YZ07钻孔MIS-5以来沉积记录与江苏海岸沉积环境演化研究

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中国边缘海大陆架自晚更新世以来发育了古扬子大三角洲沉积体,作为叠加和迁移的基底,它制约和影响着全新世以来江苏海岸-长江三角洲的变化。尽管该地区在过去20多年来钻孔研究不下数几十个,但受到14C年代半衰期的限制,钻孔沉积物的绝对年代在3~4万以内。为了突破绝对地层年代测定的屏障,从而突破在认识中国边缘海内陆架与陆源大河的沉积关系、地貌演变中受到4万年时间长度的局限,本文YZ07钻孔不仅在深度150m内获得了95.6%的取芯率,而且岩性显示无重大扰动构造,在近年来的第四纪松散沉积物中是难得见到的高质量钻孔,也是进行高分辨率第四纪气候与环境变化研究的优秀载体。  本文通过搜集区域钻孔数据,建立区域沉积演化数据库,以此为基础进行区域范围的标志性年代沉积演化特征分析,试图更全面和广泛地解释整个江苏海岸地区的沉积演化过程。沉积模式研究对揭示沉积演化过程与机制意义重大。根据区域海洋、河流分布和沉积特征,本文选取研究区东西向和南北向两条典型剖面进行沉积模式分析。东西向剖面基本以现代长江口北翼为轴线,包含了历史时期海面变化、长江河道变迁、古长江大三角洲和现代长江三角洲形成与发育等重要气候-环境变化信息。基于以上研究内容与结果取得了以下主要结论。  (1)本研究采用14C、OSL和古地磁多种测年手段构建YZ07孔晚更新世以来沉积年代框架。其中,根据古地磁Blake负极性事件确定该钻孔MIS-5底界在72.16m。根据14C和OSL年代确定全新世底界在42.98m,MIS-3/MIS-4、MIS-4/MIS-5的界限分别在52.6m和54.98m。结合沉积相分析推测钻孔缺失MIS-2时期的沉积记录。  (2)YZ07孔沉积年代表明,晚更新世与中更新世的界限在~72m处。中更新世晚期主要是一套陆相河湖相沉积,晚更新世早期转变成海陆过渡相沉积。其中出现了3次显著的海相沉积。沉积指标的显著变化,表现为沉积物颗粒明显变粗、分选变差、磁化率迅速上升、烧失量显著下降,以及C-M图和样品粒径累积百分比曲线综合指示了沉积动力迅速增强的沉积特征,反映出中更新世到晚更新世的过渡十分剧烈。从~63m出现的海生无背卷荣螺与陆生纹沼螺和白小旋螺等混合堆积推测中更新世到晚更新世,沉积环境从陆相河湖环境迅速过渡到河口-滨海沉积环境。并且,YZ07孔中显示的这一转变在区域其他长钻孔中均有出现,体现了这一转变的区域性特征。根据沉积物粒度、磁化率和生物化石特征,结合第四纪区域地质构造过程分析表明,晚更新世以前区域地质构造是影响本区沉积环境的最显著因子,进入晚更新世以后,气候波动逐渐占主导作用。  (3)YZ07孔晚更新世以来的沉积记录显示了间冰期(MIS-5)以及冰期间冰阶(MIS-3和MIS-1)沉积较连续,沉积物保存较完好。末次冰期中冰阶沉积物受侵蚀严重,仅残留了MIS-4阶段不足3m的沉积物,MIS-2阶段沉积物则完全缺失。根据YZ07孔沉积相并结合区域其他钻孔分析显示了晚更新世以来的沉积环境依次为河口-滨海、河流-漫滩、滨海-浅海、陆相(缺失)、滨海-潮滩的变化过程,以及分别发生在MIS-5、MIS-3和MIS-1阶段的3次海侵过程。并且,有孔虫、硅藻以及软体化石个体丰度、生态属性和分布情况指示了MIS-3阶段沉积物的海相生物海相性最强,MIS-5阶段的海相性最弱,MIS-1阶段介于其间。因此,本区海侵时沉积物的埋深受沉积后作用,即是次生的、经过埋藏、压实和区域构造作用对海侵层的改造。数据库钻孔沉积相分布综合分析也显示了MIS-3时期海侵范围非常广泛,海水至少影响到距离现代岸线约120km的江苏内陆地区。并且,区域很多钻孔都表现了相似的海侵特征,说明MIS-3海侵较MIS-5海侵更强是区域性现象,也从另一个方面说明了沉积物海相性强弱受相对海面变化控制,即是次生的、经过埋藏、压实和区域构造作用对海侵层改造后留下的证据。深入剖析其原因可能是江苏海岸地区所处的地质构造下沉区以及MIS-5时期较高的古地势导致了尽管MIS-3时期海面高度不及MIS-5阶段,但却能够影响到区域更西的区域。  (4)江苏海岸地区第四纪沉积物在沉积过程中不仅受到全球气候冰川型海面变化的影响,构造沉降和沉积压实在沉积后起到重要作用。因此,该区地层沉积物埋深反应的是相对海面变化而非全球海面变化。因此,本文根据YZ07孔不同时期的沉积厚度和埋深,扣除区域构造沉降和沉积物压实沉降量,估算了MIS-5和MIS-3阶段的全球海面高度。结果显示,MIS-5时期的全球海面高度为+8.9~+9.6m(+表示比现代全球海面高),MIS-3时期为-19.3~-27.5(-表示比现代全球海面低)。其中,MIS-5的全球海面高度与世界其他地区海面高度差别不大,而MIS-3时期的海面高度明显高于太平洋珊瑚礁记录,而与墨西哥湾、澳大利亚南部陆架、日本房总半岛等的记录具有可比性,因此表明MIS-3阶段海侵具有明显区域差异性。  (5)区域沉积演化数据库显示~35ka BP时在弶港和如皋地区出现一个高埋深区,该区的沉积速率达到0.95mm/a,并且显示了河流相沉积特征,体现了海面上升而产生的厚层溯源堆积特征,同时也说明当时古长江曾在这一地区入海,形成的这一巨大沉积砂体推测是现代辐射沙脊群的基础。~21ka BP时在平行于现代长江河道以北地区出现了埋深低槽区,这一低槽延伸到超过现代水深-50m的地区,沉积相显示了该时期低槽区两侧的江苏海岸地区均广泛分布陆相沉积,表明当时海面下降,古长江下切侵蚀形成的巨大河谷延伸至区域浅海海区。约15~8ka BP期间逐渐形成分布于现代长江两侧的两个埋深高值区,沉积速率高值区分布于现代长江河道镇江至河口段,并且,沉积相显示了海相性逐渐增强的特征,说明这一时期长江已经南移到现代河道位置,海面上升造成区域大范围受到海水影响,河道由于回水作用导致泥沙堆积在长江下游至河口河段。~6ka BP至今,沉积埋深逐渐形成现代海岸的分布形态,沉积相显示了浅海相明显减少,而长江河口及口外浅海地区海陆过渡相明显增加,显示了长江三角洲不断向海发展。  (6)区域东西向沉积模式显示了MIS-5时期区内发生海进,在宝应-海安-如皋地区均发育了滨海环境,但微体和软体化石均显示了较弱的海相性。MIS-4时期海面下降,当时海安-如皋地区曾发育河流环境,两侧则为泛滥平原环境。MIS-3阶段海面上升,在宝应地区形成浅海环境,向东在海安、如东和现代长江口外均处于河口沉积环境,这一时期的沉积记录显示了晚更新世以来最显著的海相性。晚更新世早期处于构造运动的转变期,古地势仍存在起伏,不如晚更新世中后期地势低平,并且,当时从西部山区河流带来丰富的淡水径流和陆源碎屑物,水体盐度低,不适合有孔虫等咸水种生物生存,这些可能是造成MIS-3比MIS-5阶段具有更强海相性的原因。MIS-2阶段海面显著下降,区域表现为明显的陆相环境特征,在东台地区发育了河流环境,而在宝应、海安和长江口外地区主要发育泛滥平原和湖沼沉积。冰后期海面再次上升,最高海面时自西向东发育水下潮滩、滨海和浅海环境。之后海面变化不大,岸线不断东移,西部出露水面并发育为三角洲平原环境,中部地区由于长江的深入形成河口环境,东部则由于长江输送的泥沙向海堆填,形成三角洲前缘环境。东西向剖面沉积模式充分显示了长江三角洲区域海洋与河流交互作用过程。  (7)浅海南北向剖面沉积模式显示了MIS-5时期江苏中部浅海主要发育滨岸-滨海环境,潮流动力很强,海相性较弱,而该时期北区沉积物中却发现了丰富的有孔虫和海相介形虫、软体化石,指示了高海面时水深为20~50m的浅海环境,海相性较强,说明当时江苏海岸地区海侵具有南弱北强的特征。MIS-4时期海面下降,研究区南北两端分别受古长江和古黄河的影响而发育河流沉积环境,中部河间洼地因短暂积水而形成淡水湖泊环境。MIS-3时期海面上升,南部、中部和北部分别发育了河口、潮滩和水下三角洲三种环境,显示了南部海洋动力较河流动力强,北部河流动力较海洋动力强的特征。中部地区主要受控于海洋动力,随着海面升降波动表现出两次低-中-高潮滩环境的旋回。MIS-2时期海面显著下降,南部地区长江河流水系的不断改道造成了本区形成河流或暂时性的湖泊环境,中部地区则主要发育泛滥平原沉积环境,北部地区仍受到古黄河影响。冰后期早期,北部和南部在高海面时期均发育浅海环境,中部地区发育潮滩或滨海环境。随着长江和古黄河不断向海输送泥沙并堆积,南部和北部浅海区发育水下三角洲,中部随着海洋流场的变化在水深<20m的地区发育了潮流通道和潮流沙脊体系。  (8) YZ07孔及区域其它钻孔沉积地层对比分析显示,本区中更新世主要发育河流-漫滩和湖沼相等陆相沉积。由于当时本区古地势较高,远离海洋,因此不具有河口和三角洲沉积环境。YZ07孔MIS-1时期的沉积地层表现为从低潮位至高潮位的沉积变化,同样表现为远离河口的沉积环境。并且,本研究数据库的区域沉积埋深、沉积速率和沉积相分布特征也显示了冰后期长江河道和河口南移至现代长江河道和河口位置。现代长江北部地区在冰后期后已经脱离长江河道和河口的影响,形成了泛滥平原环境或受海洋动力控制的海岸环境。YZ07孔MIS-5至MIS-3时期绝大部分沉积物(~93%)属于滨海-河口相。并且,区域东西向沉积层序显示晚更新世海侵层(MT2和MT3)表现为“西薄东厚”的河口或三角洲相沉积,冰后期海侵层MT1中河口和三角洲相沉积物减少,出现以海洋动力为主的浅海相和潮滩相沉积。据以上推测,晚更新世时期古长江在弶港附近入海,并且形成了厚度较大的古长江三角洲沉积体。
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