第四纪研究  2016, Vol.35 Issue (1): 57-65   PDF    
基于浅地层记录的海南岛东南部潟湖全新世地貌演化
戴晨, 高抒 , 李高聪, 赵秧秧, 屠佳雨    
(南京大学中国南海研究协同创新中心, 南京 210023; 南京大学海岸与海岛开发教育部重点实验室, 南京 210023)
摘要    海南岛东南部新村和黎安潟湖的4条地震剖面揭示了平均厚度达30m的全新世沉积层, 从中可识别出两个地层层序, 厚度分别为8~20m和5~45m。新村潟湖剖面中发现了2处老珊瑚礁和3处埋藏谷; 根据海湾发育历史和珊瑚礁分布特征分析, 老珊瑚礁和埋藏谷在约6ka B.P.的高海面时期被埋藏。将地震地层分析与海南岛全新世地层分布以及区域钻孔对比信息相结合, 本文提出全新世以来新村和黎安潟湖经历了古河道、浅海或滨海和沙坝-潟湖等环境演变过程。全新世海进淹没本区之后, 海湾南部山丘之间形成与外海相通的水道。此后, 波浪和潮流携带的沉积物在潟湖内堆积, 海湾南部水道被封闭, 并逐渐形成海湾中部的连岛沙坝, 把水域分为两个部分, 其西部为新村潟湖, 东部为黎安潟湖。
主题词     潟湖环境    浅地层剖面    全新世地层    环境演变    海南岛    
中图分类号     P736.14;P315.2                    文献标识码    A

1 引言

冰后期海侵以来,中国沿岸地区发育了一系列断续相间的沙坝或沙嘴,其内侧水域成为半封闭的潟湖水体[1, 2, 3, 4] 。潟湖沉积包含大量全新世环境演变的信息,对于提取相关区域的气候、 地貌演化以及全新世环境信息具有重要意义[1, 4, 5, 6, 7] ,同时能为研究古代潟湖提供识别标志和对比模式[6] 。近年来对于这种潟湖沉积已由表层沉积物的研究过程延伸到垂向层序的分析[1, 2, 6, 7]

海南岛沿岸是我国潟湖广泛发育的地区,有三亚湾、 博鳌港、 新村港、 黎安港、 清澜港、 小海和老爷海等[1, 2, 8] 。20世纪60年代以来,众多学者对海南的潟湖开展了一系列工作[2, 3, 9, 10, 11, 12] ,认为东部的博鳌沙坝- 潟湖体系是在冰后期海侵背景下形成的[11, 12] ,南部的三亚湾中更新世以来形成了数列沙坝,直至全新世海侵淹没了晚更新世海岸线,到达现在位置[2, 12] 。东南部海岸的陵水也属于沙坝- 潟湖海岸,与海南岛南部和东部的其他潟湖相比,对陵水的新村港和黎安港两个潟湖的全新世地层和环境演化的研究甚少,研究程度相对比较低。

浅地层剖面探测技术是一种能够连续探测水下高分辨浅部地层结构与构造的地球物理探测方法,具有能够连续划分水下沉积的横向和纵向地层的优势[13, 14, 15] ,本文利用在海南岛东南部新村和黎安潟湖采集的4条浅地层剖面,在海南岛全新世地层初步研究的基础上,并与邻区陵水新村钻孔资料进一步深入对比分析,探讨新村和黎安潟湖全新世地层层序和环境演化,补充前人对海南岛东南部全新世海平面变化与潟湖演化的认识。

2 研究区概况

新村和黎安潟湖位于海南省东南部陵水黎族自治县(图1)。海岸位于九所- 陵水东西向断裂东侧,并受北东和北西向断裂分割和控制,中生代燕山期强烈的构造活动,多期中酸性岩浆沿东西向断裂构造带喷发或侵入,构成了潟湖南部一系列花岗岩低山和丘陵,如南湾岭、 平头山、 尖峰岭、 六量山、 陵水角和港门岭等一系列山丘[8] 。双湖均为单口门潟湖,平均水深5-6m,湾内水域宽阔,淡水注入量小,其中新村潟湖在北面和西北面有两条小溪注入,入湖水量均大约在1m3/s左右,黎安潟湖无明显径流注入[16] 。新村港潟湖面积约19.43km2,涨落潮三角洲均发育良好,口门处北岸为新村港码头堤岸,南岸为由基岩组成的南湾岭。新村港潮汐汊道长约3-4km,口门里侧深槽长1.3km,有一条深度为10m的冲刷槽,深槽平均水深约4m,口门段长约0.5km,冲刷槽深度达11m,“咽喉”部位宽约0.26km,平均水深5m左右; 口门以外即落潮主水道长约1.5km,位于从南湾岭山脚向西延伸的边缘沙坝与北岸东西走向的沙坝之间,是潮汐汊道中活动性较大的一段,其冲刷槽深约5m,平均水深约3m[17, 18] 。黎安港是一个典型的口小腹大的潟湖,面积约7.92km2,南北最宽约2.82km,东西最长约4.39km,潮汐汊道宽约60m,涨潮三角洲和落潮三角洲均发育良好。黎安潟湖东侧沙坝高度在8-12m左右,宽约200-800m。潟湖南侧口门附近沙坝高度在6-8m左右[16, 17, 18]

图1 研究区位置与浅地层剖面测线、 钻孔分布 Fig.1 Location of the study area and the distribution of the shallow seismic survey lines and cores
3 研究资料和方法

2013年南京大学海岸与海岛开发教育部重点实验室在执行“海南国际旅游岛先行试验区潮汐汊道海湾动力地貌及双湖连通工程选址研究项目”时,在陵水县新村港潟湖和黎安港潟湖进行了浅层地震剖面探测,获得4条地震剖面(图1 中的L1、 L2、 L3和L4),取得了海底以下65m厚的沉积层结构图像。野外探测采用英国GeoAcoustics公司生产的GeoPulse电火花声源浅地层剖面仪,发射频率100ms,发射功率500J。在室内对采集的剖面进行初步处理,使用SeiSee(Version 2.20)软件对采集的测线资料(SEGY格式)进行分析。先从道头文件里生成每条测线的单点经纬度,保存为excel格式,使用ArcGIS把坐标导入到数字底图中,得到每条测线的实际分布,并计算测线实际长度,成图后添加比例尺。然后对滤波,AGC进行调整,去除部分噪点。对时间和波形进行调整,得到合适的图像比例。波形颜色设置为黑色,填充为白色,部分颜色较浅的测线增加图像的灰度。最后把图片保存为JPEG,再在CorelDRAW X7软件中进行数字化解译。

剖面解译根据地震剖面上反射同相轴不同的终止方式(削截、 顶超、 上超、 下超等)识别出主要的地震波反射面,划分地震地层层序,并根据地震相参数(反射振幅、 频率、 内部反射结构、 外部几何形态、 平面分布和相互组合关系等)进行地质解释,识别出剖面中的地层层序[19, 20, 21, 22] 。此外,搜集了海南岛环岛海岸带第四纪地质调查中的崖山铁桥7ZK2孔、 琼山灵山GK28孔、 三亚南红15ZK3孔、 三亚港15ZK1孔、 陵水新村13ZK1孔、 崖城水南一村16ZK2、 崖城水南四村16ZK1、 万宁保定12ZK1、 八所港20ZK2和崖城白坟坡16ZK3等10个钻孔[23] ,将4条地震剖面与邻区钻孔资料进行深入对比分析。

4 浅地层剖面初步分析 4.1 新村潟湖地震地层

新村潟湖获取两条浅层地震剖面L1(起点经纬度 18°25′45″N ,110°0′54″E ; 终点经纬度18°24′40″N ,109°58′5″E) 、 L2(起点经纬度18°24′16″N ,109°59′16″E ; 终点经纬度18°25′48″N ,110°0′57″E) (图1),剖面L1沿NE-SW向横穿新村潟湖北部,剖面L2沿NE-SW向横穿潟湖南部。新村潟湖L1、 L2剖面地震剖面识别出2个主要的地震波反射面(T1-T2)和2个主要的地震单元(U1和U2)(图2图3)。2条剖面中,T1界面为地震相单元U1和U2的界面,T2界面为地震相单元U2和U3界面。地震相单元U1、 U2的几何外形呈披盖式,内部具平行或亚平行反射结构,L1剖面局部反射结构复杂或受干扰而无法识别,反射波振幅中等至较大,反射频率低,连续性中等,U1与下伏U2呈整合接触,底界面起伏较大。L1和L2剖面中地震相单元U3与上部U2单元均呈不整合接触,受信号干扰等因素的影响,未能完整被揭示,但U3单元无明显的反射结构,应为基岩[21] 。根据L1、 L2剖面来看,地震相单元U1位于海底以下埋深约15m以内,厚度为8-15m,最厚处位于潟湖北部湾顶处,地震相单元U2位于海底以下14-53m以内,厚度5-45m,最厚处靠近潟湖中心。L1剖面中,剖面中部存在两处海底起伏,为独立的丘或者透镜体的反射结构,根据野外调查,两处起伏为珊瑚礁(图2)。而在现代珊瑚礁的地层下方,存在A和B两处具有同样反射结构的透镜体,位置(见图1)分别为18°25′13.2″N ,109°59′52.9″E 和 18°25′15.6″N ,109°59′44.9″E ,推测为老的珊瑚礁。A和B两处老珊瑚礁位于新村潟湖中心北侧,分别高12m和15m,宽500m和1000m。L2剖面中,T1界面存在a、 b和c共3个起伏较大的海底埋藏谷(图3),位置分别为18°24′18.687″N ,109°59′52.8″E ; 18°24′19″N ,110°0′4″E 以及18°24′22.4″N ,110°0′13.3″E (见图1),其内部的填充物与上部的沉积物具有相似的反射特征,是典型的埋藏谷[19, 22] 。a、 b和c这3处海底埋藏谷南距椰子塘约2km,分别深5m、 10m和9m,宽320m、 380m和400m(图3)。

图2 新村潟湖浅地层剖面L1及其解译(位置见图1 Fig.2 Shallow seismic profile L1 in the Xincun lagoon and its interpretation(for the location of the survey line,see Fig.1

图3 新村潟湖浅地层剖面L2及其解译(位置见图1 Fig.3 Shallow seismic profile L2 in the Xincun lagoon and its interpretation(for the location of the survey line,see Fig.1
4.2 黎安潟湖地震地层

黎安潟湖同样采集到两条浅层地震剖面L3(起点经纬度 18°25′40″N ,110°3′20″E ; 终点经纬度18°24′35″N ,110°3′49″E) 和L4(起点经纬度18°24′56″N ,110°3′13″E ; 终点经纬度18°26′35″N 和110°3′43″E) (见图1),其中L3剖面横穿潟湖中心直到口门,L4剖面位于潟湖东侧。剖面L3和L4中,T1界面为地震相单元U1和U2的界面,T2界面为地震相单元U2和U3界面(图4图5)。地震相单元U1、 U2的几何外形呈披盖式,内部具平行或亚平行反射结构,局部受干扰或反射结构复杂而无法识别,反射波振幅中等至较大,反射频率低,连续性中等至较差[23] 。L3、 L4的T1界面都比较起伏,不同的是,L3剖面的U1单元与下伏U2单元整合接触,L4剖面的U1单元则与下伏U2单元呈不整合接触。U1位于海底以下埋深20m以内,厚度为10-20m,U1单元厚度分布较为平缓,U2厚度为0-10m,在潟湖中心最厚。L3和L4剖面中地震相单元U2与下部U3单元均呈不整合接触,受信号干扰等因素的影响,局部无法识别,但地震相单元U3内反射结构杂乱,无明显特征,应为基岩[20]

图4 黎安潟湖浅地层剖面L3及其解译(位置见图1 Fig.4 Shallow seismic profile L3 in the Li-An lagoon and its interpretation(for the location of the survey line,see Fig.1

图5 黎安潟湖浅地层剖面L4及其解译(位置见图1 Fig.5 Shallow seismic profile L4 in the Li-An lagoon and its interpretation(for the location of the survey line,see Fig.1
5 讨论

全新世海侵对中国海岸带环境具有重要影响[1, 2, 3, 23, 24, 25, 26] ,海南岛沿岸为受海面上升影响严重区域,相关问题一直受到许多学者的关注,并已在钻孔、 珊瑚礁和海平面变化等方面做了丰富的研究[1, 2, 3, 23, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34] 。珊瑚礁的发育是记录海平面变化过程的极好指标[27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34] ,根据海南岛沿岸珊瑚礁的 14 C 测年显示,海南岛南岸的珊瑚礁在8.0 ka B.P.

开始出现,7.3-6.0 ka B.P. 达到发育的繁盛期,并形成了现代珊瑚礁的地貌格局,后来的珊瑚礁都是在此时期珊瑚礁基础上继续发育的[27, 28, 29, 30] 。珊瑚礁的分布受到全新世海平面变迁的影响,珊瑚礁 14 C 测年数据显示,全新世海平面至少存在过4期高海面时期:7.3-6.0 ka B.P. 、 4.8-4.7 ka B.P. 、 4.3-4.2 ka B.P. 和3.1-2.9 ka B.P. ,其中7.3-6.0 ka B.P. 是全新世第一次高海面时期[30, 33] 。现代新村潟湖在水深3-6m处珊瑚最为发育,珊瑚的属、 种与开阔海岸礁区有所不同[29] 。曾昭璇等[29] 在潟湖的现代珊瑚礁礁体-8 --10m 深处发现了老的珊瑚礁,老的珊瑚礁中保存有Operculina ammeneides 的大壳体,并与海南岛南岸目前礁缘生长带中发育的这种珊瑚保存着相同的壳面特征。说明新村潟湖岸礁发育早期具有目前南岸岸礁相似的水体能量环境,新村潟湖的发育环境有过一个较大的变化过程,从原来较开放的形势逐渐向封闭趋势演变[29] 。L1剖面中的A和B两处老珊瑚礁位于剖面中的T1界面处,现代珊瑚礁体-4 --14m 以深,与曾昭璇等[29] 发现的老的珊瑚礁位置接近,新村北部朝美村、 港圮河口以及桐栖港的珊瑚碎块 14 C 测年数据显示,珊瑚礁形成年代在6.2-4.8 ka B.P. [35]表1)。因此L1剖面中的A和B两处埋藏老珊瑚礁(图2)的发育时间要早于6.0 ka B.P. ,随着海面升高,珊瑚礁向岸生长,由于水体能量环境变化而被掩埋。新村L2剖面中T1界面识别出的a、 b和c共3处埋藏谷位于海底-5 --15m 以深,与埋藏珊瑚礁几乎处于同一深度,结合珊瑚礁种属变化的环境指示,新村潟湖当时可能为开阔的海湾,3处埋藏谷为与南部海域进行水体交换的潮流通道。随着海平面波动,沙坝封闭了平头山和尖峰岭之间的通道,潮流通道被埋藏,之后逐渐演变为如今地势相对较低的椰子塘。

表1 新村珊瑚礁 14 C 年数据[35] Table 1 List of AMS 14 C dating data for the Xincun area[35]

海南岛全新世平均厚度为23m,海南岛全新世沉积可以划分为下全新统、 中全新统下段、 中全新统上段和上全新统4个地层(图6),自下而上有两个由粗变细的沉积旋回[19, 23] 。其中,下全新统以万宁组为代表,万宁保定12ZK1孔中的埋深30.6m处的蚝壳 14 C 年龄为10.2 ka B.P. ; 中全新统下段以三亚组为代表,三亚南红15ZK3孔和琼山铁桥7ZK2孔的 14 C 年龄显示为8.2-5.0 ka B.P. ; 中全新世上段以琼山组为代表,琼山铁桥孔的 14 C 年龄显示该层形成于5.0-2.4 ka B.P. ; 上全新统以乐东组为代表,时间为2.4 ka B.P. 至现在[23]

图6 海南岛全新世地层剖面及陵水新村13ZK1钻孔柱状图(改自文献[23] ,位置见图1 Fig.6 Holocene strata profile of Hainan Island and 13ZK1 core in Xincun,Lingshui, modified after reference[23] ,for the location of the core,see Fig.1

根据新村和黎安潟湖的4条剖面可以看出,U1和U2地震单元厚度分别为8-20m和5-45m,U1单元加U2地震单元的平均厚度为30m,新村潟湖中心沉积最厚,可达50m。新村和黎安潟湖4条浅地层测线上尚无相应钻孔,故参考位于陵水新村西部的13ZK1钻孔[23] 对地震层序进行分析(图1图6)。钻孔对比海南岛全新世地层结果表明,13ZK1钻孔长27m,底部钻穿花岗岩基岩,全新世沉积直接覆盖在基岩之上[23] 。另外,结合海南岛全新世地层分布,13ZK1钻孔共有4层:H3层为砂砾质,为河流相沉积; H2-1层以砂和粗砂为主,为浅海或滨海相堆积; H2-2层以中砂为主,为海陆交互相沉积; H1层以细砂为主,为沙坝堆积[23] 。结合13ZK1钻孔分析结果以及新村潟湖剖面中识别的A和B两处老珊瑚礁,另外a、 b和c共3处埋藏谷的初步结果,将新村和黎安潟湖的地震剖面解译的2个主要的地震波反射面(T1-T2)和2个主要的地震单元(U1和U2)与海南岛全新统4个地层界面(S1-S4)和4个地层(H1、 H2-1、 H2-2和H3)[23] 进行对比分析,认为T1反射面对应于S3界面,T2反射面对应于S1界面。 由于Geopulse地层剖面仪采集的地震剖面分辨率有限,加上反射信号模糊,未能在剖面上识别出S4和S2界面。因此,可以确定U1单元对应海南岛全新统的H3和H2-2地层,为全新世早期到中全新世早期沉积,U2单元则对应H2-1和H1地层,为全新世晚期到晚全新世沉积。根据层序地层分析以及所获珊瑚的14 C 测年结果[35] ,认为新村潟湖中的老的珊瑚礁和埋藏潮流通道为6 ka B.P. 左右被埋藏。

综合13ZK1钻孔[23] 以及邻近区域的三亚和博鳌等潟湖演化历史[2, 3, 10] ,全新世以来新村和黎安潟湖可能经历了古河道、 浅海或滨海和沙坝- 潟湖等环境,并推测新村和黎安潟湖的演化历史: 更新世晚期至全新世早期,本区海平面开始上升[8] ,但仍大大低于现在海平面,其南部岸段自西向东展布着南湾岭、 平头山、 尖峰岭、 六量山、 陵水角和港门岭等一系列山丘[2, 8] ,受到南侧的山丘阻挡,研究区仍是谷地,尚未被海水淹没。由于气候开始变暖,陆地和山间河流携带大量粗颗粒在谷底沉积。中全新世早期,新村和黎安地区接受海侵,海水开始淹没谷地,新村和黎安水域通过南湾岭西侧通道、 港门岭北侧开阔岸段和山丘之间的狭道与外部海水交换。波浪和海流将所侵蚀的大量泥沙沿着3处通道搬移到北侧堆积。当海面上升到接近现代海面时,波浪对海滩及其水下岸坡进行不断的塑造,泥沙在波浪塑造下向岸推移。到中全新世晚期,出现全新世最高海面时期,海平面高于现在海平面,岸外沙坝向岸推进,大墩村和走客之间的连岛沙坝逐渐形成,平头山和尖峰岭之间的通道封闭。同时,水域内珊瑚不断向岸生长,老的珊瑚礁被埋藏。全新世晚期,海平面基本保持稳定,泥沙在波浪和潮流的作用下,不断塑造沿岸的沙坝或沙嘴,最终发育形成了现在的新村和黎安潟湖。

潟湖受被封堵海湾的初始地形、 沉积物和内外动力作用等条件的影响,使得其形成与演化不尽相同,今后需对海南岛东南部的沙坝- 潟湖体系进行更为详细的地球物理调查,如浅地层剖面探测和探地雷达等,同时补充工程地质钻孔,获得更全面的地层信息,以期对上述结果进行更进一步的论证。

6 结论

海南岛东南部新村和黎安潟湖的浅地层剖面揭示出研究区在花岗岩基岩上发育了平均厚达30m的全新世沉积层,沉积层中共识别出2个地震单元,厚度分别为8-20m和5-45m。上层单元厚度较为均一平缓,下层单元受基岩面起伏的影响,湖中心厚往四周变薄。新村潟湖的剖面中发现了两处老珊瑚礁和3处海底埋藏谷,老珊瑚礁位于潟湖中心北侧,分别宽分别高12m和15m,宽500m和1000m,3处海底埋藏谷南距椰子塘约2km,埋藏谷分别深5m、 10m和9m,宽320m、 380m和400m。黎安潟湖剖面未识别出珊瑚礁和潮流通道等地貌。

新村潟湖剖面识别的老珊瑚礁与现代海南岛南岸岸礁发育品种相同,潟湖海南岛东南部陵水新村13ZK1钻孔与浅地层剖面结合,指示了海湾环境由开阔形式向封闭趋势转变,而老珊瑚礁和埋藏谷为6 ka B.P. 前后高海面时期被埋藏。全新世以来新村和黎安潟湖经历了古河道、 浅海或滨海和沙坝- 潟湖等环境演变过程。全新世海侵淹没本区之后,海水通过南部的山丘之间的通道进行交换。波浪和海流携带大量泥沙在潟湖内堆积,平头山和尖峰岭之间的通道封闭,同时大墩村和走客之间的连岛沙坝逐渐形成,把山丘北部的水流分为两个部分。西部水域形成了新村潟湖,东部水域形成了黎安潟湖。

致谢 感谢海南省海洋地质调查研究院张匡华、 南京大学殷勇副教授、 贾培宏博士和周连福对于野外数据采集提供的帮助。

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SHALLOW SEISMIC STRATIGRAPHIC RECORDS OF HOLOCENE GEOMORPHOLOGICAL DYNAMICS FROM BARRIER-LAGOONS OF SOUTHEAST HAINAN ISLAND
Dai Chen, Gao Shu , Li Gaocong, Zhao Yangyang, Tu Jiayu    
(Collaborative Innovation Center of South China Sea Studies, Nanjing University, Nanjing 210023; The Key Laboratory of Coast & Island Development of Ministry of Education, Nanjing University, Nanjing 210023)

Abstract

In order to understand the Holocene coastal environmental evolution in southeast Hainan Island, we carried out shallow seismic survey over the Xincun and Li-An lagoons.The four seismic profiles obtained revealed an average thickness of 30m for the Holocene sequences.Based on these seismic profiles, we identified two seismic units with thicknesses of 8~20m and 5~45m, respectively.Further, two relict coral reefs and three buried valleys were present in the profiles of the Xincun lagoon, with the buried channels being around 2km away from the southern shoreline of the embayment, representing old tidal channels linking the lagoon with the open sea.

In combination with the information on the distribution and evolution of the coral reefs along the southern coastlines of Hainan Island, the relict coral reefs and the buried valleys are interpreted as a result of the high sea level period of 6ka B.P.The stratigraphic correlation between the Holocene seismic sequences and the sedimentary record revealed by the cores at the locations adjacent to the study area suggests that the two lagoons had experienced rapid environmental changes since the Mid-Holocene.

Between the Late Pleistocene and Early Holocene, there was a paleo-river valley, which was surrounded by a series of low lying hills in the southern part of the study area, such as Nanwanling, Pingtoushan, Jianfengling, Liuliangshan, Lingshuijiao and Gangmenling.At the early stage of the Middle Holocene, the valley was inundated to form a coastal embayment which was open to sea waves in the east; in the south there were channels linking the embayment and the open sea, including the channels to the west of Nanwanling and between the Pingtoushan and Jianfengling hills.Subsequently, wave and tidally induced sediment transport and accumulation occurred, forming a tombolo within the embayment and, at a later stage, a sand barrier beach in the east.Meanwhile, coral reefs developed previously were buried in sediment.Further sediment accumulation sealed the channel between the low hills.Eventually, the Xincun and Li-An lagoons were formed.In the future, this hypothesis may be verified by detailed core analysis and sequence stratigraphic modeling.

Key words     lagoon environments    shallow seismic profiles    Holocene sequences    environmental evolution    Hainan Island