2007年IPCC第4次评估报告显示, 20世纪全球平均海平面上升了0.18 m, 预计到21世纪末海平面最大可上升0.59 m。全球有20× 10⁸人口生活在沿海地区, 1万亿美元的资产集中在海拔低于1 m地区(IPCC, 2008)。要客观地评估海平面上升后海岸带环境的变化, 必须从地质历史中总结海岸带对海平面上升的响应规律。因此, 首先必须重建全新世高精度海平面变化过程, 它不仅是揭示过去全球变化中河口海岸地区沉积环境演变的重要基础, 也是预测未来海平面变化及区域响应的重要依据。目前世界各地的研究者利用珊瑚礁、基底泥炭、潟湖— 砂坝沉积等各种古海岸线标志和微体古生物转换函数的方法, 不仅重建了高精度的海动型海平面曲线(Fairbanks, 1989; Chappell and Polach, 1991; Bard et al., 1996), 而且也揭示了全球各地相对海平面的显著差异(Shennan, 1987; Yu et al., 2007; Bird et al., 2010)。

在长江三角洲地区, 前人已经利用不同方法建立了数条全新世海平面曲线(Chen and Stanley, 1998; Saito et al., 1998; Zong, 2004; Chen et al., 2008)。不过, 这些研究不仅有观点上的争论, 比如中全新世是否存在高海平面、水均衡效应导致的相对海平面如何变化等, 更首要的是在研究方法上, 已有的成果中还缺乏过硬的高精度海平面变化标尺。虽然Chen 和 Stanley(1998)以及Zong(2004)收集整理了太湖流域的大量泥炭数据, 从而揭示了中全新世以来较详细的海平面波动过程, 但是他们的工作都缺乏对泥炭形成环境和泥炭上下地层的分析, 也就缺乏泥炭和海平面之间可靠的定量关系。Chen等(2008)利用新石器遗址的居住面重建中全新世海平面, 然而, 居住面高程只能估计海平面的可能上限, 却也无法直接确定海平面的位置。作者认为, 要实现长江口全新世海平面的高精度研究, 首先必须找到可靠、可行的海平面标尺。前人大量研究揭示, 全新统底部覆盖于古土壤之上、形成于平均高潮位附近的薄层泥炭(通常被称为基底泥炭)(Kraft, 1975; 杨达源, 1985), 由于几乎不受地层压实作用的影响, 其年龄和高程分布已经被广泛地用来重建全新世高精度海平面曲线(Tooley, 1978; Shennan, 1986; Gehrels, 1999; Bird et al., 2007)。本研究针对长江口为一中等潮差、且有大量陆源碎屑物输入和沉积的大河口等特征, 试图通过多个钻孔和高精度测年, 揭示本区全新世地层特征, 并尝试应用基底泥炭和地层学方法重建研究区全新世中期相对海平面, 以推动本区的全新世高精度海平面重建工作。

作者于2010年5月, 在苏北泰州— 海安一线获取16个全新世钻孔(SL34-SL49)(图 1)。钻孔岩心通过重力钻孔获得; 为防止钻头岩心缺失采取短进尺方式(50 cm/回次)获取岩心, 同时采取钻井液护壁和适时清孔方式防止淤孔现象发生。其中, 4个钻孔(SL37、SL39、SL41、SL42孔)以泥质沉积为主, 前3个钻孔全新统底部均见薄层泥炭(图 2), SL42孔虽未见泥炭, 但底部为均质泥富植物根茎沉积, 且有良好的测年材料(完整的两瓣贝壳), 亦可初步判断为滨海沼泽沉积, 因此这4个钻孔沉积物被用于本研究。SL37、SL41、SL42孔取心率分别为87.8%、76.9%、68%、69.9%, 根据4个钻孔每回次取心率等比例换算上层泥炭实际埋深, 而4个钻孔底部的泥炭层及贝壳由于其紧覆于第1硬土层之上, 故根据第1硬土层埋深倒推其埋深。SL37孔位于海安市章郭镇章郭庄, 孔口标高4.07 m(黄海高程, 下同), 孔深13.5 m, 第1硬土层埋深13 m; SL39孔位于海安市吉庆镇宝祥村, 孔口标高2.43 m, 孔深12 m, 第1硬土层埋深11.5 m; SL41孔位于海安市墩头镇长各村, 孔口标高2.29 m, 孔深10 m, 第1硬土层埋深9.24 m; SL42孔位于海安市隆政镇隆政村, 孔口标高2.74 m, 孔深13 m, 第1硬土层埋深12.5 m。

图2

Fig.2

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	图2 长江三角洲北部研究钻孔全新统岩性特征和沉积相解释Fig.2 Lithology and sedimentary facies interpretation of the Holocene for researched boreholes in northern Yangtze River delta

在实验室对钻孔实施剖样, 并对全孔做岩性描述(图 2); 在此基础上选取6个泥炭样品和1个贝壳样品, 在实验室经过筛析, 显微镜下挑样等样品预处理, 将获得的炭屑及贝壳样品送到美国BETA实验室进行AMS¹⁴C测年。7个常规年龄数据均用Calib Rev 6.1软件进行了年龄校正(Stuiver and Reimer, 1993; 表1), 其中6个泥炭样品用IntCal 09校正; 为消除贝壳样品的海洋炭库效应, 选择Marine Reservoir Correction数据库(http://calib.qub.ac.uk/marine)中, 位于台湾西北1010站(该站样品的δ ¹³C与SL42孔贝壳样相近)的△ R值(135± 42)(Yoneda et al., 2007)对SL42孔的贝壳样品用Marine 09进行校正。所有校正年龄选择1 sigma概率大于0.8的年龄用于本研究 (表 1)。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 长江三角洲北部SL37、 SL39、 SL41和SL42孔AMS14C测年数据校正结果 Table 1 AMS14C ages and calibrations for sediments from Boreholes SL37, SL39, SL41 and SL42 in northern Yangtze River delta 钻孔 编号 深度 /m 高程 /m 测年 材料 14C年龄/yr BP δ 13C /‰ 常规年龄/yr BP 校正年龄/cal yr BP 实验室 编号 测定值 误差 测定值 误差 1 sigma 中间值 概率 2 sigma 中间值 概率 SL37 4.40 -0.33 炭屑 4730 40 -24.9 4730 40 5330~5580 5455 1 5325~5585 5370 1 β -285207 12.46 -8.39 炭屑 7240 50 -27.5 7200 50 7955~8050 8005 0.98 7940~8075 8010 0.79 β -285208 8080~8160 8120 0.21 SL39 11.14 -8.71 炭屑 7240 50 -24.0 7260 50 8015~8160 8090 1 7990~8175 8085 0.98 β -285209 SL41 2.32 -0.01 炭屑 4650 40 -25.6 4640 40 5380~5450 5415 0.82 5300~5470 5385 0.99 β -285210 9.21 -6.93 植物碎屑 6350 40 -25.7 6340 40 7245~7320 7285 0.88 7170~7330 7250 0.92 β -285211 SL42 3.64 -0.91 炭屑 4920 40 -25.7 4910 40 5595~5660 5630 1 5590~5720 5655 1 β -288637 11.92 -9.19 贝壳 7370 40 -3.0 7730 40 7990~8125 8060 1 7935~8175 8055 1 β -288638

表1 长江三角洲北部SL37、 SL39、 SL41和SL42孔AMS14C测年数据校正结果 Table 1 AMS14C ages and calibrations for sediments from Boreholes SL37, SL39, SL41 and SL42 in northern Yangtze River delta

另外, 对所选4个钻孔的贝壳、泥炭层以及其上下间隔1 cm、20 cm的沉积物共30个样品进行了有孔虫检查。有孔虫分析方法如下:取20 g干样, 过280目(55 μ m)水筛, 将筛中沉积物自然风干后, 置于显微镜下鉴定, 结果仅在1个样品(SL42孔深11.72 m)中发现有孔虫93枚, 其余样品均未发现有孔虫。

本研究重建的全新世中期相对海平面曲线显示(图 4), 8.1~7.3 cal kyr BP约700 yr的时间里, 海平面上升1.46 m, 海平面上升速率仅为0.2 cm/yr, 处于缓慢上升阶段。这与Wang等(2012)8.6~8.5和7.4~7.2 cal kyr BP 长江三角洲南部相对海平面快速上升2 m的结论形成鲜明对比。Bird 等(2007)通过分析基于50个AMS¹⁴C年龄建立的新加坡全新世海平面曲线得出, 在7.7 cal kyr BP 前后海平面出现缓慢上升甚至停顿的现象。Bird等(2010)研究新加坡Geylang钻孔发现7.8~7.4 cal kyr BP, 钻孔沉积速率仅0.1 cm/yr, 所建全新世海平面曲线则显示, 此段时间内海平面处于缓慢上升或停顿状态。Liu等(2004)提出末次盛冰期以来的全新世海平面并非持续上升, 而是阶段性上升的模式, 即海平面短暂的快速上升与相对长时间的停顿稳定交替出现。探究其原因可能与冰川冰盖的活动有关; 前人研究显示, 北半球和南极洲冰川融水以及Agassiz-Ojibway湖溢水事件是全新世早期(8 cal kyr BP前)海平面快速上升的驱动因素(Kendall et al., 2008), 而劳伦太德冰盖在经历了8.0~7.4 kyr BP的相对稳定后, 7.4~6.8 kyr BP 又开始快速融化, 理论上可能导致全球约3 m的海平面上升幅度(Carlson et al., 2008)。以上冰川、冰盖活动时间和影响印证了Wang等(2012)和文中的研究结果, 可见作者重建的长江三角洲相对海平面的波动模式与冰盖控制下的全球海平面波动模式一致。

不过, 长江三角洲区内也表现出了相对海平面的显著差异。8.1~8 cal kyr BP, 长江三角洲北部海安地区相对海平面位于-12.05~-11.73 m。而在长江三角洲南部, 8.6~8.5 cal kyr BP 相对海平面位于-16.5~-14.5 m(Wang et al., 2012), 按其上升速率2 cm/yr推算, 至8.1 cal kyr BP 相对海平面可达到约-6.5 m, 比北部海安地区高约6 m。在距今7.3 cal kyr BP, 海安地区相对海平面位于-10.27 m, 而在三角洲南部海平面则位于-5 m(Wang et al., 2012), 两者相差约5 m。可见长江三角洲南部平原和北部平原相对海平面存在明显差异。此外, 本研究显示5.4~5.6 cal kyr BP海安区域的相对海平面位于-1.92~-1.64 m(表 2), 而Saito等(1998)认为, 全新世中期(5~6 kyr BP)长江三角洲海平面已达到或高于现今海平面。由此看来, 局地少量钻孔不可能恢复长江三角洲地区全新世相对海平面变化的客观面貌。因此, 在重建长江三角洲全新世海平面工作中, 除了需要在面上广泛建立局地相对海平面之外, 还必须考虑下面2个重要因素。

1)差异性沉降。前人研究显示, 长江三角洲第四纪存在明显的差异性沉降, 比如晚更新世滆湖海侵(或MIS3)地层的分布, 自西向东及东北明显埋深变大, 海侵地层顶部的高差可达30 m以上(王张华等, 2004, 2008)。位于苏北的厚度达千米以上的新近纪沉积物、以及苏北和今长江口口门附近300~500 m厚的第四纪沉积物(Chen and Stanley, 1995)所产生的巨大负荷, 可能是本区差异性沉降的主要原因。此外, 本研究仅估算了第1硬土层以上地层的压实作用, 而没有考虑下伏更新世地层, 这也可能导致海安地区相对海平面估算偏低。

2)水均衡作用。本研究重建的海安地区相对海平面位置比Bard等(1996)用太平洋塔希提岛珊瑚礁重建的代表海动型海平面的全新世同期位置高约4.5 m。Wang等(2012)所建长江三角洲南部全新世早中期海平面曲线也明显高于Bard等(1996)的海动型曲线。推测该现象和全新世海平面上升以后黄海、东海的水均衡作用有关。中国东部边缘海面积广阔, 大约为1 249000 km², 水深较浅, 大部分海域小于120 m, 末次冰消期以来, 冰川融水使巨量水体负载到近岸陆架上, 从而导致中国东部沿海地区与附近海域产生跷跷板效应, 使地层向海倾斜。Hori等(2002)通过对比位于苏北黄桥的HQ98孔和崇明岛的CM97孔发现, 全新世中期HQ98孔的潮间带沉积层顶板高程为4.8 m, 而位于崇明岛的CM97孔显示全新世晚期潮间带地层顶板高程仅0.1 m, 2钻孔间高差近5 m; 根据2钻孔潮间带沉积物厚度相差无几推测, 2钻孔所在区域的潮差相似, 从而排除了因潮差原因导致的高程差异, 并提出水均衡作用对长江三角洲地区相对海平面的显著影响。

利用盐沼泥炭重建的长江三角洲北部全新世中期高精度海平面曲线显示8.1~7.3 cal kyr BP海平面缓慢上升1.46 m, 上升速率仅为0.2 cm/yr。长江三角洲区内相对海平面存在显著差异, 三角洲北部海平面曲线较南部低5~6 m; 这种差异主要由差异性沉降和水均衡作用2个因素引起。

致谢 钻孔获取、样品采集和分析得到韩华玲、徐浩、庄陈程、刘演、马春燕、周园军、陈艇同学的帮助。作者在此一并表示感谢。