孔深17.05~15.91 m:深灰色黏土。平均粒徑范圍為3.63~4.92Φ,分選性差。部分層位含貝殼碎片。微體化石數量短暫下降。
H.孔深15.91~11.85 m:深灰色粉砂質黏土。平均粒徑范圍為3.98~4.84Φ,分選性較差。底部含較多炭屑。微體化石豐度和分異度均達到峰值。
I.孔深11.85~8.42 m:深灰色黏土與粉砂互層。平均粒徑范圍為4.23~5.69Φ,分選性較差。微體化石數量逐漸下降,直至為零。表明海水逐漸退出本區。
J.孔深8.42~7.49 m:花斑狀黏土,多呈黃褐色。平均粒徑范圍為2.28~5.16Φ,分選性較差。此階段對應末次冰盛期的陸相風化剝蝕環境。
K.孔深7.49~5.14 m:深灰色黏土質粉砂。平均粒徑范圍為2.99~5.04Φ,分選性較差。未見任何微體化石、貝殼碎片及植物碎屑。
L.孔深5.14~1.05 m:深灰色粉砂與黏土互層。平均粒徑范圍為3.04~5.26Φ,分選性中等。部分層位含有貝殼碎片和腐木碎屑。有孔蟲和介形類僅零星出現, 且多為隨潮水搬運而來的異地分子。孔深1.05 m以上為人工擾動層,不做分析討論。
PRD17孔共發現有孔蟲14屬29種,介形類14屬17種。兩類微體動物群的豐度分布特征基本相似。鉆孔底部較粗粒沉積物及其上部的沼澤沉積中未發現微體化石。自孔深23.30 m處開始同時出現有孔蟲和介形類殼體。17.05~13.98 m有孔蟲化石較豐富,介形類主要集中于23.30~15.06 m。孔深11.07 m以上微體化石僅零星出現(圖2)。

圖2 PRD17孔沉積特征、微體古生物分布及古環境演化階段劃分
將微體動物群按生態特征劃分為不同的類型,通過討論不同生態類型動物群的垂直分布特征可有效重建鉆孔所在地的古環境[15-17]。本文也采取這種方法,將鉆孔中出現的有孔蟲和介形類按照各屬種的生態特征劃分為3種類型,通過討論3種不同生態類型的動物群的垂直分布來重建PRD17孔晚更新世以來的環境變化。
Group1:淺海型。是一類常見于大陸架淺海海域的有孔蟲。本鉆孔中僅出現Massilinapenglaiensis和Globigerinabulloides兩個淺海種,且豐度較低。
Group2:海相-半咸水型。多分布于中鹽-多鹽條件的水域,水體鹽度通常大于25‰,水深范圍主要為20~50 m。本孔中主要有以下12種屬于該類型,Cavarotaliaannectens、Elphidiumadvenum、Elphidiumhispidulum、Cribrononionasiaticum、Quinqueloculinaseminulangulata、Pararotalianipponica、Rosalinabradyi、Elphidiummagellanicum、Quinqueloculinasp.、Florilusdecorus、Nonionboueanum、Elphidiumsp.。
Group3:濱岸廣鹽型。水深分布范圍0~50 m,以20 m以內的淺水水域為主。這類屬種可適應的鹽度范圍很廣,低鹽至正常鹽度條件下均可生存。包括Ammoniabeccarii、Ammoniatepida、Ammoniakoeboeensis、Ammoniasp.、Ammoniaconvexidorsa、Quinqueloculinaaknerianarotunda、Ammoniapauciloculata、Ammoniasobrina、Ammoniatakanabensis、Ammoniaketienziensis、Ammoniamaruhasii、AmmoniaconfertitestaZheng、Cellanthuscraticulatus、Rectobolivinaraphana、Poroeponidesincrassatus,其中Ammoniabeccarii、Ammoniatepida兩個種的數量約占PRD17孔有孔蟲總豐度的40%,在現代南海和東海沿岸半咸水環境中,這兩類也是主要的優勢種[18-19]。
PRD17孔介形類屬種劃分的3個生態類型與有孔蟲屬種的基本一致。
Group1:淺海型。包括Stigmatocythererosemani、Macrocyprisdecora、Acitinocythereiskisarazuensis、Abyssocythereregalis,本孔中豐度較低。
Group2:海相-半咸水型。主要有Bicorncytherebisanensis、Alocopocytherekendengensis、Pistocythereisbradyformis、Sinocytheresinensis、Keijellahodgii、Neosinocythereelongata、Neomonoceratinadongtaiensis、Nipponocythereobesa、Alocopocythereprofusa、Cornucoquimbatosaensis。其中Pistocythereisbradyformis常見于多鹽至真鹽環境[19],要求的水深也大于其它種[20]。
Group3:濱岸廣鹽型。包括Sinocytherideaimpressa、Bicorncythereleizhouensis及Neomonoceratinainiqua三個種。
根據上述巖性和微體動物群分布特征,并結合測年數據、沉積粒度及沉積物顏色反射率(L*,a*)等數據,PRD17孔晚更新世以來的環境演化可分為5個階段。
未發現有孔蟲和介形類化石,亦未含任何生物貝殼碎片及腐木碎屑。底部以中粗砂為主,含礫石。推測可能為水動力條件較強的河道沉積。向上沉積物粒度逐漸減小為中細砂,表明水動力條件有所減弱。這與王建華等[21]得出的GZ-2孔(PRD17孔東南側)晚更新世海侵之前為河床相沉積的結論較一致。
晚更新世玉木亞間冰期,海平面逐漸回升。海侵初期(約43 400~41 700 cal a B.P.),本區形成深灰色的沼澤相沉積。約41 700 cal a B.P.,海水開始全面進入本區,鉆孔所在地持續發育河口灣環境,直至約21 900 cal a B.P.。期間共發生3次小規模的海平面波動,導致水體條件發生變化,進而影響了微體動物群的組成和豐度。晚更新世中期最大海侵時期發生于約35 400~30 900 cal a B.P.。
4.2.1 約43 400~40 300 cal a B.P.(26.63~20.13 m) 孔深23.30 m處首次出現微體化石。有孔蟲豐度和分異度均較低。主要屬種為濱岸廣鹽型分子Ammoniabeccarii和Ammoniatepida,其豐度均不高于100枚/100 g。介形類豐度較低,但分異度較高。主要屬種為濱岸廣鹽型分子Sinocytherideaimpressa和Bicorncythereleizhouensis,其豐度均不高于300枚/100 g。伴隨出現豐度較低的海相-半咸水型分子Bicorncytherebisanensis、Alocopocytherekendengensis、Pistocythereisbradyformis、Neomonoceratinadongtaiensis。其余屬種僅少量出現。此階段出現了介形類海相型分子,但數量均較低(< 25枚/100 g),可能為異地搬運分子。
開始于距今5萬年的晚更新世玉木亞間冰期,南海海平面開始上升[22],但鉆孔所在地可能處于古河流間的低洼處,海平面上升導致排水不暢而形成富含有機質的沼澤相沉積。直到約41 700 cal a B.P.(孔深23.30 m)時海水經古珠江水道進入本區[23],鉆孔所在地開始發育河口灣沉積。隨著水深進一步加大,盡管微體動物化石豐度及分異度較低,但數量逐漸開始增多,且出現了海相種和海相-半咸水種。據此推斷珠江三角洲晚更新世中期海侵可能在約41 700 cal a B.P.已經開始,這與李平日等[24]認為本區晚更新世中期海進開始年限比38,400 a B.P.還早的結論一致。
4.2.2 約40 300~39 400 cal a B.P.(20.13~18.20 m) 有孔蟲和介形類豐度均有所下降。有孔蟲以濱岸廣鹽型分子Ammoniabeccarii為主,豐度一般低于100枚/100 g。介形類廣鹽型分子Sinocytherideaimpressa和Bicorncythereleizhouensis的數量大大下降,它們的豐度均小于100枚/100 g。伴隨出現的介形類海相-半咸水型分子Bicorncytherebisanensis、Alocopocytherekendengensis和Pistocythereisbradyformis大都僅30~80枚/100 g。其余屬種僅零星出現。前一時期出現的介形類海相型分子消失。
此階段為海平面短暫下降期,持續時間約為1.0 ka,前期出現的介形類海相種已難覓蹤跡,僅有少數以Ammoniabeccarii為代表的廣鹽性分子,說明水深和鹽度較前一階段明顯下降。
4.2.3 約39 400~38 000 cal a B.P.(18.20~17.05 m) 微體化石豐度和分異度均快速增加。有孔蟲除濱岸廣鹽型分子Ammoniabeccarii和Ammoniatepida外,還包括了海相-半咸水型分子Cavarotaliaannectens、Elphidiumadvenum、Elphidiumhispidulum,豐度一般為100~400枚/100 g。有孔蟲海相型分子首次出現。介形類廣鹽型分子Sinocytherideaimpressa和Bicorncythereleizhouensis的數量顯著提高,它們的豐度大都高于200枚/100 g。介形類海相-半咸水型分子Bicorncytherebisanensis、Alocopocytherekendengensis和Pistocythereisbradyformis也都高于100枚/100 g。介形類淺海型分子Stigmatocythererosemanis僅零星出現。
海平面重新快速上升,有孔蟲和介形類的分異度呈現顯著上升趨勢,且此階段有孔蟲和介形類的海相分子數量都達到較高水平。說明盡管本次海侵持續時間較前一階段(約43 400~40 300 cal a B.P.)短,但規模更大,受海水影響更顯著,有利于海相-半咸水屬種的繁榮。
4.2.4 約38~000~35 400 cal a B.P.(17.05~15.91 m) 微體動物群化石經歷了一個短暫的豐度和分異度下降。未發現有孔蟲海相型分子。濱岸廣鹽型分子和海相-半咸水型分子的數量也較低,大都低于200枚/100 g。介形類僅零星出現廣鹽型分子Sinocytherideaimpressa、Bicorncythereleizhouensis和少量海相-半咸水型分子Neomonoceratinadongtaiensis、Alocopocytherekendengensis、Pistocythereisbradyformi。它們的數量均低于50枚/100 g。
Pistocythereisbradyformis等要求水深較大、鹽度偏高的海相-半咸水型分子明顯減少,反映規模較小、時間較短的海退過程,水體鹽度和深度均有所下降。
4.2.5 約35 400~30 900 cal a B.P.(15.91~ 13.98 m) 微體化石的豐度和分異度再次大幅增加,并在孔深15.06 m處達到峰值。盡管有孔蟲和介形類主要優勢種仍為廣鹽型分子,但海相-半咸水型分子的數量也較其它階段高。有孔蟲廣鹽性分子主要包括Ammoniabeccarii、Ammoniatepida、Ammoniakoeboeensis、Ammoniasp.、Ammoniaconvexidorsa、Quinqueloculinaaknerianarotunda、Ammoniapauciloculata、Ammoniatakanabensis、Ammoniaketienziensis、Ammoniamaruhasii、AmmoniaconfertitestaZheng、Cellanthuscraticulatus、Rectobolivinaraphana和Poroeponidesincrassatus。其中Ammoniabeccarii、Ammoniatepida、Ammoniakoeboeensis三個種的平均豐度均超過400枚/100 g。海相-半咸水型分子主要有Cavarotaliaannectens、Elphidiumadvenum、Elphidiumhispidulum、Cribrononionasiaticum、Elphidiummagellanicum、Quinqueloculinasp.、Florilusdecorus。其中Cavarotaliaannectens和Elphidiumadvenum的豐度多高于200枚/100 g。介形類廣鹽性分子以Sinocytherideaimpressa、Bicorncythereleizhouensis和Neomonoceratinainiqua為主,它們的豐度都不小于200枚/100 g。伴隨出現的介形類海相-半咸水型分子主要有Neomonoceratinadongtaiensis、Alocopocytherekendengensis、Pistocythereisbradyformi。
海平面再次上升,有孔蟲和介形類的總豐度和分異度都大大增加,達到整個鉆孔的峰值。盡管海相分子數量較少,但此階段半咸水-廣鹽性分子的空前繁榮仍然可代表珠江三角洲晚更新世中期最大海侵時期。這與前人的研究結果較為一致[21, 24-26]。
4.2.6 約30 900~21 900 cal a B.P.(13.98~8.42m) 有孔蟲豐度和分異度開始顯著下降。海相型分子不再出現。廣鹽性分子和海相-半咸水型分子的豐度都大大低于前一階段。廣鹽性分子最大殼體數一般不超過300枚/100 g。海相-半咸水型分子數不高于50枚/100 g。孔深11.85 m處開始有孔蟲極少出現。本階段未發現介形類化石。
有孔蟲和介形類的豐度及分異度開始持續下降,直至約25 900 cal a B.P.(11.85 m)。此后研究鉆孔中晚更新世地層再無微體化石出現,標志著玉木亞間冰期基本結束。
關于晚更新世海侵層的年代現在仍無定論,有學者認為本次海侵層對應MIS3期[17, 27-29]。Zong等[30]則認為由于此海相層在末次冰期時暴露地表遭受風化,故所測得的年齡比其真實年齡普遍偏年輕,且MIS3期的最高海平面低于現代海平面,因此本階段應屬于MIS5時期沉積的海侵層。然而,也有其它證據表明在MIS3時期的海平面可能比現代海平面更高[31-36]。如果PRD17孔的測年數據可信,本次海侵層應屬于MIS3期。珠江三角洲其它鉆孔也記錄了本區晚更新世曾發生過較為廣泛的海侵[21, 37]。本次晚更新世海侵的高海平時期約為35 400~30 900 cal a B.P.,與中國東海及長江三角洲晚更新世高海平面期的年代基本一致[29, 38],說明此次海侵具有普遍性。
黃褐色花斑狀黏土層,顏色反射率再一次處于高值區,指示較強的氧化環境。從測年數據上看,花斑狀黏土層形成于末次冰盛期的大海退時期并延續至早全新世。隨著末次冰盛期的到來,全球海平面發生大幅下降,珠江三角洲乃至整個南海北部陸架均處于陸相風化剝蝕環境[17, 35],上更新統沉積物在冰盛期暴露地表從而形成風化層[7, 39]。根據本孔花斑黏土層上、下伏沉積物的沉積速率推算出其形成年齡約為21 900~6 000 cal a B.P.。這與黃鎮國等[35]提出的珠江口晚第四紀鉆孔中普遍發育的兩個風化層的上風化層時間(MIS 2)較一致。
末次冰期結束后,全球氣候變暖,海平面開始回升,海平面上升初期,海水尚未侵入珠江三角洲地區。隨著海平面進一步上升,海水開始入侵,但由于珠江三角洲晚第四紀存在多個構造斷塊,且各個斷塊的垂直差異運動強度不盡相同[10],導致不同斷塊接受海侵沉積的時間不同[7]。莊暢等[8]采自北江與東江河口交匯處的PRD16孔約7 500 cal a B.P.開始接受全新世海侵沉積。而珠江三角洲南部平原大鰲沙地區的PRD05孔[17]全新世初期約10 100 cal a B.P.就已經開始接受海侵沉積。本文的研究孔PRD17位于廣州—番禺斷塊,在晚更新世和全新世的抬升速率明顯高于其他斷塊,地勢相對較高,開始受海水影響的時間較晚,根據花斑黏土層上伏沉積物的沉積速率,推測出PRD17孔全新統底部沉積物年齡大致為6 000 cal a B.P.。
沉積物以黏土質粉砂為主,未發現微體化石記錄,推測為上潮間帶環境。
隨著全新世后期廣州—番禺斷塊進一步下沉[10],鉆孔所在地受潮水影響漸為顯著,發育潮坪環境。沉積特征表現為深灰色粉砂與黏土互層,部分層位偶見零星有孔蟲和介形類殼體,應屬隨潮水搬運而來的異地分子。
從PRD17孔微體動物群記錄看,本孔晚更新世海侵層較全新世更為發育,這與鄰近區域內其它鉆孔(PRD16孔,GZ-2孔)全新世海侵層更為發育的狀況不甚相同[8, 21]。根據珠江三角洲晚第四紀第一期砂礫層(約40.0~33.0 ka B.P.)的分布特征所繪制的該時期古河谷位置圖[22,40-41]可知,此時,獅子洋水道尚未形成,古東江與古北江相匯于PRD17孔所處的沙灣附近。本區地勢較低洼的河谷廣泛地接受了晚更新世海侵沉積(約43 400~22 000 cal a B.P.)。晚更新世后期隨著蘿崗-太平斷裂上盤下降[40],獅子洋水道開始形成,東江不再經由沙灣而直接匯入獅子洋,逐漸偏離PRD17孔所在地,加之晚更新世海侵的結束,PRD17孔的水深進一步下降。此外,PRD17孔所處的廣州—番禺斷塊自全新世以來一直處于抬升,其抬升速率絕對值之和超過2 mm/a[10]。故盡管全新世海侵最高海平面較晚更新世更高,但對PRD17孔的影響仍未達到晚更新世的程度。
對珠江三角洲PRD17孔沉積物和微體動物群的分析表明,受海平面變化和河流作用的共同影響,研究區晚更新世以來經歷了多次環境變化。距今4萬多年以前,鉆孔所在地發育河流相沉積。玉木亞間冰期全球性海侵,導致河口位置逐漸向內陸推進,本區開始發育沼澤相沉積,直至約41 700 cal a B.P.,海水開始進入本區,鉆孔所在地持續發育河口海灣環境,41 700~25 900 cal a B.P.為晚更新世大海侵時期,期間共發生3次小規模的海平面波動,導致水體條件發生變化,從而影響了微體動物群的組成和豐度。更新世中期最大海侵時期發生于35 400~30 900 cal a B.P.,PRD17孔微體動物群的豐度和分異度都達到最大值。25 900 cal a B.P.以后,海水開始逐漸退出本區。隨著末次冰盛期的到來,海平面大幅下降,本區上更新統沉積物開始暴露地表遭受風化剝蝕。末次冰期結束后,海平面回升,PRD17孔所在的廣州—番禺斷塊由于地勢相對較高,開始受海侵影響的時間較珠江三角洲其它地區晚,6 000 cal a B.P.左右才開始重新接受沉積,初期發育上潮間帶環境,約3 700 cal a B.P.以來,部分層位偶見零星微體化石,本區可能逐漸變為受潮水影響較為顯著的潮坪沉積。
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