长江水下三角洲记录的全新世以来的环境信息

王敏杰，郑洪波，杨守业，范代读

（1.同济大学 海洋地质国家重点实验室，上海 200092；2.南京大学 地球科学与工程学院，江苏 南京 210093；3.同济大学 长江水环境教育部重点实验室，上海 200092）

全新世以来，中国内陆风化产物经长江源源不断地搬运，最终在中国东部入海.长江起到了连接陆－海相记录的桥梁作用.在中国东部，长江泥沙主要沉积在三角洲平原、水下三角洲以及闽浙泥质区，也有少量沉积在北黄海以及冲绳海槽［1］.其中，面积约10000km2的水下三角洲是一个重要的“泥沙库”，对长江入海泥沙量和沿岸流场的变化极为敏感，对长江泥沙入海后的再分配起着重要的调节作用.不仅如此，相比于其他古环境信息载体，水下三角洲有独到的优势.具体表现在：沉积环境相对稳定，沉积连续，沉积速率高，保存良好的测年材料（例如贝壳、有孔虫壳体等），易于用14C方法获得准确的年代序列.作为末次冰消期高海平面以来长江流域入海物质的主要沉积区之一，长江水下三角洲有可能完整地记录了全新世整个长江流域的气候变化信息.而较高的沉积速率保证了水下三角洲良好地记录着全新世以来从年到百年尺度上的突发事件，为高分辨率古气候研究提供了理想的研究场所.

目前，长江三角洲平原钻孔较多，研究相对成熟［2－3］，闽浙泥质区也有不少学者研究过［4－7］，而水下三角洲区域研究相对薄弱，主要靠浅地层剖面和古生物相分析进行沉积总量的估算以及沉积相的划分［8－10］.有关长江水下三角洲高分辨率古气候研究至今涉及较少，已有的8个较深长江水下三角洲钻孔，全由上世纪80年代取得，分别为 CJ－1，CJ－2，CJ－3，CJ－4，CJ－5（长22～43m，打穿全新世地层）［11］，和Ch1，Ch2，Ch3（长40～100m）.2000年，在水下三角洲－陆架过渡区又钻孔6个（SK－1，SK－2，SK－3，SK－4，SK－5，SK－6，长约2m）［12］.由于定年材料的缺乏，最早的8个钻孔年龄框架不够精确.本文报道长江水下三角洲YD 0901孔沉积物粒度、有机质研究结果，通过建立高分辨率地层，探讨全新世以来现代长江三角洲的演化及环境信息.

1 材料与方法

1.1 样品的采集

2009年5月，同济大学海洋学院和浙江省地质勘查局合作，在现代长江水下三角洲YD 0901孔钻探（北纬31°11′01.768″，东经122°30′00.655″，水深21m），取得长65.23m 的岩芯（图1b）［13］.

1.2 粒度分析

对整个岩芯按10cm间隔取样，获得粒度样品，测试粒度.预处理步骤如下：取样品0.15g，加入10mL 30%的H2O2，去除有机质；然后加入15mL 25%的醋酸煮沸1min，移入1000mL高型烧杯，加满去离子水，放置24h后移去清液，以去除碳酸盐.最后加入300mg（NaPO3）6分散剂，超声振荡3min后，使用同济大学海洋地质国家重点实验室Beckman Coulter LS230型全自动激光粒度仪测试样品，仪器的测量范围为0.04～2000μm，重复测量的相对误差在1%以内.

1.3 TOC（总有机碳）和TN（总氮）的测试

用浓度1mol·L－1的HCl处理样品，去除碳酸盐矿物，再用去离子水反复清洗样品，低温烘干，研磨后供TOC和TN分析.有机元素分析采用EA1110型有机元素分析仪（Thermo公司的Carlo Erba），以纯有机化合物磺胺作为标样，分析精度为0.5%.

1.4 年龄框架

YD 0901孔的年代框架按8个贝壳的14C测试年代.在无生物钻孔、无扰动的岩芯层位挑选出较完整的贝壳，经中国科学院广州地球化学研究所制靶后，在北京大学核物理与核技术国家重点实验室完成年代测试.利用Calib 5.0软件中的marine 04程序进行校正，构成了本研究的年代框架（图1b）.分析表明，8个贝壳样品质量优良，所获得的年龄可靠，整个岩芯的年龄框架通过内插和外插法获得.由于粒度采样间隔为10cm，平均分辨率约20a.

2 结果与分析

2.1 沉积环境

YD 0901孔全长65.23m（图1），岩性可分为3段.①51.88～65.23m，河床相，主要以中细砂为主，偶见砾石，含大量植物碎屑，黄褐色.末次盛冰期以来，东海陆架大部分裸露，水动力以河流切割为主，陆架上发育多条古河道以及巨型下切河谷［14］.随着末次冰消期到来，海平面逐渐回升，海水沿下切河谷快速向岸推进，下切河谷开始充填河床相沉积［15］.②34.22～51.88m，河口湾－浅海相 （海侵期），以粉砂和细砂为主，砂泥质单交互层，局部见贝壳碎片和木屑.此段沉积动力为潮流和河流共同作用，为浅海相沉积.34.22m附近为最高海平面时期，此时，海侵最大，形成以镇江、扬州为顶点的巨大古河口湾［16］.30～34.22m，水下三角洲相，以粉砂和黏土等细粒泥质为主，偶见贝壳，含有孔虫等，整体呈灰色，内部成分、结构、颜色均一，顶部2.5m以上含水量较高.在大约距今7ka时期，海平面最高，为长江泥沙在河口区的堆积提供了空间，现代三角洲开始发育，古长江河口从镇江－扬州一带逐渐向海推进至现代河口区.

可见，最大海侵面位于34.22m附近，对应距今6925a（最大海侵时间略早于6925a，因为最大海侵发生后大量长江源细粒组分才逐渐到达YD 0901站位，即大量陆源细粒沉积物到达YD 0901站位的时间略晚于最大海侵发生时间）.最大海侵面的确定为精确估算冰后期最大海侵以来水下三角洲沉积总量提供了条件（由于尚未打穿河流相底界面，所以难以确定冰后期海侵旋回底界面的具体深度和年代）［16］.而已有的8个水下三角洲钻孔，尽管根据粒度数据可以大致得出最大海侵面深度，但由于定年材料匮乏（只有一两个贝壳年龄），难以对8个钻孔的最大海侵面深度检验精确年龄.相比之下，长江三角洲平原钻孔数量多，年龄数据精确、可靠，前人已经对冰后期长江三角洲平原沉积通量进行了估算［16］.而要想精确估算冰后期最大海侵以来水下三角洲沉积通量，尚需更多的水下三角洲钻孔资料.

2.2 沉积速率

从图2可以看出，距今6.8ka～5.8ka期间，YD 0901孔的沉积速率较大，达到1.0cm·a－1左右，暗示在距今7ka～6ka期间长江源沉积物“倾泻入海”，水下三角洲开始加速营造，对应“中全新世大暖期”［17］.此时，河口区水动力系统尚处于调整期，东海沿岸流可能尚未稳定，携带细粒河流源沉积物到闽浙沉积区的能力还相对较弱.另一方面，也可能是由于河流沉积物的“倾泻入海”掩盖了沿岸流运走河口细粒沉积物的能力.闽浙泥质区的钻孔PC 6［6］，MD 06－3040［4］，EC 2005［18］和 MZ 01［7］证实，在距今7ka～6ka期间，这4个孔位沉积速率都很低，远小于YD 0901孔.此时，长江源细粒沉积物主要在水下三角洲沉积，水下三角洲开始加速建造，小部分细粒组分被东海沿岸流搬运至闽浙，开始缓慢形成闽浙泥质区；5.8～0.98ka期间，沉积速率较稳定（0.18～0.36cm·a－1），说明长江水下三角洲水动力系统稳定，东海沿岸流稳定；0.98ka至今，沉积速率明显增大.原因可能有几个：首先，人类活动对河口区的改造能力增强，致使长江入海泥沙增加.也可能是长江河床基面自身调整，沉积中心逐渐外推到崇明岛［19］，导致更多的长江源沉积物在更远的内陆架沉积.当内陆架沉积区达到饱和后，河流输砂又会逐渐覆盖外陆架.最近有研究表明［20］，北纬29°以北的东海外陆架残留砂区也开始接受现代河流源细粒沉积物.

图2 YD 0901孔年代控制点与沉积速率Fig.2 Age control points and the deposition rate of Core YD 0901

2.3 TOC和TN分析

由图3可知，沉积物中TOC（总有机碳）和TN（总氮）含量总体变化不大.TOC质量分数w（TOC）为0.42%～1.13%，平均为0.66%；TN 质量分数w（TN）为0.08%～0.17%，平均为0.12%，基本落在现代长江水系沉积物的有机元素组成范围内［21］，且TN和TOC含量存在较弱的正相关关系（相关系数R2＝0.184）.

研究表明，沉积物中TOC和TN的质量比w（TOC）／w（TN）主要受控于有机质来源和降解程度［22］.无脉管的低等水生植物（藻类）由于含有较高的蛋白质而少纤维素，其w（TOC）／w（TN）较小，多在4～10之间；而高等陆生脉管植物则相反，其w（TOC）／w（TN）可达20甚至更高［23］.但有机质在埋藏后迅速降解可显著降低沉积物中有机质的C和N的质量比w（C）／w（N）.因此，尽管长江水系沉积物的有机质主要来自流域土壤C3类高等植被，但其w（C）／w（N）多在10以下［21］.由于 YD 0901孔离河口较近，受长江冲淡水影响较大，所以其沉积物中有机质不仅来自自生海源类有机质（浮游、底栖生物），长江水系带来的有机质贡献可能更大［24］.

在距今2700a左右，TN含量逐渐增大，而TOC并未明显变化.可能是因为部分TOC发生成岩作用，被硫酸盐还原成碳酸盐.伴随着TOC的还原，硫酸盐转化成的H2S进一步与沉积物中的Fe氧化物和氢氧化物作用，形成Fe的硫化物，从而改变沉积物中的磁性矿物组成.YD 0901孔上部磁化率曲线的不规则变化也佐证了这一点.在用HCl去除碳酸盐后，发现TN变化很小，说明HCl对氮的去除效果明显不如无机碳.北黄海沉积物的研究表明［25］，粒度越细，沉积物中有机氮分解速度越小，氮的早期成岩作用越弱，即细粒沉积物中有机氮的分解矿化速率最小，易于富集有机氮.相比之下，C的早期成岩作用就比较强烈.所以，在成岩作用比较强的情况下，TN比TOC更适合古气候研究.距今2700a（春秋战国时期）以来，属于农田生态系统创建时期［26］，随着流域内人类活动逐渐加剧，溶解无机氮（硝酸盐、亚硝酸盐和氨氮等）和有机氮大量排放，沉积物会吸附部分溶解无机氮（如NH＋4）及有机氮，导致沉积物中TN含量升高.而TOC由于发生成岩作用，含量并未明显升高.3ka以来（特别是近2ka以来），由于人口逐渐增多，流域内开垦越来越强烈，长江来沙增多，加之中下游河床淤积减弱，导致进入长江口的泥沙显著增多，长江三角洲淤积加快［27］.

3 结论

（1）在距今7ka～6ka的“中全新世大暖期”，陆源沉积物“倾泻入海”，长江水下三角洲开始加速营造，闽浙泥质区缓慢形成.此时，古气候和海平面变化是控制长江水下三角洲发育演化的主导因素.

（2）在距今2.7ka左右，由于长江流域人类活动逐渐加剧，造成总氮含量逐渐增加.总有机碳由于成岩作用，含量并未明显变化.此时，三角洲的发育不再单纯受控于古气候及海平面变化，人类活动的影响越来越大.

（3）由YD 0901孔精确年代框架及高分辨率地层的建立，得到最大海侵面的深度，为准确估算冰后期最大海侵以来水下三角洲沉积总量提供了可靠的依据.

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