2020, Vol.40
2 南方海洋科学与工程广东省实验室(广州), 广东 广州 511458;
3 香港大学地球科学系 香港;
4 中国地质调查局武汉地质调查中心, 湖北 武汉 430205;
5 中国科学院南海海洋研究所, 边缘海与大洋地质重点实验室, 广东 广州 510301)
珠江三角洲是珠江水系在汇入西太平洋最大的边缘海——南海的入海口处受陆海交互作用淤积而成，研究珠江三角洲的形成发育过程，对于了解全球变化区域响应具有重要科学意义。学术界关于珠江三角洲的研究已有约百年的历史，但早期因缺乏绝对年代数据，研究进展缓慢，直到20世纪80年代以来，随着14C测年等关键技术的应用和老一辈科学家们的不懈努力，关于珠江三角洲形成、发育和演变的研究逐渐取得许多重要成果[1~3]。但由于三角洲基底地形复杂多变，沉积记录又普遍不连续，致使过去环境演变研究仍然存在诸多未解之谜。例如，珠江三角洲第四纪地层中普遍发育两个海相层，反应至少发生过两次海侵，其中最新一次海侵发生于全新世已毋庸置疑[1~11]，而关于老海相层，鉴于地层的普遍不连续性及现有测年方法在河口地区应用的局限性和不确定性等因素，其到底是MIS3海侵还是MIS5海侵的产物，目前仍然存在争议[4~11]。此外，无论在MIS3还是MIS5期，远场海平面都经历过多次的波动[12~16]，但在珠江三角洲的地层中，相关地质记录却少有报道[10~11]。
2011年由武汉地质调查中心在珠江三角洲中部平原(图 1)钻取的一个长50多米的岩芯中，首次见到6个明显的红色沉积层(图 2)，其中最顶部红色层为典型的花斑粘土层。花斑粘土层一般被认为形成于末次冰盛期(MIS2)低海面期，是珠江三角洲第四系中的一个标志层[1]，那么，其下部的5个红色层又形成于什么年代和怎样的环境下？该问题的解答，或将有助于解决上文提及的一些争议。因此，本项工作针对该岩芯，综合利用沉积学、年代学、地球化学和矿物学等方法，尝试揭示该多旋回地层的形成过程与机制，可为珠江三角洲的古环境演变历史重建提供新的重要依据，为华南沿海地区的海-陆相互作用研究提供新资料。
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图 1 钻孔位置图 Fig. 1 Location of borehole ZK4 in the Pearl River delta |
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图 2 ZK4岩芯照片 ①~⑥代表 6个红色沉积层 Fig. 2 Physical picture of core ZK4. ①~⑥ indicate the positions of six red sedimentary layers |
珠江三角洲位于亚热带季风气候区，受东亚季风气候影响，夏季高温多雨，冬季温凉干燥。三角洲发育于广东省中南部，为西江、北江和东江等在入海口处堆积而成的复合三角洲。三角洲基底因受北西、北东向为主的断裂带切割而呈棋盘状格局。由于地理位置、基底地形的差异，三角洲内第四纪沉积地层厚度差异较大，最大厚度63.6 m，平均厚度仅25 m[1]。
研究钻孔ZK4位于珠江口西岸的三角洲平原核心区，地理坐标22°43′13.98″N，113°23′44.63″E；孔口高程1.50 m。周边地形平坦，西江与北江多支支流在此交汇，河网较为发育(图 1)。钻孔岩芯全长58.50 m，其中3.00 m以上为填土层，55.18 m以下为基岩风化层。前人通过大量的调查研究认为，珠江三角洲内覆于基岩风化壳之上的松散沉积物为晚第四纪以来形成的沉积[1]，据此推测，岩芯包括了花斑粘土层在内的6个明显红色沉积层3.00~55.18 m段为第四纪沉积(图 2)。
2 研究方法从钻孔20 m以上部分挑选6个植物碎屑或泥炭样品(表 1)，送中国科学院广州地球化学研究所和美国Beta Analytic实验室进行了加速器质谱(AMS 14C)测年，结果使用软件Calib 7[17]、校正曲线IntCal13[18]在2σ误差范围内校正为日历年。基于尽可能包含所有类型沉积物的原则，对整条钻孔依地层特征不等间距选取了60个沉积物样品做地球化学分析。样品首先经100 ℃烘干，剔除结核和砂砾，研磨至200目，使用HF+HNO3消解后，采用ICP-OES法测试主元素含量，结果以氧化物的百分比含量表示；采用ICP-MS法分析微量元素含量，单位均为mg/kg。
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表 1 ZK4钻孔AMS 14C测年结果 Table 1 Radiocarbon dates from core ZK4 |
测试过程中用标样及平行样进行质量监控，ICP-OES的分析误差小于2 %，ICP-MS的分析误差一般小于5 %，测试工作在青岛斯八达分析测试有限公司完成。因岩芯下部样品量不足，粒度和矿物学等指标仅测试了埋深33 m以上部分岩芯。粒度分析使用Malvern Mastersizer 3000型激光粒度分析仪进行，分析间距为10 cm，结果以粘土、粉砂和砂的百分比形式表示。此外，从岩芯埋深33 m以上部分挑选41个沉积物样品(挑选原则同化学分析)，在中国科学院广州地球化学研究所矿物室使用X射线衍射法(XRD)测定了其中 < 0.063 μm颗粒的主要矿物组分。粒度范围为0.063~0.125 μm的颗粒经重液分选后，使用显微镜鉴定并统计了其主要的碎屑矿物组成。
3 结果 3.1 测年结果ZK4钻孔的6个AMS 14C测年数据列于表 1。结果显示，岩芯顶部埋深12.56 m以上的深灰色-黑色淤泥质粉砂属全新统；顶部第一红色沉积层(典型的花斑粘土层)之下，埋深15 m至20 m之间的灰色粘土质粉砂层常规14C年龄介于36.66~40.44 ka B.P.间，2σ误差范围内校正的日历年为41.82~44.64 ka B.P.，与以往测得的三角洲内该层位的14C年龄[1, 5, 9, 11]基本一致。
3.2 沉积单元划分珠江三角洲第四系一般被分为4个沉积单元[1]，从下到上分别为黄灰色砂砾或中粗砂层(河流相)、深灰色粉砂粘土层(老海侵层)、花斑粘土或砂砾层(陆相风化剥蚀或河流相沉积)、深灰色-黑色淤泥或淤泥质粉砂层(新海侵层)，记录了两次大的陆-海旋回。我们主要依据岩性突变界限和区域性的标志层(花斑粘土层)，并对比前人划分方案[1, 9~11]，将ZK4钻孔地层也划分出4个大的沉积单元，包含14个亚单元，具体划分方案及对应岩性描述如表 2所示。一般地，地层划分和描述采取由老到新的顺序，由于本岩芯底部尚无实测年龄数据，这里暂时按照自上而下的顺序进行描述分析。
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表 2 ZK4钻孔岩性描述 Table 2 Lithological description of core ZK4 |
沉积单元Ⅰ(M1)：埋深12.56 m、高程-11.06 m以上部分的深灰色-黑色淤泥质粉砂，粉砂平均含量60 %以上(图 3)，含贝壳，上部埋深4.00~6.50 m段有较多牡蛎壳，沉积物生物扰动明显。沉积物中对海洋环境具有指相意义的自生黄铁矿[19]和元素Sr、Ca的最高含量均出现在M1单元(图 4)，14C年龄数据指示此单元为全新世以来的沉积。该单元对应于前人方案中的新海侵层[1]。
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图 3 ZK4钻孔沉积物粒度特征 Fig. 3 Grain size characteristics of core ZK4 sediments |
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图 4 ZK4钻孔沉积物矿物与地球化学特征 Fig. 4 Mineral and geochemical characteristics of core ZK4 sediments |
沉积单元Ⅱ(T1)：与前人方案中的花斑粘土或砂砾层对应[1]，为埋深12.56~15.00 m、高程-11.06~-13.50之间红黄白相间的粘土质粉砂层，其中的粘土和粉砂平均含量分别达30 %和50 %以上(图 3)。XRD分析结果显示，强化学风化产物的高岭石在该单元中含量接近30 %，而易风化的绿泥石含量则几乎为零。沉积物中Rb/Sr、K/Na和Al/Mg比值等常被用于指示化学风化作用的强弱，其值随风化作用的增强而增大[20~21]，ZK4钻孔中，这3个比值参数在本单元沉积物中均为最高(图 4)。
沉积单元Ⅲ：对应前人方案中的老海侵层[4~11]，本钻孔中为介于埋深15.00~49.10 m、高程-13.50~-47.60 m之间的地层，由11个相互间呈不整合接触的亚单元组成，其中5个为红色沉积层，6个为灰色沉积层(图 2)，各层岩性描述见表 2。在11个红灰相间的亚单元中，下部7个亚单元中(包括M2f、M2e、M2d、M2c共4个灰色沉积层和T2e、T2d、T2c这3个红色沉积层)均可见粉砂-粘土质粉砂层理，特别是M2f的层理非常发育；上部4个亚单元T2b~M2a层理不明显(图 2)。
5个红色沉积层(T2a~T2e)均不同程度富含铁锰结核或结壳，且沉积物中对氧化还原环境具有指示意义的赤铁矿、褐铁矿含量[22~23]及元素V/Ni比值[24~25]在纵向变化曲线上均呈现峰值。粘土矿物高岭石仅在该单元的顶部红色沉积层(T2a)中较大量地出现，而该层中的绿泥石含量也近于零，Rb/Sr、K/Na和Al/Mg比值略低于单元Ⅱ(T1)。其下的4个红色沉积层(T2b~T2e)中高岭石含量都极低，绿泥石含量则均在30 %左右；V/Ni、Rb/Sr、K/Na和Al/Mg比值等在T2b中已明显低于T2a，但仍高于T2c、T2d和T2e，在T2c~T2e中，它们仅以很小的优势略高于相邻的灰色沉积层(图 4)。
与红色沉积层相间的是6个厚度不等的灰色沉积层(M2a~M2f)，其中又以底部的M2f厚度最大、砂泥互层的潮间带层理最为发育。从M2f向上至M2a，层理渐趋不明显。埋深33.00 m以上的沉积物粒度分析结果显示，各灰色沉积层中的粘粒含量均比其上覆红色沉积层中的偏低。标准偏差(SD)反映沉积物颗粒分散与集中的状态，数值越小则分选越好[26~28]，因此，据钻孔的SD结果，灰色层的颗粒分选性略好于红色层(图 3)。M2a~M2f沉积物中赤铁矿与褐铁矿、V/Ni比值、绿泥石等含量与单元Ⅰ(M1)相当，亲海性元素Sr、Ba和Ca含量均处于其纵向变化曲线的峰值阶段，尤其以M2f亚单元中含量最高，并与M1早期阶段相当(图 4)。
地层单元Ⅳ(T3)：发育于岩芯底部基岩风化壳之上的红褐色、灰色砾石与粗砂(T3)，埋深49.10~55.18 m，高程-47.60~-53.68 m，与前人方案中的河流相砂砾石层对应。该层未做环境指标分析。
4 讨论 4.1 沉积环境综合沉积地层的结构构造和粒度、地球化学及矿物学分析结果，并参考区域内前期相关的研究成果[1~11, 29~32]进行沉积环境判断。沉积学特征、多项环境指标和测年结果共同反映，沉积单元Ⅰ(M1)为全新世海侵沉积。关于珠江河口与三角洲地区全新世海平面与沉积环境演变的研究近些年已有很多工作，而且已经做得很详细[29~31]，这里不再赘述。
沉积单元Ⅱ(T1)在珠江三角洲区域广泛存在，俗称花斑粘土层[1~11, 29~32]。该单元与上下单元均呈不整合接触，一般认为，其为末次冰期低海面时期由老海侵层暴露地表风化而成[1]。图 4中地球化学和矿物学指标共同反映，T1在发育期间确实经历了长期的化学风化作用，因此，关于该单元的陆相风化环境成因解释与前人一致。
沉积单元Ⅲ(M2f~M2a)与前人划分的珠江三角洲第四系老海相层(更新世海侵层)对应[1]。关于老海相层的沉积环境，前人也做过许多研究。Zong等[8]曾通过对大量钻孔资料的分析发现，珠江三角洲老海相层中生物化石普遍保存较差，钙质化石仅偶见大型海洋贝壳和牡蛎壳，在一些钻孔中，可以鉴定出部分咸水和半咸水硅藻属种，证明其海相成因。在香港水域，该阶段为碎屑为主的浅海-河口相沉积[32]。但ZK4钻孔中的沉积记录明显更复杂多变，通过对各沉积亚单元特征的分析，认为该套以粉砂为主的地层为滨海浅水环境下堆积而成，从沉积早期至晚期，砂含量渐少的趋势反映水动力条件在减弱(图 3)，沉积环境从典型潮间带向潮间带上部波动发展，以至该单元顶部沉积地层中已无明显层理可见(图 2和表 2)。其间可能因水面波动，沉积物多次受到氧化作用并形成红色氧化层。持续时间较长的氧化作用，促使沉积物中易风化矿物发生分解，并在粒度组成上发生一些变化，表现为与其下伏原始沉积相比，红色氧化层的粘粒增多，颗粒分选性变差(图 3)。
沉积单元Ⅳ(T3)为陆相河流沉积，与区域内的其他记录相一致[1, 8]。那么，ZK4钻孔沉积记录反映的该区域第四纪沉积环境演变顺序，从早到晚依次为：陆相河流沉积→浅海沉积→陆相风化剥蚀→海相沉积，与前人认为的环境演化序列一致[1]。但不同的是，本钻孔中有很多次的次级变化记录，尤其以沉积单元Ⅲ发育期最为多变。
4.2 第四系沉积旋回与地层时代如上文所述，珠江三角洲第四系一般分为4个大层，包含两个陆相层和两个海侵层，由两次海退-海侵旋回变化形成(表 2、图 3和4)。其中的上海侵层形成于全新世[1~11, 29~31]，而关于下海侵层的发育时代还存在争议，目前主要有MIS3和MIS5两种观点[1, 3~11]，但也有研究认为，珠江河口区最早的海侵发生在中更新世[33~36]。
认为老海侵层形成于MIS3期的观点，主要依据是区域内该层位的14C年代数据大多数落在40 ka B.P.左右[1]。包括在ZK4钻孔地层中，典型的陆相成因的花斑粘土层(T1)之下，埋深15 m至20 m之间的海侵层(M2a和M2b)常规14C年龄也介于36.66~40.44 ka B.P.之间，日历年为41.82~44.64 ka B.P.，与以往该层位的测年结果[1, 5, 9, 11]基本一致，属MIS3期范围。而近年来被很多学者认可的珠江三角洲老海侵形成于MIS5期的观点[7~8, 10]，则主要基于全球和区域对比、南海北部陆架地震测线资料以及区内陆续测得的一些释光[7~9, 37]和U系年龄[32]数据。例如，宗永强等[7~8]认为，依据远场海平面变化历史，MIS3期间的海平面在-60~-80 m之间波动，而珠江三角洲的老海侵层普遍埋深仅为-15~-20 m，故推断其不可能是MIS3期的沉积。近年在珠江三角洲口外及南海北部陆架获取的地震测线资料也证实，MIS3海侵层仅在南海北部陆架的中南部分布，并没有延伸到陆架北部，更没有到达现代珠江三角洲地区[10]，即，珠江三角洲内没有MIS3海侵沉积。而近年来三角洲内获得的光释光年龄[7~9, 37]和河口区测得的U系年龄[32]则指示，老海侵层发育年代属于MIS5期。在我国其他沿海地带，如渤海湾、台湾海峡、海南岛等地，也有研究表明，晚第四纪两次海侵分别发生于MIS5和MIS1[38~40]。另外，对于常规放射性碳同位素年龄的可信度范围也还存在很大争议，特别是40 ka左右的年龄数据，很可能只反映了放射性碳测年的上限值[7~8, 35, 41]。
ZK4钻孔中的沉积单元Ⅲ顶部埋深15.0 m，高程-13.5 m，结合以上分析，我们趋向于认为，该钻孔中与前人划分方案中的老海侵层对应的沉积单元Ⅲ的真实发育时代更可能在MIS5期而非MIS3期。末次冰期(MIS4~2)为一个海退过程，远场海平面在-60~-120 m之间波动[12]，期间珠江三角洲应一直处于陆相环境，前期的海相沉积遭受长期的暴露风化，并最终在其顶部发育了花斑粘土层(T1)。至于覆于基岩风化壳之上的砂砾石层(T3)，基于上面的分析，并对比珠江口外海域的调查研究结果[10]，推断为MIS6低海面期的河流相沉积。那么，在典型花斑粘土与第四系底部砂砾石层之间的地层(M2a~M2f)则均为MIS5期产物，其中包含了5个红色沉积层和6个灰色沉积层，首次以显著的沉积记录证明，珠江三角洲地区在MIS5间冰期期间古环境发生过多次显著的变化。
4.3 MIS5海平面变化河口三角洲是受海陆共同作用淤积而成，相对海平面的高低变化是影响三角洲形成发育和演变的关键因素[42~43]。调查研究发现，南海北部陆坡的地层中记录了晚第四纪海平面变化的多次旋回[44~45]，陆架浅地震解析结果也显示，其中MIS5期沉积层内代表进积作用的平行反射与代表退积作用的斜交反射层理交替出现，指示期间的相对海平面有过多次波动[10]。而以往在珠江三角洲钻取的第四系钻孔中，大多数仅见两个陆相-海相的沉积旋回，记录了海平面变化的两个大的旋回[1, 4~6, 11]，关于次级波动的地质记录相对少的多。ZK4站位的第四纪地层中包含了7个明显的沉积旋回，其中MIS4~1、MIS6~5分别记录了一个从陆到海的旋回，其余5个沉积旋回均出现在MIS5期内，推测在MIS5间冰期，珠江三角洲地区的相对海平面也发生过多次升降变化，但可能由于末次冰期低海面期的风化剥蚀作用以及基底地形的差异，导致了很多地方的沉积记录未能保存。
MIS5e海侵之后，全球海平面波动频繁[12~16]。在中国沿海地区，渤海湾、福建沿岸等均有MIS5期间多次海平面波动记录[46~49]。虽然期间珠江三角洲始终处于构造沉降中[7~8]，但在海平面降低阶段，当构造沉降速率不及海平面下降速率时，水深仍会变浅，沉积物甚至出露地表并遭受风化作用。从岩芯中6个红色氧化层化学风化强度自下而上增强的特征反映，在MIS5以来的海平面波动过程中，从早期到晚期，低海面期相对水面降低的幅度越来越大，持续的时间也可能越来越长。较早期的海平面降低阶段(T2e~T2c)，研究区域可能在枯水期出露地表，而洪水期尚能被淹没并接受沉积，在这种干湿交替的条件下，沉积物中的铁、锰化合物经氧化还原作用而发生淋溶、淀积，从而形成了含铁锰结核或结壳的红色地层。到了后期，沉积物暴露地表遭受风化剥蚀的时间越来越长，特别是末次冰期期间，海平面降到最低，气候干冷，河流水位更低，加之河床的下切作用，加积作用基本停止，地层顶面完全暴露于地表，进入长期持续风化剥蚀阶段，最终形成了强风化花斑状粘土粉砂层(T1)，直至冰后期随着气候变暖、海平面快速上升而被淹没。
一般认为，晚更新世以来的海侵以MIS5海侵规模最大，最高海平面高于现今海平面几米[7~8, 12]。但从ZK4钻孔记录看(图 2、表 2和图 4)，MIS5海侵对珠江三角洲的影响似乎要弱于MIS1海侵。首先，从地层特征上看(图 2和表 2)，与MIS1期不同，MIS5期的地层潮间带纹理发育，且发生过多次氧化事件，指示水深更浅；其次，自生黄铁矿主要形成于水深较大、水动力作用微弱、强还原条件下的泥质环境中，在ZK4钻孔中，自生黄铁矿主要出现在MIS1期地层(图 4)；此外，元素Sr和Ca的最高含量也在MIS1期，其次才是MIS5早期(可能对应MIS5e)(图 4)。造成这种现象的原因，可能与MIS5期珠江三角洲的构造沉降属于早期阶段[7~8]，基底高程大，可容空间依然有限有着直接的联系。因此推断，在末次间冰期海侵从MIS5e到MIS5a持续了大约5万年(约130~80 ka B.P.)，期间研究区的沉降速率与海面上升速率可能相当，维持了珠江三角洲的浅水环境和连续沉积，因此发育了较厚的滨海相沉积。类似的情况在台湾海峡西海岸第四纪地层中也有记录，该地MIS5e海侵层为潮下至潮间相，反映形成于浅水环境，MIS1海侵层则为浅海相，形成于相对更深的水环境下[39]。
5 结论珠江三角洲中部平原区ZK4站位的第四纪地层中包含了深海氧同位素6期以来的沉积，多旋回的地层记录了该区域过去十余万年以来的古环境变化历史。该套地层记录了MIS5和MIS1两期海侵事件，并且在MIS5间冰期的海侵期间发育了5个红色沉积层和6个灰色沉积层，其中灰色层对应相对高海面和海侵沉积期，红色层则对应相对低海面和氧化期，首次以显著的沉积特征变化证明，珠江三角洲地区的古海平面在MIS5间冰期期间发生过多次明显的波动，波动频率甚至高于全球海平面变化(MIS5e~5a)。末次冰期(MIS4~2)本区处于长期的风化与剥蚀环境下，直到冰后期(MIS1)随着全球气候变暖、海平面快速上升才被淹没。
珠江三角洲地区晚第四纪海侵-海退旋回的变化，是对全球变化的响应，也有在全球变化的大背景下，构造沉降和季风气候等区域性因素叠加导致的结果。全球变化主导冰期-间冰期大旋回，区域性因素则可以引起一些次级旋回变化。但关于MIS5间冰期间的水面频繁波动事件，哪些是对全球变化的响应，哪些仅为区域性事件，由于目前无法获得可靠的年龄数据，因此还有待进一步的研究。
致谢: 衷心感谢两位审稿专家和编辑部杨美芳、赵淑君老师提出宝贵意见。
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,
Zong Yongqiang3,
Xiong Haixian1,3,
Zhao Xinwen4,
Zheng Yanwei1,
Wu Yi5,
Huang Guangqing1,
Zhong Tingkun1
2 Southern Marine Science and Engineering Guangdong Laboratory(Guangzhou), Guangzhou 511458, Guangdong;
3 Department of Earth Sciences, the University of Hong Kong, Hong Kong SAR;
4 Wuhan Center, China Geological Survey, Wuhan 430205, Hubei;
5 Key Laboratory of Ocean and Marginal Sea Geology, South China Sea Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510301, Guangdong)
Abstract
The Pearl River Delta (PRD) is formed by interaction of land and sea at the month of Pearl River system. Researches on the developing history of the PRD have been conducted since about a hundred years ago, and many important results have been gradually achieved. Nevertheless, due to the complex basement topography, the widespread sedimentary discontinuities in the PRD, and the difficulty of obtaining accurate ages for sedimentary sequences in coast areas, many questions in the PRD's paleoenvironment reconstruction still remain uncertain, with the environmental evolution Pre-Holocene being particularly controversial. This study presents new findings concerning the Marine Isotope Stage 5 in the PRD region, China based on the study of a 58.5 m borehole (22°43'13.98"N, 113°23'44.63"E). The core stratum contains seven terrestrial units (T1, T2a~T2e and T3) and seven marine units (M1, and M2a~M2f). Six radiocarbon dates obtained from the upper part of the core and OSL dating obtained from the adjacent cores of the PRD as well as regional comparison are used to help define the chronology of stratigraphic units. Mineralogy and geochemical analysis were used to reconstruct the paleoenvironment. The results show that before the area was inundated by the last interglacial sea level rise, an older terrestrial unit of sand and gravel (T3) was laid down in the receiving basin. During the Marine Isotope Stage 5 (MIS 5), stratigraphic units including five terrestrial units of red silt and clay (T2a~T2e) and six marine units of grey silt and clay (M2a~M2f) were developed, with red sediment layers corresponding to relatively lower sea level and weathering period, and the grey layers corresponding to relatively higher sea level and marine sedimentary period, indicating that sea level had fluctuated obviously during MIS 5 in the PRD region. The MIS 5 stratum was subsequently subaerially exposed when sea-level deeply regressed during the last glacial period (MIS 4~2), causing the uppermost section to be strongly weathered (T1). Since the early Holocene, rapid postglacial rise in sea level initiated a new phase of sedimentation (M1).