殷鉴, 刘春莲, 吴洁, 黄毅, 吴月琴. (2016)珠江三角洲中部晚更新世以来的有孔虫记录与古环境演化* [J]. 古地理学报, 18(4): 677-690
Yin Jian, Liu Chunlian, Wu Jie, Huang Yi, Wu Yueqin. (2016)Foraminiferal records and palaeoenvironmental changes since the Late Pleistocene in central Pearl River Delta[J]. Journal Of Palaeogeography, 18(4): 677-690. DOI:10.7605/gdlxb.2016.04.050  
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珠江三角洲中部晚更新世以来的有孔虫记录与古环境演化*
殷鉴1,2, 刘春莲1,2, 吴洁3, 黄毅4, 吴月琴1
1 中山大学地球科学与地质工程学院,广东广州 510275
2 广东省地质过程与矿产资源探查重点实验室,广东广州 510275
3 陕西理工学院历史文化与旅游学院,陕西汉中 723000
4 国家海洋局南海规划与环境研究院,广东广州 510310

第一作者简介 殷鉴,女,1990年生,中山大学地球科学与地质工程学院博士研究生,专业为第四纪地质学。E-mail: yinjian@mail2.sysu.edu.cn。

通讯作者简介 刘春莲,女,1956年生,毕业于南京大学和德国 Würzburg 大学,现为中山大学地球科学与地质工程学院教授、博士生导师,目前主要从事地层古生物学与新生代古环境学研究。E-mail: eeslcl@mail.sysu.edu.cn。

收稿日期:2016-04-20
基金:*国家自然科学基金项目(批准号:40872024)、德国学术交流中心(DAAD)与国家留学基金委(CSC)国际合作交流项目和广东省海洋资源与近岸工程重点实验室开放研究基金课题(编号:201505)共同资助
摘要

珠江三角洲中部钻孔 PRD20和 PRD17晚第四纪以来的沉积记录较为完整,尤其是晚更新世海侵记录良好。以其为研究对象,对两孔的有孔虫微体动物群记录和沉积特征进行了分析和对比,并结合前人研究成果,重建珠江三角洲晚更新世以来的古环境演变,并着重分析了晚更新世海侵事件。约 44500 cal a BP以前,研究区为河流环境,发育河道砂砾沉积。约 44500— 21300 cal a BP,发生晚更新世海侵,形成溺谷型河口湾,两孔沉积物中有孔虫的垂直分布记录了水体条件发生的多次变化,可辨识出 2次海侵海退次级旋回;其中 PRD20孔中有孔虫以滨岸广盐型占绝对优势, PRD17孔中以滨岸广盐型为主、海相—半咸水型有孔虫占有一定比例,表明研究区位于溺谷湾中径流与潮流共同作用的区域,且 PRD20孔受径流影响更大。约 21300 cal a BP后,受末次冰盛期海退影响,研究区暴露于地表遭受风化剥蚀,风化产物在 PRD20孔表现为 1层褐红色砂砾,在 PRD17孔表现为 1层花斑黏土。约 8000 cal a BP,海平面回升导致河水滞留形成沼泽环境, PRD20孔发育 1层泥炭层。约 8000— 5500 cal a BP, PRD20孔发育受径流影响较大的河口湾湾头沉积,仅在全新世海侵最盛时含有少量有孔虫记录。约 5500 cal a BP后,研究区发育三角洲平原沉积。受构造抬升影响, PRD17孔地势较高,于约 4700 cal a BP才开始重新接受沉积,零星出现潮水搬运而来的有孔虫。

关键词: 珠江三角洲; 晚更新世; 有孔虫; 古环境
中图分类号:Q915 文献标志码:A 文章编号:1671-1505(2016)04-0677-14
Foraminiferal records and palaeoenvironmental changes since the Late Pleistocene in central Pearl River Delta
Yin Jian1,2, Liu Chunlian1,2, Wu Jie3, Huang Yi4, Wu Yueqin1
1 School of Earth Science and Geological Engineering,Sun Yat-sen University,Guangzhou 510275,Guangdong
2 Guangdong Provincial Key Laboratory of Mineral Resources and Geological Processes,Guangzhou 510275,Guangdong
3 School of History and Tourism,Shaanxi University of Technology,Hanzhong 723000,Shaanxi
4 South China Sea Institute of Planning and Environmental Research,State Oceanic Administration,Guangzhou 510310,Guangdong

About the first author Yin Jian,born in 1990,is a Ph.D. candidate of the School of Earth Science and Geological Engineering,Sun Yat-sen University. She is engaged in Quaternary. E-mail: yinjian@mail2.sysu.edu.cn.

About the corresponding author Liu Chunlian,born in 1956,is a professor of the School of Earth Science and Geological Engineering,Sun Yat-sen University,with a Ph.D. degree obtained from the University Würzburg,Germany. She is engaged in stratigraphic paleontology and Cenozoic palaeoenvironment. E-mail: eeslcl@mail.sysu.edu.cn.

Fund:[Co-funded by the National Natural Science Foundation of China(Grant No40872024),DAAD-CSC(Duetscher Akadamischer Austauschdienst—China Scholarship Council)Cooperation Project and Open Foundation of Ocean Resource and Offshore Engineering Major Laboratory,Guangdong(Grant No201505)]
Abstract

Late Quaternary sedimental records,especially Late Pleistocene transgressive records,are well preserved in Boreholes PRD20 and PRD17 drilled in central Pearl River Delta. Based on the comprehensive analysis of foraminifera and lithological characteristics of Boreholes PRD20 and PRD17,combining with previous researches,palaeoenvironmental changes since the Late Pleistocene have been reconstructed,with the Late Pleistocene transgression highlighted. Before 44500 cal a BP, a fluvial environment developed,indicated by coarse-grained sediments. Between 44,500 and 21300 cal a BP, a drowned valley estuary setting developed with the sea water intrusion into the study area,which was corresponding to the transgression of the Wurm Sub-Interglacial Stage. Two short-term transgression-regression circles can be recognized based on foraminiferal data. It can be deduced that Boreholes PRD20 and PRD17 were located in the fluvial-tidal interaction area of the drowned valley estuary during this period. A mottled clay layer in Borehole PRD17 and a conglomeratic sand layer in Borehole PRD20 ware sandwiched between Upper Pleistocene and Holocene sediments,which were most likely formed by subaerial oxidation of the underlying sediments during the last glacial maximum. The study area was influenced by postglacial sea level rise after around 8000 cal a BP, which was recorded by a peat layer in Borehole PRD20. The foraminferal and sedimental records of Borehole PRD20 suggest a bay head environment during 8000-5500cal a BP. Since then,a deltaic plain facies developed in the study area. As a result of the tectonic uplift,the core site of Borehole PRD17 showed a higher topography and did not accept sediments until 4700 cal a BP, which is much later than in other parts of the Pearl River Delta. During this time,the study area could be occasionally influenced by tidal water with sporadic foraminifera tests.

Key words: the Pearl River Delta; Late Pleistocene; foraminifera; palaeoenvironment

有孔虫以其数量丰富、生态适应范围广且对于诸如水深和盐度等环境因素响应迅速等特点, 已被广泛用于河口地区古环境重建(Murray, 2006)。上世纪80— 90年代期间, 对珠江三角洲沉积特征方面的研究取得了较大进展(黄镇国等, 1982; 徐明广等, 1986; 赵焕庭等, 1987; 袁家义等, 1988; 蓝先洪, 1996), 然而这些早期工作中虽有涉及利用有孔虫作为海相层标志, 但存在采样密度稀疏和年代框架尚待进一步确定等问题。近年来, 利用微体生物记录重建珠江三角洲晚第四纪古环境的工作因受其所涉及钻孔缺乏晚更新世微体生物记录的限制, 大多侧重于全新世阶段(董艺辛等, 2007; 刘春莲等, 2008; Alberti et al., 2012; 庄畅等, 2013; Liu et al., 2013; 吴洁等, 2014; 陈双喜等, 2015; 周洋等, 2015), 导致晚更新世海侵事件尚未深入研究。自晚更新世以来, 珠江三角洲经历了晚更新世玉木亚间冰期和全新世2次海侵, 这已得到广泛认同(黄镇国等, 1982; 赵焕庭等, 1987; 蓝先洪, 1996; 温孝胜等, 1997)。由于这2次海侵的路径及范围均有所不同, 加之珠江三角洲特有的2组平行岭谷交错的棋盘式基底地貌(黄镇国等, 1982)及各个构造单元垂直升降的时空差异(张虎男, 1980; 陈伟光等, 2001), 因此珠江三角洲不同位置的第四系厚度、海侵— 海退旋回记录不尽相同, 也使得对这2次海侵的起止时间以及影响范围的认识仍存在分歧(Yim et al., 1990; 黄镇国和蔡福祥, 2007; Zong et al., 2009)。文中选取第四系厚度较大的2个钻孔进行分析和对比, 其中作为主要研究对象的PRD20孔位于珠江三角洲顺德子平原, 孔深近35, m, 而作为对比孔的PRD17孔位于番禺子平原, 孔深超过30, m。两孔的晚第四纪沉积记录均较为完整, 尤其是晚更新世有孔虫微体动物群记录良好, 这为研究珠江三角洲晚更新世海侵提供了难得的有利条件。笔者根据PRD20孔和PRD17孔晚更新世以来的有孔虫属种组合和分布特征, 并结合岩性特征和测年数据进行古环境重建。结合前人工作成果, 探讨了两孔所处区域在沉积记录上对2次海侵响应的差异, 望能为深入研究珠江三角洲地区晚第四纪, 尤其是晚更新世的古环境演化提供依据。

1 材料与方法

文中用于研究的钻孔PRD20位于珠江三角洲中部顺德八顷围(22° 51'54″N, 113° 15'23″E), 孔深34.85, m, 孔口高程1.56, m(85高程, 下同); 钻孔PRD17位于珠江三角洲中部广州鱼窝头镇(22° 51'07″N, 113° 26'30″E), 孔深33.34, m, 孔口高程1.93, m( > 图 1)。分别对2个钻孔的岩心进行岩性观察和微体化石分析样品的采集。除受人工扰动的顶部以及底部的基岩风化层未采样外, PRD20孔自孔深2.5, m至32.15, m共取样148个, PRD17孔自孔深1.4, m至26.43, m共取样116个。

图1 珠江三角洲中部钻孔PRD20和PRD17的位置Fig.1 Location of Boreholes PRD20 and PRD17 in central Pearl River Dalta

微体化石样品处理过程如下: 首先, 取约100, g样品置于60, ℃环境下干燥24, h后称重, 再注水至没过样品并浸泡48, h将其分散。其次, 将分散后的样品用63, μ m铜筛进行冲筛, 保留筛上的物质。之后, 将筛上的物质置于60, ℃条件下烘干, 用0.25, mm和0.125, mm的铜筛筛分为3个粒级。最后, 采用Olympus SZ61体视显微镜鉴定每个样品各粒级中的有孔虫种属并统计数量, 计算每100 g干样中的有孔虫丰度、简单分异度和复合分异度(计算公式据Murray, 2006)。

另外, 选取岩心中富含有机质的沉积物样品送中国科学院广州地球化学研究所进行常规14C测年, 测试仪器为超低本底液体闪烁仪(1220 Quantulus)。文中测年数据均用CALIB7.0.2软件校正为日历年龄。PRD20孔获得可用测年数据6个, PRD17孔获得可用测年数据7个, 其余深度的年龄采用内插/外推法得出。

2 岩性特征与年代框架
2.1 岩性特征

参考前人的地层划分方案(黄镇国等, 1985; 龙云作, 1997), 结合测年数据及岩性特征, 将PRD20孔晚第四纪沉积划分为全新统顺德组和上更新统中山组。除去孔深33.10, m以下的白垩系砂岩风化层及1.25, m以上的人工扰动层外, 自下而上依次分为8层( 图 2)。PRD17孔岩性特征和微体生物生态类型见吴洁等(2014)。

图2 珠江三角洲中部PRD20孔上更新统中山组和全新统顺德组岩性特征与年代Fig.2 Lithological characteristics and calibrated data of the Upper Pleistocene Zhongshan Formation and Holocene Shunde Formation from Borehole PRD20 in central Pearl River Delta

上更新统中山组

1 33.10~31.12, m:底部为砾石、磨圆度中等, 中下部为含砾粗中砂, 上部为粉砂质黏土, 显示由粗至细的岩性变化特征。

2 31.12~27.25, m:青灰色粉砂质黏土夹粉砂质细砂, 30.45, m处开始出现有孔虫。

3 27.25~25.72, m:以粗中砂为主, 含大量双壳类碎片。

4 25.72~15.80, m:以黑褐色粉砂质黏土为主, 夹薄层细砂或黏土质粉砂, 见泥质条带和多层双壳类碎片。

5 15.80~12.98, m:以细砂、粉砂质细砂为主, 夹含砾粗中砂和粉砂质黏土。

6 12.98~11.30, m:褐红色含砾粗中砂, 分选差、磨圆差, 应与珠江三角洲广泛发育的花斑黏土层层位相当。

全新统顺德组

7 11.30~4.80, m:以细砂为主, 偶夹粗中砂, 含大量双壳类, 底部见有1层泥炭层。

8 4.80~1.25, m:细砂与粉砂质黏土交替出现, 纹层理发育。

2.2 年代框架

作为末次冰盛期至冰后期早中期风化产物的代表, 风化层被认为是珠江三角洲更新统与全新统之间的界线已得到普遍认可(黄镇国等, 1985; 蓝先洪, 1996)。

PRD20孔在风化层之下晚更新世沉积物中测得3个年龄数据, 由下至上分别为27.50, m处的32096 cal a BP、18.75, m处的27368 cal a BP和17.30, m处的26585 cal a BP。PRD17孔在晚更新世沉积物中测得4个年龄数据, 由下至上分别为25.90, m处的42905 cal a BP、19.68, m处的29284 cal a BP、17.40, m处的38695 cal a BP及10.10, m处的22468 cal a BP。吴洁等(2014)选用了17.40, m处的38695 cal a BP, 笔者认为偏老, 未将其用于计算沉积速率。两孔风化层上覆沉积物最老测年数据分别为7405 cal a BP(PRD20孔:孔深10.30, m)和4399 cal a BP(PRD17孔:孔深6.69, m), 属全新世沉积。根据实测数据可计算两孔晚更新世及全新世的沉积速率( 图 3)。

图3 珠江三角洲中部钻孔PRD20和PRD17的深度-年龄图Fig.3 Calibrated radiocarbon ages-depth of samples from Boreholes PRD20 and PRD17 in central Pearl River Delta

按沉积速率分别对两孔的沉积物年龄进行推算:PRD20孔晚更新世含有孔虫最老沉积年龄约为33690 cal a BP, 风化层下伏沉积最顶部年龄约为24, 558 cal a BP, 泥炭层上覆沉积物最老年龄约为7570 cal a BP(泥炭层时代在后文讨论); PRD17孔晚更新世含有孔虫最老沉积为37190 cal a BP, 风化层下伏沉积最顶部年龄约为21358 cal a BP, 花斑黏土层上覆沉积最老年龄约为4702 cal a BP。

3 有孔虫微体动物群特征

珠江三角洲地区第四纪有孔虫可划分为3种生态类型:浅海型、海相— 半咸水型和滨岸广盐型(吴洁等, 2014), 文中亦采用这一划分方法。

PRD20孔共发现有孔虫6属7种, 丰度变化于0~10764枚/100g之间, 总体上丰度较高而分异度较低, 滨岸广盐型属种在数量上占绝对优势。PRD17孔共发现有孔虫14属29种, 丰度变化于0~7832枚/100g之间, 该丰度虽不及PRD20孔, 但分异度显著超过PRD20孔; 另外, 该孔中滨岸广盐型虽占优势, 但亦有数量可观的海相— 半咸水属种。两孔的有孔虫垂直分布特征具体如下。

3.1 PRD20孔

PRD20孔有孔虫垂直分布特征见 图4。钻孔底部粒度较粗的沉积物中未见微体动物化石, 自孔深30.45, m处开始出现有孔虫, 孔深26.93~16.45, m段有孔虫较丰富, 孔深16.45, m以上有孔虫稀少, 仅在8.55~7.5, m段少量出现。

图4 珠江三角洲中部PRD20孔上更新统中山组和全新统顺德组有孔虫属种垂直分布特征Fig.4 Selected foraminifera abundance of the Upper Pleistocene Zhongshan Formation and Holocene Shunde Formation from Borehole PRD20 in central Pearl River Delta

PRD20孔共发现有孔虫6属7种, 其中包括底栖种6种:Ammonia tepida、A. koeboeensis、Protelphidium tuberculatum、Rosalina vilardeboana、Heterolepa sp.和Cribrononion subincertum, 浮游种1种:Neogloboquadrina dutertrei。以滨岸广盐型为主, 占到99%以上。各属种相对含量见 表1。

表1 珠江三角洲中部PRD20孔上更新统中山组和全新统顺德组有孔虫属种相对含量 Table1 Relative abundance of Foraminifera of the Upper Pleitocene Zhongshan Formation and Holocene Shunde Formation from Borehole PRD20 in central Pearl River Delta

底栖属种中的Ammonia tepida、Protelphidium tuberculatum、Cribrononion subincertum、Rosalina vilardeboana和A. koeboeensis, 属于滨岸广盐型, 可适应低盐度至正常盐度环境, 其中 Cribrononion subincertum深度适应范围相对较窄, 为水深40~50, m, 其余各种在水深0~50, m间均可生存(汪品先等, 1988)。Ammonia tepida为优势种, 见于孔深30.45~16.45, m段的所有样品, 且在每个样品中的丰度均超过50%; 含量最高处为20.90, m处, 达6700枚/100g。优势种Ammonia tepida的垂直分布基本上反映了PRD20孔的有孔虫丰度垂直变化趋势。Protelphidium tuberculatum的垂直分布变化与优势种Ammonia tepida同步, 数量也仅次于优势种。Heterolepa sp.主要生存于正常盐度的浅海环境中(汪品先等, 1988), 在钻孔中只出现于个别样品中, 且丰度很低。浮游有孔虫Neogloboquadrina dutertrei主要生存于水深50~100, m的水体中, 属于热带— 亚热带种, 多生存于水深超过50, m的中陆架至海槽环境中, 在大陆边缘处含量最高, 且其高含量出现于暖流流经区(汪品先等, 1988); 研究区钻孔中该种丰度较低, 仅在个别层位出现。根据PRD20孔有孔虫垂直分布特征, 可将钻孔沉积物自下而上划为8个层位:

a. 孔深30.45~26.93, m:丰度平均为826枚/100g。以滨岸广盐型有孔虫Ammonia tepida、A.koeboeensis、Protelphidium tuberculatum为主, Ammonia tepida居多, 占丰度的80%以上。零星出现Cribrononion subincertum及浮游种Neogloboquadrina dutertrei。

b. 孔深26.93~22.45, m:有孔虫丰度逐渐增加, 平均为2130枚/100g。阶段a出现的3种滨岸广盐型有孔虫仍为主要类群, 伴随出现少量Rosalina vilarbodeana(丰度少于20枚/100g)以及低温低盐种Cribrononion subincertum(丰度10~50枚/100g)。所有属种丰度均上升, 其中A. koeboeensis丰度达到全孔最高水平, 平均丰度为184枚/100g。

c. 孔深22.45~20.25, m:有孔虫丰度大幅度上升, 平均值高达8617枚/100g, 并在孔深20.9, m处达全孔峰值10764枚/100g。多数滨岸广盐型分子丰度在本阶段达到全孔最高水平。22.45, m处含暖水种Heterolepa sp., 丰度仅为4枚/100g。

d. 孔深20.25~18.35, m:丰度急剧下降, 均值低至193枚/100g。20.25~18.75, m段, 除Ammonia tepida外, 各属种丰度先后降至零。18.75, m处仅含Ammonia tepida, 且丰度低至12枚/100g。

e. 孔深18.35~16.05, m:有孔虫丰度重新快速回升, 均值为5118枚/100g, 最高可达9980枚/100g。在22.7, m处, Protelphidium tuberculatum丰度达到全孔峰值, 为4440枚/100g; Cribrononion subincertum丰度接近全孔峰值, 为60枚/100g。

f. 孔深16.05~8.55, m:不含有孔虫。

g. 孔深8.55~7.05, m:仅见Ammonia tepida, 丰度平均为72枚/100g。

h. 孔深7.05~1.25, m:不含有孔虫。

3.2 PRD17孔

PRD17孔底部粒度较粗的河道沉积物中未见微体动物化石, 自孔深23.29, m处开始出现有孔虫, 23.29~13.98, m段有孔虫化石较丰富, 孔深11.85, m以上有孔虫含量稀少, 仅在3.89~2.22, m段零星出现。PRD17孔沉积物中有孔虫主要属种垂直分布见 图5。

图5 珠江三角洲中部PRD17孔上更新统中山组和全新统顺德组有孔虫主要属种垂直分布特征Fig.5 Selected foraminifera abundance of the Upper Pleitocene Zhongshan Formation and Holocene Shunde Formation from Borehole PRD17 in central Pearl River Delta

PRD17孔共发现有孔虫14属29种, 其中包括底栖属种28种(滨岸广盐型15种, 海相— 半咸水型12种, 浅海型1种)和浮游属种1种。优势种为Ammonia beccarii、 A.koeboeensis和A. tepida, 其适应盐度范围及温度范围均较广, 在钻孔中占60%以上。各属种相对含量见 表2。

表2 珠江三角洲中部PRD17孔上更新统中山组和全新统顺德组有孔虫各属种相对含量 Table2 Relative abundance of Foraminifera of the Upper Pleitocene Zhongshan Formation and Holocene Shunde Formation from Borehole PRD17 in central Pearl River Delta

根据PRD17孔有孔虫的垂直分布特征, 可将钻孔沉积物自下而上划分为7个层位:

a'. 23.29~19.01, m:丰度低, 平均20枚/100g, 出现有孔虫的层位不连续。主要属种为优势种Ammonia beccarii和A. tepida, 出现少量海相— 半咸水分子Elphidium hispidulum、Cribrononion asiaticum、Quinqueloculina seminulangulata和Rosalina bradyi。

b'. 19.01~18.21, m:连续出现有孔虫, 丰度有所增加, 平均113枚/100g, 滨岸广盐型分子仅有Ammonia beccarii一种, 占到近90%, 零星出现海相— 半咸水分子Elphidium advenum、E. hispidulum(丰度35枚/100g左右)。

c'. 18.21~17.30, m:丰度大幅度增加, 平均为851枚/100g, 最高可达1016枚/100g。分异度较上一阶段显著升高, 滨岸广盐型分子以3个优势种为主, 占50%以上, 个别层位含少量Quinqueloculina akneriana rotunda; 海相— 半咸水分子得到极大发展, 丰度总和在每个样品中均超过200枚/100g, 其中Cavarotalia annectens和Elphidium advenum的含量较为可观, 平均丰度接近或超过100枚/100g, 个别层位含少量E. hispidulum、Q. seminulangulata、Q. sp.及Pararotalia nipponica; 亦有少量浅海型分子Massilina penglaiensis。

d'. 17.30~16.53, m:有孔虫丰度降至平均219枚/100g, 分异度亦有所下降。滨岸广盐型分子主要为3个优势种, 各种平均丰度均低于80枚/100g, 含少量Ammonia convexidorsa; 海相— 半咸水型分子也仅剩Cavarotalia annectens和Elphidium advenum, 丰度均低于35枚/100g; 含少量Pararotalia nipponica。

e'. 16.53~11.85, m:有孔虫丰度在本阶段回升至764枚/100g, 15.06, m处达到最高值, 为7832枚/100g, 分异度亦达到全孔最高(16种)。滨岸广盐型分子的3个优势种仍为主要属种, 平均丰度均接近或超过200枚/100g, 占50%以上; 海相— 半咸水型分子以Cavarotalia annectens、Elphidium advenum和Q.seminulangulata为主。多数滨岸广盐型分子及海相— 半咸水型分子在15.06, m处的丰度均达到全孔峰值。

f'. 11.85~3.89, m:不含有孔虫。

g'. 3.89~1.05, m:仅见零星有孔虫。3.89, m处出现少量滨岸广盐型分子Ammonia beccarii和A.tepida; 2.22, m处零星出现海相— 半咸水分子Cavarotalia annectens、Elphidium advenum、E.sp.和Nonion boueanum, 以及个别浮游有孔虫Globigerina bulloides。

4 古环境重建

珠江三角洲晚更新世中期以后, 在棋盘状的地貌基底上沉积了厚度不等的第四系(黄镇国等, 1982)。较低洼的谷地形成沉积中心, 其第四系厚度较大, 较大程度地记录了珠江三角洲的古环境变化; 而岭地上沉积较薄, 记录有所缺失。文中所涉及的PRD20孔和PRD17孔正是位于沉积中心, 记录了晚更新世以来的沉积环境变化过程, 尤其是晚更新世有孔虫记录较好。文中在参考前人工作的基础上, 根据PRD20孔和PRD17孔有孔虫微体动物群分布规律, 结合岩性特征和年代框架, 将研究区晚更新世以来的沉积环境演化划分为4个阶段( 图 6)。

图6 珠江三角洲中部钻孔PRD20和PRD17晚更新世以来的沉积环境演化Fig.6 Sedimentary environment changes since the Late Pleistocene of Boreholes PRD20 and PRD17 in central Pearl River Delta

4.1 河道沉积阶段(约44500 cal a BP以前)

PRD20孔底部(孔深33.10~31.12, m)为砾石和中粗砂、具向上由粗变细的趋势, PRD17孔底部(孔深33.27~26.63, m)为含砾粗中砂, 均不含任何生物化石, 属河道沉积。根据沉积速率推算, 河道沉积上覆地层最老年龄在PRD20孔(孔深31.12, m)约为34000 cal a BP, 在PRD17孔(孔深26.63, m)约为44500 cal a BP。珠江三角洲多个钻孔都记录了这一时期的河道沉积(徐明广等, 1986), 如位于大鳌平原的PRD5孔(刘春莲等, 2008)、位于PRD17孔东南侧的GZ-2孔(王建华等, 2009)等。

前人认为, 珠江三角洲第四系的底砾层形成于玉木亚间冰期前期, 受早玉木冰期的余波影响, 全球气候仍较寒冷, 珠江三角洲全境为陆地, 发育河流沉积。山丘边缘堆积冲洪积物, 河谷堆积砂砾层, 谷间高地遭受风化剥蚀(黄镇国等, 1982; 蓝先洪, 1996)。PRD20孔和PRD17孔底部属于古河谷砂砾层堆积的产物。

4.2 溺谷型河口湾发育阶段(约44, 500— 21, 300cal a BP)

至晚更新世晚期, 两孔在河流相沉积之上均发育了一套以深灰色黏土质粉砂为主、局部夹有细砂质粉砂和细砂、富含微体动物群的沉积, 表明期间受到海水影响。前人研究显示, 珠江三角洲在晚更新世普遍发育一套受海水影响的河口湾沉积(黄镇国等, 1982; 马道修等, 1988)。

关于这套沉积的形成时间尚存争议:有学者提出珠江三角洲MIS3期海平面低于海侵层的出露位置, 14C年龄偏年轻(Yim et al., 1990; Zong et al., 2009; 陈双喜等, 2015), 故认为此次海侵应对应MIS5期; 也有学者提供了古海平面遗迹、风化层底面高程等证据(黄镇国和蔡福祥, 2007; 刘尚仁, 1997), 认为MIS3期海平面与现代海平面的差距较小, 此套沉积记录了玉木亚间冰期的海侵事件。有关MIS3期对应沉积及地方性海平面变化的争论不限于珠江三角洲, 在全球范围内的多个河口地区都有学者持不同观点(Stirling et al., 1998; Belluomini et al., 2002; Dumas et al., 2006; Hanebuth et al., 2006; Gracia et al., 2008), 并指出前人依据深海氧同位素和极地冰芯建立的第四纪全球气候— 海平面曲线是否具有全球适用性还有待进一步研究(Belluomini et al., 2002; 王张华等, 2008)。

根据前人对珠江三角洲各个断块晚第四纪以来垂直构造运动速率的测算(陈伟光等, 2001), PRD17孔所处的广州— 番禺断块在晚更新世处于抬升状态, 而PRD20孔所处的顺德断块升降绝对值也小于10, m, 故文中认为这套沉积并不是由区域构造变动造成的海平面变化所致。在没有其他证据的情况下, 笔者结合两孔测年数据, 暂将这套受海水影响的河口湾沉积归为玉木亚间冰期沉积, 其应属MIS3期的海侵记录。

在玉木亚间冰期, 南海海平面上升, 海水由古珠江口入侵并沿古珠江水系推进, 形成狭窄的溺谷型河口湾, 使得珠江三角洲各地沿古河道由东南向西北先后受到了海水影响(黄镇国等, 1982; 马道修等, 1988)。参考现代有孔虫种群在珠江河口湾的分布特征来看, 盐度是控制其分布的重要因素(李涛等, 2011), 因此在径流与潮流共同作用的区域, 水体盐度适中且由河向海逐渐增加, 有孔虫的丰度及分异度也随之呈现升高的趋势(吴洁等, 2013)。PRD20孔中的有孔虫以滨岸广盐型分子占绝对优势, PRD17孔中的有孔虫组合以滨岸广盐型分子为主、含有一定量的海相半咸水分子, 表明PRD17孔所在地的盐度大于PRD20孔所在地, 推测研究区在晚更新世发育的溺谷湾中处于受径流和潮流共同影响的区域, 且PRD20孔受径流影响更大。有孔虫化石的取样与分析结果显示, 晚更新世溺谷湾发育期间, 研究区水体条件经历了多次变化, 可辨识出2次海侵海退次级旋回。

4.2.1 第1次海侵海退旋回:约37200— 27100 cal a BP 由两孔沉积速率推算, PRD17孔与PRD20孔分别于约37200 cal a BP(孔深30.45, m处)和33, 690 cal a BP(孔深23.29, m处)开始受到海水影响, 沉积物中出现有孔虫。由此推测, 晚更新世海侵在此之前已经开始, 这与李平日等(1987)关于晚更新世海进开始时间早于38400 cal a BP的结论相吻合。

1)海侵初期

随着海水入侵, 沿古河谷形成狭长的溺谷湾, 两孔先后开始出现有孔虫, 丰度及分异度均较低, 滨岸广盐型属种占绝对优势。PRD17孔于37200— 29000 cal a BP(层位a')零星出现少量海相— 半咸水属种个体(丰度少于20枚/100g), PRD20孔于33690— 32100 cal a BP(层位a)出现少量浮游个体(丰度为10枚/100g左右)。以弱潮型为主的珠江河口湾, 风暴潮是造成有孔虫搬运的主要动力(李平日, 2002), 故PRD17孔中的海相— 半咸水个体及PRD20孔中的浮游个体应是由风暴潮搬运至此的。

2)海侵扩大期

随着海平面上升, 海水继续入侵珠江三角洲地区, 两孔的有孔虫丰度和分异度显著增加, 均经历了缓慢增长和快速增长2个过程:

PRD20孔本阶段有孔虫全为滨岸广盐型, 32100— 29300 cal a BP(孔深26.93~22.80, m, 对应层位b)有孔虫丰度平均为2130枚/100g; 29300— 28314 cal a BP(孔深22.45~20.5, m, 对应层位c)有孔虫丰度平均为8617枚/100g, 且原有的属种丰度均有大幅提升, 另含少量暖水种Heterdepa sp.。

PRD17孔约29000— 28238 cal a BP(孔深19.01~18.21, m, 对应层位b’ )有孔虫丰度平均为113枚/100g。28238— 27590 cal a BP(孔深17.90~17.30, m, 对应层位c’ )有孔虫丰度平均为851枚/100g, 分异度亦显示明显的增长。滨岸广盐型分子以3个优势种为主, 海相— 半咸水分子得到极大发展(丰度总和在每个样品中均超过200枚/100g)。

本阶段中两孔的有孔虫丰度平均值均达到全孔最高水平, 分异度亦较高且变化平稳, 表明该期间水体条件较为稳定, 生物种群得以繁荣。本阶段的起止时间由沉积速率推算所得, PRD17孔较PRD20孔对海侵扩大的响应在时间上显示出一定的滞后性。参考前人对于珠江三角洲基底地貌的认识(黄镇国等, 1982), 可归因于PRD17孔所处位置(鱼窝头镇)地势较高。

3)海退期

海平面短暂下降, 湾头后退, 持续时间小于1.0, ka。海退导致的水体条件变化使两孔中的有孔虫丰度及分异度均有所下降:主要受控于径流的PRD20孔受到海退影响(约28200— 27100 cal a BP, 孔深20.25~18.75, m, 对应层位d), 有孔虫丰度及分异度迅速下降; PRD17孔有孔虫丰度下降的时间(约27400— 27000 cal a BP, 孔深17.10~16.53, m, 对应层位d’ )较短, 幅度较小(虽然各属种丰度显著下降, 但除优势种外尚存少许滨岸广盐型分子及海相— 半咸水型分子)。由此推测, 此次海平面短暂下降的影响范围有限, 海水并未退出珠江三角洲全境。

4.2.2 第2次海侵海退旋回:约27100— 21300 cal a BP 经历了短暂下降后, 海平面快速回升。PRD20孔的有孔虫丰度及分异度于约27100 cal a BP开始快速回升, PRD17孔的有孔虫丰度于约27000 cal a BP开始回升, 表明此次海侵对两孔产生影响的时间差很小, 海水入侵速度较快。

该阶段两孔中的有孔虫丰度及分异度均升至较高水平, 但平均丰度均未达到第1次海侵扩大期的程度。虽然PRD17孔的有孔虫平均丰度在本阶段达到全孔峰值(7832枚/100g, 分异度16), 但部分种属仅在此阶段出现, 其中7个种仅在15.06, m处出现, 表明PRD17孔所处区域水体条件不稳定。约26300 cal a BP开始, PRD20孔中的有孔虫丰度及分异度急剧下降, 表明海水对PRD20孔的影响减弱; 约25900 cal a BP后该孔中不再出现有孔虫, 表明海水完全退出。PRD17孔自约25300 cal a BP开始, 有孔虫丰度及分异度在波动中下降, 约23700 cal a BP后, 不再出现有孔虫。海水退出后, PRD20孔发育1层以细砂和粉砂质细砂为主、夹含砾粗中砂和粉砂质黏土的沉积, PRD17孔则发育深灰色黏土与粉砂互层的沉积; 两孔均不含任何生物记录。

相较于PRD20孔, PRD17孔对海平面下降响应的时间较晚且历时较长, 同时有孔虫属种组合显示水体条件不稳定, 表明海水是在较为动荡的条件下逐渐退出研究区的。

4.3 陆相风化剥蚀阶段(约21300— 8000 cal a BP)

开始于更新世末期的末次冰盛期大海退, 导致全球海平面大幅下降, 南海海平面降至-131, m处(陈欣树等, 1990)。珠江三角洲全境乃至整个南海北部大陆架均处于陆相风化剥蚀环境(黄镇国和蔡福祥, 2007; 刘春莲等, 2012; Liu et al., 2013)。

在该阶段, PRD20孔风化层表现为褐红色砂砾层, PRD17孔表现为花斑黏土层, 均为下伏沉积暴露地表后的风化产物(黄镇国等, 1985; 徐明广等, 1986)。由两孔沉积速率分别推算, PRD20孔暴露于地表开始受到风化剥蚀作用的时间不早于24, 500 cal a BP, PRD17孔暴露于地表的时间不早于21300 cal a BP。前人研究中, 末次冰盛期对珠江三角洲的起始时间介于22000— 20000 a BP(黄镇国等, 1985; 蓝先洪, 1991; 王建华等, 2009; Liu et al., 2013), 文中结果与之较为吻合。

4.4 全新世沉积阶段(约8000 cal a BP以后)

随着末次冰期的结束, 气候转暖, 南海海平面开始回升。有学者推测珠江口地区冰后期海侵可能开始于12000 a BP, 但无确切证据(徐明广等, 1986; 李平日等, 1991); 珠江口外陆架的古海岸线年龄显示, 南海末次冰期结束时间约为13700± 600 a(未校正年龄)(陈欣树等, 1990); 磨刀门附近的PRD05孔沉积记录显示, 冰后期海侵早于16700 cal a BP(Liu et al., 2013)。这与长江三角洲在距今13000— 14000 a(未校正)开始冰后期海侵的情况较为接近。

全新世海侵初期, 随着海平面上升, 珠江三角洲低洼地段因河水滞留形成沼泽环境, 可形成泥炭沉积。PRD20孔风化层之上的泥炭层正是这种环境变化的体现。PRD20孔泥炭层无测年数据, 根据沉积速率推算, 泥炭层上覆层位最老年龄约为7570 cal a BP。前人研究结果显示, 中国其他沿海地区早全新世发育的泥炭层年龄均不晚于8000 cal a BP(梁名胜和张吉林, 1996; 高庆华, 2010), 由此推断PRD20孔泥炭层可与之相对应, 发育时间应早于8000 cal a BP。位于珠江三角洲西江河口大鳌沙的PRD05孔早全新世亦发育1层泥炭层, 底部测试年龄约为16450± 560 cal a BP(Liu et al., 2013), 表明珠江三角洲南部更早受到海平面上升的影响。由于晚更新世末至早全新世磨刀门水道和狮子洋水道的逐渐打开(陈国能等, 1994), 海水侵入的路径发生变化。晚更新世海水仅由古珠江口侵入, 全新世转变为多个口门侵入, 珠江三角洲南部更早接受海侵。

根据前人对珠江三角洲晚更新世以来2次海侵范围的讨论, 晚更新世海侵范围大致在太平— 中堂— 顺德— 江门一线以南, 全新世海侵规模超过晚更新世海侵, 大致在黄埔— 石楼— 大良— 江门— 沙富一线附近(徐明广等, 1986; 蓝先洪, 1991; 李春初, 2004)。前人研究认为珠江三角洲中全新世以来的海面呈持续波动式上升且有过相对间歇(黄镇国等, 1982; 袁家义等, 1988), 但由于珠江三角洲各个构造单元垂直升降的时空差异导致珠江三角洲不同位置的第四系厚度、海侵— 海退旋回情况记录不尽相同, 对比邻近区域的钻孔(如PRD16孔、GZ-2孔等)所记录的全新世海侵(王建华等, 2009; 庄畅等, 2013), PRD20孔和PRD17孔的生物记录都乏善可陈。

PRD20孔在7570— 5500 cal a BP(孔深10.80~4.80, m), 沉积了超过5, m的河口湾相, 其中约7000— 6400 cal a BP(孔深8.55~7.50, m)出现了少量滨岸广盐型有孔虫, 表明已受到全新世海侵的影响, 时间上与全新世海侵最盛期相吻合(李从先和张桂甲, 1996; 刘春莲等, 2008)。但该孔中有孔虫丰度较低, 属种单一, 仅有A. tepida一种, 表明海水影响程度有限, 径流的影响较大。参考现代有孔虫在珠江三角洲河口湾的种群分布特征, 湾头处水体盐度较低, 仅有少数适应性极强的滨岸广盐型分子可以存活, 且丰度较低(吴洁等, 2013), 推测在全新世海侵形成的溺谷湾中, PRD20孔处于湾头附近。约5500 cal a BP后, PRD20孔发育了一套全新世海退阶段的三角洲平原沉积, 不含生物遗迹, 表明不再受海水影响, 这与海水完全退出珠江三角洲南部钻孔PRD05的时间(Liu et al., 2013)较为接近。

前人对珠江三角洲断块的划分及测算结果显示, PRD17孔所处的广州— 番禺断块在全新世约8000— 6000 a BP间处于构造抬升阶段, 且抬升速率超过0.85, mm/a, 属于珠江三角洲全新世抬升最快的断块之一(陈伟光等, 2001)。构造抬升导致PRD17孔地势较高, 故开始接受全新世沉积的时间较晚, 并未受到全新世早— 中期海侵的影响。约4700 cal a BP才开始再次沉积1层无生物记录的深灰色黏土质粉砂, 为三角洲平原亚相。约3800 cal a BP后, 该孔发育深灰色粉砂与黏土互层的沉积, 零星出现滨岸广盐型、海相— 半咸水型及浮游有孔虫个体, 表明期间受到潮水影响。

5 结论

综合有孔虫微体动物群记录、岩性特征和14C测年结果, 珠江三角洲中部PRD20孔及PRD17孔所在区域晚更新世以来经历了多次沉积环境的变化。约44500 cal a BP以前为河流环境, 发育河道砂砾沉积。随后受晚更新世海侵影响, 44500— 21300 cal a BP间发育了一套溺谷型河口湾沉积。两孔有孔虫记录显示, 研究区处于溺谷湾中径流与潮流共同作用的区域, 且PRD20孔受径流影响更大。溺谷湾发育期间, 水体条件发生了多次变化, 可识别出2次海侵海退次级旋回。约21300 cal a BP后, 受末次冰盛期海退影响, 研究区暴露于地表遭受风化剥蚀, 风化产物在PRD20孔表现为1层杂色砂砾, 在PRD17孔表现为1层花斑黏土。约8000 cal a BP, 海平面回升导致河水滞留形成沼泽环境, PRD20孔发育1层泥炭层。约8000— 5500 cal a BP间, PRD20孔发育受径流影响较大的河口湾沉积, 仅在全新世海侵最盛时含有少量有孔虫记录。约5500 cal a BP后, PRD20孔发育三角洲平原沉积。广州— 番禺断块抬升速率较快, 导致PRD17孔地势较高, 于约4700 cal a BP才开始接受全新世沉积, 为三角洲平原亚相, 并零星出现潮水搬运而来的有孔虫。

(责任编辑 张西娟)

作者声明没有竞争性利益冲突.

作者声明没有竞争性利益冲突.

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