海南岛三亚湾全新世以来沉积特征与古环境演变*

孙倩文，黄康有,2，谢德豪，周斯，王萌, 郑卓

(1. 中山大学地球科学与工程学院，广东 广州510275； 2. 广东省地球动力作用与地质灾害重点实验室，广东 广州510275)

海平面变化是地球响应气候变化的重要参数之一，第四纪期冰期-间冰期交替变化所引起的全球海平面升降和沿海地区的海侵和海退事件历来是古环境研究关注的热点，尤其末次冰消期以来海平面上升给海岸带环境带来严重的威胁。因此，了解清楚华南三角洲地区地质历史时期海平面变化历程，为预测该研究区域未来气候条件下海平面变化和减灾防灾提供科学依据。

珠江三角洲地区海平面从全新世早期开始迅速上升，在中全新世达到最高海平面(6～5 ka BP)，而且海水入侵北至广花平原一带[1]；韩江三角洲地区全新世阶段海平面在6.8～2.5 ka BP持续上升[2]；福建沿海地区海平面早全新世阶段上升始于12～10 ka BP，大约在7～6.5 ka BP为最高海平面时期[3]。有关海南岛地区全新世阶段海平面变化，黄德银等[4]通过对海南岛鹿回头的珊瑚礁测年，指出全新世以来南海北部至少存在过4次高海平面阶段，7.3～6 ka BP是最高海平面时期；时小军等[5]采用精确的高程测量和高精度TIMS铀系定年方法对海南岛东部琼海青葛附近的珊瑚进行研究，认为南海中全新世存在比现在高出有2～3 m的高海平面(7.1～5.15 ka BP)，而此后海平面呈振荡波动至目前的海平面位置。

三亚湾位于海南岛南部，濒临南海北部，其滨海沉积受海平面变化控制，是研究海平面变化历史的理想场所。前人对海南岛地区的古环境研究主要集中在海南岛西北和东海岸等地，在三亚湾的古环境重建工作开展研究相对较少，尤其在三亚湾盆地沉积学、地球化学和微体古生物记录等方面仍然不足，对揭示该地区晚全新世以来海进海退确切的时间点仍然需要更多的证据。本文选择海南岛三亚湾岩芯(SY01)开展研究，根据14C测年建立钻孔沉积年代框架，通过粒度、有孔虫、烧失量和色度等分析进行地层划分，探讨三亚湾地区的古气候环境以及海平面变化演变过程，为华南沿海全新世以来的海侵历史和古气候的重建提供新依据。

1 研究区概况

三亚湾处于海南岛南部，东起鹿回头半岛南端，西至马岭-天涯海角基岩岬角，为近东西向的沙质海岸，长约18 km，海湾呈对数螺线形[6]。三亚湾海岸地貌类型丰富，基本为开阔港湾型海岸，形成于宽广而较平整的三亚沙坝之上，属连岛坝湾，是全新世以来的海侵及后期改造作用形成，海岸附近分布不同密度的珊瑚礁，三亚湾两侧及湾内随水深的增加，沉积粒度逐渐变细，沉积物由含珊瑚和贝壳碎屑的砾石、粗砂向粉砂、黏土过渡[7]。

三亚湾是热带季风气候区，年均温约25 ℃, 年均降水量约1 300 mm。土壤属于砖红壤土或红褐土，含砂量大，原始植被以热带雨林为主[8]。三亚河是流入三亚湾最主要的河流，干流总长度28.8 km, 总落差845 m, 平均河床比降0.65%, 多年平均径流量2.11×108m3，由河口进入三亚湾的输沙量较少[9]。

SY01钻孔位于三亚市三亚湾羊栏村以东500 m处，离岸距离1.7 km，钻孔所在区域为农耕荒废地，钻孔的地理坐标为18°17′48″N、109°27′42″E，孔口高程2 m(图1)。

2 研究材料与方法

2.1 岩芯描述

本研究通过地质勘探100型钻机钻取岩芯，采用套管式取芯，岩芯平均取芯率达到95%以上，岩芯总长15.95 m，岩芯材料在中山大学第四纪古环境岩芯库冷藏保存。SY01钻孔顶部0～15 cm为扰动层，根据岩性变化可以划分为8段(图2)：① 15～182 cm: 灰褐色粉砂; ② 182～223 cm: 棕黄色中砂; ③ 223～811 cm：青灰色黏土，富含贝壳; ④ 811～962 cm：由青灰色黏土逐渐变为浅灰色中砂; ⑤ 962～1 090 cm：暗黄色-灰黑色粗砂; ⑥ 1 090～1 249 cm：灰白色中-粗砂，含砾石; ⑦ 1 249～1 483 cm:黄色粗砂，含砾石；⑧ 1 483～1 595 cm：红褐色残积土。

2.2 研究方法

在本文采用古环境研究常用的方法，主要包括烧失量、粒度、有孔虫和色度等分析方法。烧失量值是反映沉积物有机质和碳酸盐含量的变化情况，通过烧失量的变化能够揭示沉积相与沉积环境的演变特征；该指标已被广泛运用于海洋、湖泊和黄土沉积物等的研究中[10]。粒度分析是一种常规的沉积学研究方法, 被广泛应用于沉积环境和沉积过程的研究, 根据沉积物的粒级组成、粒度参数及各种图解可以解释沉积物输送过程和沉积环境特征[11]。有孔虫和介形虫在滨浅海区域分布广泛，对环境变化非常敏感，且易于在沉积物中保存，具有海相沉积环境的重要指示意义。色度分析值可以反映出沉积物的保存环境，间接指示当时的气候条件[12]。各种分析方法的实验步骤详细介绍如下。

图1 SY01钻孔地理位置和三亚湾地区地形图Fig.1 Geomorphological map of the Sanya bay area and core SY01 location

图2 SY01钻孔岩芯特征及古环境代用指标分析结果Fig.2 Core features and results of Lithology, foraminifera, color indexes and TOC of core SY01

粒度分析：先进行常规的预处理，然后在中山大学地理学院使用英国Malvern公司的Mastersizer 2000型激光粒度仪进行粒度分析。为了保证测量结果的准确性，每个样品重复测试3次取平均值，对测量结果出现较大误差的样品进行重新测试。粒度划分采用尤登-温德华氏等比制Φ值粒级标准，粒度大于等于1 mm的沉积物用传统筛析法，最后作频率曲线图和概率累积曲线图，并计算各种粒度参数[11]。

烧失量(Loss on Ignition, LOI)是指沉积物中有机质和碳酸盐在一定温度下分解导致沉积物在不同温度下的质量差[15]， LOI550和LOI950分别代表有机碳和无机碳的含量[10]。样品的色度分析则使用了日本CHROMA METER CR-400色度测试仪，分别用L、a*、b*指示亮度、风化指数和氧化指数。

有孔虫分析：样品经前处理后在体视显微镜下进行微体古生物的鉴定和统计，计算每100g样品中有孔虫和介形虫的个数，统计有孔虫或介形虫超过50枚的样品数。

本研究中除了钻孔顶部人工扰动层(0～15 cm)和底部红褐色风化壳土层(1 483～1 595 cm)不进行取样分析；其余样品从钻孔顶部15～1 483 cm处以间隔10 cm取样，总共获取135个样品进行粒度分析和烧失量分析；从15～1 249 cm之间以间隔25 cm取样进行有孔虫分析，总共分析了50个样品。色度分析以间隔3 cm进行测试，测试了526个样品。

3 结果与讨论

3.1 测年结果及钻孔年代框架

本研究分别在岩芯310、579、796和1 065 cm处选取螺壳、双壳类和黏土等4个样品送美国迈阿密Beta放射性碳测年实验室进行AMS14C定年，测年结果见表1；日历年龄数据用IntCal 13数据进行校正[13]，钻孔的年龄-深度模型用R-clam绘制(图3)。

表1 SY01钻孔AMS14C年代测试结果Table 1 AMS14C dating results of core SY01

图3 SY01钻孔年代-深度模型Fig.3 Age-depth model of core SY01

3.2 有孔虫和介形虫分析结果

根据50个样品有孔虫和介形虫的统计结果，有孔虫数量超过50枚的有20个样品，集中在240～820 cm深度之间，且有孔虫数量较多，在此深度范围内有孔虫的数量随深度变浅而增加，其中在298 cm处有孔虫数量最多，总共有4 612个。

有孔虫主要出现在岩芯的811～223 cm层位，且含量最丰富的层位在400～223 cm之间，尤其是在300 cm左右有孔虫丰度出现最大值，随即丰度急剧下降。主要的有孔虫种类有热带五玦虫(Quinqueloculinatropicalis)、阿卡尼五玦虫圆形亚种(Quinqueloculinaaknerianarotunda)、毕克卷轮虫(Ammoniabeccari)、压扁卷轮虫(Ammoniacompressiuscula)、异地希望虫(Elphidiunadvenum)、艾比里厄花室虫清晰亚种(Celllanthusibericum)；介形虫有鲁斯曼戳花介(Stigmatocythererosemani)和雷州双角花介(Bicorncythereleizhouensis)。

3.3 岩性特征和沉积相

SY01钻孔沉积物色度、烧失量变化如图2所示，粒度变化曲线如图5和6所示。根据岩性特征和曲线，钻孔剖面从老到新分为5个带：Ⅰ-Ⅴ，各带特征简述如下：

Ⅰ带(1 483～1 249 cm)：L持续降低，a*在1 410 cm处迅速升高至峰值再缓慢降低，颜色偏红；b*波动范围大，颜色偏黄。LOI550变化幅度逐步增大，LOI950变化幅度很小。

表2 SY01孔所见主要有孔虫和介形虫及其生态[12-13]Table 2 Main mollusca species and their living environment of core SY01

图4 SY01钻孔海相层中的主要有孔虫和介形虫Fig.4 Main species of foraminifera and ostracodes collected from marine strata in core SY01

图5 SY01钻孔粒度参数和组分含量(wB/%)Fig.5 Results of grain size and parameters of sediments in core SY01

图6 SY01钻孔粒度频率曲线(A)和概率累积曲线(B)Fig.6 Frequency distribution curves(A) and probability accumulative curves(B) of core SY01

沉积物组分以粉砂和砾石为主，细砂和中砂的含量较多，粗砂和黏土含量较少；多数极负偏态偶有近对称偏态，峰态宽平。频率曲线图多为双峰，大部分峰值差别较大，主峰尖锐，峰值在0～1 Φ之间，次峰在6 Φ附近；小部分双峰的主次峰距离近且差别很小，峰值在1 Φ和5 Φ，揭示沉积物来源途径多，但分选差。概率累计曲线图为4段式，滚动组分约10%，跳跃组分占5%～40%，悬浮组分较多，约占40%～90%，但悬浮总体斜率较低，表明分选较差。

此外，由于砾石与泥质组分同时出现，大粒径砾石含量较多，且风化氧化指数高，推测为洪积相内侧沉积。

Ⅱ带(1249～962 cm)：L先缓慢向左降低，迅速升高至最大值后再波动性降低；a*波动性升降明显，颜色偏红；b*变幅较小颜色偏黄。LOI550稍小幅度波动；LOI950几乎与上阶段保持不变。

该带沉积物仍以含砾的粉砂层为主(11%～59%)，砾石含量波动较大；平均粒径4.3 Φ；标准偏差2.7，分选差，但是较上阶段好；偏态多为很负偏到负偏态，偶有近对称；峰态多数为宽平很少有尖窄。频率曲线图双峰，偏度较大，主峰峰值在0～2 Φ之间，峰态较尖锐，次峰峰值在4～6 Φ之间，峰态平缓。粗组分较上阶段增多，细组分较上阶段减少。概率累计曲线图为3段式，滚动组分小于5%，含量较上阶段减少，但分选较上阶段好；跳跃组分占5%～30%，较上阶段稍低；悬浮组分占主要，约50%～90%。

根据砾石含量较Ⅰ带稍低，且亮度较上阶段增大，氧化和风化指数较上阶段降低，推测为洪积相远端沉积。

Ⅲ带(962～811 cm)：L和b*均呈向右波动性升高，a*先降低再升高，三者都在899 cm处升至最大值，之后缓慢降低。b*比上阶段明显升高，氧化作用增强。LOI550较上阶段增加，表明有机质含量增加；LOI950走势明显升高，碳酸盐含量较上阶段明显增加。亮度和风化指数较上阶段稍低，氧化指数较上阶段稍高，有机碳和碳酸盐含量较上阶段增加。

沉积物以含中砂粉砂层为特征，几乎不含砾石；该层细砂含量明显增多，以细砂粉砂为主；平均粒径5.8 Φ；标准偏差1.9，表示分选较差；偏态多为负偏，少数为近对称；峰态宽屏。频率曲线图为单峰，部分曲线峰值在1～3 Φ之间，部分在6 Φ左右，偏度呈现负偏、近对称，峰态较平缓，粗组分含量较上阶段减小，细组分增加。概率累计曲线为4段式，滚动组分约10%～50%，跳跃组分约10%～30%，悬浮组分约40%～80%，曲线斜率较小，表明分选差，推测为滨岸相沉积。

Ⅳ带(811～223 cm)：此带中L、a*、b*均较上阶段小幅度减小。L变化范围主要集中在30～40；a*主要集中在0～2，颜色由红到绿再到红；b*变化范围为3～8，颜色由蓝到红。LOI550与LOI950变化幅度大且趋势相反，LOI550和LOI950变化均较大，前者范围在1.47%～6.94%之间；而后者范围在0.71%～6.94%之间。有机碳含量从低到高逐渐增多，但碳酸盐含量逐渐减少，两者呈现此消彼长的变化趋势。

沉积物以含细砂粉砂层为主；而且粉砂含量逐渐增多的趋势，平均含量达到71%；平均粒径为5.7 Φ；标准偏差为2，表示分选差，但较上阶段稍好；偏态多为负偏，沉积物集中在较细的区域；峰态宽平。频率曲线图多数为单峰，峰值在4～5 Φ附近，峰态较宽平；少数为双峰，主峰在2 Φ左右，次峰峰值在6～7 Φ之间，主次峰差值较小。概率累计曲线图均为典型3段式，滚动组分小于10%，跳跃组分10%～20%，悬浮组分为主，占比高达80%，分选较上阶段好。

根据该段沉积物粒度变小，风化和氧化指数较低，结合该阶段富含雷州双角花介、异地希望虫等浅海介形虫和有孔虫化石，推测沉积相为海湾相。

Ⅴ带(223～15 cm)：此带中L、a*、b*的变化幅度较Ⅱ带大，无明显规律。亮度、风化指数和氧化指数均较上阶段增加。L为30～50；a*=1～5，颜色偏红；b*为8～20，颜色偏黄。LOI 550和LOI 950都明显降低，有机质含量和碳酸盐含量都减少。

虽然在此带早期阶段，中砂和粗砂的含量突然增多，但整个阶段的岩芯仍然以粉砂为主，细砂和黏土的含量减少，含有少量的砾石。平均粒径6.2 Φ，沉积物颗粒较细；标准偏差为2，分选差；偏态多为负偏、近对称，沉积物集中在较细的区域；峰态宽屏。频率曲线图多数为单峰，峰值众数在5～7 Φ附近，单峰频率曲线展开度较宽，峰值高，表示分选较差；数量较少的双峰的主峰也在6～7 Φ附近，次峰在1 Φ附近，且两峰相距远，峰值低，说明是混合成因且分选较差。细组分较上阶段增加。概率累计曲线图为典型3段式，滚动组分小于5%，跳跃组分约5%～50%，悬浮组分依然以50%～95%占主要，推测为瀉湖相沉积。

3.4 三亚湾地区海平面升降及沉积环境演变过程

由于海平面记录受海平面变化、构造运动及标志物沉积地貌部位等多种因素影响，珠江三角洲地区、粤东及福建等地区存在多次海侵记录，跟该地区发育具下沉趋势的断陷盆地，为海平面的沉积记录打开空间有关[14]。然而，海南岛南部沿海地区缺少发育大型的河流，仅存在小型的河流沉积盆地，并且为非断陷盆地，在一定程度上缺少沉积空间，因此该地区在末次盛冰期以来的沉积层相对较薄或者缺少晚全新世阶段的沉积物。末次冰消期以来，随着海平面快速上升，华南沿海地区在中全新世达到最高海平面的时间也存在空间上的差异性[15-19]；其中原因之一是三角洲地区存在多个构造断块，且各个断块的垂直差异运动强度不尽相同，导致不同断块接受海侵沉积的时间不同[20]。

前人在珠江三角洲地区已经开展了大量的研究工作，在早全新世阶段的沉积物主要以含砾黏土质粗砂、泥质粗砂或粉砂质细砂、黏土质细砂为主，反映出当时以河床相及河湖相为主要沉积特征[21]。三亚湾SY01钻孔沉积物分析结果表明：三亚湾地区在全新世早期(9.1～8 cal ka BP)开始堆积，该时期沉积物主要为含粗砾粉砂，沉积相为洪积相沉积，表明该地区已打开可容空间；与珠江三角洲地区的沉积环境的不同的是：珠江三角洲地区的沉积环境呈现出从河流相逐渐过渡到海陆交互相的变化，沉积物厚度可达20多m；然而，三亚湾地区从洪积相快速演变为滨岸相，沉积物厚度较薄，仅有7 m，可能跟该地区在早全新世阶段构造相对稳定，同时也表明海平面在早全新世阶段呈现出快速上升趋势。

三亚湾地区全新世中期(8.1～3.5 cal ka BP)的沉积记录表明，开始由滨岸演化为海湾相沉积环境；有孔虫的分析结果也显示出其主要出现8.1～3.7 cal ka BP，且含量最丰富的层位在5.2～4.7 cal ka BP(高程1.1 m附近)，推测到5 cal ka BP左右达到海平面最高值。而对比现代三亚湾水下沉积物，与该层位相似粒径的沉积物在至少4～5 m水深处，所以推测当时海平面比现在高。此外，珠江三角洲地区和韩江三角洲的沉积记录亦表明距今6 ka左右出现第一次高海平面[22-23]，而三水盆地高海平面时间较早是由于珠江三角洲是一个断块三角洲，各构造块全新世存在明显升降差异。实际上，国内外众多学者认为：全球高海平面发生在5～6 cal ka的大西洋期，与三亚湾钻孔高海平面的时间记录相吻合。

在晚全新世阶段，随着海平面下降，华南地区发育了湿地沼泽；例如珠江三角洲地区的研究结果表明：在晚全新世阶段海水逐渐退出珠江三角洲地区，并且在整个珠三角盆地广泛发育草地和湿地沼泽[24]；三亚湾盆地也表现相类似的演化过程，也即海水逐渐退出三亚湾盆地，人类活动逐渐增强。

4 结 论

本研究在AMS14C测年结果建立年代框架的基础上，综合了粒度分析、烧失量、色度分析和有孔虫等分析结果，揭示了海南岛三亚湾SY01钻孔从早全新世阶段以来的古环境演变过程。主要获得以下几方面的认识：

1)海南岛三亚湾 SY01钻孔全新世厚度大概为12 m左右，全新世基底沉积物为残积土。三亚湾早全新世阶段的沉积物为含砾石的粉砂，岩性逐渐过渡为含粗砂-中砂-细砂的粉砂；沉积相从洪积相过渡到滨岸相，再演变到海湾相，最后为潟湖相沉积。

2)海南岛三亚湾地区的沉积物始于～9 cal ka BP，随着海平面迅速上升，该地区高海平面时期在～5 cal ka BP，有孔虫和介形虫大量聚集，有孔虫鉴定特征显示为海湾相沉积；随着进入海退阶段，水动力作用增强，瀉湖逐渐形成，并逐渐演变形成现代的三角洲地貌。