渤海LZK06孔25万年沉积物粒度特征及沉积环境意义

王忱沛,李 琰,2,3*,商志文,姜兴钰,李建芬,胡 克,王 宏

(1.中国地质大学(北京)海洋学院,北京 100083;2.德国莱布尼兹应用地球物理研究所,德国 汉诺威 30655;3.海南省海洋地质资源与环境重点实验室,海南 海口 570206;4.中国地质调查局 天津地质调查中心,天津 300170)

海岸带地区是海陆交互作用明显的区域。河流携带的陆域物质在海岸带地区沉积,同时受到潮流、波浪的改造。在地质历史时期,相对海平面变化导致在海岸带地区交替发生海侵和海退,影响了海岸带地貌演化和沉积过程。海岸带地层沉积物记录了丰富的海陆交互信息及其控制因素,因此被视为古环境和古气候研究的良好载体。现代海岸带地区人口聚集,经济活动频繁。与此同时,一个世纪以来,受到全球变暖的影响,海岸带地区灾害频发,海平面波动上升,区域系统脆弱性凸显[1]。因此,开展海岸带地区古环境和古气候变化的研究,深入了解地质历史时期海陆交互演化过程,有助于掌握区域沉积、地貌和驱动因素的变化规律,可为未来海岸带地区的保护提供依据。

粒度是沉积物的重要物理指标,代表组成沉积物颗粒的大小。水成环境(海洋、河流和湖泊等)沉积物粒度大小受水动力条件的直接影响,因此对比不同站位表层沉积物的粒度特征,可以反映水动力强弱的区域差异;研究地层沉积物的粒度垂向变化,则可以反映地质历史时期沉积营力的演化特征。同时,粒度是重要的环境替代指标,在指示多个时间尺度的亚洲季风演化、气候变化控制因素和古环境辨别等方面有广泛的应用[2-5]。

晚新生代以来,渤海盆地构造相对稳定[6],沉积了巨厚的沉积物,为开展晚新生代以来中纬度地区古环境演化研究提供了理想的材料[7]。其中,地层学研究表明,渤海海岸带上部地层记录了中更新世以来的3次主要的海侵事件[7-9]。近几十年来,已有大量研究聚焦渤海中更新世以来海侵—海退过程的年代、沉积过程和环境演化等问题。其中,主要研究集中在渤海西岸(渤海湾)和南岸(莱州湾),而北岸(辽东湾)的研究相对较少。本文以2015年6月10日至15日钻取自辽东湾北岸的沉积物岩芯(编号LZK06)为研究对象,选取上部有年代学框架控制的60 m岩芯沉积物开展详细的粒度测试与分析,总结沉积物粒度特征及其垂向变化规律。在光释光年代学框架的基础上[10],探讨中更新世以来粒度记录的渤海北岸沉积环境演化过程。

1 研究区概况

渤海是我国北部的半封闭内海,通过渤海海峡与北黄海连通(图1)。渤海由辽东湾、渤海湾、莱州湾和中央盆地组成,平均水深18 m[7]。渤海海岸主要由泥沙质海岸和基岩海岸组成。在渤海盆地的沉积物主要来源于区域内入海河流携带的陆源碎屑物质。其中,辽东湾海岸的沉积物以粉砂质砂和砂质粉砂为主,与莱州湾和渤海湾海岸沉积物相比较粗[11-12]。晚新生代以来,渤海盆地构造趋于稳定并缓慢下沉,堆积了2 000～3 000 m厚的河流相、湖相和浅海相沉积地层[6]。其中,下部地层以河湖相为主,上部地层以浅海相和河湖相交互为特点[7]。最新的地层年代学结果表明,渤海海岸区域3次主要的海侵事件发生在中更新世以来,分别对应大洋氧同位素阶段MIS(Marine Isotope Stage)7,MIS 5-3和MIS 1[10-11,13-15]。而渤海海岸地层没有记录MIS 7之前明显的海侵事件,与地质历史时期全球高海面变化趋势不符[16]。Yi等认为庙岛隆起扮演了渤海盆地开关的角色,距今约30万a庙岛隆起下沉,此后海水进入渤海盆地,开始海相沉积[11]。

图1 研究区位置Fig.1 Location of the study area

辽东湾北部海岸带为下辽河平原的组成部分。研究区主要的河流包括辽河、大凌河、大辽河和小凌河等,其中,辽河和大辽河是流域面积最大的2条河流,但是大凌河的输沙量最大,是辽河和大辽河输沙量总和的2倍。地质调查结果显示,辽东湾北岸上部的3套海陆相交互沉积地层与渤海其他海岸带地区地层具有可对比性[17-18]。近年来,不同学者利用多个采自辽东湾北岸的钻孔沉积物岩芯和河流沉积物,对不同时间尺度的物质来源[19]、沉积过程[20]、海陆地貌演化与海岸线变迁[21-22]、年代学框架[10,23]及古环境变化[24]开展了研究。辽东湾北岸的第三海相层的长石光释光年龄对应MIS 7,而根据年代学框架和古高程恢复的结果判断MIS 3并没有发生明显的海侵[10]。这与最近辽东湾晚第四纪层序地层学和年代学研究获得的结果一致[25]。进入全新世后,受海平面快速上升的影响,辽东湾北岸发生海侵,沉积环境由河流沉积迅速转变为浅海相沉积[22]。晚全新世辽东湾北岸河流的快速进积导致海岸线后退,古“盘锦湾”消失[21-23]。

2 材料与方法

LZK06孔(121°37′46″E,40°54′26″N)位于辽东湾北岸辽河和大凌河之间,孔口高程为4.51 m。LZK06孔为全取芯钻孔,进尺100 m,钻取岩芯长度92 m,取芯率约92%。古生物学证据表明岩芯上部55 m为海陆相交互沉积层,共识别出3套海相层,与已有地层资料一致[17,26]。55 m以下为陆相的河流-湖泊沉积。LZK06孔的年代学框架依靠加速器质谱(Accelerator Mass Spectrometry,AMS)14C和光释光年龄建立[10,23]。沉积物中埋藏贝壳的AMS14C测年于2015年12月在美国BETA实验室完成,沉积物中石英和长石的光释光测年在德国莱布尼兹应用地球物理研究所释光实验室完成。其中,石英等效剂量采用单片再生法测定[27],钾长石两步红外激发释光信号(p IRIR225)的等效剂量经过异常衰退校正后用于确定光释光年龄[28-29]。已有年代学研究结果表明,岩芯上部20 m的AMS14C和光释光年龄具有良好的地层和年龄一致性[23],而20 m以下AMS14C年龄超过测年上限(43.5 ka B.P.)。下部地层的年代学框架主要依靠石英和钾长石光释光年龄建立。超过28.7 m,石英光释光信号达到饱和;超过59.6 m,长石光释光信号达到饱和。测年结果见表1。根据沉积物特征、埋藏生物化石特点及年代学结果,本文选取具有绝对年龄控制的上部59.6 m作为研究对象,将其划分为6个单元,并开展粒度测试分析与研究。岩芯柱状图及详细岩芯描述见图2。

图2 LZK06孔岩性特征、沉积单元划分及光释光年代学框架[10]Fig.2 Lithological characteristics,division of depositional unit and OSL chronological framework of the core LZK06[10]

表1 LZK06孔样品光释光年龄[10,23]Table 1 OSL(Optically Stimulated Luminescence)dating results of core LZK06[10,23]

粒度样品按照约30 cm间隔取样,在岩芯上部60 m共取得190个样品。样品处理和测试于2016年5月—6月在德国莱布尼兹应用地球物理研究所粒度实验室进行。首先,选取了10个代表性样品进行了多次可靠性测试,对比测试结果,验证了实验的可重复性。此后,根据可靠性测试的结果,在充分混合的基础上称取一定量的样品,加入浓度为1%的氢氧化铵溶液分散24 h,并利用旋转混合器和超声清洗仪充分机械分散样品。样品粒度使用Beckman Coulter LS13320型激光粒度仪测试,测试范围为0.04～2 000μm。测试过程中,激光遮光度控制在9%～12%。每个样品重复测量5次,至少选取其中3次测量数据计算最终的粒度结果。岩芯沉积物整体上以砂、粉砂和黏土组分为主,对个别含有零星钙核或者砾石的样品,先将其中的钙核或砾石挑出后再上机测试。

本研究采用矩值法计算4个主要粒度参数:平均粒径、分选、偏度和峰度[31]。本研究同时提取了LZK06孔沉积物粒度敏感组分[32],探讨沉积物粒度记录的古环境变化信息。

3 结 果

3.1 粒度频率分布

通过粒度测试,获得了190个样品的粒度频率分布曲线。粒度频率分布曲线的特点是含有单个或者多个高度和宽度不同的峰,指示了沉积物各粒径组分含量的差异[2]。通过分析频率分布曲线的特征,可以得到沉积营力的特点和变化(图3)。LZK06孔沉积物的频率分布曲线整体上呈主峰尖锐的单峰特征,单峰多为粗峰,粗峰众数介于2Ф～4Ф,带有细尾。部分样品的细颗粒组分含量较高,形成细峰,而这部分样品的整体粒度频率分布曲线则呈粗峰占优的双峰或者细颗粒为主的单峰形态。海相地层沉积物频率分布曲线以单粗峰形态为主,而粒度频率曲线显示,陆相地层沉积物的细粒组分较海相地层沉积物多,单细峰(峰众数介于6Ф～8Ф)为特点的沉积物含量增加(图3)。

图3 LZK06孔典型沉积物粒度频率分布Fig.3 Typical frequency curves of the sediments in the core LZK06

对多数沉积物,砂为主要组分,对应了粗峰。在沉积单元3、单元5和单元6,砂的平均质量分数大于50%;在单元1和单元4,砂的质量分数虽略有减少,但其平均值也大于40%;在单元2,沉积物粉砂为主要组分,平均介于48%～56%。与沉积物频率分布曲线细峰/细尾含量增加相对应,陆相地层单元的黏土-粉砂含量较海相地层沉积物有所增加。最上部的第一海相层沉积物的黏土-粉砂组分的与下部2个海相地层沉积物相比较高。

3.2 粒度参数特征

利用矩值法计算得到的粒度参数计算结果可见图4,对各单元沉积物粒度参数的统计结果可见表2。结果表明,渤海北岸沉积物的平均粒径大部分为粉砂和砂级,个别单元黏土含量较大,沉积物为黏土质粉砂或黏土-粉砂。辽东湾北岸第四纪沉积物的平均粒径明显大于渤海湾和莱州湾中晚第四纪沉积物[11-12]。LZK06孔沉积物分选普遍较差-差,整体为正偏,个别样品为负偏-极负偏。绝大多数样品为正态分布,个别样品为峰态尖锐(图4,表2)。

表2 LZK06孔沉积物粒度参数特征及砂-粉砂-黏土组分质量分数Table 2 Statistical results of the grain size parameters and the contents of sand-silt-clay of the sediments in the core LZK06

图4 粒度参数及黏土-粉砂-砂质量分数的垂向变化Fig.4 Vertical Variations of the grain size parameters and contents of clay-silt-sand

垂向上,平均粒径的变化具有一定的旋回性。沉积单元5和单元6沉积物平均粒径振荡变化,且整体粒径偏粗。沉积单元3和单元4为垂向变化不明显的大套砂层,含有两段细颗粒沉积夹层,对应深度分别是23.5～24.3和40.0～42.1 m。沉积单元2整体上为向上变细,并且在沉积单元内部存在若干次一级向上细

化的单元。最顶部的海相沉积层(单元1)粒度变化表现为细化-粗化-细化的趋势。

续表

3.3 分选系数-平均粒径散点图

不同沉积物在分选系数-平均粒径散点图上可能对应了不同的沉积环境,因此可以利用不同环境中沉积物的分选系数-平均粒径散点图特征,探讨海岸第四纪沉积物沉积环境的演化[33]。将LZK06孔沉积物样品做分选系数-平均粒径散点图(图5)。整体上,粗粉砂-砂(＜4Ф)的平均粒径介于1Ф～5Ф,分选系数的变化范围为约1-3.5;分选系数和平均粒径相关性差。而当平均粒径大于6Ф(黏土-中粉砂)时,分选系数和平均粒径有较好的负相关关系,即粒度越细,分选越好;平均粒径从6Ф到8.3Ф变化时,分选系数由约2.0减至1.4。且粒度越细,平均粒径和分选系数的相关性越好。除了LZK06孔沉积物与莱州湾和渤海湾海岸第四纪沉积物相比粒度较粗外,该孔沉积物与莱州湾Lz908孔[12]和渤海湾YRD-1101孔[34]沉积物的分选系数-平均粒径变化规律与吻合很好。这可能指示了海陆交互作用沉积物的普遍规律。LZK06孔不同单元沉积物在分选系数-平均粒径散点图上并无很明确的分异。

图5 LZK06孔沉积物分选系数-平均粒径散点图Fig.5 Scatter plot of sorting-grain size of sediments of the core LZK06

3.4 敏感粒级组分

沉积物粒度可以反映地质历史时期的环境演化。粒径-标准偏差法通过计算不同深度样品同一粒级的质量分数的标准偏差,对比标准偏差变化情况。若标准偏差大,则在粒径-标准偏差图上显示为峰,表明该粒径在垂向上变化较大,指示了主要的环境变化控制因素。为探讨渤海北岸海退-海侵过程的环境演化过程和控制因素,采用粒径-标准偏差法提取敏感粒级组分,并借助光释光年代学探讨渤海北部海陆变化背景下的环境演化控制因素。

对全部59.6 m沉积物及每个单元的沉积物分别做粒径-标准偏差图(图6)。图6a为全部沉积物的粒径-标准偏差结果,共得到3个峰(即标准偏差较大的粒径区间):峰1对应的粒径为245.2μm;峰2对应的粒径为72.9μm;峰3对应的粒径为6.5μm。其中,峰1的标准偏差最大,表明粗颗粒组分在研究沉积物中含量变化最大。峰2代表了细粉砂组分,含量的标准偏差大于2。峰3代表了细颗粒组分,3.7～26.1μm粒径区间含量的标准偏差差别不大,指示了黏土-中粉砂对环境变化的响应。对各个沉积单元分别进行粒径-标准偏差分析,并将其进行归一化处理。结果显示,除了单元2的主要敏感组分为细粉砂外,各单元的粗颗粒组分仍为主要敏感组分。单元5含有一个更粗的敏感组分,对应粒径为623.3μm。海相单元(单元1、单元3和单元5)的细颗粒敏感组分的标准偏差普遍小于下伏陆相单元,单元5和单元6尤为明显。

图6 LZK06孔沉积物粒径-标准偏差曲线Fig.6 Grain-size-standard deviation curves for the sediments in the core LZK06

4 讨 论

4.1 沉积水动力变化

沉积物粒度特征反映了沉积水动力的变化。首先,沉积物的频率分布曲线显示,渤海北岸沉积物主要受较强水动力搬运的影响,粗颗粒组分的含量较高。大凌河水动力强,携沙量巨大,多年平均含沙量为13.3 kg/m3,是世界上携沙量较大的河流[35]。大凌河水动力的变化影响了物质输运量和粒度。此外,LZK06孔位于大凌河的冲积平原,沉积物被搬运到辽东湾北岸后迅速沉积下来,导致本研究区沉积物粒度值明显高于渤海另外2个海湾。其中,LZK06孔海相沉积物频率分布曲线的细尾含量普遍小于下伏陆相沉积物频率分布曲线的细尾含量,海相沉积物大致要略粗于下伏陆相沉积物。粗颗粒沉积物的分选变化较大,指示了强水动力且动荡的沉积环境。而沉积物的粒径接近6Ф时,沉积物的分选系数趋向收敛,平均粒径和分选系数的负相关关系表明了细颗粒沉积受弱且稳定的水动力控制。而这一现象均在莱州湾、辽东湾和渤海湾的第四纪钻孔沉积物中出现。全球海平面变化导致了在30万a以来的海岸带地层中出现了明显的海陆相交互沉积。但是,在同样海平面变化背景下,渤海不同海湾第四纪沉积物的粒度特征出现了显著差异,这可能与入海河流的物质输运特点及沉积古环境有关。当发生海侵时,海平面的上升创造了巨大的可容空间。LZK06孔沉积物粒度结果显示,海相沉积物粒度较粗(＜4Ф),且沉积物分选变化较大,指示了动荡的沉积水动力环境。这可能指示了海相沉积物主要受控于大凌河较强水动力,而波浪、潮汐等营力对沉积物的后期改造作用较小。陆相沉积物粒度整体略细,且平均粒径等参数变化范围较大。这可能对应了河流沉积环境的不同。在陆相沉积单元4和单元6中,沉积物以粗颗粒为主,分选较差。可能指示了河道沉积的环境;而在陆相沉积单元2中,沉积物以细颗粒的粉砂、黏土为主,指示河流沉积营力减弱,随着粒度变细分选变好。粒度特征可能对应了河漫滩沉积。粒度频率分布曲线、粒度参数及散点图反映的沉积营力变化规律得到了敏感粒度组分特征的支持。敏感粒度组分的分析结果表明,第一敏感粒度组分为粗颗粒,峰值为245.2μm,反映了强水动力及对应的物质输运量是影响研究区沉积粒度变化的主要因素。LZK06孔粒度的垂向变化可能反映了25万a以来大凌河水动力的变化。对比海相、陆相地层沉积物的敏感粒度组分可知,由陆相转为海相时,沉积物的中、细颗粒敏感组分(峰2和峰3)标准偏差降低,指示了陆相沉积物的中细颗粒组分对环境变化有较好的响应;而海相沉积物整体上受较强水动力影响。

4.2 25万a来渤海北岸沉积环境演化

作为渤海最北侧的半封闭海湾,已有地层学和年代学研究结果表明渤海北岸反映了和渤海其他2个海湾一致的海平面变化趋势[7,11,14]。已发表的年代学框架证实,25万a以来渤海北岸的3次主要海侵发生在MIS 7、MIS 5和MIS 1[10]。辽东湾海域地层学研究也证实了辽东湾的第二次海侵并未发生在MIS 3阶段[25]。LZK06孔上部60 m沉积物记录了25万a以来渤海北岸大凌河冲积平原的环境演化。在约20—25万a,研究区以河流相沉积为主,水动力较强;该时期处于倒数第三次冰期(MIS 8),植被覆盖相对较少,河流携砂量较大,沉积环境震荡,沉积物以粗颗粒为主要成分。而在约20万a左右,全球气候转暖,发生了一次明显的海侵事件,形成了以埋藏贝壳为指示的浅海相地层。这与已有研究成果表明的渤海古湖向海陆交互的半开放内海一致[11]。LZK06孔沉积物粒度反映了河流沉积水动力强,且受到潮流和波浪后期改造作用的影响,分选较下伏陆相沉积单元的沉积物略好。在倒数第二次冰期(约12-20万a,MIS 6阶段),渤海北岸沉积了河流相沉积物,与下伏陆相沉积单元类似,沉积水动力较强;粉砂含量为主的夹层可能对应了的一次相对的变暖时期,也可能对应了河道变迁过程。在约12万a,渤海发生了第二次海侵事件,形成了牡蛎贝壳富集的海相层。沉积物粒度较粗,分选较好。而在该层上部虽然出现了埋藏贝壳,其光释光年龄为约5万a,AMS14C年龄大于4万a,可能指示了MIS 3时期。但是,该地层的埋藏贝壳以淡水、咸水种混合为特点,且古高程恢复结果显示,当时的沉积高程远高于渤海的海平面高度(图7)。粒度测试结果显示该段沉积物粒度相对较细,且分选较差,与下伏陆相沉积单元粒度特征类似。因此,推测该阶段应为第二次海侵后的一段滞留沉积。单元3上部沉积物显示了MIS 5阶段海侵后,渤海北岸一直处于陆相沉积阶段。年代框架显示在34-17 ka,渤海北岸处于低速沉积或沉积间断时期,物质输运量减少,河流下切作用明显。进入末次冰消期,河流沉积作用逐渐增强。进入全新世阶段后,受到中全新世暖期的影响,大凌河上游植被覆盖良好,大凌河物质输运量较少;研究区处于浅海震荡环境。而进入晚全新世,受到气候变冷的影响,大凌河上游水土流失严重,物质输运量激增,导致了海岸线迅速向海后退,大凌河冲积平原扩张。

在渤海地区,若干具有AMS14C和光释光年龄框架制约的海岸带钻孔为深入探究粒度特征对沉积环境的响应提供了可对比的材料(图7)。其中,取自渤海湾的BT114孔和莱州湾的Lz908孔沉积物均记录了3次海陆相转换的过程[11,14]。上述两孔的地层和年代学结果与LZK06孔可对比。Lz908孔所在区域沉积过程主要受控于弥河等河流,河流发源于鲁中山区,河流长度较短,流域面积较小,与渤海北岸大凌河具有相似性。BT114孔所在区域沉积则主要受海河和黄河的控制,河流长度较长,流域面积较大。30万a以来,全球气候在间冰期变暖,海平面上升,易发生海侵;陆域植被覆盖度增加,水土流失程度减弱,因此物质输运量趋于减少。在冰期,陆域植被覆盖率减少,物质输运量增加。BT114孔海相层沉积物与上下陆相地层相比较细,与冰期—间冰期河流沉积特点相符合。而Lz908孔和LZK06孔海相沉积物普遍较粗。这可能与两孔受控于山溪性河流有关。一方面,短途河流沉积物未经过长程搬运,沉积物的粒度组成复杂;另一方面,河流短期的增水事件极有可能导致大量粗粒沉积物在浅海地区沉积下来。例如,LZK06孔揭示了全新世阶段大凌河存在沉积通量的巨大变化。在早中全新世大凌河物质输运量较少,大凌河冲积平原仅分布在出山口;而在最近1 000 a,大凌河的沉积物通量迅速增加,这种突变与发生在距今约1 000 a的频繁洪水事件有很好的对应[23]。综上,渤海海岸地区的沉积过程可能主要受控于古气候背景下的河流沉积作用,而在高海面阶段,海洋沉积营力对沉积物起到一定的改造作用。

图7 渤海海岸中晚第四纪典型钻孔沉积物对比及其与全球海平面变化的对应[16]Fig.7 Comparison between typical core sediments along the Bohai Coast,and their correlation with the global sea-level[16]

5 结 语

本文利用渤海北岸LZK06孔上部60 m第四纪钻孔沉积物为研究对象,进行了粒度测试和分析,研究了粒度特征变化,探讨了粒度对沉积水动力和环境演化的指示意义。研究表明,与渤海其他海湾沉积物相比LZK06孔沉积物粒度最粗,反映了渤海北岸大凌河冲积平原的沉积水动力较强。相比于下伏陆相地层沉积物,海相沉积物的粒度略粗,且受到潮流、波浪的改造,分选较好;陆相沉积物粒度变化可能对应了不同的河流沉积环境。通过海陆相沉积物粒度特征对比,在古气候变化背景下的大凌河沉积水动力强度和携沙量变化是研究区粒度特征变化的主控因素;浅海沉积环境对沉积物粒度起到后期改造作用。