晚上新世以来莱州湾南岸HLL02 钻孔的孢粉记录及其古环境演变

姜兴钰，王琳，郝秀东，王福 ，田立柱 ，施佩歆，陈永胜，王宏，李建芬，商志文

（1.中国地质调查局天津地质调查中心，天津300170；2.中国地质调查局海岸带地质环境重点实验室，天津300170；3.天津市测绘地理信息研究中心，天津300381；4.南宁师范大学北部湾环境演变与资源

利用教育部重点实验室，南宁530001；5.南宁师范大学广西地表过程与智能模拟重点实验室，南宁530001）

莱州湾是渤海辽东湾、渤海湾、莱州湾三大海湾的重要组成部分，以黄河三角洲与渤海湾相隔，湾内河流众多，海陆作用强烈，对植被演替、环境演变及海平面变化等非常敏感[1-3]。因此，莱州湾一度成为研究陆海作用下的沉积过程及环境演变的焦点。多年来，微体古生物学、地层学、元素地球化学等多种替代指标的研究结果，较好的揭示了莱州湾地区第四纪以来的海相地层、沉积古环境及其气候变迁[4-6]。孢子、花粉（简称孢粉）是植物的生殖配子体，由于其外壁含有耐高温、耐氧化和耐酸碱腐蚀的孢粉素（C96H22O24），在漫长的地质年代里，也可以被很好地保存下来[7-8]，加之孢粉具有产量大、种类丰富等优势，已经成为最直接、最可信的古环境和古植被代用指标之一[9-14]。截止目前，在渤海南岸也开展了一些孢粉学研究[15-16]，但时间跨度均多局限在晚更新世，上新世等更久远的古环境研究却较为鲜见。

本研究在综合前人研究的基础上，拟通过对莱州湾南岸HLL02钻孔进行孢粉学研究，结合钻孔中出现的海相沟鞭藻类、淡水藻类等化石记录来恢复和重建莱州湾晚上新世以来的植被演变、气候变化及海侵事件，为进一步研究渤海地区的古环境变迁提供参考资料。

1 研究区概况

1.1 地质地貌背景

本研究的HLL02 钻孔位于莱州湾南岸（图1）。据姜兴钰等，莱州湾南岸位于郯庐断裂中段沂沭断裂的东、西两支之间[17-19]，自中新世中晚期以来，整体处于稳定的沉降环境[20-22]，地震剖面结果也揭示，地层基本平行、连续稳定，无较大的起伏，也无较大的不整合面产生[23-24]。该孔附近的HLL01钻孔研究结果表明[17]，孔底界（452 m）年龄约为6.5 Ma 或4.6 Ma，140 m以深为上新世，属明化镇组，可能包含部分晚中新世，归属馆陶组。140 m以浅为更新统地层，75～140 m为早更新统地层，35～75 m为中更新统地层，35～11 m为晚更新统地层，全新统埋深约11 m。等到了晚第四纪，研究区的沉积环境主要为三角洲、河口、潮坪三种类型[25]，其下伏地层以河湖相为主[26]。

图1 HLL 02钻孔位置图Fig.1 Location of the researched borehole of HLL 02

1.2 气候与植被

莱州湾位于黄河三角洲的东南侧，属于暖温带季风气候，没有明显的海洋性特征，四季分明，冬季温度较低，夏季炎热。年平均气温11.9～12.6℃，最高温度和最低温度分别出现在7月和1月；受地理位置、地形、气流运动因素影响，降水量时空分布不均，年平均降水量为612.5～660.1 mm，降水多集中在6～9 月，占全年的70%～80%；年蒸发量高于降水量；年平均风速4 m/s；无霜期年均187天[2]。

研究区植被属黄河三角洲小麦、棉花、杂粮栽培植被，碱蓬盐生草甸小区[27]。据张绪良等[28]和吴征镒[29]调查，莱州湾南岸现代植被多为滨海湿地类型，由48科129属197种植物构成。木本植物主要有松属、高山栎属、鹅耳栎属、木犀科、桑科等；旱生草本花粉主要有禾本科、藜科、蒿属、毛良属、蓼科等；水生草本花粉以香蒲属、莎草科为主；蕨类孢子含量较少，种类单一，以卷柏属为主[13]。

2 研究方法及年代框架

2.1 岩性描述及样品采集

HLL02钻孔海拔3.4 m，由天津地质调查中心于2012年夏天开展钻孔作业[1，17]。据Yi 等[30]，整孔沉积环境变化明显，可细划分为33层，本文不复赘述。其主要岩性特征由上到下可大致分为以下三个部分：

（1）0～60.5 m，黄色、黄褐色及黄灰色砂质淤泥和细沙，并含有贝壳碎片；

（2）60.5～242.2 m，黄褐色、橙色细砂和中砂，含贝壳碎片和钙核；

（3）242.0～425.0 m，青灰色、灰白色中砂和粗砂，偶尔出现碎石。

本次研究的孢粉样品按照1～16 m不等间距进行采集，共采集了HLL02钻孔岩芯90份孢粉样品。

2.2 实验室处理

孢粉提取的实验室方法采用传统的过筛法[31]，即先后加盐酸和氢氟酸来去除样品中的钙质和硅质，最后用7 μm网筛在超声波中过筛。每个样品的孢粉统计有效粒数在99～530 之间，平均每个样品122粒。在鉴定和统计孢粉数目的同时，记录样品中出现的海相沟鞭藻及淡水藻类，孢粉图谱百分比含量按孢子与花粉总数计算，海相沟鞭藻和淡水藻类则直接统计孢子数量。

孢粉（藻类）浓度计算采用“外加标志法”[32]，即将已知浓度的现代石松（Lycopodium）孢子（27 637±593粒/片）作为标志添加到每一份样品中，再依据鉴定和统计结果进行浓度计算。具体孢粉浓度计算公式如下：

孢粉、淡水藻类及海相沟鞭藻类等的鉴定和统计是在Leica DM4000 B 光学显微镜10×40 倍下进行，对个体极小的孢粉放大至10×60 倍。使用Tilia（1.7.16）软件建立孢粉、藻类百分比及浓度的孢粉谱。

2.3 年代框架

Yi 等[30]对HLL 02 孔作了详细的古地磁地层学研究，建立了HLL 02钻孔地层年代框架（图2）。钻孔底界年龄为5.3 Ma，230 m以下为上新统，230 m以上为更新统，其中230～80 m为下更新统，80～20 m为中更新统，20～11.5 m为上更新统，全新统埋深约11.5 m。

3 结果

3.1 孢粉类型

图2 HLL02孔的古地磁年代学框架（修改自Yi et al.，2016）Fig.2 Magnetostratigraphic chronology of Borehole HLL02(modified after Yi et al.,2016)

HLL02 钻孔共鉴定出花粉和孢子102 科属（图3），并依据具体孢粉类型的现代生态学分布特征，对其进行了划分[29]，其中云杉属（Picea）、冷杉属（Abies）、松属（Pinus）等针叶类5科属，桑科（Moraceae）、鼠李科（Rhamnaceae）、冬青属（Ilex）、常绿栎属（Quercusevergreen）等热带亚热带阔叶乔木和灌木类19科属，桤木属（Alnus）、榛属（Corylus）、榆属（Ulmus）等温带阔叶乔木和灌木类28科属，禾本科（Poaceae）、蒿属（Artemisia）、藜科（Chenopodiaceae）等陆生草本类41科属，水龙骨科（Polypodiaceae）、凤尾蕨属（Pteris）等蕨类孢子9科属，以及盘星藻属（Pediastrum）和环纹藻属（Concentricystis）淡水藻类2属。本钻孔中出现的海相沟鞭藻没有进行属种鉴定，只统计了其具体数字。

3.2 孢粉组合特征

HLL02钻孔的孢粉组合整体上以草本为主，主要科属为藜科（Chenopodiaceae）、禾本科（Poaceae）和蒿属（Artemisia）。木本次之，主要科属为松属（Pinus）、木犀科（Oleaceae）、桑科（Moraceae）、桦木属（Betula）和落叶栎属（Quercus-D）。蕨类孢子含量最低，主要以中华卷柏（Selaginella sinensis）和铁线蕨属（Adiantum）为主（图3）。此外，本钻孔还保存有少量的淡水藻类和海相沟鞭藻类。

依据HLL02钻孔主要孢粉类型的百分比及浓度变化特征，将其进行聚类分析，共分为3个孢粉组合带：带I、II-III（图3），由下至上描述如下：

带 I：晚上新世-早更新世（～5.3～2.54 Ma；424.8～228.2 m）

本带的孢粉浓度为整个钻孔最低，为5.92粒/g。

本带以草本为主，含量达66.17%（平均值，下同），为整个钻孔的最高值，主要为蒿属（25.28%）、藜科（24.16%）和禾本科（10.68%）。木本次之，为32.21%，主要为针叶类松属（13.72%），阔叶类木犀科（9.63%）、桑科（3.49%）、桦木属（1.39%）及落叶栎属（0.53%）。蕨类含量最低，为1.62%，主要为中华卷柏（1.12%）和铁线蕨属（0.28%）。

淡水藻类数量在整个钻孔中最低，只是零星出现了6粒盘星藻（Pediastrum）孢子。此外，海相沟鞭藻化石在本带缺失。

带II：早更新世-中更新世（～2.54～0.7 Ma；228.2～59.5 m）

本带的孢粉浓度略有增加，为7.36粒/g。

本带仍以草本为主，其含量略有下降，由66.17%降为65.69%，木本含量略有增加，由32.21%升为32.42%，蕨类孢子含量略有增加，由1.62%升为1.89%。主要科属为藜科（23.25%）、蒿属（20.61%）、禾本科（15.99%）、松属（17.35%）、木犀科（7.42%）、桦木属（1.39%）、桑科（1.29%）、落叶栎属（0.95%）和中华卷柏（1.09%）。

淡水藻类数量在本带略有增加，共发现盘星藻孢子25粒，以及14粒环纹藻（Concentricystis）孢子。此外，海相沟鞭藻化石在本带持续缺失。

带III：中更新世-晚全新世（～0.7～0.004 Ma；59.5～6.8 m）

本带的孢粉浓度急剧增加，达37.23粒/g。

本带的草本含量持续降低，由65.69%降为65.25%，主要科属为藜科（20.89%）、禾本科（17.69%）和蒿属（15.42%）。木本含量持续增加，由32.42%升为33.61%，主要为松属（15.72%）、木犀科（3.98%）、落叶栎属（2.30%）、桑科（2.19%）及桦木属（1.94%）。蕨类含量略有降低，由1.89%降为1.14%，主要为铁线蕨属（0.43%）和中华卷柏（0.39%）。

图3 HLL02钻孔主要孢粉型的百分比及浓度图Fig.3 Percentage and concentration diagram of major palynomorphs in the borehole HLL02

淡水藻类数量在本带达到钻孔的最高值，共发现盘星藻孢子124粒，以及13粒环纹藻孢子。此外，海相沟鞭藻开始出现在多个样品中，共发现9粒海相沟鞭藻囊孢。

4 讨论

4.1 孢粉记录的古植被演替

HLL02钻孔的孢粉组合显示，草本含量最高，木本次之，蕨类含量最低，揭示出莱州湾晚上新世以来古植被演替的幅度波动不大，主要为草原与森林草原的交替波动。具体古植被演替如下：

4.1.1 晚上新世-早更新世草原植被

孢粉记录显示，晚上新世-早更新世（约5.3～2.54 Ma）孢粉浓度为整个钻孔最低（5.92粒/g），草本含量达到整个HLL02钻孔的最高值（66.17%），主要以蒿属（25.28%）、藜科（24.16%）和禾本科（10.68%）为主。木本主要以针叶类松属（13.72%）为主，并伴有阔叶类木犀科（9.63%）、桑科（3.49%）及桦木属（1.39%）。结合前人的研究成果，松属花粉具有超代表性[33]，本钻孔中如果剔除了松属花粉，其木本花粉的含量却较低，为18.49%。蕨类含量最低（1.62%），主要为中华卷柏（1.12%）和铁线蕨属（0.28%）。指示莱州湾南岸及其附近地区自晚上新世进入早更新世之后，覆盖其上的植物群落主要是以蒿属、藜科及禾本科为主的草原，气候温暖偏干。

盘星藻是一类广域性分布的水生藻类植物，生活在淡水或微咸水湖泊、池塘、洼地或流速不大的小河等各种静止水体中，硬水中更为常见[34]。现生盘星藻几乎都生于淡水，迄今为止咸水种类还没有发现[35]。在本阶段，淡水藻类数量在整个钻孔中最低，只零星出现了6粒盘星藻孢子。同时，海相沟鞭藻化石在本阶段缺失。指示该地区在晚上新世-早更新世阶段，没有大的河流注入，或大的湖泊形成，降水量较少，气候偏干；同时，海水也没有影响到研究区。

4.1.2 早更新世-中更新世草原-森林草原过渡植被

孢粉记录显示，早更新世-中更新世（约2.54～0.7 Ma）孢粉浓度略有增加（7.36粒/g），草本含量略有下降（65.69%），木本含量略有增加（32.42%），蕨类孢子含量略有增加（1.89%）。但是，如果剔除具有超代表性的松属花粉（17.35%），木本花粉的含量则较低，含量为15.07%。孢粉组合仍然以草本为主，指示莱州湾南岸在早更新世-中更新世阶段，植被类型开始由以藜科（23.25%）、蒿属（20.61%）及禾本科（15.99%）为主的草原，向其间分布着一些以松属为代表的针叶类和以木犀科（7.42%）、桦木属（1.39%）、桑科（1.29%）及落叶栎属（0.95%）等为代表的阔叶类木本植物的森林草原过渡，指示了温暖湿润的气候状况。

本阶段淡水藻类数量略有增加，除了出现盘星藻孢子25粒外，还出现了14粒环纹藻孢子。此外，海相沟鞭藻化石在本带持续缺失。综合前人的研究成果，环纹藻化石在我国第四纪地层中分布广泛，是一种具指向意义、对气候有较强适应性的藻类，往往与莎草科、香蒲、眼子菜等水生植物共同出现，且经常与淡水生盘星藻、双星藻、鼓藻共生，反映温热湿润的淡水湖沼或河漫滩积水沼泽的沉积环境[35-37]。本阶段淡水藻类的种类和数量均有增加，指示该地区在早更新世-中更新世期间，可能有大的河流注入，或大的湖泊形成，降水量增加，气候变得湿润。

4.1.3 中更新世-晚全新世森林草原植被

孢粉记录显示，中更新世-晚全新世（约0.7～0.004 Ma）孢粉浓度增加明显（37.23粒/g），草本含量持续降低（65.25%），木本含量持续增加（33.61%），蕨类含量略有降低（1.14%）。该孢粉组合指示莱州湾南岸在中更新世-晚全新世阶段，植被类型已经成为木本层以松属（15.72%）、木犀科（3.98%）、落叶栎属（2.30%）、桑科（2.19%）及桦木属（1.94%）等为主，草本层以藜科（20.89%）、禾本科（17.69%）和蒿属（15.42%）为主的森林草原植被。淡水藻类数量在本阶段达到整个钻孔的最高值，共发现盘星藻孢子124粒，以及13粒环纹藻孢子。同时，海相沟鞭藻开始出现在多个样品中，共发现9粒海相沟鞭藻囊孢。指示该地区在中更新世-晚全新世阶段，在全球气候持续变暖的大趋势下，河流注入量持续增加，湖泊面积也开始扩张，同时，也受到海侵的影响，气候变得寒冷偏干。

4.2 海相沟鞭藻化石记录的海侵事件

沟鞭藻类绝大多数生长在海洋里，目前仅发现极少数淡水种，几乎所有的海洋沉积中都会出现沟鞭藻类囊孢，加之其个体小，数量丰富，对环境反映灵敏，已经成为古海洋学研究的重要手段，常用来重建河口、湖泊及微咸内陆海等水环境，识别古海洋环境、重建古海水温度、追踪洋流演化历史、恢复和重建古海岸线、揭示海侵和海退事件等，特别是在缺乏钙质和硅质微体化石的情况下[38-43]，已经成为微体古生物学发展的一个重要方向。因此，在本研究中，可以综合HLL02钻孔出现的海相沟鞭藻化石数量变化来判断研究区的海侵与海退事件。

综合整个HLL02钻孔的海相化石资料，在晚上新世-中更新世（约5.3～0.7 Ma）阶段，海相沟鞭藻囊孢缺失；但是，到了中更新世-晚全新世阶段（约0.7～0.004 Ma），海相沟鞭藻开始出现在多个样品中。指示了在该地区在晚上新世-中更新世阶段，一直都是陆相沉积，没有出现海侵事件。但是，到了中更新世-晚全新世阶段，海相沟鞭藻记录指示出现了较为明显的海侵事件。

5 结论

综合HLL02钻孔的孢粉、淡水藻类及海相沟鞭藻类等的记录，恢复和重建了晚上新世以来莱州湾南岸及其附近地区的植被演替及海平面变迁，具体如下：

（1）晚上新世-早更新世阶段，该地区的植物群落主要是以蒿属、藜科及禾本科为主的草原，气候温暖偏干。淡水藻类数量在整个钻孔中最低，也指示研究区并没有大的河流注入，或大的湖泊形成，降水量较少。

（2）早更新世-中更新世阶段，该地区的植物群落开始由草原向森林草原过渡，指示了温暖湿润的气候状况。淡水藻类的种类和数量均有增加，指示莱州湾南岸及其附近地区在早更新世-中更新世期间，可能有大的河流注入，或大的湖泊形成，降水量增加，气候变得湿润。

（3）中更新世-晚全新世阶段，该地区的植被类型已经成为森林草原植被。淡水藻类的含量、数量均达到整个钻孔的最高值，指示研究区的河流注入量持续增加，湖泊面积也开始扩张，气候变得寒冷偏干。

（4）综合海相沟鞭藻的记录，研究区在晚上新世—中更新世阶段，一直处于陆相沉积；但到了中更新世—晚全新世阶段，出现了较为明显的海侵事件。

由于本研究孢粉样品数量较少，加上一些精准测年的缺失，使得一些重大的气候事件并没有很好的揭示出来，今后要加大孢粉样品的高分辨率，增加测年（特别是AMS14C 测年）数据，更好更全面地将莱州湾南岸及其附近地区的古植被演替、古环境变迁揭示出来。

致谢：感谢南宁师范大学省部级重点实验室大学生创新计划项目（201910603079, 201910603089,201910603290,201910603280）对本研究的支持！