?近20年来,有关大河三角洲全新世海平面变化的研究成果颇丰。相关的研究主要集中在指示海平面变化的指标体系、 海平面上升的过程与机理、 海平面变化控制下的三角洲地貌环境演变等方面^{[1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8]}。这些研究主要涉及到以下主要问题:1)区域相对海平面变化曲线类型； 2)区域沉降对海平面重建的影响； 3)末次冰期以来相对海平面波动过程与上升速率； 4)海平面上升对三角洲地貌建造的作用； 5)海平面上升与三角洲新石器文明演化的关系。需要强调的是,世界上无论何处的海岸地貌都受到了全新世海平面上升的影响,都可能保存有海平面上升的印记。因此从理论上说,这些记录都可以用来重建海平面变化曲线。大河三角洲一般都具有20-50m厚的全新世沉积地层,沉积序列相对完整且连续,对重建全新世千年尺度(有的可达百年尺度)的相对海平面变化而言条件优越^{[2, 5, 9, 10, 11]}。研究大河三角洲地区全新世海平面变化不仅有助于了解它的变化过程和机理,还可为探索当前全球变化背景下海平面上升的区域响应提供科学借鉴^{[12, 13]}。

大河三角洲是体现陆海相互作用的典型区域。全新世三角洲的地貌环境正是在全球末次冰期以来气候转暖、 海平面上升的过程中形成的。综观全球大河三角洲全新世相对海平面变化的曲线,其显著的共性是在约7ka前海平面上升的速率相对较快,而之后显著减缓。这直接导致流域大量泥沙在口门快速堆积,逐步形成三角洲沉积地貌体系^{[1, 2, 5, 8]}。但是,同样可以看到,世界各地大河三角洲全新世相对海平面曲线形态迥异,很可能与区域沉降和气候条件等因素有关系^{[4, 6]}。因此,如何在探索个体特性的基础上,进行归纳总结,并探讨影响海平面重建的因素是本文的主要目的。

三角洲广布全球,但极有意思的是长江、 尼罗河与密西西比河三角洲都位于近 31°N附近( 图1)。将这三大三角洲全新世相对海平面曲线标注在同一时间尺度坐标下,明显可以发现以下特点:1)距今10ka以来,海平面在上升过程中均没有高于过现代海平面( 图2) ^{[3, 9, 14, 15]}； 2)利用三角洲地层中的泥炭(基底泥炭和淡水沼泽泥炭)建立起来的早、 中全新世平均相对海平面高程具有明显的差异,长江三角洲的最高(-5m),密西西比河其次(-10m),尼罗河最低(-14m)( 图2)。可以看到,它们在距今约8-7ka时的相对海平面高差可达5-10m,之后,随着时间差距逐渐缩小,并趋于一致。

图1(Fig.1)

图1 长江、 尼罗河与密西西比河三角洲地理位置 灰色粗箭头指示冰后期北极圈融水顺大西洋南下； 灰色细箭头表示进入白令海峡、 墨西哥湾和直布罗陀海峡的融水受到极大的限制A、 B和C区为3种典型的全新世相对海平面曲线类型地区[4] Fig.1 The geographic location of the Changjiang River,the Nile River and the Mississippi River deltas. The thicker arrow (in gray) indicates the southward transport-rout of melted water along the Atlantic Ocean,while the thinner arrow (in gray) indicates the limited melted water into the Mediterranean Sea,the Bay of Mexico and the west Pacific Ocean via the confined Gibraltar,Caribbean and Berlin Straits,respectively. A,B,and C zones in the figure are defined as for the three different Holocene sea level patterns[4]

图2(Fig.2)

图2 世界各地不同三角洲地区全新世海平面分布特征 Fig.2 Distribution of the Holocene sea levels in different delta areas

众所周知,全新世北半球高纬地区的相对海平面都是高于现代的,在距今10ka时最高可达100m以上(见 图1A区),然后呈阶梯状下降,直至接近于现代海平面^[4]。赤道附近、 南美洲和澳洲地区(如东南亚一带的湄公河、 红河、 新加坡以及澳洲北部三角洲沿海地区,见 图1C区)的相对海平面,在全新世早期都低于现代,而到了距今约7-4ka时却都高出现代平均海平面1-2m,甚至3-5m(见 图1C区) ^{[2, 4, 17, 18]}。前期研究认为北半球高纬地区(见 图1A区)全新世的高海平面现象是由于冰后期大量冰雪融化导致地壳反弹所致(Glacio-isostacy)^[4]； 而低纬度和南半球地区(见 图1C区),由于北极大量融水通过大西洋不断地涌入引发水均衡调整运动(Hydro-isostacy),使得海水在向河口湾涌升过程中受到地形的制约而出现了“壅水”效应^[4],从而产生了中全新世相对高海平面的现象(见 图1C区和 图2)。

相比之下,目前还鲜有对中纬度地区包括长江、 尼罗河与密西西比河三角洲在内的全新世“无高于现代平均海平面”的现象(见 图1B区和 图2)做深入的探讨。仔细观察这三大三角洲所处的地理位置,就会发现区域地形、 地貌可能是这一现象的主要原因之一。直布罗陀海峡和加勒比海岛屿对进入地中海和墨西哥湾的融水能够起到明显的阻挡作用,而狭窄的白令海峡对北极地区南下的融水也会有较大的限制,因此,“壅水”效应在这些三角洲地区表现的并不很显著。另外一个不可忽视的原因是这三大三角洲都处在明显的构造沉降区,局部地区的年沉降速率可达2-4mm^{[19, 20, 21]},这也会造成这些地区的地质记录中不存在全新世高于现代海平面的现象。

正如上述,除了区域地理位置的影响之外,区域沉降(包括构造和沉积物压实沉降)也不可忽略。当前建立的全新世海平面曲线都是相对的,主要原因就是河口是个构造沉降区以及其巨厚的松散沉积物。冰后期全球海平面上升的同时,河口地区也在下沉,这是重建“精确海平面”面临的巨大困难和挑战。许多科学家试图建立一个典型的、 有代表性的全新世海平面曲线,至今为止,还未见报道。

建立相对高精度的全新世海平面曲线,样品采集的位置至关重要。小空间尺度的样品虽然比较理想,可以减低地形地貌的变化带来的不确定因素,但缺乏区域代表性(见下讨论)。而利用较大空间尺度的样品重建的海平面曲线则往往精度较差。从 图2中可以看出,三角洲地区的全新世相对海平面曲线高程位置迥异,如恒河三角洲相对海平面高度明显低于其他地区,其主要原因就是该区快速的沉降作用所致^[16]。同样是选择泥炭建立的相对海平面曲线,尼罗河三角洲的曲线高程明显低于长江和密西西比河三角洲,原因也是受区域沉降和沉积物压实沉降作用的影响^{[1, 9, 16, 19, 20, 21, 22]}。因此,想要建立一条有跨区域代表性的海平面曲线是困难的。

冰后期以来海平面在经历过一段快速上升期后,在距今约7ka时开始显著减缓,并非常接近现代平均海平面的高度^[1]。这使得入海泥沙在河口区快速堆积,并向海推进,形成三角洲沉积地貌体系。全新世三角洲地层由三大沉积序列组成,自下而上为: 前三角洲相、 三角洲前缘相和三角洲平原相( 图3a)。

图3(Fig.3)

图3 全新世三角洲沉降因素判别 (a)三角洲沉积相分布； (b)距今7ka时的海平面位置与前三角洲相地层的分布关系(长江、 尼罗河和密西西比河三角洲相对海平面 曲线基于基底泥炭和三角洲平原淡水泥炭资料[3, 9, 14]) Fig.3 Assessment of subsidence of the Holocene delta. (a) deltaic facies distribution； (b) the relationship of sea level position at ca .7ka B.P. to prodelta facies (sea level curses of the Changjiang River,the Nile River and the Mississippi River deltas were in light of basal peat and freshwater peat samples of delta plain[3, 9, 14])

要判断三角洲是否存在区域沉降因素,可以从全新世三角洲沉积序列厚度与相对海平面曲线的关系中略窥大致。这里我们总结出一种简易的半定量方法来判断三角洲地区的沉降作用对海平面曲线的影响( 图3)。可以选取钻孔中从前三角洲相开始的沉积地层厚度(H,图3b)减去该地区距今7ka时的相对海平面高度绝对值(h,图3b)(见 图3b所示的长江、 尼罗河和密西西比三角洲海平面曲线)的方法来判断沉降速率(T)。具体判别式如下:

T—沉降速率(mm/a)； H—全新世三角洲沉积相地层厚度( 图3b)； h—距今7ka时海平面高度绝对值( 图3b)； h_d—钻孔高程( 图3a)； h_p—前三角洲相初始沉积水深( 图3a)；

如果T为正值,说明该区受沉降作用的影响,值愈大愈显著； 反之,该区沉降较弱,主要以稳定海平面背景下的进积作用为主。值得强调的是,如果有的钻孔位置在古河道上,那么还需估算出古河道的水深,并在上述的公式中予以扣除。

重建全新世相对海平面的时候,很多学者往往注重测年精度、 样品的类型及其对海平面的指示意义等,但却较少关注样品采集区古地形对恢复相对海平面曲线的影响。造成 图2中不同三角洲地区的全新世相对海平面曲线差异的原因,除了大尺度的地理位置、 区域沉降等外,另一个可能被忽略的重要因素就是古地形。

冰后期当海水涌入河口地区时,海平面上升程度在不同束窄和地形坡度下是不一样的( 图4)。假设从T₁到T₂时刻绝对海平面上升高度为h₀。当河口区地形较为平坦开阔,海水畅通无阻,不存在“壅水”效应,那么该处沉积物中的记录就是这段时间海平面上升的绝对高度(h₀,见 图4)。但这种现象现实中几乎不存在。河口地区的古地形往往呈现束窄,并有一定的坡度,在海平面上升时,尤其是在快速上升期,随着大量海水进入河口地区,会产生“壅水”效应,从而导致沉积物中恢复的海平面记录超过绝对海平面上升的绝对高度。也就是说,在不同坡度的地形上,T₁到T₂时刻沉积物中记录的海平面上升高度,除了绝对海平面上升高度(h₀)之外,还包含束窄“壅水”效应产生的附加高度。地形坡度越大,“壅水”效应愈显著,则海平面抬升的高度也就越大(如h_i,i-1,2,3,4 ……)。那么,沉积物记录中的海平面高度应该是绝对高度(h₀)和“壅水”高度(h_i)之和。因此,这就不难理解为什么在同一三角洲的不同区域往往会发现存在差别明显的海平面高度。需要强调的是,海平面上升速率较快的地区,也往往是沉降速率、 坡降较大之地,因此这些因素是耦合的。

图4(Fig.4)

图4 三角洲地区全新世海平面上升对古地形的响应模式 Fig.4 Schematic model of Holocene sea level rise in response to paleo-gradient in delta area

图2中长江三角洲平原和邻近陆架两条全新世相对海平面曲线就是一个很好的例子^{[5, 14]}。利用三角洲平原泥炭样品建立的约7ka B.P. 以来相对海平面曲线比较平缓,从-5m缓慢上升,并逐步趋向现代海平面^[14]。相比之下,根据长江口北部陆架上采集到的样品数据重建的相对海平面曲线,明显呈现出高于同时期三角洲平原的相对海平面曲线^[8]。即在距今约7-6ka时已经接近、 并略高出现代平均海平面,然后才缓慢降低趋于现代。这一差异很可能是古地形因素造成的,陆架的地形坡度明显要大于三角洲平原地区的,海平面快速上升时的“壅水”效应也更显著,因此沉积物中恢复的相对海平面要高于三角洲平原地区。

冰后期气候回暖,海平面上升,在距今约7ka时三角洲开始建造,大片湿地形成,奠定了三角洲新石器文明发育的物质基础^{[1, 15]}。先民们陆续移居至三角洲平原,开始了农耕定居的生活。纵观现代三角洲平原地貌高程与平均海平面之间的关系,可以发现他们之间存在一定的高差关系。如密西西比和尼罗河三角洲沿海平原的高程一般都在1-2m之间,而长江三角洲平原的高程在3-5m之间,这都与当地的最大潮差和风暴潮可达的高度相符。这个高度可以认为是现在人们居住的安全高度,也可以称之为“最低居住面”。根据这种关系,我们可以利用三角洲新石器文明古遗址的埋深高程来反推出当时海平面的相对高程,即在三角洲平原古遗址(不包括高于平原的岗地遗址)中找出“最低居住面”信息,即古遗址最底部的文化层高程,再考虑其和平均海平面之间的关系,从而可以恢复全新世7ka B.P.以来的相对海平面变化^[15]。我们将这种方法用到了太湖平原和废黄河三角洲平原的相对海平面重建( 图5),可以看到更小尺度的无“壅水”现象的海平面波动特征。有意思的是,在越南红河三角洲6-5ka B.P. 时的新石器遗址都聚集在现代平均海平面3-5m以上的沙岗上^[23],是否也意味着当时的确存在“壅水”引起的高海平面？总之,探索三角洲地区新石器时代人与自然的关系可为全新世海平面研究提供新的内涵。

图5(Fig.5)

图5 长江三角洲地区利用新石器遗址“最低居住面”建立的相对海平面曲线(据文献[15]修改) Fig.5 The Holocene sea-level curves reconstructed by using the ‘lowest habitable base’ of the Neolithic sites on the Changjiang River coast (modified from reference [15])

三角洲是陆海相互作用的典型地区,我们赖以生存的三角洲地貌环境是在全新世海平面上升且趋稳的背景下形成的。尽管在过去一、 二十年间,随着测年技术和样品测试技术的提高,有关三角洲地区全新世海平面的研究成果取得了长足的长进^{[24, 25]},但是如何能够使得我们的成果在过去的基础上更富有创意,这需要我们在认识上有几大突破:

(1)指标体系: 寻找代用指标与平均海平面之间的关系非常重要。不但要坚持过去传统沉积相分析的指标体系,如地层相序、 泥炭、 潟湖和潮滩沉积特点等^{[14, 26]},更要开拓思路,寻找更广泛的指标,如对水深敏感的古生物指标体系等。据此可以建立扎实的数据库来模拟全新世海平面波动过程。

(2)建立与海平面波动相关的点、 面相结合的沉积(微)相数据库: 如上文中提到,建立一条有区域代表性的相对海平面曲线是有挑战的,但也是我们今后努力的方向。需要将研究视野放到既有区域精度、 又有普遍意义的高度。密西西比三角洲全新世相对海平面曲线,是利用较大区域范围内的高精度测试的泥炭样品重建的^[24],但长江三角洲和尼罗河三角洲缺乏广泛且连续分布的泥炭样品,而两地广泛发育的潮滩和潟湖沉积可以作为今后尝试的研究对象。

(3)人与环境: 三角洲是全新世古文明重要的起源地之一。在三角洲平原和水下陆坡上都可能存在古人类活动的遗址或遗迹。那些遗迹与全新世海平面波动关系密切^{[1, 15]},如文中提到的遗址“最低居住面”就是一例^[15]。对此,我们还需继续发掘更多的人类活动信息用来重建或填补全新世相对海平面研究的时间上的某些空白。

总而言之,全新世三角洲海平面的研究需要我们注重多学科交叉^[27],不仅需要从采样方法、 测试方法和样品代表性等细小环节加以考虑,更需要结合区域地质、 地貌和气候变化的特点^[28],从跨区域、 乃至全球尺度上展开深入的探讨。理解全新世海平面上升过程和机理,不但可以为过去全球变化的研究增添新的内容,也可以为应对未来海平面上升的挑战提供历史科学依据。