珠江三角洲第四纪沉积物初始沉积年龄及沉积演化

郑思琦，林振文，李出安，李冠华，庄文明，李诗颖，罗俊超，阳峰，李雨龙

1.广东省海洋地质调查院，广州 510062

2.汕头大学海洋灾害与防护广东省重点实验室，汕头 515063

珠江三角洲地处中国广东省中部、南中国海北部陆缘。该区域为西江、北江和东江的入海口，河海作用强烈，第四纪沉积发育。自20 世纪70—80 年代以来，前人对珠江三角洲第四系开展了大量的沉积学和放射性碳同位素（14C）、光释光（OSL）及热释光（TL）等测年研究，对三角洲第四纪以来的沉积过程形成了较为统一的认识，但在初次海侵和沉积时间上存在较大的争议，对于更新世海平面波动与沉积演化缺少精细的刻画[1-7]。多数学者认为珠江三角洲的沉积开始于4 万年前，初次海侵发生于距今3.5～2 万年[3,8-11]，沉积了上更新统礼乐组和全新统桂洲组两个沉积单元[1]。珠江三角洲普遍发育的花斑黏土或氧化色砂层（三角层）被认为是晚更新世晚期MIS2（Marine Isotope Stages）盛冰期的风化层[1,10,12-15]，这与长江三角洲第一硬黏土层相一致[15-16]，其顶界被普遍认为是全新统与上更新统的分界线[1,17]。

近年来，随着调查研究的持续深入，前人在三角层之下发现了一层花斑黏土或氧化色砂层[18]，被认为是形成于MIS4 低海面期的沉积[19]，定名为光明村层，其下伏的大套灰色沉积物被定名为南沙段，形成于MIS5。最新的沉积物OSL 年龄也显示，三角洲初次海侵时间始于约10 万年前[20-24]。Xu 等[24]在三角洲中部中山地区HPQK01 孔底部获取了最新的沉积物post-IR IRSL 年龄为147±17 ka，认为珠江三角洲的沉积始于约15 万年前。

本次研究区位于西江磨刀门水道与伶仃洋交界处海岸带（图1a），是研究珠江三角洲第四系沉积演化历史的关键地区。本文利用多个第四系钻孔，在详尽的地层学研究基础上，对各沉积单元和风化黏土层开展AMS14C、OSL 等年代学研究，旨在进一步界定珠江三角洲初始沉积与初次海侵等时间，精细刻画三角洲的沉积演化过程，为构建珠江三角洲乃至华南第四系沉积演化提供参考。

图1 珠江三角洲区域（a）与横琴地区（b）第四系及钻孔分布简图Fig.1 Distribution of the Quaternary sediments and the locations of borehole in the Pearl River Delta (a) and the Hengqin area (b)

1 区域地形地貌

珠江三角洲主要由珠江水系的西江、北江、东江带来的沉积物在河口湾堆积而形成的复合型三角洲（图1a）[1]，其基底的形成时间为白垩纪初期—新近纪[1]。三角洲内部遍布丘陵、台地和残丘，珠江流域各江河在内部汇合分汊，形成复杂河网后经8 个口门注入河口湾（伶仃洋和黄茅海），形成了独特的“河网-口门-河口湾”三角洲系统。珠江三角洲西部、北部和东部被丘陵山地环绕，南濒南海，形成三面环山、一面向海的马蹄形的海湾地势，且向海一面有众多岛屿屏蔽（图1a）。三角洲第四系的平均厚度约为25 m[1,14]，在磨刀门口附近的沉积厚度较大，最厚达63～64 m[14,25]。

2 钻孔位置及样品特征

2.1 钻孔特征与地层划分

本次研究区位于西江入海口磨刀门水道东侧，横琴中心沟处（图1）。自西往东共布设了5 个钻孔（包括GCZ02—05 和SWZ03），钻孔均打穿第四系至基岩（图1b）。在综合分析沉积物特征、结构构造的基础上，选取了以上钻孔开展年代学研究，并对GCZ05 及SWZ03 孔开展粒度、微体古生物、磁化率等研究，在综合前人研究的基础上对第四系进行地层划分，结果如下（粒度与微体古生物另著文发表）。

第四纪沉积物自下而上分为上更新统礼乐组和全新统桂洲组。上更新统礼乐组自下而上分为南沙段、光明村层、石排段、西南镇段和三角层；全新统桂洲组自下而上分为杏坛段、横栏段和灯笼沙段（图2 和图3）。

图2 横琴地区第四系钻孔柱状图及测年结果Fig.2 Quaternary stratigraphic correlation and dating results in the Hengqin area

图3 横琴地区SWZ03 孔岩芯照片Fig.3 Photographs of SWZ03 cores in the Hengqin area

（1）南沙段：河流相砂砾层。SWZ03 孔的层底埋深为47.10 m，厚2.10 m（图3）。

该层仅在SWZ03 孔揭露，其直接覆盖于基岩之上，未见有孔虫、介形类等微体古生物，岩性为含砾粗中砂，砾石约占10%，砾径为2～6 mm，粗砂的含量约30%，中砂的含量约55%。该层存在自下而上粒度变细的特征。

（2）石排段：三角洲前缘汊道沉积。GCZ05 孔的层底埋深为44.00 m，厚6.05 m；GCZ02 孔的层底埋深为49.00 m，厚11.00 m；SWZ03 孔推测层底埋深为45.00 m，厚5.59 m；GCZ03 和GCZ04 孔未发育。

该层直接覆盖于侏罗系花岗岩风化壳之上，为黏土质粉砂与粉砂质砂互层（图3），未见有孔虫和介形类，含有硅藻。硅藻主要为半咸水种Cyclotella striata，零星含海水种。

（3）西南镇段：三角洲前缘浅滩沉积。GCZ05孔的层底埋深为37.95 m，厚7.15 m；GCZ02 孔的层底埋深为38.00 m，厚6.00 m；SWZ03 孔的层底埋深为39.41 m，厚4.83 m；GCZ03 和GCZ04 孔未发育。

该层为深灰—灰黑色黏土质粉砂夹含砂黏土质粉砂层，未见有孔虫及海相介形类，硅藻的丰度低，以半咸水种Cyclotella striata为主，含有少量的淡水种Aulacoseira ambigua、 半 咸 水 种Coscinodiscus divisus和海水种Coscinodiscus oculatus。

（4）三角层：陆相花斑状黏土、潜育化黏土层（图3）。不同钻孔中厚度差别较大，GCZ05 孔的层底埋深为30.80 m，厚0.60 m；GCZ02 孔的层底埋深为32.00 m，厚5.50 m；GCZ03 孔 的 层 底 埋 深 为35.64 m，厚6.64 m；GCZ04 孔的层底埋深为23.04 m，厚5.34 m；SWZ03 孔的层底埋深为34.58 m，厚13.43 m。

该层的花斑状黏土是低海面时期沉积层出露地表遭受风化形成的。GCZ05 孔为潜育化黏土层，即在长期积水环境中，地层被水覆盖，未遭受风化剥蚀，沉积物处于还原环境，形成非氧化色的灰色、青灰色黏土。该层有孔虫的丰度低，属种少，仅见玻璃质壳Rotalidium annectens，未见海相介形类，硅藻仅见Cyclotella striata。

在GCZ02、GCZ03 和SWZ03 孔的花斑黏土层中见深灰色—灰色黏土夹层（图2、图3），其中GCZ02和SWZ03 孔见2 层深灰色黏土夹层，下黏土夹层的层底埋深分别为29.76 m（GCZ02）和33.45 m（SWZ03），厚0.26 m（GCZ02）和0.22 m（SWZ03）；上黏土夹层的层底埋深分别为28.61 m（GCZ02）和32.00 m（SWZ03），厚0.25 m（GCZ02）和4.03 m（SWZ03）；GCZ03 孔见1 层深灰色黏土夹层，层底埋深为33.55 m，厚0.42 m。夹层中见有孔虫、介形类和硅藻，有孔虫全部为反映高盐环境的瓷质壳类有孔虫；介形类的丰度和分异度较低，为反映河口环境的Bicorncythere bisanensis、Neomonoceratina delicate和Pistocythereis bradyformis；硅藻以半咸水种Cyclotella striata为绝对优势种，含有少量的海水种，不含淡水种。微体古生物特征反映沉积环境为水深较深的河口湾环境。

（5）杏坛段：河流相砂砾层，偶含腐木块体。GCZ05 孔的层底埋深为30.20 m，厚3.63 m。

该层仅在GCZ05 孔中揭露，岩性为灰黄色砂砾，偶夹腐木、腐败植物种子等。该层上部夹深灰色黏土，夹层的微古生物指示水动力条件较强，可能为潮汐水道环境。

（6）横栏段：海相河口湾沉积。GCZ05 孔的层底埋深为26.57 m，厚9.57 m；GCZ02 孔的层底埋深为26.50 m，厚7.50 m；GCZ03 孔的层底埋深为29.00 m，厚5.00 m；GCZ04 孔的层底埋深为17.70 m，厚3.90 m；SWZ03 孔的层底埋深为21.15 m，厚4.00 m。

该层为深灰色含砂黏土质粉砂，偶含有机质和贝壳碎屑。微古生物以反映较深水的属种为主，有孔虫以Ammonia beccarii vars.和Elphidium hispidulum为优势种，介形类以S.impressa、N.delicate和B.bisanensis为相对优势种；硅藻在垂向上种群分布略有不同，中上部以半咸水种和海水种为主，顶部以海水种为主。

（7）灯笼沙段：海陆交互相的前坡-潮滩沉积。GCZ05 孔的层底埋深为17.00 m，厚12.00 m；GCZ02孔的层底埋深为19.00 m，厚13.50 m；GCZ03 孔的层底埋深为24.00 m，厚20.00 m；GCZ04 孔的层底埋深为13.80 m，厚8.80 m；SWZ03 孔的层底埋深为17.15 m，厚10.75 m。

该层为褐灰色—深灰色黏土质粉砂，富含蚝壳、双壳类、瓣腮类等贝壳碎屑。研究区普遍存在一层贝壳黏土质粉砂夹层，贝壳碎屑的含量达35%，直径为0.1～2.5 cm，厚0.06～0.60 m，贝壳破碎程度较高。灯笼沙段有孔虫以A.beccarii vars.、Quinqueloculina seminula、Elphidium hispidulum为 相对优势种，介形类以S.impressa为绝对优势种，硅藻以半咸水种Cyclotella striata为绝对优势种。

2.2 样品特征

根据钻孔的分层特征，选取各个钻孔的典型位置进行采样测试。AMS14C 测年选择GCZ02—05和SWZ03 孔重要层组顶底位置进行采样（表1），共计11 件，样品以木屑和叶子为主（9 件），部分为蚝壳、藤壶等贝壳碎屑（2 件）。OSL 测年选择GCZ05和SWZ03 孔岩芯中下部黏土质粉砂、含砾粗中砂及粉砂质砂进行采样（表2），共计5 件。

表1 AMS 14C 样品特征及测年结果Table 1 AMS 14C sample characteristics and the dating results

表2 OSL 样品特征及测年数据Table 2 OSL sample characteristics and the dating results

3 测试方法

3.1 AMS 14C 测年

在理想样品的前提下，AMS14C 的测年上限为55 kaBP[26]，优选年龄范围不超过25～35 kaBP[24,27-31]。本次样品的前处理和AMS14C 测试在中国科学院广州地球化学研究所14C 专用加速器质谱实验室进行。炭质、腐木及植物根系样品化学采用酸碱酸前处理方法，制作石墨靶，后装入样品盘进行测试。加速器质谱仪型号为美国国家静电公司（NEC）CAMS 500，加速器型号为1.5 SDH，端电压0.5 MV。测试采用OX2（NIST SRM 4990C）作为主标准，IAEAC7 作为次级标准验证测试的准确性。笔者利用CALIB 8.20 程序（http://calib.org/calib/calib.html）将惯用年龄校正为日历年龄。校正曲线的选择方面，贝壳等选用Marine 20 校正曲线，腐木、炭屑等采用Intcal 20 校正曲线。区域海洋碳储库效应参考Yu 等[32]关于现代南海的平均值ΔR=-25±20 a 进行校正。

3.2 光释光测年（OSL）

本次光释光样品的前处理和测试在广州大学地理科学与遥感学院的光释光实验室完成。测试过程如下：首先，制备细颗粒石英样品（4～11 μm），并取少量样品进行红外信号检测，确定样品中是否有长石残留。细颗粒样品在Daybreak 2200（美国）光释光仪上测定。该系统蓝光光源波长为470 nm，半宽5 nm，最大功率为60 mW/cm2；红外光源波长为880 nm，半宽10 nm，最大功率为80 mW/cm2。测片的辐照在801E 辐照仪中进行，其90 Sr—Y β 放射源的照射剂量率约为0.05 Gy/s。样品采用简单多片再生法获得等效剂量值，用饱和指数方法进行拟合。

4 测试结果

AMS14C 测试结果除2 个超过检出限外，其余均在检出限以内（表1、图2）。沉积物年龄结果整体随深度增加而增大，仅存在一处年龄倒置现象，即GCZ05 孔11.05 m 处的7 516 cal.aBP 大于15.60 m处的1 755 cal.aBP（图2）。

OSL 结果除1 个样品低于检出限，其余样品均得出具体年龄值（表2、图2）。其中测得的最老年龄为SWZ03 孔埋深47.10 m（光释光样品厚度为5 cm）处的含砾粗中砂年龄，为102.52±6.14 ka，最新年龄为SWZ03 孔埋深21.10 m 处的含砂黏土质粉砂年龄，为7.20±0.43 ka。年龄数值随着深度的增大而增加，无年龄倒置现象（图2）。

OSL 测试样品中OSL-3 和OSL-5 位于第四系底部，沉积物的颗粒较粗，为较单纯的河流和三角洲前缘汊道沉积，且年龄值与AMS14C 测年结果呈现较好的线性关系。OSL 测得横栏段底部的年龄与相应位置的AMS14C 年龄值相一致；测得西南镇段 顶 部 年 龄 为53.75±5.00 ka，与 同 位 置 的AMS14C 测年结果相比偏大（表2、图2），结合多个测年结果认为该位置取AMS14C 测年结果较合适，即42.61～43.32 kaBP。综合分析，全部AMS14C 和部分OSL 年龄值较为准确，舍弃53.75±5.00 ka 这一数据，取西南镇段顶部年龄为42.61～43.32 kaBP。

5 讨论

5.1 珠江三角洲底界年龄和初次海侵时间

关于珠江三角洲初始沉积和初次海侵年代，有两种主流观点，一种通过大量的14C 测年和部分光释光测年，测得的第四系样品最大年龄范围为57～32 kaBP，认为珠江三角洲沉积开始于末次冰期间冰阶（MIS3），约35～30 kaBP 发生晚更新世的海侵[1,3,5-6,11,33-37]；另一种是Yim 等[20]通过对香港地区样品进行U 系测年，结果为130.5±50.3 和142±20 kaBP，因此认为珠江三角洲初次海侵发生于末次间冰期MIS5e 时期，Zong 等[21-22]和Tang 等[23]的研究也支持这一观点。近年来随着第四系测年方法的发展，郭良田等[38]通过OSL 测年得出下部地层的最大年龄为135.6±3.6 ka，认为珠江三角洲晚更新世海侵可能发生于距今4～10 万年期间；Yu 等[39]采用石英光释光测年和长石post-IR IRSL测年，得到第四系底部年龄为88.5±6.1、98.2±8.3 和113.6±13.8 ka，认为晚更新世海侵开始于MIS5 阶段；Xu 等[24]通过对沉积物中的长石进行post-IR IRSL 测年，得到的最老年龄为147±17 ka，故而认为珠江三角洲的初始沉积开始于MIS6 阶段，晚更新世海侵开始于MIS5 阶段，MIS4—MIS2 经历了长时间的沉积间断，至中全新世发生全新世的海侵。

本次研究得到SWZ03 孔南沙段底部含砾粗中砂的最老年龄为102.52±6.14 ka，为晚更新世早期，属于MIS5c 阶段。受OSL 测年方法的限制，年龄值可能被低估，其结果代表该位置年龄的最小值[24,40-41]，因此，横琴地区第四纪初始沉积可能早于MIS5c 阶段。

之后发生晚更新世海侵，研究区进入三角洲前缘沉积环境。依据石排段底部年龄54.49±2.12 ka（GCZ05 孔）和西南镇段顶部年龄42 609 cal.aBP（SWZ03）、43 323 cal.aBP（GCZ05）推断，初次海侵开始的时间应早于42 kaBP，早于前人普遍认为的35～30 kaBP[1,3,5-6,11,33-37]。结 合 南 中 国 海 海 平 面 变 化 记录[20,39,42-43]，MIS5 海平面与现代海平面相当，MIS4—MIS2 海平面波动下降，由MIS4 阶段的-40 m 下降至MIS2 的-120 m。研究区石排段的层底埋深约为-45 m，西南镇段的层顶埋深约为-32 m。海平面需大于-32 m 才可沉积出三角洲前缘相砂泥互层和黏土层，故推断初次海侵开始时间早于MIS4。

结合本次年龄数据、珠江三角洲其他钻孔年龄（表3）和海平面变化记录，推断珠江三角洲晚更新世海侵开始于MIS5 阶段，海侵前的河流相沉积可能早于MIS5c 阶段。

表3 珠江三角洲晚更新世初始沉积和初次海侵的测年数据Table 3 Dating results of initial deposition and the first transgression during late Pleistocene in the Pearl River Delta

5.2 珠江三角洲全新世海侵时间

近年来，多名学者对珠江三角洲全新世海侵时间、最大海侵范围和时间等进行了研究（表4），Liu 等[15]分析了三角洲中部大鳌平原PRD05 孔，认为全新世海侵开始于约16.7 ka，约10.1 ka 海水侵入到大鳌平原并在PRD05 孔沉积河口湾环境沉积物；时翠等[47]通过对珠江口钻孔的年代学研究，认为12 kaBP 珠江口低洼谷地开始受到海侵影响，并在6～5 kaBP 期间海平面达到最高值；谢叶彩等[19]对珠江三角洲中部区域钻孔进行分析，得出末次盛冰期发育古河谷和河间地两种地貌单元，中部地区下切河谷自9 kaBP 开始接受泥质沉积；最大海侵于大约7 ka 出现，导致在古河间地风化层之上发生海侵超覆；周良等[48]对珠江三角洲西缘的钻孔沉积物进行测年分析，得出约11 kaBP 开始发生全新世的海侵，至6～5 kaBP海平面上升至最高。

表4 珠江三角洲全新统底部的测年数据Table 4 Dating results of the lowest Holocene in the Pearl River Delta

横琴地区测得的三角层花斑状黏土顶部的年龄为11 536 cal.aBP（GCZ02），与之相接近的年龄分别为采自GCZ05 孔的10 218 cal.aBP、GCZ04 孔的7 877cal.aBP 和SWZ03 孔的7.20±0.43 ka，这些样品均位于横栏段底部，横栏段的沉积环境为海相的河口湾环境，是全新世海侵时形成的。横琴地处珠江口磨刀门水道与伶仃洋交界处，位于珠江三角洲向海一侧，故接受全新世海侵沉积的时间应早于三角洲内部。因此推断全新世海侵珠江三角洲重新接受沉积的时间应该为11.5～10.2 kaBP。

收集前人钻孔及全新世底部年龄数据，并将其校正为日历年龄（表4），结合以上年龄数据和海平面变化记录，推断珠江三角洲于约11 kaBP 开始接受全新世海侵沉积，三角洲向海一侧先接受沉积，海水沿河谷上溯，河谷中充填泥质沉积物。随着海平面的上升，河间地及三角洲内部开始发生海侵超覆。

GCZ05 孔测年结果显示出一处年龄倒置现象，其相应的沉积物特征也存在一定的变化。11.05 m处沉积物为贝壳黏土质粉砂夹层，贝壳碎屑的含量显著高于灯笼沙段，发生了贝壳的聚集。珠江三角洲是受台风暴潮影响较为严重的地区，推测这一年龄倒置现象可能的原因是沉积环境受到如风暴潮等强大外力作用，使得已经死亡沉积的贝壳发生再次搬运，聚集沉积，故其测年数值大于下层原地埋藏的贝壳样品。

5.3 珠江三角洲时间框架及环境演化过程

钻孔显示，花斑状黏土中普遍出现1—2 层深灰色黏土夹层，厚度不一，且在不同钻孔中差别较大（图3、图4），夹层将花斑黏土分为下、中、上三层（图3）。深灰色黏土夹层年龄为32 254 和10 313 cal.aBP（表1、图2、图4），西南镇段顶部年龄为42 609 cal.aBP，与花斑状黏土同时期形成的潜育化黏土层底部年龄为43 323 cal.aBP。以上年龄可以分为两组，一组为约43～32 kaBP，一组为10～7 kaBP，表明不同层位花斑黏土的形成时间不同，下花斑黏土的形成时间为43～32 kaBP，属于末次冰期间冰阶MIS3 阶段，中、上花斑黏土形成时间早于10 kaBP，属于末次冰期晚期MIS2 阶段，中、上花斑黏土所夹深灰色黏土为小范围短暂性海水入侵的结果。

图4 珠江三角洲钻孔中多层花斑黏土分布对比（a）及钻孔分布图（b）ZK4 据付淑清等[52]；深圳新民SX97 据余素华等[49]；OL62 和OL48 据黄镇国等[33]修改。Fig.4 Distributions of the mottled clay layers in the Pearl River Delta boreholes (a) and of boreholes (b)Data of ZK4 was modified from Fu et al.[52]; SX97 in Xinmin, Shenzhen was modified from Yu et al.[49]]; those of OL62 and OL48 were modified from Huang et al [33]].

珠江三角洲内多个钻孔显示出两层至多层风化层的现象（图4），黄镇国等[33]对珠江口外伶仃岛海域2 个钻孔的上下两层风化层进行AMS 测年，结果显示下风化层的年龄早于31.06～28.75 kaBP，上风化层的年龄早于9.4 kaBP；深圳新民的第四系剖面也显示出上下两个风化层，下风化层的年龄为30.36±0.58 kaBP，上 风 化 层 的 年 龄 早 于7.08±0.12 kaBP[49]；武汉地质调查中心在中山黄圃施工的钻孔ZK4 自上而下显示有6 个风化层，其中第二层风化层的年龄为41 kaBP，第一层风化层的年龄早于10 kaBP[52]，其余风化层年龄未知。以上结果表明，整个珠江三角洲是一个连续的沉积体系，MIS3—MIS2 期间存在多次的海平面变化，具体为约40 kaBP 海平面降低，珠江三角洲处于风化剥蚀环境而形成下风化层；约30 kaBP 海平面上升，三角洲区域接受沉积直至MIS2 晚期，MIS2 晚期海退形成中、上风化层，尔后约11 kaBP 发生全新世海侵。

目前关于珠江三角洲沉积旋回存在着四旋回[35]、三旋回[1,33,45]、两旋回[5,21,34,36,46,53]等多种划分方案。综合珠江三角洲的钻孔岩性认为，珠江三角洲沉积物主要为两套沉积旋回，经历了两次大范围的海侵和一次海退事件，分别为始于晚更新世早期（MIS5 阶段）的海侵、始于全新世早期（MIS1 阶段）的海侵及MIS2 阶段晚期的海退。在晚更新世海侵期间，相对海平面发生过多次波动，导致沉积物花斑色与深灰色交替出现的现象，被大部分珠江三角洲钻孔记录的为MIS3阶段相对海平面波动。

6 结论

（1）珠江三角洲第四纪初始沉积早于102.52±6.14 ka，即开始于MIS5c 阶段，初次海侵开始于MIS5阶段。全新世海侵的时间约为11 kaBP（MIS1阶段）。

（2）珠江三角洲第四纪以来经历了至少2 次规模较大的海侵和1 次海退。三角洲初次海侵开始于晚更新世早期（MIS5 阶段），于晚更新世晚期（MIS2 阶段晚期）发生大规模海退，之后在全新世早期（MIS1 阶段）再次海侵，形成了至少三层风化黏土层。晚更新世海侵过程中海平面显著波动，其中在约40 kaBP（MIS3 阶段）海平面显著降低，形成下风化黏土层；约30 kaBP 海平面上升，三角洲重新接受沉积至MIS2 晚期，之后海平面大幅降低形成中、上风化黏土层。