2016, Vol.35
1 引言
海南岛是我国南海西北部最大的岛屿，面积为33907km2，岸线曲折，总长度达1528km，沿岸海湾众多，拥有我国最为典型的珊瑚礁海岸和热带红树林海岸（图1）。由于该岛海岸类型多样，形成机制和演变过程复杂，蕴含着丰富的沉积记录和海岸演化信息，因此成为沉积与海岸地貌研究的热点区域。国内外学者对海南岛河流流域、 海岸沙坝、 海滩岩、 珊瑚礁、 潟湖沉积、 滨海平原、 河口三角洲、 火山岩台地、 陆架潮流脊和海底沙丘的地貌演化及其沉积记录进行了广泛研究[1, 2, 3, 4, 5, 6, 7]。这些环境沉积记录信息有助于揭示不同海岸类型的形成原因和海岸动力沉积地貌过程，重建过去气候、 环境和生态变化，预测未来海岸带演化，为海岸资源开发管理提供科学依据。近年来，基于沉积动力学的数值模拟研究，如使用Delft3D、 ADCIRC等模型探讨全新世物质输运、 地貌演化和沉积体系形成问题，为本区地貌- 沉积研究提供了新的定量方法[8, 9, 10, 11]。此外，随着海南岛工业化进程加快与经济社会发展，海岸和陆架区日益受到人类活动的影响，在珊瑚礁和红树林海岸地区尤为显著。全球变化中的人类活动因素已经引起了研究者的广泛关注[3, 7, 12, 13, 14]。
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图1 海南岛地理位置及我国大陆、 南海区域珊瑚礁、 红树林分布 Fig.1 The location of Hainan Island and distribution of mangroves and coral reefs in China |
本文试图总结海南岛海岸全新世环境演化及沉积记录的研究进展，包括全新世海岸环境的控制因素、 不同类型的海岸、 陆架地貌形成演化、 气候和环境变化的沉积记录等方面。在此基础上，从海洋沉积动力学的视角提出新的科学问题和研究建议。
2 海南岛全新世海岸环境的控制因素 2.1 全新世海面变化冰后期海面变化是影响本区的一个长时间尺度因素。全新世海面在 6800～5800 a B.P. 达到现今高度[15]，此前的海岸区域遭受淹没，形成河口、 海湾、 潟湖和珊瑚礁、 红树林湿地。珊瑚礁研究表明，5800aB.P.以来海面出现多次小幅度波动，有过几个海面较高的时期[16]。根据海南鹿回头珊瑚礁U系测年分析，全新世以来南海北部至少存在过4期相对高海平面阶段，即 7300～6000 a B.P.、 4800～4700 a B.P.、 4300～4200 a B.P. 和 3100～2900 a B.P. [17]； 综合各种全新世古海面标志物而建立的全新世海面变化曲线显示，海南岛经历了两次海面升- 降旋回，出现过3个高海面时期，6000 a B.P. 以来，海面的波动幅度为6m[2]。除气候因素外，上述相对海面变化还与本区构造运动有关。晚第四纪构造运动频繁，例如海南岛北部与西北部火山频繁喷发，一直延续至全新世[18]。构造运动使不少海湾底部抬升为阶地，如西部海岸一些珊瑚礁被抬升至较高部位[19, 20]。
2.2 地质背景与初始地形海南岛属华夏断块区南华断坳中的海南隆起，经历了多期构造运动，形成了4条横贯全岛的东西向断裂带以及相联系的NE和NW向扭性断裂、 南北向张性断裂[21, 22]。早古生代末期的加里东期构造事件[23]造成了上、 下早古生代和石炭纪地层之间的高角度不整合，伴随着局部花岗岩侵入[24, 25, 26]。新生代喜马拉雅运动使海南岛地壳发生缓慢间歇性抬升，形成多级海成、 河成阶地及多层水平溶洞。第四纪以来，琼北火山活动仍然频繁，形成了高程不等的熔岩台地。早更新世末期，由于断陷作用形成琼州海峡，从此使海南岛与大陆分离[27]，海峡长约85km，宽20-30km，最大水深120m。
海南岛整体地貌呈穹窿状，地势从中央山体向外按山地、 丘陵、 玄武岩台地、 海积阶地、 冲积平原的顺序逐级递降[20, 22]（图2）。全岛高程在100m以下的面积约占1／2[28]，面积- 高程关系曲线（图3）显示该岛已经历了较长时间的剥蚀。北部海岸岬角、 港湾相间，东部海岸潟湖- 潮汐通道- 沙嘴地貌体系发育良好，南部海岸以沙嘴、 海岸沙坝、 陆连岛等地貌类型为特征，拥有典型的珊瑚岸礁和海滩岩，而西部海岸发育了火山海岸和河口三角洲、 沿岸沙堤、 珊瑚岸礁以及向海滨推移的风成沙丘[2, 21, 29]。
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图2 海南岛地貌分区图（据文献[27, 28]） Ⅰ海南岛北部台地平原区: Ⅰ1. 文昌海积平原区，Ⅰ2. 云龙- 蓬莱- 大路熔岩台地区，Ⅰ3. 南渡江中下游河谷平原区，Ⅰ4. 永兴- 临高熔岩台地区，Ⅰ5. 王五- 加来海成阶地平原区； Ⅱ海南岛南部山地丘陵区: Ⅱ1. 琼海- 万宁沿海平原变质岩残丘区，Ⅱ2. 陵水- 榆林沿海平原变质岩山地丘陵区，Ⅱ3. 吊罗山- 同安岭岩浆岩山地丘陵区，Ⅱ4. 琼中混合花岗岩山地丘陵区，Ⅱ5. 儋州- 昌化花岗岩变质岩丘陵台地区，Ⅱ6. 海南 岛中部红层地貌区，Ⅱ7. 坝王岭- 南高岭变质花岗岩山地丘陵区，Ⅱ8. 尖峰岭- 牛腊岭岩浆岩山地丘陵区，Ⅱ9. 西部第四纪滨海平原区 Fig.2 Geomorphologic division of Hainan Island，after references[27, 28] |
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图3 海南岛面积- 高程关系曲线 据美国太空署（NASA）和国防部国家测绘局（NIMA）数据，数据下载于中国科学院计算机网络信息中心国际科学数据镜像网站 （http://www.gscloud.cn） Fig.3 Hypsometric curve of Hainan Island （source from http://www.gscloud.cn） |
径流的物质是海南岛海域沉积物的主要来源。海南岛地处南海西北部，近岸海底表层沉积物主要来自于海南岛本土，华南大陆和越南部分河流输送的陆源物质也是周边海域沉积物的重要来源，因此海南近海沉积物具有明显的陆海过渡的沉积学特征[30, 31, 32]。海南岛具有从中部高山区向四周海洋逐渐降低的地貌特点，颗粒物剥蚀率达139.9t/km2/a，全岛剥蚀通量为4.75×106t/a，溶解物侵蚀率超过颗粒物，达159.7t/km2/a，全岛为5.42×106t/a，但低于邻近台湾岛的剥蚀通量[33]。海南岛的河流属于少沙河流，平均含沙量为0.055-0.197kg/m3[34]。尽管如此，在107a 尺度上，沉积物入海总量以104km3计，这对于本区海岸、 陆架、 陆坡沉积体系影响较大。海南岛地区湿润多雨，使得该地化学风化作用相对较强，产生了较高的溶解物通量。这些溶解物随径流进入南海成为水体营养物质的主要来源[35]。
陆架环流携带的细颗粒物质也有一定的贡献。粤西沿岸流携珠江流域物质终年自东北流向西南，一部分进入北部湾，与邻近越南河流的泥沙一起加入到全年逆时针流动的北部湾环流，影响海南岛以西海域的物质沉积； 另一部分向海南岛东南沿岸输运，对该区域的物质沉积也会产生一定作用[36]。受东亚季风影响的南海表层流（包括漂流、 南海暖流、 黑潮南海分支、 沿岸流和不同尺度的水平环流等）也对海南岛周边海域的海底沉积有所影响[3, 31]。生物成因的沉积物（主要是珊瑚礁）对于局部区域的沉积物构成具有重要的贡献[29, 37]，此外火山喷发沉积物和风成粉尘也有少量贡献[38]。
2.4 沉积物输运、 堆积的水动力条件海南岛地处热带北缘，属热带海洋性季风气候[39]。总的气候特点为终年暖热，长夏无冬，雨量充足，干湿分明。年均降水量为1759mm，以台风雨为主，雨季旱季分明，降水主要集中于夏秋两季[39, 40]。全岛有大小河流1500余条，年平均径流量为297×108m3[41]。
海南岛沿岸潮汐属于全日潮型，潮差相对较小，其中东、 南部沿岸为不规则混合全日潮，而西北部海岸为规则全日潮，海南岛东部外海为不规则日潮流，琼州海峡及海南岛南部海区为规则日潮流[42]。海南岛是南海西北地区受台风活动影响较严重的区域，每年7-11月，源自西太平洋和南海的台风和热带风暴事件频发，该地台风具有发生频率高、 强度大和持续季节长的特点[43]。海南岛风浪作用显著，北岸多NE-E向海浪，平均波高0.23-0.40m，最大波高为1.14-1.80m； 东南部海岸浪向多S-SE向，平均波高约0.6m； 西岸风浪较大，多SWW-NW向海浪，平均波高0.8m，最大波高2.4-6.0m[42]。海南岛周边海域环流受季风控制明显（图4），在东北季风期间，海南岛附近海域受到自东向西的沿岸流的影响，流速0.10-0.36m/s ； 在海南岛的东南外海约500m等深线附近有一支南海暖流，流速为0.26-0.41m/s ，流向稳定； 此外，黑潮南海分支，约在1000-1500m等深线附近流经西沙北部海区，折向北，与南海暖流构成一个顺时针环流，流速约为0.41 m/s ； 在西南季风作用下，沿岸流由西向东流，流速增强到0.51-0.77 m/s ，但南海暖流和黑潮南海分支流向不变[44]。
2.5 人类活动影响
人类活动对于海南岛海岸演化有多种影响。20世纪60年代以来，潟湖体系内大面积的土地围垦，使得纳潮盆地面积骤减，整个沙坝- 潟湖体系的水动力条件减弱。例如，根据模型计算[45]得出，海南岛万宁小海口门水道的冲刷能力由于湾内围垦而降低了15％。此后，港口建设、 城市化和旅游资源开发使人工岸线长度增加，自然岸线减少[46]。
海南岛渔业养殖改变了水域环境条件。例如，海南陵水县黎安港和新村港得利于优良的避浪条件，适合发展珍珠养殖[47]。黎安港和新村港潟湖上分布着大量的渔排（图5），渔排是独特的海上养殖方式，过量的饵料投放，以及较弱的潟湖与外海水体的交换能力，导致水体富营养化严重。通过比较历史遥感图像，可知潟湖中渔排数量在过去十几年大面积增加（图5）。这些活动改变了空间开发利用格局，间接影响了海湾沉积环境和生态安全，如红树林、 海草床、 珊瑚礁等生态群落。
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图5 黎安潟湖遥感影像 （a）2001年4月4日（April 42001）； （b）2014年1月21日（January 212014） 来自谷歌地球，其中潟湖中灰色格状部分为渔排 Fig.5 Google imagery of Li-An Lagoon， showing mariculture features |
海南岛海岸地貌以基岩港湾、 砂质海滩、 珊瑚礁、 红树林、 火山地貌为特征（图6）。海南岛近海沉积物具有明显的陆海过渡的沉积特征[30, 31, 32]。表层沉积物的类型可划分为砾石、 砂砾石、 砾石质砂、 砂、 粉砂质砂、 砂质粉砂、 粉砂、 粘土质粉砂、 砂- 粉砂- 粘土等类型。表层沉积物类型由海岸向外呈带状分布，近岸粗，离岸较远的深水区域细（图7）。水动力作用较强的西部近岸部分海域，分布有较多的粗颗粒物质； 而东部近岸，因较大的河流输沙量，也堆积了较多的粗颗粒物质。海南西北和东北部海域由于生物作用较强，堆积了较粗的生物颗粒。
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图6 海南岛海岸地貌类型与分布现状（据文献[24, 28]改绘） Fig.6 Coastal geomorphologic types and distribution patterns of Hainan Island，modified from references[24, 28] |
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图7 海南岛近海海域表层沉积物类型分布（据文献[22]改绘） Fig.7 Surficial sediment types in the offshore areas of Hainan Island，modified from reference[22] |
海南岛东部河流入海物质和由华南大陆沿海输运来的物质构成近岸沉积的主体[48]。在海南岛西部海域，受北部湾环流的影响，由越南、 广西和海南岛西部的多条河流输送的沉积物，以及部分由粤西沿岸流携带而来的沉积物都在这里堆积[49]。海南岛西部东方附近岸外水域潮流作用相对较强，形成了潮流脊和海底沙丘，且海底沙丘有迁移运动[50]。该地潮流沙脊区北缘为现代泥质沉积区[51]。
3.2 基岩海湾与河口湾海南岛海岸海湾和河口湾众多[22, 52]（主要港湾位置见图8）。这些海岸体系按其成因多数属于原生湾，由于全新世海进而形成，后期受波浪、 潮汐等水动力改造。海南岛基岩海湾多分布于北部和东部地区，如洋浦湾、 澄迈湾、 冯家湾、 潭门港湾和乌场湾等。洋浦湾是一个典型基岩港湾，玄武岩台地和湛江组台地环绕，全新世海侵时期淹没了谷地，形成现今的洋浦湾[37]。
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图8 海南岛主要海湾、 河口湾分布 据美国太空署（NASA）和国防部国家测绘局（NIMA）数据， 数据下载于中国科学院计算机网络信息中心国际科学数据镜像网站（http://www.gscloud.cn) Fig.8 The distribution of major bays and estuaries in Hainan Island（source from http://www.gscloud.cn） |
海南省河口湾主要有铺前湾、 博鳌港湾、 龙湾、 崖州湾等，其形成方式有两种。一是河谷地区在海进时期被淹没而形成，如铺前湾位于铺前- 清澜南北向断裂带，冰后期琼北奥凹陷区被海水淹没，成为琼州海峡南部的近岸水域，此后南渡江三角洲向北淤积和扩展，近岸水域被分隔开来，在三角洲的东、 西两侧分别形成海湾水域。湾内除受琼州海峡东部海区风浪和流场影响外，还受海湾沿岸地形的影响，北向、 东北向和西北向风浪是其岸滩塑造和沿岸漂沙输移的主要动力。东部岸滩沿岸泥沙从湾口向湾顶输运； 西部岸段由南渡江三角洲松散物质组成，南渡江东部三角洲为铺前湾泥沙来源，在北向风浪作用下，沿岸泥沙向湾顶运移[21]。其二是河口区域被沙坝分隔形成的半封闭海湾。以万泉河口的博鳌港湾为例，冰后期早期万泉河口外海滨还是一片开敞水域，是河流径流、 潮流和波浪交互作用的地带，河流输沙在正门岭向北形成沙嘴，因波浪和潮流影响，沙嘴末梢向西弯曲。 此后，在沿岸流和河流输沙堆积作用下，河口外海滨水深变浅，先后发育了边溪沙和东屿岛两大沙洲，入海河道因此分叉，径流和潮流分流，波浪作用减弱。由于万泉河口盛行东南风浪，沙嘴继续向北延伸，与北岸沿岸输沙形成的沙嘴将河口分隔成半封闭水域，即博鳌港湾[53]。
海南岛海岸港湾的沉积动力过程主要与波浪和潮汐作用相联系。河流供沙较少的地方常形成潮汐汊道体系。海南岛潮汐汊道按其成因可分为3种类型: 一是沉溺谷地，这类港湾规模较大，水域面积达101km2量级，如榆林港和清澜港等； 二是构造断裂带或软硬岩层交接地带，这类港湾规模亦大，如东寨港和洋浦港； 三是沙坝潟湖体系，这类体系在海南岛港湾普遍发育，如三亚港、 新村港、 黎安港和博鳌港等[20, 54]。海南岛大多数海湾潮汐作用较弱，海南岛东部和南部海岸平均潮差约为1m，西部和北部海岸潮差为1-3m[55]。除少数潮差较大的潮汐汊道外（如洋浦港），一般只有在口门地区潮流较为显著，成为维持过水断面的主要因素[56, 57]。在沙坝潟湖体系中，纳潮海湾内的潮流微弱，输沙能力低。在多数情况下，波浪输沙在潮汐汊道系统起主导作用，形成了沿岸沙坝、 沙嘴、 潮流三角洲等堆积体。洋浦港的例外情况是由于该区潮差较大（最大潮差达3.6m）、 纳潮海湾面积较大（50km2）所致，湾内外的沉积物分布受到了潮流的影响[58]。即便如此，洋浦港口门外的海蚀崖和砂质海滩的形成仍表明，波浪在岸线附近起主导作用。
河流供沙较丰富之处可形成河口及三角洲沉积。例如，南渡江河口三角洲是南渡江提供的径流泥沙（部分海岸来沙）与琼州海峡特定的水流波浪动力条件相互作用的结果。南渡江河口潮汐较弱，口外波浪作用具有一定的强度[55, 59]。南渡江河口表层沉积物以砂为主，沉积物分布自陆向海可划分为: 1）波控区（河口地区10m以浅的近岸区域，呈与岸线平行的带状分布，其表层沉积物以粉砂质砂为主）； 2）径流- 潮流堆积区（位于入海口附近，随着水深的增加，径流作用逐渐减弱）； 3）台风或风暴潮控制区（开敞程度高的近岸区域）[12, 60]。常态作用下，海南岛河口主要以径流- 潮流共同控制的沉积模式为主，波浪、 径流和潮流以及潮流控制的沉积模式呈带状分布[12, 61]。
海南岛一些港湾还有红树林湿地分布。虽然红树林倾向于在波浪作用微弱的环境发育，但相对于其他地区而言，海南岛红树林湿地波浪作用是较强的[62]。红树林的底质以泥质沉积为特征。
3.3 砂质海滩海南岛砂质海岸岸线超过540km（见图6 ，主要分布在东北部、 东部和西部）。东北部为海口市的新海至文昌县的木栏头，东部为木栏头至万宁县的乐南村，西部为儋县的白马井至乐东县莺歌海，以及莺歌海至九所一带[63]。侵蚀型海滩的比例最大，达到43.97％，稳定型海滩占29.5％，堆积型海滩最少，占26.52％。本区砂质海岸一般宽101-102m ，长度可达101-102km量级，被基岩岬角所阻断，物质以粗、 中、 细砂为主。海南岛砂质海岸一般包括滨岸带的沙堤、 海滩、 水下沙坝和浅滩等地形[22]。 海南岛砂质海岸是在全新世海面上升过程中，波浪、 海流从陆架区携带沉积物向岸输运以及河流输入的陆源沉积物共同作用的结果[3, 21, 55]。海岸地貌多为沙坝与潟湖海岸，沙坝上可叠置发育海滩、 沙堤及沙丘，随着海岸加积展宽或地壳上升，老的沙坝形成海积阶地。砂质海岸岸线平坦浅缓，例如北部南渡江三角洲平原、 东部文昌、 琼海与万宁等地大部分海岸，西部昌江与东方等地大部分海岸； 南部的一些开阔海湾中也发育了海积平原与沙坝潟湖海岸，如三亚湾、 保平湾等处[20]。
海南岛海滩的主要动力因素是波浪。这里的海岸面临开阔外海，风浪作用显著； 台风登陆时，暴风浪对海岸作用时间虽短，但往往成为具有决定意义的动力因素[21]，例如莺歌海附近海岸的沙体推挤和海滩岩的移动就与风暴作用有关[63]。局部地区还有纯净的珊瑚礁碎屑形成的海滩。此外，本区风对海岸作用显著，形成了一定规模的海岸沙丘[2, 64, 65]。
3.4 珊瑚礁海南岛沿岸珊瑚礁断续分布（图6），主要分为潟湖岸礁（如东南岸陵水新村潟湖）和离岸岛礁（如东岸万宁大洲岛、 南岸的亚龙湾和三亚湾等），珊瑚礁岸线约占全岛及离岛岸线的11.5％[66]。海南岛岸礁整体上发育规模小，礁相沉积物厚度薄（礁体厚度一般小于10m），成熟度低，以东岸和南岸分布最大，万泉河以北的琼海文昌毗邻区岸礁分布较连续且规模较大，长度达30km。
20世纪30年代我国学者已开始海南岛珊瑚礁的研究。 60年代以前，主要从生物学角度调查了海南岛岸礁的属种、 结构和生长速率等； 60年代以后，逐渐开展了对珊瑚礁动力地貌和沉积学相关的研究[67]。各岸段礁体所处的环境条件特别是水动力环境以及基底地形和底质的不同使得宏观剖面呈现不同的特征。整体上岸礁礁坪及其沙砾堤一般呈带状沿海岸分布，滨外岛礁则沿海区流场轴线延伸分布。东部岸段，由于寒流侵袭和东北季风强度大，风生流搬运作用较强，礁体可被陆源硅质碎屑沉积物所掩埋。海南岛珊瑚礁特殊性之一是存在潟湖岸礁的分布，潟湖岸礁的分布区水体能量较低，礁体剖面构成物质主要是生物碎屑而不是巨大的骨骼体，且陆源碎屑比重较大。近几十年来人类活动加剧使得入海泥沙通量增加，水体富营养化加剧，造成了海南岛珊瑚礁的退化[68]，如海南三亚鹿回头岸礁覆盖率从1960年的80％-90％下降到2009年的约12％[69]。
3.5 火山海岸与玄武岩台地火山海岸是指沿火山锥、 火山口和喷溢带所发育的海岸。海南岛北部在第四纪时期发生了多期火山熔岩喷发，沿岸形成了隆起的玄武岩台地和低洼谷底的起伏地形[18, 21]。海南岛的火山海岸，主要分布在儋县、 临高县岸段及澄迈、 琼山局部岸段，长度近200km（图6）。海南岛的火山海岸按成因大致可以分为三类: 熔岩流海岸、 火山碎屑海岸和火山体海岸[18]。海南岛的现代火山海岸主要是沿着全新世火山活动带发育的，多为裂隙多孔喷发，沿岸都是由火山玄武岩类构成向北突出的岬角岸段，分割近岸海域，从而形成一系列大小不一的港湾。火山海岸的发育受到构造内动力、 波浪、 潮流、 风化作用等外动力以及生物作用的影响，在沿岸形成了海滩、 海蚀崖、 海蚀柱及海蚀平台等海岸地貌[18, 20, 64]。海蚀崖剖面物质由气孔状的玄武岩、 火山角砾岩、 凝灰岩以及含火山灰的海相砂岩等相互覆盖形成[18, 21]。由于火山喷发，海岸附近的浅海相沉积可被抬升至海面之上的较大高度[19]。
3.6 陆架沉积体系海南岛陆架沉积体系的研究主要集中在海南近岸陆架、 莺歌海盆地、 北部湾盆地及琼州海峡等区域，这些区域构成了南海北部陆架西侧的主体。海南东侧陆架沉积物主要通过沿岸流自南向北输运[70]。海南岛西侧陆架沉积物主要向西北或西方向输运[71]。海南岛东侧及东南侧存在季节性上升流[72, 73]，陆架水体存在低温、 高盐和高密度差异等典型的上升流特征[72]。海南东侧、 西侧和近岸陆架沉积物岩性主要为长英质岩石而不是镁铁质岩石[74]，该区域由内陆架向外陆架延伸，粉砂含量逐渐增加，砂和粘土含量逐渐减少。东侧陆架沉积物砂含量较高，泥含量较低，近岸陆架砾石和粘土含量较高[74]。海南陆架表层沉积物中四种粘土矿物分布特征如下: 海南西侧陆架沉积物中蒙脱石含量较高，南侧和东侧陆架相对较低；海南东侧陆架沉积物中伊利石含量最高，南侧其次，西侧含量最低； 海南东侧陆架及北部湾近岸区域高岭石含量较高，南侧和西侧陆架高岭石含量相对较低；海南南侧陆架绿泥石含量较高，东侧和西侧含量相对较低[75, 76]。海南西侧陆架沉积物蒙脱石高含量区基本分布在红河三角洲区域，为红河输入所导致[75]。珠江河口和海南东侧陆架区高含量高岭石和低含量蒙脱石特征[76]是黑潮分支[77]与海南东侧陆架左旋环流[70]共同作用的结果，在此动力格局下，珠江沉积物入海后在珠江河口和海南东南侧之间的区域发生堆积[76, 78]。
莺歌海盆地第四纪物质来源于红河和海南岛。通过钻孔的锆石U-Pb地质年代学和沉积物物源分析得出莺歌海上中新世至全新世的沉积物主要来源于红河上游的扬子克拉通[79]，而结合地震剖面数据发现莺歌海盆地存在海向前积反射结构的斜坡层理，是由红河和海南岛来源的沉积物在向海输运过程中形成的[80]。
北部湾表层环流主要受季风、 潮流和海湾外的海流控制[81, 82]，表现为全年逆时针方向流动[83]。潮汐导致全年通过琼州海峡向西至北部湾的输运大约为0.2Sv[84]，这是北部湾形成气旋式环流[85]的主要因素。北部湾沉积物主要由红河和周边小河的陆源输入[75, 86, 87]，此外400km之外的珠江物质也会沿着西北方向通过琼州海峡到达北部湾[88]。北部湾近岸区域表层沉积物物质组分表现为粉砂为主（65％-75％），其次是粘土（22％-29％），砂含量最少（1％-5％）[82]。北部湾东部75个表层样的粒度分析和粒径趋势分析显示存在两个明显的沉积中心——琼州海峡西侧和海南岛西部沿岸[71]。
琼州海峡虽然潮差较小，但是受到北部湾全日潮波和南海北部半日潮波的相互影响，潮流非常强而且是东西向的往复流[84, 89]。其表层流速最大可达3m/s ，底部水流流速可达2m/s [90]。关于潮流类型，一种观点是潮流由一个向东的落潮流和一个向西的涨潮流组成，而且落潮流比涨潮流强[90, 91]，另一种观点是向东、 向西都存在涨潮流和落潮流，因此共有4种潮流组合，而且向东的潮流总是比向西的潮流强。根据数值模拟结果，全年余流明显向西，其最大速度为0.1-0.4 m/s [84]，只有西南方向的风足够强时，水流才会向东流动[82]。全年受季风影响，琼州海峡区域的沿岸流冬半年向西，夏半年向东，最大速度为0.4 m/s [90]。琼州海峡东西两侧形成了巨大的潮流三角洲系统，西侧开口三角洲覆盖面积11000km2，东侧开口三角洲为4000km2，两侧三角洲在8.7 ka B.P. 开始形成[92, 93]。
4 气候、 环境、 生态变化的沉积记录 4.1 沉积记录总体特征和指标海岸带地区演化是各圈层相互作用的结果，这种相互作用必然会对海岸动力、 环境、 沉积地貌和生态系统都会产生重大的影响，这些影响均有可能被保存在沉积记录中。通过选择适当的代用指标进行分析研究，可以重建古气候、 环境、 生态变化。
海南岛海岸地区第四纪地层出露普遍不够完整，沉积物成因类型复杂，生物化石欠缺[94]。第四纪沉积物厚度在100m 左右，主要分布于滨岸带的滨海平原、 河口三角洲平原和北部火山岩台地地区[64]。在近海地区海南岛陆架边缘分布多个沉积盆地记录，如莺歌海盆地和琼东南盆地，它们不仅是目前中国海域的主要产气地，而且还沉积了巨厚的新生代沉积。同时，海南岛生物礁海岸超过总岸线长度的50％，是我国大陆边缘生物礁的主要分布区，通过多学科交叉方式对该地区过去气候和海平面变化进行了较为详尽的研究[1, 17, 67]。此外，海南岛还是受台风、 海啸等极端事件影响较为强烈的地区。由于地处西北太平洋和南海台风频繁经过的岸段，台风侵入不但次数多而且持续季节长，每年约有7个月受到台风影响[43]。
如前所述，全新世时期，海南岛海岸及邻近海域形成了多样化的沉积体系，如砂质海滩、 海湾潟湖泥质沉积、 珊瑚礁生物沉积、 红树林湿地沉积、 火山灰沉积、 陆架与陆坡沉积等。海南岛全新世沉积有一个显著特征，即大量的堆积体缺乏明显的海洋特色，表现为“混杂堆积”，明确属于海洋动力作用下形成的沉积体年龄都较新，不老于2000年[2, 64, 65, 95, 96]。图9 是根据文献总结的全新世沉积的基本特征。在海进和高海面时期（图9A），由于陆源沉积物供给相对较少、 潮汐作用较弱，海岸沉积所受的改造作用也微弱，因此河流和陆地地表过程仍然具有重要影响，形成海洋动力作用信号较弱的混杂堆积，包括潟湖相和滨海相等海相沉积，以及洪积相和河流相等陆相沉积（图9A）。在其后的海面稳定、 岸线向海推进（海退）阶段（图9B），物质收入大于支出的状态被保持，堆积体经过长期积累可以达到较大规模。因此，越来越多的沉积物暴露于波浪和风暴作用之下，形成了在海洋作用主导和频繁台风事件共同影响下的典型海岸和陆架沉积，如海滩、 风成沙丘、 潟湖、 沙坝、 潮汐汊道、 珊瑚礁等地貌类型（图9）。此类沉积的年龄较新，说明上述物质收支效应只是到了2000a B.P.之后才显露出来，这与海南岛沉积物供给较少的特征密切相关。
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图9 海南岛全新世沉积层序特征示意图 Fig.9 Schematic diagram of Holocene sequence stratigraphy characteristics on the Hainan Island coast |
珊瑚礁对环境变化极为敏感，其骨骼能够很好的记录环境变化信息； 由于取样方便、 分辨率高，珊瑚礁成为研究热带海洋环境演化的理想材料。国内外学者，利用多学科手段对珊瑚礁进行环境演变研究[97, 98, 99, 100, 101, 102, 103, 104, 105, 106, 107, 108]，揭示了珊瑚礁区的古温度、 古降雨和季风变化等多种环境信息，如采用正热电离质谱方法测定南海诸岛硼同位素的组成和含量，研究南海珊瑚礁区海水的pH值[101]； 利用珊瑚的M线分析海南岛南部沿岸海区珊瑚生长率和海水表层温度的变化[102]； 利用约4400 a B.P. 的珊瑚礁 δ18 O 重建了南海全新世中期东亚季风的年际变化，δ18 O 指示全新世中期冬季温度偏低、 季风偏强，并导致强的海水蒸发和 δ18 O 富集[103]； 基于珊瑚礁Sr/Ca 比指标重建了南海北部 6100～6500 a B.P. 期间的海水表面温度[104]； 利用珊瑚礁Sr/Ca 和 δ18 O 记录，重建了南海北部全新世中期降水变化，结果显示全新世中期该区域的雨季主要发生在冬季和早春时期[105]； 海南珊瑚Sr/Ca 记录显示近百年来冬季风呈现减弱趋势[106]。珊瑚的生长严格地受海平面制约，因此珊瑚礁是指示海平面变化和构造运动过程的极好标志。研究者们利用海面位置指标、 珊瑚稀土元素含量和U系测年建立了海面变化曲线，发现了区域性的海面波动现象[15, 16, 17, 107, 108]。三亚鹿回头珊瑚礁和海滩岩被证实是海面变化研究的重要材料[38, 109, 110]。
4.3 构造与沉积环境变化的沉积盆地记录从地质构造演化史看，南海是经历大陆张裂与分离、 海底扩张和地块碰撞而形成的边缘海盆[111]。南海构造位置特殊，其四周发育了被动、 主动和转换型三大主要的大陆边缘，是构造运动极为活跃的地区[112, 113]。在这种构造下，南海陆架和陆坡上形成了许多沉积盆地，如莺歌海盆地、 琼东南盆地、 北海湾盆地等。这些盆地的沉积记录了大量南海大陆边缘张裂、 海盆扩张演化历史，以及青藏高原隆升和全球气候变化的诸多信息[114]。自渐新世以来，琼东南盆地沉积环境多变，物源存在多源性，物源区显示出原地- 近源- 远源不断扩大的演变特征[115]。琼东南盆地沉积速率变化与邻近区域的构造抬升速率相关[114, 116]。
4.4 极端事件的海岸沉积记录海南岛地区极端事件主要为台风风暴事件、 极端暴雨洪水事件、 干旱事件和地震海啸事件[22117]。海南岛台风事件频繁，且遍布海湾潟湖，沉积环境相对较为稳定，这就为保存台风记录沉积成为了可能，台风沉积可能以粗颗粒的越岸沉积形式或者潟湖内再悬浮形式沉积，并有别于正常沉积条件下的潟湖细颗粒沉积物，通过钻孔分析可识别风暴沉积层[117]。海南岛是全国著名的暴雨中心之一，加上海南岛地区河流水系较短，河床比降大，年径流量分布不均，所以极易形成暴雨洪水，其中以热带气旋引起暴雨洪水的次数最多、 强度最大，但目前有关海南岛地区洪水沉积的研究还很薄弱。尽管海南岛处于东南沿海地震带西南部，是地震活动较为强烈的地区，但不具备发生强震的构造条件，所以历史上有关地震海啸的记载非常少，仅有1605年海口7.5级地震的部分记载，此次地震及其引起的海啸，致部分陆地陷没成海，东寨港便是这次地震沉陷形成的，部分学者对该次海啸事件开展了地质学[118119]和沉积学[120]的相关研究，但有关该地区古海啸的沉积构造特征、 海啸分布和影响范围等研究还十分缺乏。关于全新世的极端气候降温事件，研究者在玛珥湖[121]和珊瑚礁环境中[104]发现了相关的记录。
4.5 沉积记录蕴含的信息和提取方法如上所述，海南岛海岸的滨海平原、 河口三角洲、 潟湖、 海岸沙丘是沉积记录的良好载体，经由对钻孔的结构、 粒度、 矿物、 有机体、 化学元素、 孢粉、 微体古生物，210 Pb 和 14 C 测定，可获取环境演化和生态变化的丰富信息。迄今关于沉积记录信息的提取，通常都采用指标法，即从各项分析中寻找与环境特征相关联的参数，如沉积物粒度、 地球化学、 微体古生物、 年代参数等[122, 123]，其中的一些参数可以起到计算环境特征值的转换函数的作用，因而被认定为有用的指标，例如根据珊瑚礁 Sr/Ca 比指标重建海水表面温度[104, 124]。值得注意的是，指标的建立往往是采用经验公式法。由于指标受到多个因素影响，因此经常是多解的。此外，此类指标较少含有沉积记录形成的过程和机理信息。恢复古环境必须要使用沉积记录中存在的材料，由于过程和机理信息的缺失，要证明当时的环境受控于何种过程是困难的。例如海岸湿地中底栖线虫生物量大，在生态系统中具有重要作用，然而在沉积记录中难以保存线虫遗留的物质，故有关其生态作用的历史难以恢复。
海南岛全新世沉积体系蕴含丰富的沉积记录。为了提取更多的环境演化信息，不仅应重视指标信息，也应建立过程和机理信息的提取方法。从沉积动力学观点来看，这个科学问题有两个方面。第一是通过分析多种现代过程，如全新世海面变化、 河流入海通量、 波浪与台风作用、 海岸带涌升、 潮汐汊道均衡态、 海岸带人类活动等，以正演方式重现全新世沉积的形成、 时空分布、 规模及未来演化趋势。这项工作涉及现场观测分析、 数值模拟、 过程- 产物的物理模型实验等，而且沉积动力学的发展已经能够支持这些研究工作的开展[58, 125, 126]，如对物质来源及输运过程、 地貌演化、 沉积层序形成、 沉积记录保存潜力等问题的探讨。如前所述，虽然近期人类活动很显著，但对于整个全新世时期，人类活动在何时开始大规模发展并影响到海岸沉积，目前研究还不够； 此外，现代过程如何在全新世海面变化影响下演变到目前状态，研究也较少。这说明海南岛地区过程- 产物关系的研究需要加强。 第二是根据过程- 产物之间的函数关系，从沉积记录中提取过程和机理信息，而不仅仅是环境特征的指标。解决这个问题的切入点之一是考虑沉积记录中的组分含量（或总量）特征值。沉积记录是由一系列组分含量（或总量）值构成的，每一个数值都是特定的多个因素作用的结果，因而是当时当地环境下的特征值。层序中的任一特征值，都可能是一果多因的，因为多个因素的不同组合可能导致同一个特征值。然而，当把一系列特征值、 以及多个地点沉积记录纳入同一分析体系时，就有可能在多种条件约束下，找到特定的因素组合，也就是相对于所考虑的特征值的过程和机理。以下我们以海南岛台风事件沉积[117]为例，来具体阐述这一思路。
全球变暖背景下，极端事件呈现日益频发的态势，且极端事件形成机理、 发生规律、 时空特征、 财产损失程度和影响深度广度正呈现出新特点和新变化。海南岛是一个台风影响巨大的区域，来自西北太平洋的气旋和南海地区的热带气旋都可构成威胁。在海南岛博鳌港，风暴增水的发生频率有上升趋势[8]，表明极端事件的重现期不是一成不变的。目前海南岛及其附近海域的极端事件重现期研究较为欠缺，主要以现代观测资料采用外延法获取极端事件重现期[127]，因此极需延长极端事件记录的年限。在这一方面，地层记录中含有丰富的风暴信息，能够从沉积物粒度、 珊瑚礁碎屑组分、 沉积构造等的分析中加以识别[117]。除这些指标外，台风事件强度- 频率关系的确立需要从沉积记录中提取相关信息，包括台风级别、 移动路径、 持续时间、 登陆地点、 台风期间的波浪和潮汐等。对于沉积记录中的任一风暴沉积层，这些因素的可能取值范围是较大的，这个范围可以通过沉积物输运和堆积的数值实验来确定。对风暴沉积层序列重复同一实验，可以获得因素取值范围的时间序列。最后，通过多个地点的沉积层序的分析，可以获得多个因素取值范围时间序列的交集，由于此交集源自多个地点的约束，因此台风事件强度信息的不确定性可望降低。
5 结论在集成前人有关海南岛现代沉积研究的基础上，提出了未来研究方向的建议，主要结论如下:
（1）海南岛海岸及邻近海域形成了独特的全新世沉积体系，包括砂质海滩、 海湾潟湖泥质沉积、 珊瑚礁生物沉积、 红树林湿地沉积、 火山灰沉积、 陆架与陆坡沉积等。由于陆源沉积物供给强度较低、 潮流作用较弱，全新世高海面以来经历了较长时期的沉积物改造，只是到2000a B.P.之后才形成了在海洋作用主导及频繁台风事件共同影响下的典型海岸和陆架沉积。
（2）海南岛全新世沉积体系，可从沉积物过程- 产物关系角度，根据沉积物动力学理论进行定量研究。通过分析多种现代过程，如全新世海面变化、 河流入海通量、 波浪与台风作用、 海岸带涌升、 潮汐汊道均衡态、 海岸带人类活动等，可望以正演方式重现全新世沉积的形成、 时空分布、 规模及未来演化趋势。
（3）海南岛全新世沉积体系蕴含丰富的沉积记录。为了有效地提取这些信息以便应用于气候、 环境和生态系统变化研究，不仅应获取沉积物粒度、 地球化学、 微体古生物、 年代等指标或参数，而且应结合海洋沉积动力过程研究，获得沉积记录形成时的相关过程和机理信息，如物质来源及输运过程、 组分含量或总量特征值、 台风事件强度- 频率关系、 地貌演化等，从而建立沉积记录的正演分析方法。
致谢 中国科学院南京地理与湖泊研究所于革研究员和南京大学地理与海洋学院汪亚平教授对本文初稿提出了中肯的修改建议，谨致谢忱。
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, Zhou Liang, Li Gaocong, Wang Dandan, Yang Yang, Dai Chen, Han Zhuochen, Wang Hui, Tu Jiayu, Yang Baoming Abstract
Recent progress in the research in the Holocene coastal environmental change and the resultant sedimentary systems is synthesized.On such a basis, new scientific problems are identified and proposals for future studies are suggested, from the point of view of the process-product relationships.During the Holocene, a variety of sedimentary systems were formulated in the coastal waters and on the adjacent continental shelves, including sandy beaches, mud deposits in lagoons, coral reefs, mangrove wetland deposits, volcanic ash deposits, and shelf and slope basin deposits.In terms of the temporal evolution, during a long period of time after the sea level reached its high stand, a mixture of sequences with weak marine signals, in response to river input, shelf circulations, and tide-wave induced reworking, were generated; this is due to a relatively small quantity of sediment input and weak tidal currents over the region.The coastal and shelf deposits with strong marine signal were rare until 2000a B.P., when the growth of the Holocene deposits had reached a new stage such that the hydrodynamics for sediment movement started to be dominated by waves and typhoon induced storms.Analyses of the present-day processes, e.g., Holocene sea level changes, river input to the sea, wave and storm action, upwelling at the shelf breaks, tidal inlet equilibrium, and anthropogenic activities, will help establish a quantitative modeling system to simulate the formation, spatial and temporal distributions, as well as the future development of the sedimentary sequences.Furthermore, the Holocene deposits of Hainan Island contain rich information on the past climate, environmental and ecosystem changes.In order to obtain the information, the various indices, from analyses of grain size, geochemistry, micro-organisms and radioactivity for sediment samples, have been utilized.However, in addition to these indices, information on the processes and mechanisms for the formation of the records is also required; the methodology would be to consider the marine sediment dynamic processes that are responsible for material transport and cycling, the material components of the deposit, storm induced deposition features and morphological evolution of the sedimentary environment.