海南島東北海岸風(fēng)沙沉積的光釋光年代學(xué)意義

張文靜，李志忠，3，靳建輝，3，鄭斐，李志星，徐曉琳，程延

1.福建師范大學(xué)濕潤亞熱帶山地生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，福州 350007

2.福建師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，福州 350007

3.福建師范大學(xué)地理研究所，福州 350007

4.中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）地球科學(xué)學(xué)院，武漢 430074

0 引言

海岸沙丘演化和風(fēng)沙沉積記錄的海岸環(huán)境演變歷史一直是國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域。近年來，在歐洲[1?3]、東亞[4?6]、澳大利亞[7?8]、北美[9]和南美[10]等海岸地帶，均有關(guān)于海岸沙丘發(fā)育年代、形成機(jī)制、環(huán)境演變的研究報(bào)道，這些研究主要利用光釋光（OSL）測年技術(shù)建立海岸風(fēng)沙沉積的年齡框架，通過OSL年齡的概率密度分布獲取風(fēng)沙活動變化的地質(zhì)記錄，并探討大西洋風(fēng)暴、東亞冬季風(fēng)以及海平面變化與風(fēng)沙活動的關(guān)系。我國海岸風(fēng)沙地貌類型多樣，是世界海岸風(fēng)沙地貌發(fā)育較典型地區(qū)之一[11]。國內(nèi)學(xué)者對我國華南海岸沙丘的形成年齡、發(fā)育機(jī)制、沉積特征以及古氣候記錄等方面進(jìn)行了很多研究，并取得了有意義的研究結(jié)果[12?21]。

海南島是華南海岸沙丘集中分布的區(qū)域之一，在海南島東北文昌海岸帶，自沿海向內(nèi)陸依次發(fā)育加積性橫向沙丘、拋物線形沙丘、縱向沙丘和沙席等[12,18]。海南島東北部海岸帶分布的砂層，過去曾被認(rèn)為是海岸階地。吳正等[12,18]，廖肖霞等[19]，李森等[20]，黎志倫[21]研究認(rèn)為它們是風(fēng)成砂質(zhì)堆積，但在其形成時代方面，各個研究者的意見相去甚遠(yuǎn)。近年來，有關(guān)海南島海岸沙丘的研究比較零星，缺乏厚度較大的、沉積相對連續(xù)的全新世海岸風(fēng)沙記錄，關(guān)于千年尺度上海南島海岸風(fēng)沙活動的驅(qū)動機(jī)制尚待深入探討。為此，我們又做了一些實(shí)際工作，以海南文昌東北部錦山剖面（JSD2）和西坑剖面（PQR2）為研究材料進(jìn)行了系統(tǒng)的采樣，包括89個指標(biāo)樣和10個OSL測年樣等，通過初步研究在海岸風(fēng)成沉積的形成時代方面獲得了一些新認(rèn)識。本文結(jié)合前人在海南島的海岸風(fēng)沙測年資料，建立了區(qū)域風(fēng)沙沉積序列的年代標(biāo)尺，在此基礎(chǔ)上探討海南島東北海岸全新世以來的風(fēng)沙活動序列及氣候環(huán)境意義。

1 研究區(qū)概況及剖面特征

海南島是中國第二大島（圖1a），海岸線總長1 725 km。海南島東北部海岸，以NW—SE向斷裂和其他地區(qū)分割，海岸岬角多由燕山期花崗巖組成，岬角之間發(fā)育砂礫質(zhì)海灘，岸后為風(fēng)成沙丘，海岸風(fēng)成沙丘從鋪前灣、木蘭頭至銅鼓嶺，構(gòu)成了長約100 km、寬3～5 km的海岸沙丘帶，海岸沙丘高度一般在20～30 m[12]（圖1b）。

海南島東北部地處熱帶北緣，為熱帶海洋性季風(fēng)氣候，年平均氣溫約23.8℃，年平均降水1 802.3 mm[22?23]。海南島多數(shù)月份盛行東北風(fēng)，冬季為干冷的偏北氣流，由于海南島東北海岸線大致呈西北—東南走向，東北季風(fēng)以較大的角度與岸線走向交匯，因此海岸風(fēng)動力強(qiáng)度主要受東北向岸風(fēng)的影響[24?25]。夏季主要受西南季風(fēng)和東南夏季風(fēng)影響，但夏秋臺風(fēng)常在海南島東北沿海登陸。因此，強(qiáng)勁的風(fēng)力為海岸沙丘的形成提供了充足的動力條件。

本文所選取的JSD2剖面（圖1c），位于錦山鎮(zhèn)北部坑坡村附近、環(huán)島公路的西側(cè)，地理坐標(biāo)為20.07°N，110.69°E。根據(jù)野外觀察，剖面頂部0～1 m為林草根系層，受根系擾動和人為影響較大，未采樣；1～4 m為淡灰黃色細(xì)砂層，發(fā)育風(fēng)成斜層理，層理傾向?yàn)镾WW，傾角約為8°～10°；4～7.2 m為淡紅棕色砂層夾棕黃色砂層，或兩者互層出現(xiàn)，有紅化現(xiàn)象，發(fā)育緩斜層理，傾向西南，傾角約為3°～5°，未見底。在不整合面附近，下段和上段在剖面上整體構(gòu)成交錯層理的接觸關(guān)系。

此外，在JSD2剖面西北側(cè)約3 km的西坑村附近，選取了一個厚約3 m的PQR2剖面（圖1d），剖面位置毗鄰縣道北側(cè)，地理坐標(biāo)為20.11°N，110.67°E。剖面頂部0.35 m為草灌叢根系層，為淡灰黃色細(xì)砂層；下部為均勻的紅棕色細(xì)砂層，結(jié)構(gòu)均勻，未見底。

2 材料與方法

2.1 實(shí)地取樣

在野外，OSL測年樣品按照通用方法采集。首先在開挖的剖面上清理出15～30 cm深度的新鮮刻槽，將長度25 cm、直徑6 cm的不銹鋼管垂直敲入剖面，待裝滿樣品后避光取出，用黑色塑料袋密封。對樣品按順序編號，同時測量并記錄每個樣品的埋藏深度、巖性特征等。最后將樣品帶回實(shí)驗(yàn)室避光保存，以便開展后續(xù)實(shí)驗(yàn)。

根據(jù)剖面的巖性和結(jié)構(gòu)特征，JSD2剖面間隔約1 m采樣，共計(jì)采集OSL測年樣品6個，編號為JSD2?1～JSD2?6。PQR2剖面間隔約0.5 m采樣，共計(jì)采得OSL樣品4個。

兩個剖面的指標(biāo)樣，均按10 cm間隔等間距自上而下采樣。JSD2剖面共計(jì)采集63個指標(biāo)樣品，編號為JSD2?01～JSD2?63。PQR2剖面共計(jì)采得26個指標(biāo)樣品，編號為PQR2?01～PQR2?26。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

2.2.1 OSL測年

所有OSL測年樣品均在OSL暗室紅光條件下打開，去除采樣管兩端3～5 cm可能曝光樣品，取中間新鮮樣品用做等效劑量測定，并從中取40 g用于計(jì)算含水量。首先用10%的鹽酸（HCl）和30%的過氧化氫（H2O2）分別去除碳酸鹽和有機(jī)物，剩余部分即為石英和長石的混合物，待樣品反應(yīng)完全后，用去離子水沖洗樣品至中性，低溫烘干。之后用40%的氫氟酸（HF）浸泡樣品，去除長石，再用10%的HCl去除HF刻蝕過程中形成的氟化物，反應(yīng)終止后用去離子水沖洗、低溫烘干，篩分獲得63～90μm顆粒組分，最后磁選去除殘余的磁性礦物，得到純凈的石英顆粒。根據(jù)長石對紅外信號敏感而石英不敏感的特征，所得石英的純度用紅外信號（IRSL）方法檢測。若IRSL/OSL信號>10%表明還有長石存在，須重新用HF浸泡，直至樣品IRSL/OSL<10%[26]。將提純的石英顆粒用硅油均勻粘在直徑約9.7 mm、厚約0.5 mm的圓形不銹鋼測片上，每個樣品制備16個待測樣片。

本文等效劑量的測量采用石英單片再生劑量（Single aliquot regenerative?dose，SAR）法。儀器采用丹麥國家實(shí)驗(yàn)室生產(chǎn)的Ris?TL/OSL?DA 20C/D型光釋光測量儀。通過預(yù)熱、輻照和激發(fā)等步驟完成測量，其中以7 mm的U?340濾波器檢測得到OSL信號，人工輻照源為90Sr/90Y，其劑量率為0.095 6 Gy/s。

樣品的環(huán)境劑量率與樣品中的238U、232Th、40K含量，及宇宙射線和樣品含水率有關(guān)。因?yàn)樽匀唤缰械妮椛渲饕獊碜苑派湫院怂?38U、232Th、40K的α、β和γ衰變及宇宙射線產(chǎn)生的放射性劑量，礦物在埋藏期間吸收的輻射能量取決于這些放射性核素在沉積物和礦物顆粒本身中的含量[27?28]。將樣品倒入燒杯中稱濕重，然后在烘箱中低溫烘干，再稱干重和燒杯重，最終計(jì)算出含水量。在計(jì)算完含水量的樣品中，隨機(jī)選取20～30 g砂樣研磨成粒徑<63μm的粉砂狀，再選取其中2 g左右裝入小自封袋編號標(biāo)記，送往中國原子能科學(xué)研究院、采用中子活化法（Neutron Activation Analysis，NAA）測得U、Th和K的含量。

2.2.2 粒度分析

粒度測試的前處理，采用濕法粒度分析的一般程序完成[29]。完成前處理后樣品的上機(jī)測試，采用英國馬爾文儀器公司生產(chǎn)的Mastersizer 2000激光衍射粒度儀，其測量范圍0.02～2 000μm，重復(fù)測量三次取平均值，基本保證測量誤差小于5%。

從激光粒度儀中提取測量數(shù)據(jù)，采用烏登—溫特沃思粒級[30?31]（Udden?Wentworth scale）進(jìn)行粒度分級，共分為7級，黏土（<2μm）、粉砂（2～63μm）、極細(xì)砂（63～125μm）、細(xì)砂（125～250μm）、中砂（250～500μm）、粗砂（500～1 000μm）和極粗砂（1 000～2 000μm）。采用Folket al.[32]算法計(jì)算粒徑分布的平均粒徑（Mz）、中值粒徑（Md）、分選系數(shù)（σ）、偏度（Sk）、峰態(tài)（Kg）等粒度參數(shù)。

以上光釋光等效劑量測試和粒度實(shí)驗(yàn)均在福建師范大學(xué)濕潤亞熱帶山地生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地完成。

3 結(jié)果

3.1 釋光性質(zhì)

預(yù)熱溫度對于年輕測年樣品的影響是很重要的，因?yàn)樵跍y量之前的熱處理可能將電荷從光不敏感陷阱轉(zhuǎn)移到光敏感的陷阱，所以合適的預(yù)熱溫度是獲得可靠等效劑量值的前提。為此我們以樣品JSD2?5為代表樣品，選取180℃～280℃溫度范圍，以20℃為間隔，選擇6個溫度進(jìn)行預(yù)熱坪實(shí)驗(yàn)，以確定合適的預(yù)熱溫度。劑量恢復(fù)實(shí)驗(yàn)則是檢驗(yàn)SAR方法是否適于等效劑量測試的有效方法，如果釋光感量變化得到有效校正，劑量恢復(fù)比率（測量值與已知劑量的比值）應(yīng)在0.9～1.1之間[33]，本文同樣以樣品JSD2?5予以說明。結(jié)果見圖2。

由預(yù)熱坪實(shí)驗(yàn)（圖2a）可以看出，等效劑量值在200℃～280℃出現(xiàn)較明顯的坪區(qū)，因此采用200℃的預(yù)熱溫度，預(yù)熱時間為10 s。由劑量恢復(fù)實(shí)驗(yàn)（圖2b）可以看出，樣品JSD2?5在200℃～280℃范圍內(nèi)的劑量恢復(fù)比率均在0.9～1.1之間，劑量能得到較好的恢復(fù)。由此確定，石英SAR法流程以及預(yù)熱條件適合研究區(qū)樣品的OSL測年。

圖2 剖面樣品JSD2?5預(yù)熱坪實(shí)驗(yàn)（a）及劑量恢復(fù)實(shí)驗(yàn)（b）結(jié)果Fig.2 Sample JSD2?5 tests:(a)Preheat plateau test;and(b)dose recovery test

圖3為代表樣品JSD2?5的OSL信號衰減曲線（圖3a）、生長曲線（圖3b）及各組分變化（圖3c）情況。可以看出，樣品的OSL信號以快組分為主，在大約2 s左右信號可以快速衰減到本底值，衰減特征與典型石英特征相一致，表明長石去除完全，石英顆粒純凈，可以滿足SAR法的測試要求。因此，本文采用SAR法所獲得的等效劑量值應(yīng)當(dāng)是可靠的。

圖3 樣品JSD2?5天然OSL釋光信號衰減曲線（a）和生長曲線（b）及各組分信號比例隨時間變化（c）Fig.3 (a)Decay curve;(b)growth curve;and(c)relative contributions to the OSL signal for sample JSD2?5

3.2 OSL測年結(jié)果

從測得的年齡結(jié)果（表1）看，10個OSL年齡值分布在2.20±1.09～22.5±1.07 ka。自上而下，兩個剖面樣品OSL年齡基本隨樣品埋深增加而增加，具有上新下老的特點(diǎn)，基本符合地層層序律。僅有JSD2剖面埋深52 cm、PQR2剖面埋深285 cm的個別樣品年齡存在倒置現(xiàn)象，但考慮到所測年齡的誤差范圍，其結(jié)果是可以接受的。JSD2剖面年齡分布在2.20±1.09～9.89±1.65 ka，為 全 新 世 的 砂 質(zhì) 沉 積。PQR2剖面的測年值分布在3.41±0.78～22.5±1.07 ka，涵蓋了末次冰期和全新世。

表1 JSD2和PQR2剖面光釋光測年結(jié)果及其參數(shù)Table 1 OSL dating results and parameters of JSD2 and PQR2 profiles

從測年結(jié)果和剖面巖性特點(diǎn)看，剖面JSD2上段三個釋光樣品（埋深為1.80 m、2.70 m、3.80 m）年齡分別為2.20±1.09 ka、3.34±0.49 ka、5.95±1.05 ka，對應(yīng)淺灰黃色、松散的砂層；下段三個釋光樣品（埋深4.50 m、5.20 m、6.20 m）年齡分別為6.98±0.87 ka、5.61±0.7 ka、9.89±1.65 ka，對應(yīng)淡紅棕色砂層夾棕黃色、略膠結(jié)的砂層，下段砂層年齡相對較老、顏色偏淡紅色，表明經(jīng)歷了較強(qiáng)的化學(xué)風(fēng)化作用、發(fā)生了一定程度的紅化作用。

PQR2剖面85 cm處樣品的年齡為（3.41±0.78）ka，在1.65 m處樣品的年齡為（15.01±0.87）ka，這兩個年齡值大體上對應(yīng)剖面上部的棕黃色砂層，說明大致在1.50 m以上屬于全新世沉積。其他三個OSL年 齡[（15.01±0.87）ka、（22.50±1.07）ka和（22.27±1.16）ka]對應(yīng)于剖面中下部的棕紅色砂層段，應(yīng)屬于末次冰期和晚冰期的老紅砂層。

4 討論

4.1 年代學(xué)框架

綜合JSD2和PQR2剖面上部的OSL測年結(jié)果可知，兩個剖面風(fēng)沙沉積的年齡范圍為（2.20±1.09）～（9.89±1.65）ka，涵蓋了全新世絕大部分時期。本文兩個剖面的測年結(jié)果與前人研究的不同厚度的全新世海岸風(fēng)沙沉積剖面的年齡范圍基本一致[19?21]，而吳正等[12]早期所做的海岸沙丘巖則屬于全新世晚期海岸風(fēng)成沙的鈣質(zhì)膠結(jié)產(chǎn)物。從圖4可知，本文獲得的JSD2剖面，是海南島東北海岸迄今為止發(fā)現(xiàn)的厚度較大、OSL絕對年齡控制點(diǎn)最多的海岸風(fēng)沙沉積剖面。

圖4 海南島海岸典型風(fēng)沙沉積剖面及絕對年齡對比Fig.4 Comparison of typical aeolian sedimentary profiles and absolute ages on the coast of Hainan Island

4.2 海南島東北海岸全新世風(fēng)沙活動

以JSD2和PQR2這兩個剖面10個OSL測年數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，綜合木堆剖面[19]、昌化中角剖面[20]和棋子灣剖面[20]的釋光測年數(shù)據(jù)，可以初步建立海南島東北部全新世海岸風(fēng)沙沉積序列的時間標(biāo)尺。從海南島海岸風(fēng)沙沉積的釋光年齡概率分布特點(diǎn)來看，研究區(qū)海岸風(fēng)沙沉積呈現(xiàn)比較明顯的多期性特點(diǎn)，這與國內(nèi)外研究報(bào)道的海岸風(fēng)沙沉積和風(fēng)沙活動常見的階段性特征是相一致的。

綜合對比分析發(fā)現(xiàn)，全新世中晚期以來，在海南島適宜的海岸地貌部位和砂源供給條件下，在各個階段均不同程度地發(fā)生了風(fēng)沙沉積。其中，全新世以來北半球太陽輻射量變化、海平面變化及海岸風(fēng)力作用可能是影響研究區(qū)海岸風(fēng)沙活動變化趨勢和階段性的主要驅(qū)動因素（圖5）。全新世以來，海南島東北海岸的風(fēng)沙活動大體分為兩個階段，即10.5～6.0 ka和6.0 ka以來。

圖5 海南島東北海岸風(fēng)沙沉積測年成果的比較Fig.5 Comparison of dating results of aeolian sand deposits on the northeastern coast of Hainan Island

10.5～6.0 ka B.P.，早中全新世。相當(dāng)于JSD2剖面深度約為4～7 m層段，平均粒徑（Mz）為1.78f，以中砂為主；分選系數(shù)（σ）為0.61，分選較好，偏度（Sk）為-0.05，峰度為0.95。Mz在該階段波動幅度較大。該層段極細(xì)沙（63～125μm）含量增多，顏色偏紅，可能由于該階段太陽輻射總量大（圖5a），溫度高、化學(xué)風(fēng)化作用較強(qiáng)導(dǎo)致。此階段處于全新世早期海岸風(fēng)力作用波動變化很強(qiáng)的時期，在9.8 ka和6.0 ka左右出現(xiàn)兩個粗組分的峰值階段，且前人研究的木堆剖面在約9.5 ka開始有風(fēng)沙堆積，表明該階段海岸帶風(fēng)力活動有所加強(qiáng)，風(fēng)沙有所堆積。此時海南島周邊的海平面處于快速上升期（圖5b），其中7.3～5.5 ka B.P.海平面持續(xù)高位，在6.0 ka B.P.出現(xiàn)全新世以來的最高海面[35]。高海面時期，氣候溫暖濕潤，河流作用和海岸波浪作用為海岸風(fēng)沙活動提供充足的沙源，在向岸風(fēng)的作用下利于風(fēng)沙堆積和海岸沙丘的形成。海南島雙池瑪珥湖記錄的全新世最暖時期為9.0～7.0 ka B.P.[36]，JSD2和PQR2記錄顯示9.0～7.0 ka風(fēng)沙活動較弱，應(yīng)該是暖濕氣候條件下總體上不利于風(fēng)沙的輸移，加上此時海岸帶風(fēng)力作用較弱，風(fēng)沙搬運(yùn)動力不足，因此風(fēng)沙堆積減弱。

6.0ka B.P.以來，中全新世后期及晚全新世。對應(yīng)JSD2剖面上段1～4 m以及PQR2剖面約1.5 m以上層段，Mz為1.79f，以中砂為主；分選系數(shù)（σ）為0.64，分選較好，偏度（Sk）為?0.06，峰度為1.05。Mz在此階段波動幅度明顯減弱，與此階段北半球太陽輻射總體趨向減弱相聯(lián)系。海南島周邊鉆孔沉積的孢粉記錄表明，晚全新世溫度和濕度較早中全新世下降[34]，氣候特征為相對冷干；廣東番禺菱擴(kuò)孔部分巖芯樣品的孢粉分析結(jié)果表明，在距今約4.4 ka，3.2 ka，2.9～2.3 ka為干燥氣候期[37]；南海北部鉆孔磁化率和有孔蟲記錄也顯示早全新世至晚全新世逐漸變冷，3.4 ka后氣候變冷變干[38?39]。本文剖面所記錄到的4.0 ka以來的風(fēng)沙活動與這些相對冷干期基本一致，海岸風(fēng)沙主要由比較干燥的東北風(fēng)向岸搬運(yùn)堆積而成。該階段溫度趨向降低，海岸風(fēng)力作用增強(qiáng)，同時海平面總體上處于相對下降時期（圖5b），由于海灘面積增大，可以提供更多的砂源，從而有利于海岸風(fēng)沙沉積。

我國現(xiàn)代海岸沙丘形成年代主要分布在（7.44±1.1）～（0.51±0.09）ka B.P.，3.0 ka B.P.以來的全新世晚期為整個華南海岸風(fēng)沙沉積比較活躍的時期[12]。這與JSD2和PQR2剖面風(fēng)沙堆積年代基本吻合，說明華南沿海風(fēng)沙堆積過程受到共同因素的驅(qū)動。從亞熱帶和熱帶海岸風(fēng)沙沉積序列的空間差異來看，早全新世在亞熱帶福建海岸未檢測到風(fēng)沙沉積記錄，全新世中期的記錄也很少，除了海平面上升侵蝕的因素，還可能由于福建沿海較多山地丘陵，岸坡陡峭，平緩海岸帶分布范圍狹小，導(dǎo)致風(fēng)沙記錄不利于保存?？偟膩砜?，在全新世千年尺度上，華南熱帶與亞熱帶海岸風(fēng)沙活動趨勢基本一致，海岸風(fēng)沙活動主要受太陽輻射變化、海平面變化和海岸風(fēng)力作用的共同驅(qū)動。

5 結(jié)論

通過對海南島東北部海岸JSD2和PQR2兩個剖面風(fēng)沙沉積的10個光釋光測年結(jié)果以及89個指標(biāo)樣的粒度分析，綜合對比華南海岸其他地區(qū)的風(fēng)沙記錄，初步得到以下結(jié)論：

（1）JSD2和PQR2剖面砂樣粒度以中細(xì)沙為主，粒度眾數(shù)在225～400μm之間，早期海岸風(fēng)沙沉積后受低緯熱帶氣候條件下強(qiáng)烈化學(xué)風(fēng)化作用的影響，剖面下部風(fēng)砂層發(fā)生紅化作用而呈現(xiàn)淡紅棕色—紅棕色。

（2）兩個剖面所獲得的10個OSL年齡，基本符合上新下老的地層層序律。其中JSD2剖面的年齡范圍為（2.20±1.09）～（9.89±1.65）ka，屬于全新世風(fēng)沙沉積；PQR2年齡范圍為（3.41±0.78）～（22.50±1.07）ka，剖面約1.50 m以上為全新世風(fēng)沙層，1.50 m以下為老紅砂層。

（3）綜合JSD2剖面、PQR2剖面與海南島其他海岸風(fēng)沙沉積的絕對年齡分析，海南島全新世以來的海岸風(fēng)沙沉積序列呈現(xiàn)多期次特點(diǎn)，大致劃分為10.5～6.0 ka B.P.及近6.0 ka B.P.以來的兩個主要風(fēng)沙沉積期，在第一風(fēng)沙期的9.0～7.0 ka B.P.全新世大暖期鼎盛期，海岸風(fēng)沙活動較弱。