黄河三角洲ZK1孔晚第四纪以来沉积层序演化及其古环境意义①

李国刚 胡邦琦 毕建强 宋卓利 布如源 李建敏

(1.国家海洋局北海分局 山东青岛 266061;2.国家海洋局北海海洋工程勘察研究院 山东青岛 266061;3.国土资源部海洋油气资源和环境地质重点实验室 山东青岛 266071)

晚第四纪以来，我国东部沿海平原地区历经多次海陆变迁，以河海交互作用与三角洲发育为主要特色［1～3］。河口三角洲地区处于海陆过渡地带，受控于海陆交互作用，对气候环境变化敏感，因此大河三角洲沉积研究已成为研究地区海平面升降及气候环境演化历史的重要课题。近年来，与海平面变化密切相关的黄河三角洲形成演化研究成为中国东部海岸研究的热点。前人研究表明，黄河三角洲自晚第四纪以来经历多次海平面升降和气候冷暖更替，形成了海陆交替的复杂地层序列［4～7］。本文以现代黄河三角洲陆地岩芯ZK1为基础，根据岩性变化、微体古生物化石特征、14C年龄等划分沉积环境，结合前人资料还原沉积演化历史。与前人研究的岩芯相比，ZK1孔深100 m，钻至第4陆相层，从取样位置、钻孔深度、测试方法和分析精度等方面来说，ZK1均属研究黄河三角洲地区沉积环境演化的理想岩芯。

1 研究材料和方法

现代黄河三角洲自1855年黄河再次注入渤海后形成，位于山东北部，渤海湾与莱州湾之间。由于高含沙特性，黄河决口改道频繁发生，在河口形成一系列三角洲叶瓣，现代黄河三角洲就是不同时期叶瓣叠加形成的复合体［4］。黄河三角洲包括陆上三角洲和水下三角洲，其中陆上三角洲地势平坦，广泛分布决口扇、分流河道和泛滥平原沉积物。

2009年5月采用回转或冲击钻方法，在现代黄河陆上三角洲获取岩芯 ZK1(图1)，该孔坐标37°51＇01″N，118°28＇01″E，地面标高 5.0 m，实际进尺100.1 m，岩芯采取率 88%。室内首先使用GEOTEK生产的多感应岩芯记录仪对全部岩芯进行物理性质无损测试，记录磁化率等参数;然后对岩芯剖样，依次进行岩性描述、拍照等工作;最后以10 cm间距对岩芯分样。ZK1岩芯共测试粒度样品880个、微体古生物鉴定79个、AMS14C年代7个。

粒度分析采用激光粒度分析法，测试步骤为取适量的10%的H2O2和0.5 N的HCl分别去除沉积物中的有机质和碳酸盐。处理过后的样品经多次洗盐，加入偏磷酸钠后，超声波分散，上机测试。测试仪器为Microtrac S3500扩展型激光粒度仪。粒级标准采用尤登—温德华氏等比制Φ值粒级标准，使用矩法计算粒度参数，沉积物分类命名采用谢帕德沉积物粒度三角图分类法。

图1 研究区和钻孔位置Fig.1 Map of study area and core location of ZK1

微体古生物鉴定样品采用标准方法处理，先将沉积物样品置于烘箱在60℃下干燥，称重，干样用纯净水浸泡2～3天，待样品充分分解后过250目(孔径为0.063 mm)网筛冲洗，冲洗后筛上样品低温烘干，后过100目(孔径0.154 mm)干筛。对较粗的(＞0.154 mm)组分在体视显微镜下进行有孔虫和介形虫鉴定和统计。微体古生物鉴定在同济大学海洋地质国家重点实验室完成。

按照上述微古鉴定预处理方法处理样品，镜下挑选足够的(不少于10 mg)混合底栖有孔虫样品做AMS14C测年，测试工作在美国伍兹霍尔海洋研究所完成，测试结果如表1。鉴于本区有孔虫数量总体偏少，一些层位选取软体动物壳体代替有孔虫测试，但需考虑软体动物壳体作14C测年的局限性，即贝壳壳体可能来源于下伏地层，导致14C年代比实际地层年代偏老。

表1 ZK1孔AMS 14C测年结果Table 1 Results of AMS 14C dating of core ZK1

2 研究结果

2.1 粒度及岩性特征

采用等比制(Φ值标准)粒级分类，ZK1沉积物粒级组分由砂(＜4Φ)、粉砂(4～8Φ)、黏土(＞8Φ)组成，三者平均含量分别为48.17%、46.93%和4.89%，各组分含量如三角图。按照谢帕德沉积物分类法，ZK1孔沉积物类型以砂、粉砂、砂质粉砂为主(图2)。沉积物各粒度参数垂向上存在较大差异:平均粒径介于1.69～7.85Φ，平均为4.45Φ;分选系数介于0.32～2.57之间，分选程度好—差不等;偏态介于-2.15～2.28，大部分沉积物为正偏;峰态介于0.43～3.14之间，大部分沉积物为尖峰态。

图2 ZK1孔沉积物粒度组分三角图Fig.2 The triangular map of sediment grain composition of Core ZK1

通过对ZK1孔岩芯沉积物的详细观察和分析，包括岩性、颜色、含水量、软体动物壳体情况、沉积构造等特征，并结合粒度数据，将该孔自上而下分为24层，ZK1孔岩性分层见表2。

2.2 微体古生物特征

ZK1孔共对79个样品进行微体古生物鉴定，其中40个样品中发现有孔虫，主要分布在孔深5.67～20.45 m、40.50～50.67 m和78.05～92.10 m的三个取样层中，总计挑得8189枚，丰度在中部40.50～50.67 m层段最高，其中在孔深50.67 m处最高丰度达1350枚/g(图3)。ZK1孔有孔虫分属33属59种，其中玻璃质螺旋壳类和平旋壳类种数、丰度等最高。ZK1孔底栖有孔虫以广盐类和近岸浅海类为多，其中数量最多、出现频率最高的是毕克卷转虫Ammonia beccarii，其相对丰度平均为32.2%，在47.1%的样品中都以第一优势种出现。其次是缝裂希望虫Elphidium magellanicum，平均相对丰度为13.1%，主要分布在5.67～20.45 m、40.50～50.67 m之间。其余常见的属种依次为:五玦虫 Quinqueloculina spp.(11.3%)，具瘤先希望虫 Protelphidium tuberculatum(9.6%)、亚易变筛诺宁虫 Cribrononion subincertum(8.4%)、德国海恩斯虫Haynesina germanica(4.8%)和异地希望虫Elphidium advenum(4.4%)。

表2 ZK1岩芯岩性分层Table 2 Division of sediment characteristic of Core ZK1

介形虫出现在42个样品中，其中海相介形虫见于39个样品中，陆相介形虫见于11个样品中。总计挑得海相介形虫3 286瓣，陆相介形虫41瓣。介形虫分布与有孔虫一样，主要产于上述3个取样层中。数量丰度变化大，丰度最高为662瓣/g，见于孔深50.67 m处。介形虫在样品中的分异度最高18种，在5.67～20.45 m层中普遍较高(图4)。

图3 ZK1孔有孔虫垂向分布Fig.3 The vertical distribution of foraminifer species of Core ZK1

图4 ZK1孔介形虫垂向分布Fig.4 The vertical distribution of ostracods species of Core ZK1

介形虫共发现37属45种，其中陆相类5属6种，以广盐类和浅海类占优势，又以典型中华美花介Sinocytheridea impressa最多，在全群中的相对丰度平均高达27.2%，在39.3%样品中以第一优势种出现。其余种按平均丰度由高到低依次为:陈氏新单角介Neomonoceratina chenae(18.6%)、美山双角花介Bicornucythere bisanensis(17.7%)、布氏形纯艳花介Pistocythereis bradyformis(9.8%)、丰满陈氏介 Tanella opima(4.5%)、古屋刺面介 Spinileberis furuyaensis(4.2%)、眼点弯贝介 Loxoconcha ocellata(3.9%)和中华洁面介Albileberis sinensis(2.3%)。陆相介形虫主要见于上部孔深30 m以上和80 m以下层段，其中孔深85.32 m处丰度最高(4.5瓣/10g)。样品中轮藻化石见于孔深 21.15 m、31.67 m、32.77 m和85.32 m等4个样品中，最高丰度(7.3枚/10g)见于21.15 m处。在孔深15.72 m、18.8 m和82.76 m等样品中见较多的双壳类和螺类。

3 讨论

3.1 沉积环境划分

根据微体古生物组合特征和岩性特征，ZK1孔自上而下可识别出10个沉积相(图5)，归结为3个海侵层，各海侵层沉积特征如下。

(1)第Ⅰ海侵层

第Ⅰ海侵层(5.63～20.62 m)，包括河口三角洲相(5.63～14.04 m)和滨岸浅海相(14.04～20.62 m)两段:

①河口三角洲相(5.63～14.04 m)

有孔虫以广盐类为主，其中毕克卷转虫Ammonia beccarii数量丰度高达47.2%，高于下段的8.5%。介形虫群以半咸水种丰满陈氏介Tanella opima(21.1%)和广盐类眼点弯贝介 Loxoconcha ocellata(15.4%)为主。受河流冲淡水的影响，此段多数(62.5%)样品中可见少量陆相介形虫和植物种子、真菌类孢子。

本段沉积物以粉砂、砂质粉砂为主，也有细砂层、黏土纹层等，表现为不同粒度交替沉积的层序，为不同时期黄河三角洲叠覆堆积体［8］。广泛发育的脉状、透镜层理显示曾受潮流影响;底部发育的生物浅穴则说明其形成于低能环境(如三角洲侧缘)。8.26 m处含贝壳壳体的细砂薄层可能为不同时期三角洲间的改造沉积。取自8.85 m处的细砂样品粒度概率累积曲线呈现三段式(图6)，由一个跳跃总体和两个悬浮总体组成，跳跃总体含量近70%，跳跃组分和悬浮组分交点在3Φ附近，具有河流沉积的曲线形式。

②滨岸浅海相(14.04～20.62 m)

本段微体古生物以浅海类为主，如有孔虫异地希望虫Elphidium advenum、五玦虫Quinqueloculina spp.和介形虫陈氏新单角介Neomonoceratina chenae、布氏形纯艳花介Pistocythereis bradyformis等浅海类的丰度明显高于上层，同现卷转虫Ammonia annectens、丸桥卷转虫A.maruhasii等浅海种主要出现在此层。由于此层中含有较多的冷水种，推测海水较冷。

本段有孔虫和软体动物壳体含量丰富，测年数据较多。取自16.35 m和18.73 m(贝壳碎屑层)的贝壳样品AMS14C年龄分别为2 130±4014C aB.P.和6 550±3014C aB.P.，取自17.62 m和19.40 m(泥炭层)的混合底栖有孔虫AMS14C年龄分别为4 280±3014C aB.P.和8 130±3514C aB.P.，均表明该层为全新世海侵以来的沉积。

沉积物表现为海流、波浪、生物等因素影响的沉积构造，对应于滨岸浅水的次级沉积环境，如16.73 m处富含贝壳碎屑的细砂层形成于靠近低潮线的前滨环境。其下为潮滩沉积，存在有沼泽沉积物形成的泥炭层，并发育虫穴生物扰动痕迹，取自该层20.10 m的粉砂样品概率累积曲线呈二段式(图6)，均为悬浮总体，指示沉积相形成时水动力弱，沉积物在悬浮状态下堆积。

(2)第Ⅱ海侵层

第Ⅱ海相层(39.52～51.52 m)可分为滨岸浅海相(39.52～49.57 m)和河口三角洲(49.57～51.52 m)两段，之间被结核薄层区分。

①滨岸浅海相(39.52～49.57 cm)

微体古生物以广盐类为主，但含有较多的浅海类，其中有孔虫以广盐类的缝裂希望虫Elphidium magellanicum(24.7%)、毕克卷转虫 Ammonia beccarii(23.0%)和浅海类的具瘤先希望虫Protelphidium tuberculatum(17.4%)为常见，介形虫则以广盐类典型中华美花介Sinocytheridea impressa(35.0%)和浅海类陈氏新单角介Neomonoceratina chenae(25.8%)为优势，推测本段以滨岸浅海的沉积环境为主。根据有孔虫群中出现较多的冷水种冷水面颊虫Buccella frigida、缝裂希望虫Elphidium magellanicum和具瘤先希望虫Protelphidium tuberculatum，推测该沉积时期可能存在沿岸的冷水流。43.12m处的混合底栖有孔虫14C年龄为40 700±44014C aB.P.，超出14C测年上限，仅供参考。

39.52～47 .57m处沉积物发育大量虫孔和生物扰动，以及概率累积曲线的一段式形态(图6)，均说明当时为沉积速率较低的低能沉积环境，如浅滩。顶部出现的钙质结核和铁锈染痕说明后期水面较浅，甚至暴露出水面［9］。47.57～49.57 m含贝壳碎屑的砂体为滨岸沉积，发育波状层理、潮汐层理。

②河口三角洲相(49.57～51.52 m)

有孔虫仍以广盐类为主，毕克卷转虫Ammonia beccarii在数量丰度上占绝对优势(72.2%)，但介形虫中出现大量的半咸水种光滑三原介Sanyuania sublaevis(21.2%)和古屋刺面介Spinileberis furuyaensis(74.0%)，反映了河口半咸水环境。

本段沉积物主体为浅灰色—灰褐色砂质粉砂层，沉积物粒度概率累积曲线呈现三段式(如图6)，以牵引流的跳跃搬运为主，跳跃总体含量可达70%～80%，又因靠近河口，具有相当的悬浮组分。沉积物浅锈色特征，说明当时水位较浅，后期发育钙质结核层，与上覆地层呈突变接触。推断本层为该海侵层沉积初期的河口三角洲环境。

(3)第Ⅲ海侵层

本层可细分为滨岸浅海相(76.00～83.63 m)和潮滩相(83.63～92.70 m)两段。

①滨岸浅海相(76.00～83.63 m)

图5 ZK1孔综合沉积演化图Fig.5 General sedimentary environment evolution of Core ZK1

图6 ZK1孔各海侵层典型沉积物粒度概率累积曲线Fig.6 Typical probability accumulation curves of sediments grain size from different transgressions of Core ZK1

微体古生物由广盐类和浅海类组成，其中81.75 m以上层含有较多的冷水种缝裂希望虫Elphidium magellanicum和具瘤先希望虫Protelphidium tuberculatu，两者平均丰度合计12.8%，推断为海水温度较低的滨岸环境，与现代黄河口两侧浅海温度类似;而81.75 m以下层出现暖水种有孔虫施罗特假车轮虫Pseudorotalia schroeteriana，平均丰度32.2%，推断为推测为盐度正常的滨岸浅海沉积环境，海水温度较高，与现代浙闽沿岸温度接近。

76.00～77 .60 m段沉积物中含贝壳碎屑、生物孔穴的砂体为平均低潮线附近的沿岸砂坝，贝壳碎屑层为鉴别海滩砂体的标志。取自76.39 m处的细砂沉积物粒度概率累积曲线包含1个跳跃总体和2个悬浮总体(图6)，以跳跃组分为主，分选好，为波浪分选结果，由于缺少恒定的强水流，沉积物具有较多分选差的悬浮组分。77.60～81.75 m粉砂为潮滩沉积物，具有潮汐层理、脉状层理，可见虫孔构造，其中77.60～78.20 m的黑色有机粉砂为盐沼沉积。潮滩沉积物粒度概率累积曲线以一段式、仅含悬浮总体为特征(图6)。

②潮滩相(83.63～92.70 m)

本段微体古生物化石含量较少，具有较多的半咸水种，其中半咸水有孔虫德国海恩斯虫Haynesina germanica平均丰度高达50%。介形虫中的半咸水种光滑三原介Sanyuania sublaevis和古屋刺面介Spinileberis furuyaensis，两者的平均丰度为21.5%，并出现4属4种的陆相介形虫，平均丰度4.4%。

从沉积物岩性特征上看，本段主体为灰褐色粉砂，夹有多个黄褐色—灰褐色砂质粉砂层，多处发育铁锈色染痕和钙质结核，均说明此沉积相时而露出水面，时而被海水淹没，存在多次海陆交替，推测为海陆过渡的潮滩相沉积环境。

3.2 地层对比与海平面变化

选取渤海邻近区域研究较深入的岩芯BQ1、S3、HB-1［5～7，10］，与本区 ZK1 孔作对比，讨论黄河三角洲古环境变化和海平面升降历史。BQ1孔位于渤海西岸，钻进深度95.6 m，可分辨出晚更新世以来3个海相层。S3孔位于黄河三角洲顶端东部边缘，孔深450.27 m，是渤海及其周边最长的晚新时代岩芯之一，可分辨出中更新世中晚期以来7个海相地层(图7)。HB-1孔位于黄河三角洲顶端近海，孔深61 m，可分辨出MIS3以来的7次海平面变化。这3孔测年资料详细，海陆地层划分清楚。

图7 ZK1孔与邻近海区钻孔地层对比Fig.7 Stratigraphic comparison between Core ZK1 and other cores from the nearby area

通过测年资料对比，确定ZK1孔与已知岩芯相应层位年代一致。如S3孔第1海相层(0～23 m)底部滨海沼泽相泥炭14C年龄为8340±120aB.P.，与取自ZK1第1海侵层潮滩沼泽沉积物和有孔虫14C年龄相一致(分别为8 130±35 aB.P.和8 050±35 aB.P.)。S3孔第2海相层(43～52 m)底界贝壳碎屑14C年龄为49 720±2 200 aB.P.，亦与取自ZK1第2海相层的有孔虫14C年代相一致(40 700±440 aB.P.)。根据已知岩芯研究，渤海自晚更新世以来海平面发生过多次重大变化［1，5～7］，其中包括 3 次大的海平面上升过程，分别是MIS3的渤海海侵(65～53 kaB.P.)和献县海侵(39～22 kaB.P.)、MIS1的黄骅海侵(9～0 kaB.P.)，其地层均以海相微体古生物组合和沉积相为标志，分别对应MIS3以来ZK1、S3、HB-1孔的各海相层。

由此概括ZK1孔的海平面变化过程:晚更新世进入末次冰期以来(MIS4)，该区气候较冷，海水退出渤海海区，沉积了ZK1底部的陆相河湖沉积(图7中第Ⅳ陆相层)。MIS3开始，气候变暖，进入末次冰期的第一间冰阶，海面上升，发生了晚更新世的首次海侵——本区称为渤海海侵，沉积有ZK1孔的第Ⅲ海侵层;之后气候变冷，海平面下降，沉积了第Ⅲ陆相层;约距今39 ka开始，气候再次变暖，进入末次冰期的第二间冰阶，海水上升，再次淹没渤海，沉积有献县海侵层，即ZK1孔的第Ⅱ海侵层。大约20 kaB.P.，进入末次冰期冰盛期(MIS2)，海水再次退出渤海，本区分布河流湖泊，沉积了第Ⅱ陆相层。约11 kaB.P.，气候急剧升温，末次冰期结束，进入冰后期(MIS1)。约8.5 kaB.P.开始海水淹没本区，陆续沉积第Ⅰ海侵层中的潮滩、滨浅海相沉积。6 kaB.P.海侵达到最大范围，约4 kaB.P.开始，黄河多次注入渤海［8，11］，沉积了第Ⅰ海侵层中的水下三角洲沉积。由于黄河的高含沙量，河口三角洲淤积成陆，黄河在三角洲平原泛滥摆动，沉积了ZK1孔顶部的第Ⅰ陆相层。

4 结论

通过对黄河三角洲百米岩芯ZK1孔沉积物沉积粒度、微体古生物鉴定、AMS14C测年等测试分析，结合岩性特征得到如下结论:ZK1孔共发育10个沉积相，可识别3个海侵层，其中第Ⅰ海侵层的河口三角洲相和滨岸浅海相，第Ⅱ海侵层的滨岸浅海相和河口三角洲相，第Ⅲ海侵层的近岸浅海相和潮滩相，均以广盐或浅海类微古组合和特征岩性为标志。与前人研究对比，3个海侵层自下而上对应于MIS3的渤海海侵和献县海侵、MIS1的黄骅海侵，指示自MIS4以来研究区共发生3次主要海平面波动。ZK1孔与邻近钻孔结合，丰富了晚第四纪以来黄河三角洲地区沉积环境演变和海平面变化研究。

致谢 国家海洋局第一海洋研究所乔淑卿、刘焱光、姚政权、吴永华、王昆山，以及同济大学赵泉鸿教授等在样品分样、鉴定测试等方面提供了大量帮助，在此衷心感谢。对审稿人提出宝贵建议深表感谢!

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