莫东坡, 朱丽东, 李凤全, 叶玮, 乔枢杰, 何俊杰, 王天阳, 张伟宏. (2018)浙江曹娥江下游XYC孔色度特征及其全新世环境记录* [J]. 古地理学报, 20(1): 163-174
Mo Dong-Po, Zhu Li-Dong, Li Feng-Quan, Ye Wei, Qiao Shu-Jie, He Jun-Jie, Wang Tian-Yang, Zhang Wei-Hong. (2018)Chroma characteristics and its Holocene environmental record of Borehole XYC in the downstream area of Cao'e River,Zhejiang Province[J]. Journal Of Palaeogeography, 20(1): 163-174.   
Doi: 10.7605/gdlxb.2018.01.011
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浙江曹娥江下游XYC孔色度特征及其全新世环境记录*
莫东坡, 朱丽东, 李凤全, 叶玮, 乔枢杰, 何俊杰, 王天阳, 张伟宏
浙江师范大学地理与环境科学学院,浙江金华 321004
通讯作者简介 朱丽东,女,1965年生,教授,主要从事自然地理和环境变化研究。E-mail: zhulidong@zjnu.cn。

第一作者简介 莫东坡,男,1991年生,硕士研究生,主要从事第四纪环境演变研究。E-mail: dongpomo@163.com。

收稿日期:2017-07-19
基金资助:*国家自然科学基金项目(编号: 41572345,41371206)和浙江省自然科学基金项目(编号: LY16D010001,Q18D020003)共同资助
摘要

XYC孔位于钱塘江南岸曹娥江下游地区。在对 1717个样品的色度、粒度、总有机碳( TOC)测试分析的基础上,重点探讨该钻孔沉积物色度特征及环境意义,并结合年代框架讨论该地区环境变化特征。初步结论如下: ( 1)钻孔沉积物呈现高亮度、较低黄度和低红度特征,纵向看, ①、 ②层色度波动明显, ③层至 ⑧层下段色度变化稳定, ⑧层上段至 ⑨层色度波动变化再次增强,呈波动—稳定—再波动特征。( 2)亮度值与砂含量及 TOC含量相关性较好,沉积动力强,砂含量高,亮度值高; TOC含量高,亮度值低。黄度、彩度值与 TOC含量呈较好负相关,对气候的状况及海面变化有较好指示意义。( 3)色度及其变化过程指示多水或水下沉积环境,并在一定程度上响应该地区海平面变化以及河流相—潮坪相—浅海相—湖沼相的沉积相变化过程: 9690— 9107 cal a BP时段,该区以河流沉积为主,水动力变化不稳定,气候偏干, TOC含量较低,亮度高,红黄度低; 9107— 8613 cal a BP时段,黄度、彩度值降低,气候转湿,半咸水贝类生物及毕克卷转虫为主的底栖有孔虫的出现,表明研究区发生海侵并逐步由低潮坪转为高潮坪环境; 8613— 7330 cal a BP时段,黄度、彩度值最低,气候更湿润,伴有正常盐度的异地希望虫和少量抱球虫、圆辐虫等浮游有孔虫,海面进一步上升,成为浅海环境; 7330— 5131 cal a BP时段,黄度、彩度值升高,海面降低,气候变干,研究区转化为湖沼环境,泥炭发育。

关键词: 曹娥江; 钱塘江南岸; 全新世; 色度特征; 环境演变
中图分类号:P534.63+2 文献标志码:A 文章编号:1671-1505(2018)01-0163-12
Chroma characteristics and its Holocene environmental record of Borehole XYC in the downstream area of Cao'e River,Zhejiang Province
Mo Dong-Po, Zhu Li-Dong, Li Feng-Quan, Ye Wei, Qiao Shu-Jie, He Jun-Jie, Wang Tian-Yang, Zhang Wei-Hong
College of Geography and Environmental Science,Zhejiang Normal University,Jinhua 321004,Zhejiang
About the corresponding author Zhu Li-Dong,born in 1965,is a professor of College of Geography and environmental Science,Zhejiang Normal University. She is mainly engaged in natural geography and environmental change. E-mail: zhulidong@zjnu.cn.

About the first author Mo Dong-Po,born in 1991,is a candidate for his master's degree of Zhejiang Normal University. He is mainly engaged in the Quaternary environmental evolution. E-mail: dongpomo@163.com.

Fund:Co-funded by the National Nature Science Foundation of China(Nos. 41572345,41371206)and the Natural Science Foundation of Zhejiang Province(Nos. LY16D010001,Q18D020003)
Abstract

The Borehole XYC is located in the downstream area of the Cao'e River which is in the south bank of the Qiantang River. Based on the analysis of chroma,particle size and total organic carbon(TOC) of 1717 samples,the chromaticity characteristics and environmental significance of the drilling sediments were mainly discussed,and the characteristics of environmental change in the area were documented in combination with a chronological framework. The preliminary conclusions are as follows: (1)The drilling deposits show characteristics of high brightness, low yellowness and low redness. In the vertical direction,the chromaticity fluctuats markedly of Layers ① and ②,and the chroma changes steadly from Layer ③ to lower part of ⑧. However,the fluctuation amplitude of chromaticity changes from the upper part of Layer ⑧ to Layer ⑨ is enhanced again,and it presents the characteristics of fluctuation,stability and re-fluctuation eventually. (2)High brightness values brightness correlates well with sand and TOC content. The stronger the deposition power is,the higher the sand content is and the higher brightness value brightness is;while the higher of the TOC content,the lower of the brightness value. The values of low yellowness,saturation and TOC content have a good negative correlation,and also have a good indication of the humid climate and sea level changes. (3)The chromaticity and its variation process indicates a damp or subaqueous environment,and to some extent,it responds to the sea level change in the area and change process of sedimentary facies between fluvial facies,tidal-flat facies,neritic facies and limnetic facies. During 9690-9107cal a BP,the fluvial deposits were developed,the hydrodynamic changes were unstable,and the climate is dry,the TOC content is low,brightness is high,while the values of yellowness and redness are low. During 9107—8613 cal a BP,the values of yellowness and saturation were reduced,the climate was damp,the brackish water shellfish and benthic foraminifera, mainly including Ammonia beccarii vars., emerged,all of these indicates that transgression occurred in the study area and gradually changed from a low tidal flat to a high tidal environment. During 8932-7330 cal a BP,the values of yellowness and saturation are lowest,the climate was more humid,accompanied by the normal salinity of Elphidium advenum and a small amount of Globigerina spp., Globorotalia spp. and other planktonic foraminifera,the sea further rose into a shallow sea environment. During 8932-7330 cal a BP,the values of yellowness and saturation are increased,the sea level fell and the climate became dry,into the limnetic environment,and the peat was developed.

Key words: Cao'e River; south bank of Qiantang River; Holocene; chroma characteristics; environmental evolution

色度是土壤性状的重要诊断指标, 也是沉积环境和古环境记录研究中最常用的环境代用指标(吴艳宏和李世杰, 2004; Zhang et al., 2014; 冯力威等, 2015)。色度通常受水热条件、沉积物粒度、含水量、有机质、碳酸盐、矿物组成等因素影响(杨胜利, 2001; 宋春晖等, 2005; 隋玉柱, 2008; 徐丽等, 2009), 不同沉积载体及成壤环境还可能导致其多解性。如黄土中, 亮度指示碳酸盐含量、气候波动和沉积后的地下水状况(彭淑贞和郭正堂, 2003); 红度与黄度比值指示风化成壤强度, 并进一步揭示气候变化信息(高鹏坤等, 2015)。下蜀黄土中, 色度能有效指示冰期和间冰期气候变化(任少芳, 2010)。南方网纹红土中, 色度受铁分异的影响, 红基质与白网纹之间的色度差能够反映网纹发育程度及其变化趋势(朱丽东等, 2014)。湖泊沉积中, 红度反映气温变化, 黄度则指示湖水深度和有效湿度的变化(吴健和沈吉, 2009; 陈宗颜等, 2011; 吴永红, 2012)。浙江杭州湾地区, 第四纪沉积类型丰富, 是全新世环境变化研究的理想区域, 前人已有一定研究基础(王建华等, 2006; 覃军干, 2006; 吴立, 2012; 陆文晨, 2014; 叶玮等, 2016; 朱丽东等, 2017), 但全新世环境变化的框架仍然不够清晰。文中基于杭州湾南岸曹娥江下游地区XYC孔的色度特征, 探讨其色度变化的影响因素和环境意义, 进而结合粒度、TOC和测年数据讨论该地区环境变化及海陆交互信息, 为该地区全新世环境重建奠定基础。

1 样品与实验方法

XYC孔(30° 02'49.4″N, 120° 53'14.1″E)位于宁绍平原中部的曹娥江下游绍兴市上虞区(图1)星一村附近, 南依会稽山、四明山余脉, 北临钱塘江岸, 地势低平北倾, 海拔不足10, m。上虞区地处北亚热带南缘, 属温和湿润的亚热带季风气候, 年均温16.7, ℃, 年降水量1433, mm, 3— 4月份为春雨季, 5— 6月份为梅雨季, 9月份为台风雨季, 旱涝灾害时有发生。上虞区江河溪湖分属曹娥江、姚江水系, 境内曹娥江干流长69, km, 沿岸为肥沃的冲积平原, 滨海地带有潮流挟带泥沙堆积而成的滨海沙堤, 沙堤区及其外侧建有海塘, 沙堤区内侧属潟湖— 湖沼平原。这里海陆交互, 沉积类型众多, 是开展海岸带环境演变研究的理想区域。

图 1 浙江曹娥江下游XYC孔位置Fig.1 Lcocation of Borehole XYC in the downstream area of Cao'e River, Zhejiang Province

XYC孔岩心全长34.34, m, 顶部2.20, m以上是人为扰动的填土层; 2.22~13.32, m之间为青灰或灰黑色淤泥质沉积, 其中2.74~2.84, m、3.18~3.58, m和4.24~4.40, m处夹有黑色泥炭层; 13.34~32.08, m之间为青灰或灰色粉砂质沉积, 粒径变化较大; 32.10, m以下为灰黄色砂质沉积, 夹砾石。朱丽东等(2017)和裴豪杰(2016)在沉积特征描述和粒度测试的基础上, 将XYC孔沉积物自下而上划分为10个沉积单元。①— ⑩层分别是: 粉砂质砂(32.08~34.34, m)、粉砂(27.72~32.08, m)、砂质粉砂(25.30~27.72, m)、粉砂质砂(23.08~25.30, m)、砂质粉砂(22.60~23.08, m)、黏土质粉砂(19.04~22.60, m)、粉砂(13.32~19.04, m)、黏土质粉砂(4.22~13.32, m)、粉砂(2.20~4.22, m)和填土层(0~2.20, m)(表 1, 图2)。作者按照2, cm间隔取样, 共获得1717个样品。

表 1 浙江曹娥江下游XYC孔岩性特征 Table1 Lithologic characteristics of Borehole XYC in the downstream area of Cao'e River, Zhejiang Province

图 2 浙江曹娥江下游XYC孔色度参数纵向变化Fig.2 Chroma parameter's vertical change of Borehole XYC in the downstream area of Cao'e River, Zhejiang Province

色度测试采用1976年国际照明委员会颁布的CIELAB表色系统, 测试仪器为日本柯尼卡美能达公司生产的CR-400色彩色差计, 被测样品置于恒温干燥箱中40, ℃条件下烘干并研磨至200目以下, 整个实验过程保证背景光源恒定。进行仪器校正后, 取3~5 g样品置于粉末测试盒内压平, 每一样品重复测量3次, 取平均值。TOC含量利用重铬酸钾— 硫酸亚铁滴定法测量并换算而得。粒度测试在Mastersizer 2000激光粒度分析仪上完成, 测试量程0.02~2000, μ m, 重复测量误差小于2%。磁化率测试用Bartington MS2双频磁化率仪完成。所有样品的测试均在浙江师范大学地理过程实验室完成。

2 色度特征及环境意义
2.1 色度特征

CIELAB表色系统由亮度(L* )、红度(a* )、黄度(b* )3个参数构成。亮度值变化于0(黑)至100(白)之间, 数值越高颜色越浅, 数值越低颜色越深; 红度值介于-60(绿)到60(红)之间, 数值越大越倾向红色, 数值越小越倾向绿色; 黄度值在-60(蓝)到60(黄)之间变化, 数值越大越倾向黄色, 数值越小则趋于蓝色(Robertson, 1977)。XYC孔沉积物的色度测试结果如图2和表 2所示。

表 2 浙江曹娥江下游XYC孔色度特征 Table2 Chroma characteristics of Borehole XYC in the downstream area of Cao'e River, Zhejiang Province

2.1.1 亮度

XYC孔样品的亮度值介于40.09~69.40之间, 平均值60.09, 绝大部分样品(98.94%)的亮度值高于50, 总体呈现高亮度特征。9个岩性层段亮度值及其纵向变化(表 2, 图 2)表明, 钻孔底部层①的亮度值最高且有一定波动, 数值变化于58.78~69.40之间, 平均值64.64, 标准偏差2.45。②至⑧层下段, 亮度变化稳定, 各层亮度值(57.46~62.05)基本稳定在钻孔平均值附近, 标准偏差也相对较小, 介于0.83~1.54之间。⑧层上段亮度均值有所降低, 均值60.83, 且数值波动增强(图 2), 标准偏差与其下段相比, 明显增大, 由1.40增至3.63。⑨层是亮度值最低且波动最大的层段, 亮度值介于40.09~62.97之间, 均值55.72, 标准偏差可达4.76。

2.1.2 红度

XYC孔样品的红度值介于-1.06~5.25之间, 平均值仅1.04, 呈现低红度特征(南方红土的红度值通常在20以上)。1717个样品中, 87.36%的样品红度值大于0, 红度值介于0~2之间的样品占83.88%。层段间比较而言, ①至⑤层, 红度值波动, ①、②层之间(32.40~32.98, m处)以及③、④层之间(25.02~25.84, m)有明显波谷, 红度值为负; ①至⑤层红度均值以②、⑤层略高(1.44和1.07), 标准偏差则以①、⑤层略高(0.97和1.34)。⑥至⑧层下段, 红度值变化极为稳定, 均值分别为0.98、0.87、0.88, 标准偏差亦为全孔最低, 分别为0.09、0.11、0.47。⑧层上段至⑨层, 红度值又表现出波动性, ⑧层上段红度值低, 平均0.06, 其间5.66~7.98, m及8.54~9.14, m处呈负值, 标准偏差增至0.75, ⑨层, 红度值波动升高, 均值达2.10, 标准偏差也继续增至1.33。

2.1.3 黄度

XYC孔沉积物黄度值介于3.43~21.99之间, 均值9.22。统计表明, 1717被测样品中, 99.50%样品的黄度值小于20, 77.85%样品的黄度值不大于10, 整体呈现中— 低黄度特征(北方黄土的黄度值通常在15~19)。层段间相比, ①至⑤层, 黄度值有一定波动, 均值以①、②、⑤层偏高(10.87、10.42、10.09), ③、④层略低(9.20、9.97), 其中①、②层之间(31.62~32.74, m)和③、④层之间(25.02~26.56, m)为波谷, 黄度值低于10; 波峰则出现在①层, 峰值处黄度值大于20; 另外①层的标准偏差值(2.92)也较②至⑤层(0.68、0.73、0.45、0.48)明显偏高。⑥至⑧层下段, 黄度值比较稳定, 均值分别为8.93、8.24、8.11, 标准偏差分别为0.28、0.31、1.47。⑧层上段至⑨层, 黄度值再次呈现波动, ⑧层上段黄度值仅5.52, 其中5.68~6.30, m和6.52~7.96, m黄度值甚至低于5, 至⑨层, 黄度值再度波动升高, 平均11.75, 标准偏差也由⑧层上段的1.86增至⑨层的5.12。

色度特征表明, XYC孔沉积物亮度较高, 红度和黄度较低(图 3-i, 图 3-ii), 但亮度与红度、黄度之间并无明显相关关系, 而红度与黄度间存在线性正相关关系, R2=0.763(图 4)。彩度(Ca* b* =[(a* )2+(b* )2 ]1/2)受红度、黄度共同作用的影响, 是能够反映沉积物红绿彩度和黄蓝彩度共同特征的综合色度参数(杨胜利, 2001; 朱芸, 2007)。XYC孔彩度值变化于3.49~22.61之间(表 2), 多数样品彩度值小于10, 均值9.30。相比之下, ①、②、⑤、⑨层彩度值高于钻孔均值, 其他层段则低于钻孔平均值, 其中⑨层最高(11.95), ⑧层最低(6.73)。彩度与红度、黄度之间的相关分析(图 5-i, 5-ii)进一步表明, 彩度受黄度值影响更显著, 两者之间呈高度线性正相关, R2=0.999, 彩度值波动特征及变化趋势与黄度值一致。

图 3 浙江曹娥江下游XYC孔沉积物亮度— 红度(i)与亮度— 黄度(ii)散点图Fig.3 Brightness-redness(i) and brightness-yellowness(ii)scatter plots for Borehole XYC sediments in the downstream area of Cao'e River, Zhejiang Province

图 4 浙江曹娥江下游XYC孔沉积物红度与黄度相关关系Fig.4 Relationship between redness and yellowness for Borehole XYC sediments in the downstream area of Cao'e River, Zhejiang Province

图 5 浙江曹娥江下游XYC孔沉积物彩度与红度、黄度相关关系Fig.5 Relationship between saturation and redness, yellowness for Borehole XYC sediments in the downstream area of Cao'e River, Zhejiang Province

基于纵向变化, XYC孔色度变化可分为3个阶段(图 2)。A阶段(34.34~27.74, m, ①至②层), 亮度、红度、黄度值分别变化于54.50~64.90、-1.06~4.04、7.86~21.56之间, 对应的标准偏差值分别为2.64、0.66、1.80, 色度参数最高值均出现在①层, 呈现波动明显且参数值高于整个钻孔平均值的特征。B阶段(27.72~9.22, m, ③至⑧层下段), 亮度、红度、黄度值分别变化于50.52~69.72、-0.48~2.17、5.24~12.15之间, 对应的标准偏差值分别为1.84、0.31、0.78, 色度变化相对稳定, 亮度、红度、黄度均值略低于整个钻孔平均值。B段内分3个亚段, B-1亚段(③、④、⑤层)色度参数稳定性弱于B-2(⑥、⑦层)、B-3亚段(⑧层下段), B-1亚段亮度、红度、黄度值标准偏差较大, 分别为2.32、0.54、1.14, 其间红度、黄度有一明显低值, B-2、B-3亚段亮度、红度、黄度值标准偏差较小, 分别为1.63、0.16、0.59, 色度参数无明显波动。B-3与B-2相比, 亮度更高, 红度、黄度更低。C阶段(9.20~2.22, m, ⑧层上段至⑨层), 亮度、红度、黄度值分别变化于40.09~64.84, -0.76~5.25, 3.43~21.99之间, 对应的标准偏差值分别为3.59、0.66、1.45, 亮度、红度、黄度值波动增强, 亮度值以⑨层最低, 但红度、黄度最低值均出现于层⑧上段。可见, 色度记录呈现波动— 稳定— 再波动的阶段性变化特征。

2.2 色度环境意义

通常, 土壤中有机质含量越高, 成壤强度越高, 亮度值越低。在黄土— 古土壤序列中碳酸钙含量越高, 亮度值越高(何柳等, 2010)。在中国南方地区, 碳酸盐含量对沉积物亮度值影响不大, 更多地受有机质含量的影响(刘峰等, 2015)。由于TOC反映特定区域特定环境下初始生产力的状况, 湖泊沉积中TOC低值往往对应寒冷气候, 高值则为暖期(白雁等, 2003), 寒冷期沉积物亮度偏高。另外, 粒度对TOC的影响也不容忽视, 沉积动力强、砂含量高时, 不利于有机质富集; 沉积动力减弱、黏粒含量增加时, 有机质可封存在黏土孔隙中不易被微生物分解(张瑞虎等, 2011)。红度、黄度主要与沉积物中赤铁矿和针铁矿含量有关, 某种程度上指示沉积环境氧化— 还原条件的变化(冯力威等, 2015), 还有研究表明, 暖湿的亚热带— 热带环境下, 红度与降水、温度呈良好指数关系, 黄度则与气温、降水存在线性关系(杨胜利, 2001), 具有气候指示意义。

基于XYC孔沉积物色度的阶段性变化, 结合粒度、TOC、磁化率测试数据, 采用SPSS Statistics 20软件对A、B、C 3个阶段的色度参数与粒度、TOC、磁化率等指标进行相关性分析, 其结果如表 3所示。从表 3可以看出, XYC孔色度与磁化率(χ )间无明显相关性, 其变化受粒度组成和TOC含量的影响较大, 但在不同阶段有差异。

表 3 浙江曹娥江下游XYC孔色度、粒度、TOC和磁化率相关性分析 Table3 Correlation analysis of chroma, particle size composition, TOC and magnetic susceptibility for Borehole XYC in the downstream area of Cao'e River, Zhejiang Province

A阶段亮度值与砂(> 63, μ m)含量及平均粒径(Mz)呈显著正相关, 相关系数为0.709、0.541, 与TOC含量明显负相关, 相关系数为-0.679。红度、黄度值与黏粒(< 4, μ m)含量呈正相关, 相关系数为0.520、0.329(表3)。结合表 4可知, A阶段①、②层的砂和粉砂含量有明显差异, ①层砂含量高达45.56%, TOC含量低, 仅1.02 g/kg, 亮度值最高(平均64.64), ②层粉砂和黏粒含量增加, TOC含量增加, 亮度值降低, 红度、黄度值则有所升高。高亮度指示沉积动力强的环境, 沉积物颗粒粗, 有机质积累弱; 红度、黄度增加意味着黏粒含量和有机质含量的增加。

表 4 浙江曹娥江下游XYC孔粒度组成及TOC含量(均值) Table4 Particle size composition and TOC content (mean value) of Borehole XYC in the downstream area of Cao'e River, Zhejiang Province

B阶段整体来看亮度、红度值与砂含量呈负相关, 相关系数为-0.681、-0.519, 与TOC和黏粒含量呈正相关, 相关系数为0.513、0.547和0.617、0.441。黄度值与砂含量呈正相关, 相关系数0.599, 与黏粒含量呈负相关, 相关系数为-0.423(表3)。但细节上看, ③、④、⑤层砂含量高(> 20%), TOC含量低, 红度、黄度值也低, 红度与砂含量及TOC间存在一定相关性, 相关系数为-0.360、0.513; ⑥、⑦层, 砂含量减少, 黏粒含量增加, 红度、黄度与黏粒含量正相关; ⑧层下段, 砂含量低, TOC含量低, 黄度值与TOC呈一定负相关。可见, B阶段沉积物粒度主要影响红度、黄度值, TOC在③至⑤层影响红度值, 在⑧层下段影响黄度值。

C阶段砂含量低, TOC含量明显增加(14.62~17.86 g/kg), 色度变化主要指示TOC和黏粒含量的变化。亮度、红度、黄度值与TOC均呈负相关, 相关系数为-0.491、-0.560和-0.653; 红度、黄度值与黏粒含量也呈负相关, 相关系数分别为-0.660和-0.636(表3)。

综上所述, XYC孔沉积物色度对其沉积环境及特定环境下生物量的变化具有一定指示意义。钻孔红度值很低, 指示多水或水下还原的沉积环境, 前人的研究(朱丽东等, 2017)表明, XYC孔自下而上经历河流相— 潮坪相— 浅海相— 湖沼相等沉积相变化过程。亮度值与砂及TOC含量相关性较好, 沉积动力强的时段砂含量高, 亮度值高, 而TOC含量高的时段, 亮度值低。黄度值与TOC含量的相关性较好, 首先, TOC反映有机质生产力状况, 气候温暖湿润的时段, TOC含量高, 黄度值下降; 其次, TOC与水位变化有关, 水位低, 氧化作用强, 有机碳难以保存(吴艳宏和李世杰, 2004; Xu et al., 2006), 因而黄度值较低, 也可能反映较高的水位。XYC孔的彩度值受黄度值的影响更大, 其可表征气候湿润程度, 彩度值低, 气候更湿润, 这与苏北盆地XH1钻孔的研究结果(朱芸等, 2007)一致。鉴于XYC钻孔特殊的地理位置, 沉积环境变化通常表现为海面升降和海岸线进退, 因此XYC钻孔的色度特征能响应该地区海平面的变化, 从而具有一定的气候指示意义。

3 色度环境记录
3.1 XYC孔年代标尺

根据在美国BETA实验室测得的4个样品的AMS14C年龄, 经calib Rev 7.0.4软件校正, 深度2.76, m、8.74, m、26.72, m、31.74, m处4个样品的AMS14C校正年龄分别是5284— 5329 cal a BP、7618— 7759 cal a BP、9009— 9137 cal a BP、9524— 9622 cal a BP(表 5)。

表 5 浙江曹娥江下游XYC孔AMS14C测年结果 Table5 AMS14C age of Borehole XYC in the downstream area of Cao'e River, Zhejiang Province

按照沉积速率内插外推得到其他深度年龄, 由于不同层段的沉积速率存在较大差异, 因此内插外推时采用不同沉积速率。2.76~8.74, m之间为粉砂和黏土质粉砂, 几乎不含砂, 是整个钻孔中沉积物平均粒径最细的部分, 期间平均沉积速率0.3194, cm/a, 依据粒度和岩性特征, 向上至2.20, m处以及向下至13.32, m处按此沉积速率外推, 得到2.20, m和13.32, m处年代分别为5131 cal a BP和8613 cal a BP; 13.32~26.72, m砂含量明显增加, 以13.32, m和26.72, m处的年代为控制节点, 则该段平均沉积速率为2.9130, cm/a, 按此沉积速率外推至27.72, m处的年代为9107 cal a BP; 27.72~31.74, m以粉砂为主, 沉积速率为0.8626, cm/a, 以此推算至32.08, m处的年代为9612 cal a BP; 32.08~34.34, m为砂质粉砂, 因含砂量增加, 更为接近13.32~27.72, m间沉积速率, 按沉积速率2.9130, cm/a外推, 得到钻孔底部34.34, m处的年代为9690 cal a BP。最终初步获得钻孔年代框架, 即XYC孔①至⑨层属全新世9690— 5131 cal a BP期间的沉积, 并在期间经历河流相— 潮坪相— 浅海相— 湖沼相等沉积相变化过程(朱丽东等, 2017)。

3.2 XYC孔色度记录的环境演变

根据全孔色度记录, 结合粒度、TOC和彩度等环境代用指标, 将全孔划分为Ⅰ 、Ⅱ 、Ⅲ 、Ⅳ 共4个环境变化阶段(图 6)。

图 6 浙江曹娥江下游XYC孔色度、粒度、TOC变化和环境变化阶段Fig.6 Variation of chroma, granularity and TOC, and division of environmental change stages for Borehole XYC in the downstream area of Cao'e River, Zhejiang Province

阶段Ⅰ (9690— 9107 cal a BP), 即钻孔①、②层, 色度阶段A。色度、粒度等各项指标波动显著, 指示研究区全新世早期环境变化的不稳定性。Ⅰ 阶段早期(①层)水动力条件强且不稳定, 砂含量很高, TOC含量低, 亮度值最高, 对水位变化和气候湿润程度有一定指示意义的黄度值和彩度值相对较高, 气候偏干, 环境条件较差。自①层向②层, 砂含量急剧减少, 粉砂和黏粒含量增加显著, 黄度值和彩度值有所下降, 地层中出现碳化植物碎屑, Ⅰ 阶段后期(②层)环境有所改善, 气候趋于湿润, 但不含贝、螺、蚬等水生生物残体, 也未见咸水半咸水有孔虫, 表明Ⅰ 阶段曹娥江下游地区陆域水环境不够稳定但不受海水影响, 与前人研究结果有较好的一致性(顾明光, 2009; 方修琦和侯光良, 2011; 叶玮等, 2016; 章云霞等, 2016)。

阶段Ⅱ (9107— 8613 cal a BP), 即钻孔③至⑦层, 对应色度阶段B的B-1及B-2亚段。TOC含量低, 色度变化较稳定, 但自③层向⑦层亮度、黄度、彩度值呈下降趋势, 气候湿润程度增大。该段地层中发现大量可在咸淡水环境下生长的蛤、蚬、螺、贝等生物壳体残片和13种底栖有孔虫(80%为毕克卷转虫变种Ammonia beccarii vars.), 沉积环境受海水影响。Ⅱ 阶段早期(③、④、⑤层), 色度和粒度指标均有波动, 粒度波动较显著, 砂含量显著增加, 黏粒含量则减少, 显示强水动力沉积环境。Ⅱ 阶段后期(⑥、⑦层), 砂含量有所减少, 黏粒含量有所增加, 波动幅度不及早期明显, 沉积环境趋于稳定, 黄度和彩度值下降, 气候湿润, 海面上升, 水动力减小。与Ⅱ 阶段早期相比, 指示潮间带环境的毕克卷转虫变种(Ammonia beccarii vars.)的含量有所降低, 有研究表明, Ammonia beccarii vars.的含量与水深呈负相关关系, 水面增高, 含量减少(李保华等, 2012)。这足以印证黄度、彩度值下降, 气候湿润, 海面上升的过程。

阶段Ⅲ (8613— 7330 cal a BP), 即钻孔⑧层下段, 对应色度阶段B的B-3亚段。阶段Ⅲ , 各项环境指标变化稳定, 与阶段Ⅱ 相比, TOC含量略有增加, 黄度、彩度值略有降低, 气候湿润, 海平面进一步升高。该段砂含量均值仅1.08%, 黏粒含量增至20%以上, 分选性较好, 表明水动力条件不强且比较稳定。同时, 该层段地层中的贝壳类生物碎片量有所减少, 底栖有孔虫丰度则达到最大, 并且伴有偏正常盐度的异地希望虫(Elphidium advenum)和少量抱球虫(Globigerina spp.)、圆辐虫(Globorotalia spp.)等浮游有孔虫。阶段Ⅲ 为水体环境相对稳定、气候温暖湿润 、生物相对活跃的高海面环境。

阶段Ⅳ (7330— 5131 cal a BP), 即钻孔⑧层上段和⑨层, 色度阶段C。阶段Ⅳ 各环境指标波动明显, 红度、黄度、彩度值先降低再升高。暗示海平面达到最高后进而下降的过程, 气候湿润程度降低, 氧化作用增强。阶段Ⅳ 早期, 亮度、红度、黄度、彩度值和砂含量均为全孔最低, 黏粒和TOC含量为全孔最高, 表明气候湿润, 水动力条件弱; 阶段Ⅳ 晚期, 海面降低, 转为湖沼环境, 近岸半咸水种江苏小希望虫(Elphidiella kiangsuensis)的出现也是该地区水深变浅, 盐度降低的标志, 湖沼环境也有利于泥炭的发育, 钻孔⑨层中见有3层泥炭层也是最好的证据, 色度可以指示该阶段海平面下降, 渐而形成湖沼的过程。

4 结论

通过对曹娥江下游XYC孔沉积物色度特征的分析, 结合粒度、TOC变化特征及前人研究成果, 初步得出以下结论:

1)XYC孔沉积物亮度值变化于40.09~69.40之间, 均值60.09; 红度值变化于-1.06~5.25之间, 均值0.86; 黄度值变化于3.43~21.99之间, 均值8.80, 呈现出高亮度、较低黄度和低红度特征。沿钻孔自下而上, 色度变化分为A、B、C共3个阶段, A、C阶段色度波动变化显著, B阶段色度变化相对稳定, 指示环境的阶段性变化。

2)XYC孔沉积物色度对其沉积环境及特定环境下生物量的变化具有一定指示意义。亮度值与砂及TOC含量相关性较好, 沉积动力强的时段砂含量高, 亮度值高, 而TOC含量高的时段, 亮度值低。黄度、彩度值与TOC含量呈较好负相关, 对气候的湿润状况及水位变化有较好指示意义。钻孔红度值很低, 不具备形成赤铁矿的氧化环境, 指示多水或水下沉积环境, 即一定程度上响应该地区海平面变化过程。

3)基于XYC孔年代框架以及色度、彩度、粒度、TOC等指标的综合变化, 9690— 5131 cal a BP期间XYC孔所在的杭州湾南岸地区经历了4个阶段的环境演化过程。9690— 9107 cal a BP时段, 黄度值较高, 气候偏干, 但沉积动力强, 无海洋环境的生物标志, 为河流沉积为主的时期: 9107— 8613 cal a BP时段, 亮度、黄度、彩度值下降, 气候转湿润, 水位升高, 沉积物先粗后细, 水动力先强后弱, 分选性差, 海洋环境下的贝壳类生物碎片及半咸水底栖有孔虫大量出现, 发生海侵并逐步由低潮坪转为高潮坪环境; 8613— 7330 cal a BP时段, 黄度、红度、彩度值达全孔最低, 海面进一步上升, 气候更加湿润, 底栖有孔虫丰度值最大并伴有正常盐度有孔虫类型和少量浮游有孔虫, 此时为浅海环境; 7330— 5131 cal a BP时段, 黄度、红度、彩度值升高, 海面降低, 气候变干, 泥炭发育, 研究区转变为湖沼环境。

致谢 中国科学院南京地质古生物研究所李保华研究员在XYC钻孔有孔虫鉴定及分析中给予了帮助,同时审稿专家和编辑部老师给予了建设性的修改意见,在此表示衷心感谢。

作者声明没有竞争性利益冲突.

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