2020, Vol.40
2 广西大学广西南海珊瑚礁研究重点实验室, 广西 南宁 530004;
3 广西大学珊瑚礁研究中心, 广西 南宁 530004;
4 广西大学海洋学院, 广西 南宁 530004)
海滩岩是碳酸钙(主要为文石和高镁方解石)胶结潮间带沉积物形成的一类海滩相沉积岩[1~3]。主要分布在40°N~23.5°S的砂质海岸潮间带区域，呈连续或断带状分布，宽数十米，长数百米至千米，低角度向海倾斜并具有较高的孔隙度[4~5]。正是因为海滩岩发育位置的特殊性(潮间带区域)，所以海滩岩经常用来指示过去海平面的相对位置[5~8]。
海滩岩在记录过去海平面变化及区域构造运动的研究，可概括为以下三类：1)海滩岩记录过去海平面的高程与波动。如余克服和陈特固[9]对广东雷州半岛珊瑚礁区海滩沉积序列的研究，得出1.7~1.2 ka B.P.期间海平面呈现出波动持续上升的特征；Andre等[6]研究了位于巴西里约热内卢瓜纳巴拉湾的距今8100年的海滩岩，根据其高程(现今海平面以下5~7 m)和位置(距现今海滩约100 m)，得出了海滩岩可以指示海侵过程、海岸带变化和海平面的波动。2)海滩岩记录海侵事件。Rajshekhar等[8]研究了印度安达曼群岛-尼科巴群岛区域的距今1540~1350年的海滩岩，认为在时间上对应于佛兰德海侵事件；Kindler和Bain[5]研究了巴哈马群岛的圣萨尔瓦多岛沿岸距今965±60年发育于现今海平面以上1.5~2.0 m的海滩岩，认为其反应了全新世晚期的海侵事件；Caldas等[7]研究了巴西里约北里奥格兰德海岸的珊瑚礁区海滩岩，得出距今1810~1730年的海滩岩高程为-0.2~1.2 m，并基于该海滩岩的年龄和高程探讨了当时的海平面变化特征。3)海滩岩记录构造运动。刘敬合等[10]通过研究涠洲岛北部高出现代平均海面的海滩岩，得出近3000年以来涠洲岛发生了相对抬升运动；Bi和Yuan[11]研究中国海山岛的海滩岩，认为其指示了该区域的构造抬升与沉降。
北部湾涠洲岛发育并保存了相对完整的海滩岩[12~13]，为淡水渗流作用下低镁方解石胶结所形成[14]，呈条带状低角度向海倾斜，厚度一般在几十厘米到几百厘米不等[13]。前人通过海滩岩中生物碎屑的14C测年，报道了多个年代，如6900±100~1450 a B.P.[15]、3105±166 a B.P.[16]、3100~1660 a B.P.[17]、2120±90 a B.P.[18]、2060±85 a B.P.[16]、1850±90 a B.P.[19]等。其中刘敬合等[10]和叶维强等[16]基于其测定的年代得出近3000年来涠洲岛海岸上升了3~5 m的结论。纵观前人关于涠洲岛海滩岩的研究，一方面得出的海滩岩年代相差甚远，另一方面也很少从海平面变化的角度讨论该海滩岩的地质意义。基于此，本文选择涠洲岛北港保存较好、但研究较少的海滩岩为研究对象，挑选海滩岩中保存相对完好的珊瑚枝为材料，通过高精度铀系测年技术开展年代测定，以避免碳库效应及其校正导致的年代误差，因为近7500年来南海海洋碳库的年代可变化于340~740年之间[20]。希望能够为涠洲岛海滩岩的发育时间及其地质意义提供新的信息。
1 区域地质背景涠洲岛位于北部湾海域中部，离大陆直线距离48 km，呈椭圆形，长约7.5 km，宽约5.5 km[12]。该岛地势南高北低，南侵北堆，平均海拔为20~40 m[15, 21~22]。涠洲岛属于南亚热带季风气候区域，年平均海面温度为24.55 ℃，年平均降雨量为1380.2 mm，年平均海水盐度为31.9 ‰，主要气候特征为季风显著(冬季偏北风，夏季偏南风)，终年存在气旋式环流，无论冬季还是夏季，涠洲岛附近余流都是自东南指向西北[23]，台风等灾害性天气较多[21](图 1)。
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图 1 涠洲岛海滩岩分布图 底图为2018年谷歌地图；图中五角星代表北港海滩岩的位置 Fig. 1 Distribution of beachrock in Weizhou Island. The pentagram in this picture represents the position of Beigang beachrock, and bottom map was from Google Maps 2018 |
该岛处南华亚板块的南端，太平洋构造带与古地中海-喜马拉雅构造带的复合部位[24]。更新世的火山喷发及沉积造就了该岛的物质基础[12]，全岛出露和钻孔所揭示的第四纪地层由早更新世湛江组(Q1z)，中更新世石峁岭组(Q2s)，晚更新世湖光岩组(Q3h)及下、中、上全新统(Q4)组成[12, 15]。涠洲岛新构造运动较为明显，主要表现在第四纪期间产生多次火山活动和地壳升降活动。中更新世至晚更新世期间海底火山活动频繁，有5次以上的基性火山喷发，地壳出现多次间歇性升降运动[15]。
涠洲岛沿岸发育了大量珊瑚礁，其分布岸线长约20 km，分布于北部、东部、西南的2.0~13.4 m水深的海域[25~26]。珊瑚礁是向海岸地带供应生物碎屑的主要物源区，充足的生物碎屑是涠洲岛海滩岩形成的物质基础[25]。
2 研究材料、方法在综合踏勘及参考前人资料的基础上，本文选取了涠洲岛北部北港海滩岩露头为研究对象，观察并记录了其沉积特征和生物组分。北港海滩岩露头区位于涠洲岛北部原北港码头(现已废弃)内东南角(21°04′07.7″N，109°06′55.1″E)，离现海岸约50 m，由于原港口潮汐波浪海水侵蚀海滩岩底部，该处海滩岩露头大部分已经破裂坍塌，在观察范围内仅剩一处产状结构保留完好剖面，大致平行于海岸线分布(走向NE110°)，低角度向海倾斜(倾向NE20°，倾角4°)，东北-西南长度不足2 m，高约1.5 m。风化面呈深灰色，新鲜面呈浅黄色，主要由陆源碎屑石英砂及生物碎屑中的鹿角珊瑚等枝状珊瑚碎屑所组成(直径约0.8~1.2 cm，长轴粒径2~5 cm不等)。
按照其整体结构自下而上可以分为8层(图 2a)。
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图 2 涠洲岛北港海滩岩沉积剖面图(a)和挑选测年样品打磨前(b)后(c)的照片 Fig. 2 Profile of the studied beachrock at Beigang Village, Weizhou Island (a), and an example of the U-series dated Acropora sp. sample from layer 4:original branch (b) and the polished material for dating (c) |
层1下部未见底，出露厚度约15 cm，质地较为疏松，可见胶结程度很弱。其成分主要以砂为主，石英砂的含量占碎屑含量的90 %，其余10 %为生物碎屑，其中鹿角珊瑚枝约为9 %，其他贝壳等介壳类生物碎屑为1 %，碎屑的分选较好，磨圆好，局部平行层理特征较为明显。
层2受潮汐侵蚀严重，已向里凹陷至40 cm不等，内部结构保存较好，沉积层位厚8 cm，其主要成分为石英砂，很少见到生物碎屑。
层3、4、5和6厚度依次增大，整体呈现出水平的平行层理。其中，层3厚度为4 cm，碎屑的主要成分为陆源碎屑石英砂和生物碎屑鹿角珊瑚枝，石英砂含量约为30 %，珊瑚枝等生物碎屑含量约为70 %，珊瑚枝粒径平均为0.5 cm，长轴长2~10 cm不等，分选一般，磨圆较好，碎屑间胶结较好；层4厚度为8 cm，陆源碎屑石英砂含量约为35 %，珊瑚枝等生物碎屑含量约为65 %，珊瑚枝粒径平均为0.7 cm，长轴长2~4 cm不等，分选一般，磨圆较好，碎屑间胶结较好；层5厚度为15 cm，陆源碎屑石英砂含量约为20 %，珊瑚枝等生物碎屑含量约为80 %。珊瑚枝的粒径平均为0.8 cm，长轴长约为2~4 cm不等，胶结良好，磨圆较好；层6厚度明显增大约为20 cm，陆源碎屑主要由石英砂构成，含量约为20 %，生物碎屑主要为枝状鹿角珊瑚为主，含量约为80 %，分选好，珊瑚枝平均粒径为1.0 cm，长轴长2~5 cm不等，珊瑚枝的含量呈现出自下至上逐渐变少的韵律变化，且上方与层7交界处存在厚度约为3~5 cm不等的细砂层。
层7厚度较层6比减小到15 cm，整体呈现出还未完全固结，碎屑中陆源碎屑石英砂的含量增加至35 %，珊瑚枝的生物碎屑含量约为65 %，上方存在明显的细砂层，厚度约为3 cm。
层8厚度约为10 cm，石英砂的含量约为45 %，土壤含量约为25 %，珊瑚枝等生物碎屑含量约为30 %，中部被风化现象明显，与上方风化土壤层充分接壤，该风化的土壤层厚度约50~60 cm不等，上方已有一年生草本植物生长，植物根系较为发育。
其中层1、4、6和7各取样品2块，每块样品规格大于3 cm×3 cm，室内将每块样品一分为二，一份用于磨制普通规格的岩石薄片，在偏光显微镜(NIKON-ECLIPSE-LV100NPOL)下开展岩石学特征观察。并采取物理喷碳技术制成适用于电子探针设备需求的样品，通过电子探针(JXA-8230)设备对薄片中胶结物成分进行特征元素(Mg、Fe、Sr、Mn、Na等)含量分析(微米数量级微区定量分析)。另一份样品经多次加热-冷冻处理(破坏其胶结结构，使其变松散)，分离其内部颗粒组分。分别从4个层位样品中挑选出表面结构完好保存的珊瑚枝(图 2b)，通过打磨获得核部洁净的珊瑚(图 2c)用于矿物分析和铀系年代测定。铀系测年工作在澳大利亚昆士兰大学完成，详细程序见相关文献[27~28]。
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图 3 涠洲岛海滩岩沉积柱状图 Fig. 3 Ages and the sedimentary details of the beachrock at Beigang Village, Weizhou Island |
北港海滩岩露头区的相对海平面高程测量采用中海达(V30)仪器，参照国际高程基准，其定位平面精度为±2.5 mm，高程精度为±5.0 mm。将其垂直立于层8上表面测出其相对海平面高程为3.12 m，层1上表面测出其相对海平面高程为2.32 m，然后根据各层平均厚度，计算出其他各层顶部相对海平面的高程值如图 3所示。
3 结果 3.1 海滩岩的岩石学特征偏光显微镜下可观察到珊瑚、有孔虫、瓣鳃类及腹足类等生物碎屑，石英砂等陆源碎屑(图 4)。
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图 4 涠洲岛北港海滩岩镜下特征(单偏光) (a)北港层1岩石薄片；(b)北港层4岩石薄片；(c)北港层6岩石薄片；(d)北港层7岩石薄片 Fig. 4 Micro-characteristics of the deposited bioclasts from the beachrock in Weizhou Island. (a)The thin section of the first layer sediment of Beigang beachrock; (b)The thin section of the fourth layer sediment of Beigang beachrock; (c)The thin section of the sixth layer sediment of Beigang beachrock; (d)The thin section of the seventh layer sediment of Beigang beachrock |
层1陆源碎屑占碎屑含量的70 %，少量生物碎屑珊瑚、腹足类及有孔虫占碎屑含量15 %，未见明显胶结特征(图 4a)，颗粒磨圆较好，孔隙多为粒间孔，少量生物格架孔，孔隙度可达40 %。
层4生物碎屑含量增多，主要为珊瑚，有孔虫及腹足类生物，整体约占碎屑的70 %，有孔虫为货币虫属(Nummulites)有孔虫，正交光下可见由放射状分布的方解石晶体结构产生明显的消光带。陆源碎屑较少，约为15 %，碎屑颗粒磨圆较好，颗粒之间紧密接触，孔隙多为粒间孔和生物格架孔，少量生物钻孔及溶蚀孔(图 4b黑色框内)，在生物格架孔内可观察到明显的示底构造，且腔孔内填充陆源碎屑及亮晶方解石，孔隙度明显降低，约为20 %，可见粒状结构的方解石呈等轴生长，具有斑块状嵌晶结构，胶结程度较好(图 4b白色框内)。
层6生物碎屑含量约占整体的75 %，瓣鳃类及腹足类生物碎屑增多，偶见棘皮动物海胆纲单个海胆棘刺横切面，其直径约为0.2 mm，正交光下可见其与周围亮晶胶结物保持光性连续性(图 4c白色框内)。陆源碎屑多填充生物格架孔隙，局部可见生物格架孔内示底构造。胶结物多为叶片状结构，填充粒间孔隙(图 4c白色框内)。
层7生物碎屑含量约占整体的60 %，其中珊瑚碎屑含量较层6降低，有孔虫含量升高，约占碎屑含量的10 %，可见货币虫属及刀马虫属(Peneroplis)，刀马虫属巨大的无孔瓷状钙质隔壁表现出琥珀色-微红色的特征。孔隙多为粒间孔隙，其孔隙度可达15 %，可见生长在生物碎屑周围的叶片状方解石和粒间粒状方解石胶结物(图 4d白色框内)。
对薄片喷碳处理后在电子探针设备下对碳酸盐胶结物的主要元素成分及含量测定，测定结果如表 1。结合碳酸盐岩胶结物矿物成分、形态和氧化物含量分析表中数据可知，该碳酸盐胶结物的主要成分为低镁方解石。首先，低镁方解石中含有相对较高的钙含量，其CaO的质量分数均值为51.073 %，大于30.40 % (白云石中CaO的质量分数[29])；其次，低镁方解石具有镁方解石的形态特点，多为等轴粒状及叶片状的形态，从实验室偏光显微镜下观察该胶结物的形态多为等轴粒状、叶片状等结构，符合镁方解石的特点；最后，低镁方解石具有相对较低的镁含量，其MgO的质量分数均值为0.547 %，换算成MgCO3的质量分数约为1.1487 %，小于1.2 % (高镁方解石与低镁方解石的分界值[29])。综上所述此碳酸盐胶结物的判断结果应为低镁方解石。
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表 1 胶结物中的主要元素含量 Table 1 Concentrations of the main elements of the cement of the studied beachrock |
测年数据指示涠洲岛北港海滩岩内珊瑚枝的年龄为1780~836 a B.P.，平均为1218 a B.P.，样品数为4，其中层1珊瑚枝为1780±42 a B.P.，层4珊瑚枝为1342±62 a B.P.，层6珊瑚枝为836±20 a B.P.，层7珊瑚枝为913±12 a B.P.(表 2)。本研究所测年龄均指距公元2017年。
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表 2 涠洲岛珊瑚礁区海滩岩测年数据(距公元2017年) Table 2 The isotopic data and U-series ages for the coral branches in the beachrock, Weizhou Island(before 2017 A.D.) |
近年来铀系测年技术在全新世珊瑚礁的年代学研究中得到了广泛应用[30~31]。相较于14C定年方法，铀系测年技术往往具有更高的精度和准确度[32]，应用广泛[33~34]，且不受碳库效应所制约[35]。但前人关于海滩岩的年代测定基本上都是采用14C测年方法，测年材料或用全岩或用其中的生物碎屑，本研究采用铀系定年技术对海滩岩中珊瑚枝定年是一次新的尝试。海滩岩的测年一直是一个难题，因为海滩沉积物是不同时期、不同来源形成的沉积物混合体，因此若以海滩岩全岩为材料所获得的年代必然是不同沉积物年代的综合体；以其中的生物碎屑为材料所获得的年代能够较好地避免不同年代沉积物的混合问题，但生物碎屑本身即是不同时期的产物，有的生物碎屑很老，有的则很新，不同生物碎屑的年代可能相差甚远，因此生物碎屑年代的代表性及其与海滩岩年龄之间的关系也相当复杂。
理论上讲，海滩岩胶结物的年代能够比较好地代表海滩岩形成的年代，但一方面胶结物本身可能也会发生再成岩作用而改变，进而影响其年代，另一方面从海滩岩中分离胶结物的技术似乎并不成熟，分离出来的胶结物常常依然混合了所胶结的沉积物，相关的文献并不多[1]。本文探索性地利用铀系方法测年，一方面可避免前面谈到的碳库年代校正引起的年代不确定性问题，提高年代的精度[35]；另一方面，所选用的材料珊瑚枝，是基于其表面细微结构保存的完好程度而挑选的，一般来说这些细枝状的珊瑚枝表面结构保存得越完好，则表明其被搬运的次数就越少，从形成到搬运沉积之间的年代间隔就越短[27]，在海滩岩沉积物中的年代可能就最新，也就能比较好地代表海滩岩形成的年代，因为从珊瑚枝沉积到胶结成岩往往在非常短的时间段内即可完成，海滩岩的固结过程短的仅20多年[1]。例如海南岛南部小洲连陆沙洲就是在1950年后才有的海滩岩的发育，于1970年形成连陆洲，这说明海滩岩可以在短短20年内发育成熟[36]。本文铀系测年的各项指标(表 2)表明所用珊瑚枝相对新鲜，基本上没有发生矿物成分的变化，即没有发生成岩作用，因此其铀系年代数据是可靠的。虽然珊瑚枝的铀系年龄反映的是珊瑚生长时的年龄，但珊瑚枝的表面结构表明其从生长到被折断、搬运、堆积(至潮间带)、被胶结所需的时间可能并不长，因此，涠洲岛海滩岩中珊瑚枝的年龄可近似代表海滩岩的最大形成年龄。
4.2 涠洲岛海滩岩的沉积环境和成岩环境从国内外报道的海滩岩的沉积环境来看，海滩岩主要形成于潮间带环境[1~3]，如中国涠洲岛[15]、澳大利亚大堡礁[37]、印度马纳尔湾[38]等地区。涠洲岛海滩岩内含有大量的珊瑚碎屑枝(如鹿角珊瑚等(长轴粒径约为2~5 cm不等))，以及贝壳、有孔虫、腹足类及瓣鳃类等生物碎屑，反映了海滩岩的物质主要来源于临近的珊瑚礁区的海洋环境。依据前已述及的平行海岸带分布、低角度向海倾斜且呈水平平行层理的沉积构造特征及发育位置来判断，涠洲岛的北港海滩岩也应该发育在潮间带：海滩岩中的碎屑物应来自于潮下带的珊瑚礁坪，低角度向海倾斜的海滩有利于留存潮汐冲刷带来的生物碎屑，海滩岩的物质组成成分和沉积构造与当今的潮间带海滩松散沉积物质组成成分极其相似，且北港的鹿角珊瑚枝的分选，磨圆较好，反映了海滩岩内的沉积物经过了海水的反复淘洗，符合潮间带沉积物的发育特征。所以，可以说明北港海滩岩的形成是当时位于潮间带松散的生物碎屑沉积成岩。综合而言，涠洲岛海滩岩应该是珊瑚礁沉积物破碎后，经过海水搬运、淘洗，最终在潮间带沉积胶结成岩。
结合电子探针数据分析该胶结物为碳酸盐低镁方解石矿物，本实验碳酸盐元素含量中，铁锰元素含量较高，镁元素含量较低，其含量分布结果显示与大气淡水含量分布相一致[39](图 5)。从胶结物的形态上，生物碎屑周围的等厚环边叶片状胶结物及等轴粒状结构的方解石是淡水环境最常见的胶结物类型[29]。同时，淡水潜流环境的流体具有变化的碳酸钙饱和程度和变化的结晶速度，因此会导致在方解石中的分配系数变化较大的锰、铁元素在方解石的含量发生变化，所以通常具有较高的铁锰含量[29]。而本研究中具有较高的锶元素含量，高于大气淡水中锶元素的相对含量，其来源可能是粘土、硅质沉积物等受淡水溶解后，提供了大量的锶源，导致实验测得锶元素含量较高；同时海水中具有较高的锶元素含量[29]，所以可以说明潮间带海滩松散沉积物经海水反复冲洗，同时在大气淡水共同作用下粘土、硅质等沉积物受淡水溶解后重新结晶为低镁方解石胶结沉积物形成海滩岩。
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图 5 涠洲岛海滩岩沉积环境的元素指示意义 (a)海水条件下碳酸盐沉淀时主要元素含量特征[39]；(b)大气淡水条件下碳酸盐沉淀时主要元素含量特征[39]；(c)本实验碳酸盐沉淀时主要元素含量特征 Fig. 5 The forming environment of the beachrock at Weizhou Island as recorded by the elemental combination. (a)Sea water environment[39]; (b)Atmospheric fresh water[39]; (c)The element distribution of the studied beachrock |
因此，可以认为形成于潮间带海水和大气淡水共同作用下的北港海滩岩，其底板可以指示当时的平均海平面的位置。
4.3 北港海滩岩记录的涠洲岛晚全新世高海平面海滩岩常用来指示过去的海平面位置[1, 40~41]。文献中关于海平面的表述一般有全球海平面、本地海平面、相对海平面趋势等。全球海平面指的是所有地球海平面的平均高度，该高度受大洋盆地容积的变化、大洋水体体积的变化、大洋物质分布的变化等影响，即受控于气候、水文、海洋等因素[42]。本地海平面是指沿海岸相对于陆地上特定点所测量的水位高度，通常是潮汐站所测量的当地海平面高度[43]。而相对海平面趋势则反映了本地海平面随时间的变化趋势，与局部沉降或隆升、沉积速率关系密切[44]，受全球海平面波动、陆地构造升降、风和海洋环流等因素影响[45]。本文研究的海平面，是基于北部湾涠洲岛北港的海滩岩相对于当地现代可形成海滩岩的地点的高程差异，代表海滩岩形成时期的海平面高程与现代海平面高程的差异，为相对海平面的变化趋势。
海滩岩整体上表现为潮间带沉积物的垂向叠加，北港海滩岩出露最大厚度约1 m。这种潮间带沉积物的垂向叠加不是在海平面下降过程中形成的，因为海平面的下降会导致早期潮间带沉积物的暴露或被潮上带沉积物覆盖。构造沉降也可能产生这种沉积序列，但涠洲岛海滩岩指示了其高于现今相对海平面2.32~3.12 m的高程，且有证据表明晚全新世时期海平面高于现今海平面[9]。而海平面的波动上升，不断提供了海滩岩沉积所需的可容纳空间，则会形成这种沉积物的垂向叠加。所以，可以认为北港海滩岩是高海平面下潮间带沉积物胶结成岩的产物。
有证据表明该套海滩岩指示了晚全新世高海平面的信息。首先由于不同时期相对海平面是变化的，而北港海滩岩的高程相对于现今潮间带理论上可形成海滩岩的高程是不变的。北港海滩岩层1顶部珊瑚枝测年数据为1780 a B.P.，现今高程为2.32 m；层4珊瑚枝测年数据数据为1342 a B.P.，现今高程为2.52 m；层6珊瑚枝测年数据数据为836 a B.P.，现今高程为2.87 m；层7珊瑚枝测年数据数据为913 a B.P.，现今高程为3.02 m；层8顶部现今高程为3.12 m。而如今涠洲岛北港潮间带处可形成海滩岩的海滩沉积底部的现今相对海平面高程为1.41 m，顶部的现今相对海平面高程为1.96 m，其沉积高度约为0.55 m。平行海岸线呈断带状分布，整体为平行层理。其中碎屑包括陆源碎屑和生物碎屑，陆源碎屑中石英砂占80 %，其他为火山弹及生活建筑垃圾等；生物碎屑中以鹿角珊瑚枝为主，含量约90 %。其中珊瑚枝粒径平均为0.4 cm，长轴长2~3 cm不等，磨圆较好。以现今潮间带处可形成海滩岩的海滩沉积的高程为相对0 m高程，则其顶部为0.55 m，根据现今潮间带处可形成海滩岩的海滩沉积的相对海平面高程及本研究海滩岩的相对海平面高程数据，得到北港海滩岩层1顶部相对海平面高程与现今潮间带可形成海滩岩底部高程差值约为0.91 m，北港海滩岩层8顶部相对海平面高程与现今潮间带可形成海滩岩顶部高程差值约为1.16 m(图 6)，即可认为北港海滩岩形成时期至今，相对海平面下降了约0.91~1.16 m。所以得出该套海滩岩指示了晚全新世时期(距今1780~836年)海平面高于现今约0.91~1.16 m。
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图 6 涠洲岛北港海滩岩指示其晚全新世高海平面信息 Fig. 6 The elevations of Late Holocene of Beigang beachrock relative to the modern sedimentary zone where is likely to form beachrock |
关于用海滩岩指示过去海平面高程的不确定性，已有的文献论述并不多[1]。Mauz等[46]认为这一不确定性主要受当地平均潮位(包括低潮位、高潮位)及水深、波浪等因素有关。现场考察发现涠洲岛现代可形成海滩岩的沉积带的分布宽度约1.5~2.5 m，对应的高程变化范围约0.4~0.7 m，或可推测海滩岩记录海平面高程的误差为±0.35 m。
关于珊瑚枝的铀系年代与海滩岩所代表的实际海平面的年代问题，前已述及，涠洲岛珊瑚枝的年龄代表海滩岩的最大形成年龄，因为珊瑚枝从水下生长、折断、动力搬运、沉积至海滩、到胶结形成海滩岩，这显然有一个时间过程。海滩岩形成的真实年龄肯定小于珊瑚枝的年龄，相应的海滩岩所指示的海平面的时间也晚于珊瑚枝形成的年代。但由于目前测定海滩岩形成年代的技术尚不成熟，如14C测年会有同样的问题，并且其年代不确定受测年精度和碳库效应的影响会更大[20, 27]，因此本文探索利用海滩岩中保存完好的珊瑚枝的铀系年代代表海滩岩的年代。测年结果表明，利用珊瑚枝的铀系年代代表海滩岩的形成年代基本上是可靠的，并在很大程度上减小了测年结果本身的误差。此外，海滩岩从沉积到胶结成岩可短至20年[36, 46]，因此有理由推测海滩岩中的珊瑚枝从生长到被胶结成岩所需的时间可能并不长。在有更好的技术测试海滩岩的形成年龄之前，利用海滩岩中保存完好的珊瑚枝的铀系年代大体代表海滩岩的形成年代无疑是一个好的选择，表面结构完好保存的珊瑚枝很大程度上反映了其从形成到成岩于海滩岩中的过程并不长[27]。
其次涠洲岛附近的雷州半岛距涠洲岛直线距离仅约110 km[47]，两地在同一历史时期海平面应该相同，余克服等[9, 48]根据构造相对稳定的雷州半岛灯楼角珊瑚礁区的海滩沉积，得出距今1700年前的海平面比现今高约80 cm，距今1500年前的海平面比现今高约104 cm，距今1235年前的海平面比现今高约128 cm，之后海平面开始下降。所以，构造相对稳定的雷州半岛在距今1700~1235年间的海平面高于现今海平面约0.8~1.3 m[9]。本实验中涠洲岛海滩岩指示的距今1780~836年间海平面高于现今海平面约为0.91~1.16 m，介于0.8~1.3 m之间，二者在晚全新世至今相对海平面高于现今1 m左右的结论上具有一致性。
而关于南海全新世海平面的研究大部分在7.5~4.5 ka B.P.之间[49]，晚全新世时期的数据很少。其中与本文研究结果一致的数据还有南海周缘及更大范围内的太平洋、非洲、美洲等地，如余克服和陈特固[9]2009年总结了国内外学者利用南海周缘的珊瑚礁、海滩沉积、海滩岩、贝壳、牡蛎等重建的2. 1~1. 6 ka B.P.期间的海平面结果(+ 0. 10~2. 03 m)；在更大的范围内，包括太平洋、南部非洲、巴西及美国佛罗里达海岸的珊瑚礁、海滩岩、管虫、孢粉及海岸带附着生物，其记录海平面在2.1~1.0 ka B.P.期间比现代高0.5~2.0 m。
5 结论与展望通过对涠洲岛北港海滩岩的实地考察、珊瑚枝U-Th测年、露头的相对海平面高程测定及元素含量分析，获取了涠洲岛北港海滩岩的产状特征、沉积物成分及含量、胶结物特征及海滩岩中珊瑚枝的铀系年龄。基于上述数据，分析了涠洲岛海滩岩发育时间及其形成时的相对海平面高程，探讨了涠洲岛在晚全新世所经历了海平面的波动变化特征。
(1) 涠洲岛北港海滩岩位于原北港码头内部原地沉积，呈平行海岸线分布，低角度向海倾斜，水平平行层理，未经地层倒转等构造运动的影响。其碎屑包括陆源碎屑和生物碎屑，其中生物碎屑以鹿角珊瑚枝为主，其轴径约1 cm，长轴长2~10 cm不等，珊瑚枝碎屑内部结构保存完好，未经后期成岩作用的影响。沉积时及形成后期地质构造运动不明显。
(2) 结合电子探针元素含量分析得知：北港海滩岩的胶结物为低镁方解石，其成岩环境与大气淡水环境极为相似，但锶的相对高含量指示了成岩过程中经历了大气淡水的渗流作用或海水的冲刷作用，推测出北港海滩岩主要由大气淡水作用下的低镁方解石胶结成岩。
(3) U-Th测年结果显示：北港海滩岩形成于晚全新世时期(距今1780~836年)；其指示的相对海平面高程为2.32~3.12 m，综合年代学及其相对现今潮间带可形成海滩岩的海滩沉积高程数据，结合其沉积特征，得出了晚全新世时期(距今1780~836年)海平面高于现今海平面约为0.91~1.16 m。
致谢: 澳大利亚昆士兰大学放射性同位素实验室承担样品的铀系年代测定。感谢审稿人和编辑杨美芳老师对文章的完善提出了宝贵建议。
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2 Guangxi Laboratory on the Study of Coral Reefs in the South China Sea, Guangxi University, Nanning 530004, Guangxi;
3 Coral Reef Research Center of China, Guangxi University, Nanning 530004, Guangxi;
4 School of Marine Sciences, Guangxi University, Nanning 530004, Guangxi)
Abstract
Beachrock is an important indicator of the sea level in the past period. This paper studied the age and sedimentary feature of the beachrock at Beigang Village, Weizhou Island. Weizhou Island, which is located in the middle of Beibu Gulf, northern part of South China Sea, is at an elevation of 20~40 m. The coastline around the island is about 20 kilometers long, and coral reefs distribute in the north, east and southwest of the island at a depth of 2 m to 14 m. This paper examined the beachrock's sedimentary structure, clastic composition, organic components and relative elevation, and measured its contents of main elements(Mg, Na, Fe, Sr and Mn) using EPMA(Electon Probe MicroAnalysis) technology. The results showed that the cement of the beachrock is LMC(low magnesium calcite), indicating that it was primarily formed in atmospheric fresh water. However, the relatively high content of strontium indicated that seawater also contributed to the diagenetic process.This paper also collected four well-preserved coral branches from the beachrock, and dated them with U-Tu technology. Although the U-Tu age of coral branches represents the age of coral growth, the well-preserved surface structure of the coral branches indicated a series of process growth, breakage, transportation to beach, sedimentation to intertidal zone, and cementing in the beachrock would not last long. Therefore, the ages of coral branches in the beachrock of Weizhou Island can approximately represent the maximum age of the beachrock formation. To avoid any possible interference factors, the coral branches were finely polished before being dated with U-Tu technology. The results showed that the ages of these coral branches- and thus the approximate maximum age of the beachrock-ranged from 1780 a B.P. to 836 a B.P.(years before 2017 A.D.), in the Late Holocene.The elevation of the beachrock was surveyed relative to the modern sedimentary zone, where beachrock is most likely to form. The results showed that the bottom and top layers of the beachrock are 0.91 m and 1.16 m above the modern sedimentary zone, respectively. This paper, therefore, concludes that the sea level at 1780~836 a B.P. was about 0.91~1.16 m higher than it is at present. Considering that the width of the mentioned present sedimentary zone ranges from 1.5 m to 2.5 m, and that the corresponding elevation is 0.4 m to 0.7 m, the paper suggests the uncertainty of the estimated sea level elevation to be ±0.35 m.This reconstructed sea level is consistent with a previous publication from Leizhou Peninsula, which is about 110 km away from Weizhou Island. The geological structure of Leizhou Peninsula has been stable since the mid-Holocene, and the sea level at Leizhou Peninsula was 80cm higher than present(+80 cm) at 1700 a B.P., +104 cm at 1500 a B.P., and +128 cm at 1235 a B.P.In summary, this paper concluded that the relative sea level at 1780~836 a B.P. was about 0.91~1.16 m higher than the present sea level, and that U-series dating of coral branches is a good method for obtaining the forming age of beachrock.