孙丹丹, 刘平, 张杰, 于俊杰, 岳伟, 王继龙, 彭博, 刘演, 李月, 陈静. (2022)基于沉积成因地化元素指标的闽北海湾晚更新世海侵地层辨识及其意义* [J]. 古地理学报, 24(1): 139-151
Sun Dan-Dan, Liu Ping, Zhang Jie, Yu Jun-Jie, Yue Wei, Wang Ji-Long, Peng Bo, Liu Yan, Li Yue, Chen Jing. (2022)Identification and significance of the Late Pleistocene transgressive strata in the bays of northern Fujian Province based on geochemical element indicators of sedimentary origin[J]. Journal Of Palaeogeography, 24(1): 139-151.   
Doi: 10.7605/gdlxb.2022.01.011
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基于沉积成因地化元素指标的闽北海湾晚更新世海侵地层辨识及其意义*
孙丹丹1, 刘平1, 张杰1, 于俊杰2, 岳伟3, 王继龙2, 彭博2, 刘演1, 李月1, 陈静1
1 华东师范大学河口海岸学国家重点实验室,上海 200241
2 中国地质调查局南京地质调查中心,江苏南京 210016
3 江苏师范大学地理测绘与规划学院,江苏徐州 221116
通讯作者简介: 陈静,女,1977年生,华东师范大学河口海岸学国家重点实验室研究员,主要从事自然地理学研究。E-mail: jchen@geo.ecnu.edu.cn。
收稿日期:2021-07-16
基金资助:*国家自然科学基金项目(编号: 41771226,41620104004)与中国地质调查局宁德海岸陆海统筹项目(编号: DD20189505)联合资助
摘要

福建沿岸晚更新世地层中微体古生物化石较为缺乏,极大限制了对该区晚第四纪海侵过程的深入研究。针对这一问题,本研究以闽北 2个海湾内的第四纪钻孔为研究对象,通过有孔虫化石以及沉积成因的地球化学元素( Sr/Ba、 Mn/Fe)分析,结合三沙湾表层沉积物相应指标,探讨沉积成因的地球化学元素指示海侵地层的可行性。结果显示, 2个海湾钻孔的晚第四纪地层中均发育 3套疑似海相深灰色黏土层,其中开放海湾霞浦湾钻孔底部黏土层中缺失有孔虫,半封闭海湾三沙湾钻孔中有孔虫仅出现于顶部黏土层中。这 3层黏土层的 Sr/ Ba值远大于 1,和现代潮滩—河口湾体系相近,且出现的海相沟鞭藻和自生黄铁矿为典型的海相地层特征。基于已有的 OSL和 AMS14C年龄框架,这 3层海侵层分别对应于 MIS5、 MIS3和 MIS1期, Sr/Ba和 Mn/Fe均值从 MIS5到 MIS1期不断增大,结合现代潮滩-河口湾体系指标,表明从 MIS5到 MIS1期海侵强度的增加。由此可见,沉积成因地球化学元素指标可以有效辨识闽北海湾晚更新世海侵地层,这将有助于进一步了解该区晚第四纪海侵过程及其控制因素。

关键词: 元素比值; 有孔虫; 海侵地层; 福建沿岸; 晚更新世
中图分类号:P512.2 文献标志码:A 文章编号:1671-1505(2022)01-0139-13
Identification and significance of the Late Pleistocene transgressive strata in the bays of northern Fujian Province based on geochemical element indicators of sedimentary origin
Sun Dan-Dan1, Liu Ping1, Zhang Jie1, Yu Jun-Jie2, Yue Wei3, Wang Ji-Long2, Peng Bo2, Liu Yan1, Li Yue1, Chen Jing1
1 State Key Laboratory of Estuarine and Coastal Research,East China Normal University,Shanghai 200241,China
2 Nanjing Center,China Geological Survey,Nanjing 210016,China
3 School of Geography,Geomatics and Planning,Jiangsu Normal University,Jiangsu Xuzhou 221116,China
About the corresponding author: Chen Jing,born in 1977, is a professor at State Key Laboratory of Estuarine and Coastal Research,East China Normal University. She is mainly engaged in research on physical geography. E-mail: jchen@geo.ecnu.edu.cn.

About the first author: Sun Dan-Dan,born in 1996, is a master degree candidate majoring in physical geography at East China Normal University. E-mail:51193904002@stu.ecnu.edu.cn.

第一作者简介: 孙丹丹,女,1996年生,华东师范大学河口海岸学国家重点实验室硕士研究生,自然地理学专业。E-mail: 51193904002@stu.ecnu.edu.cn。

Fund:[Co-funded by the National Natural Science Foundation of China(Nos. 41771226,41620104004)and the Integrated Geological Survey on Land and Sea of the Ningde Coast(No. DD20189505)]
Abstract

The lack of micropaleontological records in the Late Pleistocene strata along the Fujian coasts has greatly restricted the further understanding on the regional land-sea interaction. This study aims to identify the transgressive strata of the Late Pleistocene in the two bays of northern Fujian,by using geochemical elements of sedimentary origin. Based on the analysis of the foraminifera and surficial sediments of Sansha Bay,the Sr/ Ba and Mn/ Fe are used as proxies to identify the possibility of transgression in the study area. The results suggest that there are three sets of dark grey layers in the two late Quaternary cores might be formed in a marine environment. Foraminifera are missed at the bottom of drilling cores in the open Xiapu Bay,while foraminifera are only observed in the upper drilling cores of semi-closed Sansha Bay. However,the sedimentary Sr/ Ba ratios in the three clay layers are much higher than 1 and similar to the modern tidal flat and bay system,indicating typical marine origins. This is also supported by the occurrence of marine dinoflagellates and abundant authigenic pyrites in these layers. Based on the existing chronology of the core(NDGK2),the three transgressive layers are possibly corresponding to the high-stands of the MIS5,MIS3 and MIS1,respectively. The mean ratios of Sr/ Ba and Mn/ Fe show an increase trend from MIS5 to MIS1,indicating marine influence is enhanced compared with the ratios of modern ti dal flat-bay system. This study shows geochemical elements of sedimentary origin can be used as an effective proxy to identify the Late Pleistocene transgression strata along the Fujian coast,which will help to further understand the process and controlling factors of the late Quaternary transgression in this area.

Key words: element ratios; foraminifera; transgression strata; Fujian coast; Late Pleistocene

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1 概述

随着冰期— 间冰期旋回, 第四纪以来全球海平面也发生周期性大幅升降波动(Linsley, 1996; Chapman et al., 2000; Lambeck and Chappell, 2001)。海平面的波动势必引起沿海地区发生海侵和海退。然而, 沿岸地区的海侵地层并不仅仅是气候— 冰量— 海面作用下的沉积产物, 其和区域构造活动、后期沉积物压实以及陆源河流泥沙充填等多重海陆升降因素的改造密切相关, 可以说是海动与地动效应的共同产物(于革等, 2016)。因此, 通过海侵地层的记录与全球海平面波动的对比, 可揭示区域地动因素的变化。可见, 海侵地层的可靠辨识是探讨区域海侵过程及其机制的关键基础。

20世纪70年代末开始, 中国学者们针对东部沿海— 陆架地区的第四纪地层、环境以及海侵旋回进行了大量的研究, 普遍认为大规模海侵发生于晚第四纪, 尤其是晚更新世以来(汪品先等, 1981; 秦蕴珊和赵松龄, 1987; Lin et al., 1989; Liu et al., 2017)。晚更新世以来, 全球存在2期相对高海平面阶段(深海氧同位素MIS5期和MIS3期), 其中MIS5期接近或高于现代海平面, 远高于MIS3期海平面(Shackleton, 1987; Linsley, 1996; Chapman et al., 2000; Lambeck and Chappell, 2001; Siddall et al., 2003)。然而, 中国东部沿岸晚更新世以来MIS5和MIS3期海侵地层记录有明显的区域差异。这2期海侵地层在长江三角洲及其以北的沿岸区域记录较为连续(汪品先等, 1981; Lin et al., 1989; 王张华等, 2004; Yi et al., 2012; Wang et al., 2013; Li et al., 2018; Gao et al., 2021), 而在长江三角洲以南的浙闽沿岸地区仅发现其中1期海侵地层, 尽管其形成年代还具有一定争议(韩书华和张静, 1992; 陈聪等, 2016; Shang et al., 2018)。如果年代准确以及海侵地层可靠, 那么这一差异很可能反映了区域构造升降过程。

图 1 闽北宁德霞浦湾、三沙湾位置和采样点分布Fig.1 Location of Xiapu and Sansha bays in Ningde area northern Fujian Province and sampling points

海陆交互地区海侵地层的辨识通常采用对盐度较为敏感的有孔虫化石指标, 这也是长江三角洲及其北部沿岸地区辨识第四纪海侵地层的主要依据(汪品先等, 1988; Liu et al., 2010, 2018; Wang et al., 2013)。然而, 并不是所有海岸环境都适合有孔虫的生长, 且其碳酸盐壳体埋藏后的保存率也是个问题(汪品先, 1992; 曾从盛, 1997; Wang and Chappell, 2001; Berkeley et al., 2009; 周洋等, 2015; Charrieau et al., 2018)。浙闽沿岸第四纪地层中有孔虫化石并不丰富, 尤其是晚更新世地层。前人多采用岩性、粒度、硅藻等指标来推测海侵地层(姚庆元等, 1985; 陈园田, 1991; 郑荣章等, 2005)。可见, 急需寻找一套不受限于生物生存及死亡后保存环境、简单可靠且有效的判别指标, 来辨识浙闽沿岸晚第四纪海侵地层。

本研究以闽北宁德地区2个海湾内的第四纪钻孔为研究对象, 拟对其沉积物中沉积成因的地球化学元素进行分析, 基于海湾表层沉积物中的相应指标, 辨识晚第四纪海侵地层; 结合微体古生物、矿物等指标来探讨该指标的可靠性; 并结合年代框架, 初步探讨闽北沿岸晚更新世的海侵过程。

2 研究区概况

福建沿海第四纪地层发育, 主要以晚第四纪地层为主(童永福, 1985; 王雨灼, 1990; 陈园田, 1991), 其基底为燕山晚期花岗岩及侏罗纪火山岩。福建沿海整体处于新构造运动的上升区, 但是内部分化显著, 以闽江为界, 南升北降(童永福, 1985; 童永福和徐书勇, 1989), 其中发育多个断陷盆地。该区沉积了晚第四纪以来的海相、陆相及海陆交互相地层(韩书华和张静, 1992; 郑荣章等, 2005; Yue et al., 2015), 为研究福建沿海晚第四纪以来的海侵事件及海平面的升降提供了理想的材料。

本研究选取位于福建省东北部宁德地区的2个海湾为研究区域, 一个是半封闭的三沙湾, 一个是相对开放的霞浦湾(图 1)。三沙湾位于宁德市东南部, 地形口小腹大, 出水口仅有一个东冲口, 四周为山环绕, 外围陆地整体呈四周向中心高度降低的趋势, 地形高差较大。湾内主要有交溪和霍童溪两大河流输入, 年均输沙量为57.6× 104t和29.2× 104t (据当地水文站泥沙实测资料计算)。三沙湾潮汐形态为非正规半日潮, 平均潮差为5.35m, 港湾内的平均潮差由湾口向湾顶逐渐增大。霞浦湾位于霞浦县东南部, 面向东海, 岸线曲折, 岛屿众多。霞浦湾内主要河流为杯溪和罗汉溪, 受进入福建东海潮波分支的影响, 霞浦湾潮汐类型为规则半日潮, 平均潮差大于4m。

3 样品和方法
3.1 钻孔和表层样品采集

本研究于2018年在福建宁德市三沙湾和霞浦湾区域获取第四纪钻孔5个, 钻孔全部钻遇基岩, 取心率达90%以上(图 1; 表 1)。此外, 2020年5月采集了三沙湾表层沉积物样品14件, 其中潮间带和海湾表层沉积物各7件, 海湾采样水深在12.8~31.2m之间(图 1)。

表 1 闽北海湾钻孔信息和实验样品数统计 Table1 Information of cores and experimental samples in the bays of northern Fujian
3.2 实验与分析方法

5个钻孔共计326个钻孔沉积物样品和14个现代表层沉积物样品进行了有孔虫(部分含有介形虫)丰度和酸溶相地球化学元素分析, NDGK2和NDQK11孔共计56个样品进行了自生黄铁矿的统计, 详细信息见 表 1。

3.2.1 微体古生物 称取50g干样浸泡2~3天, 充分分散后的样品置于100目铜筛(孔径0.154mm)过水筛, 粗组分烘干、称重。所有样品均在双目实体显微镜下进行统计和鉴定。对于个别有孔虫数量较多的样品, 有孔虫和介形虫鉴定数目不少于200个; 大部分样品中有孔虫和介形虫数量较少, 均挑尽全部砂样进行统计。上述鉴定工作由中国科学院南海海洋研究所实验室完成。此外, 为了防止该区钻孔中有孔虫丰度较低、个体较小的特点所导致的统计遗漏, 本研究对三沙湾表层样品(14个)以及NDGK2钻孔样品(10个)进行了宽广粒级组分(> 32μ m)的有孔虫丰度检核。

3.2.2 酸溶相(沉积成因)地球化学元素 该实验方法参照王爱华等(2019)进行。将样品低温冻干后, 称取1.5g左右样品, 剔除贝壳和有机碎屑后仔细研磨; 然后置于离心管内加入75mL50%醋酸溶液, 超声震荡1h后于4000 r/min离心机内离心5min; 吸取离心后的上清液于蒸发皿中, 在180℃加热板上加热3~4h直至蒸发皿中仅剩橘红色固体; 用5‰ HNO3溶液溶解蒸发皿中固体, 并转移到干净的离心管中定容至50mL。经过预处理的样品采用电感耦合等离子体发射光谱仪ICAP7400进行元素含量测试, 主要分析元素为Sr、Ba、Mn 和Fe。测试结果的相对标准偏差均在2%以下。该实验在华东师范大学河口海岸学国家重点实验室完成。

3.2.3 自生黄铁矿 取20g左右干样放入100mL小烧杯中, 加入适量六偏磷酸钠充分浸泡48h, 待碎屑矿物完全分散以后, 用孔径为500μ m和32μ m的套筛反复进行水筛, 直至粗粉砂和细砂粒级沉积物基本被收集。取2.0g左右烘干后的宽广粒级(500~32μ m)碎屑物置入装有重液聚钨酸钠(常温下密度为2.88g/cm3)的离心管中充分浸湿5min, 再利用离心法进行重液分离, 回收离心管底部的重矿物。在实体显微镜下, 随机挑选超过300颗矿物进行自生黄铁矿的鉴定与统计, 获得自生黄铁矿的相对含量。该实验在华东师范大学河口海岸学国家重点实验室完成。

4 结果
4.1 宁德地区第四纪地层特征

宁德地区第四纪地层普遍发育在新近纪古风化壳之上, 古风化壳是由一套残积黏土和风化基岩地层组成, 其下基底为中生代基岩。第四纪地层底部普遍发育一套陆相沉积地层:

下部为砾石层, 磨圆度较好; 上覆砂质和黏土层, 推测为河床— 河漫滩相。这套陆相地层之上覆盖着1~3层深灰色黏土沉积, 普遍粒度较细, 均质, 且含有大量贝壳和植物碎屑, 尤其是顶层黏土层, 具有海相层的沉积特征。相邻的深灰色黏土层之间多为杂色黏土层, 质硬, 含有钙质结核(图 2)。

图 2 福建宁德地区第四纪钻孔岩性及有孔虫、介形虫丰度(NDGK2孔底栖有孔虫和介形虫数据见南京地质调查中心, 2019①) ①南京地质调查中心.2019.宁德第四纪钻孔有孔虫、 介形虫报告(内部报告).Fig.2 Lithology of Quaternary cores and abundance of foraminifera and ostracods in Ningde area, Fujian Province(Abundance of benthic foraminifera and ostracods in the core NDGK2 is cited from Nanjing Geological Survey Center, 2019①)

根据钻孔中深灰色黏土地层的分布特征, 该区域有以下3类沉积单元:

1)单层深灰色黏土层。分布于山前。地层自下而上分别是古风化壳、砾石层和深灰色黏土层。典型钻孔地层参见NDQK2和NDQK8孔(图 2)。

2)2层深灰色黏土层。分布于自陆向海的中间部位。地层自下而上分别是古风化壳、砾石层、深灰色黏土层、杂色黏土层和深灰色黏土层。典型钻孔地层参见NDQK6孔(图 2)。

3)3层深灰色黏土层。分布于东南区域飞鸾湾外部分地区以及霞浦利埕附近(图 1), 范围较小。地层自下而上分别是古风化壳、砾石层、深灰色黏土层、杂色黏土层(底部含有卵石, 中部含有粗砂层)、深灰色黏土层、杂色黏土层和深灰色黏土层。典型钻孔地层参见NDGK2和NDQK11孔(图 2)。

4.2 宁德地区第四纪钻孔有孔虫、介形虫特征

从宁德地区5个钻孔沉积物中的有孔虫和介形虫分布来看, 位于三沙湾区域内的4个钻孔NDGK2、NDQK2、NDQK6和NDQK8孔, 其有孔虫和介形虫仅出现在顶部深灰色淤泥质黏土层中(图 2)。而位于霞浦湾区域的NDQK11孔, 其有孔虫出现在顶部和第2层深灰色黏土层中。5个钻孔沉积物中的有孔虫总丰度存在较大差异, 其中NDQK11孔总体最大, 可达15000枚/100g, 其次是NDGK2孔, 达3000枚/100g, NDQK8孔有孔虫总丰度最小, 仅为68枚/100g。这些钻孔的有孔虫种属分布类似, 以NDQK6孔为例, 有孔虫以底栖有孔虫为主, 主要为玻璃质壳和瓷质壳, 同现孔轮虫、亚洲筛九字虫和希望虫属较多, 介形虫以中华美花介和美山双角花介为主(图 3)。

图 3 闽北海湾NDQK6孔有孔虫和介形虫分布特征Fig.3 Foraminiferal and ostracod assemblages in the core NDQK6 in the bays of northern Fujian Province

此外, NDGK2钻孔深灰色黏土层宽广粒级组分(> 32μ m)沉积物中的有孔虫丰度结果显示, 有孔虫仍仅出现在顶部深灰色黏土层中, 第2层和第3层深灰色黏土层中有孔虫存在缺失(图 2)。有孔虫总丰度变化范围在16~11931枚/100g之间, 明显高于粗颗粒(> 154μ m)沉积物中的有孔虫丰度。

4.3 宁德地区第四纪钻孔沉积成因地球化学元素及自生黄铁矿特征

总体来看, 各项指标随深度变化明显, 可将两钻孔(NDGK2和NDQK11孔)自下而上分为5段(图 4)。

层Ⅰ : 两孔的Sr/ Ba值均处于钻孔高值区, 变化范围分别为4.76~9.04、7.74~49.52, 远大于1。两孔的Mn/ Fe值平均值为钻孔最低, 分别为0.04和0.013。NDQK11孔的自生黄铁矿平均含量(< 20%)低于NDGK2孔(> 75%)(图 4)。

层Ⅱ : 两孔的Sr/ Ba值均值为钻孔最低, 分别为0.59和1.26。Mn/Fe值较层Ⅰ 有所增大, 且存在较大波动, 均值为0.05和0.62。两孔的自生黄铁矿平均含量处于钻孔低值区, 均小于15%(图 4)。

层Ⅲ : 两孔的Sr/ Ba值较层Ⅱ 显著升高, 且自下而上有增大的趋势, 变化范围为2.73~29.46、4.70~24.88, 远大于1。Mn/ Fe值均值分别为0.05和0.14, 较层Ⅰ 有所增加。两孔的自生黄铁矿平均含量均在50%左右(图 4)。

图 4 闽北海湾NDGK2和NDQK11孔沉积成因地球化学元素特征及自生黄铁矿含量Fig.4 Characteristics of geochemical elements of sedimentary origin and content of authigenic pyrite in the cores of NDGK2 and NDQK11 in the bays of northern Fujian Province

层Ⅳ : 两孔的Sr/Ba值较层Ⅲ 明显降低, 变化范围分别为1.77~7.71、1.09~8.25, 均大于1。Mn/Fe值有所升高, 属于钻孔高值区, 均值分别为0.12和0.12。NDGK2孔未出现自生黄铁矿, NDQK11孔自生黄铁矿含量小于15%(图 4)。

层Ⅴ : 两孔的Sr/Ba值较层Ⅳ 明显升高, 处于钻孔高值区, 变化范围分别为6.40~20.70、8.79~53.48, 远大于1。Mn/Fe值自下而上有增大的趋势, 均值分别为0.12和0.16, 为钻孔最高。NDGK2孔的自生黄铁矿平均含量(> 80%)大于NDQK11孔(< 40%)(图 4)。

4.4 宁德三沙湾表层沉积物有孔虫及沉积成因地球化学元素特征

宁德三沙湾表层沉积物有孔虫及沉积成因地球化学元素特征如 表 2所示。潮间带沉积物中的Sr、Ba元素含量均值(17.12 μ g/g、1.65 μ g/g)低于海湾沉积物(41.78 μ g/g、1.87 μ g/g), Mn、Fe元素含量均值(821.89 μ g/g、5091.94 μ g/g)稍高于海湾沉积物(801.35 μ g/g、4575.44 μ g/g), 但Sr/Ba、Mn/ Fe值的均值(10.52、0.16)小于海湾沉积物(22.90、0.18)。潮间带和海湾沉积物的Sr/ Ba值变化范围分别为9.48~12.38、14.79~33.62, 均远大于1。海湾沉积物的Sr/Ba、Mn/ Fe值变异系数(0.34、0.46)均要大于潮间带沉积物(0.10、0.33)。潮间带沉积物中有孔虫丰度均值为9048枚/100g, 要高于海湾沉积物中有孔虫丰度的均值, 但变异系数较大( 表 2)。

表 2 宁德三沙湾表层沉积物有孔虫及沉积成因地化元素特征 Table2 Characteristics of foraminifera and sedimentary geoche-mical elements in the surficial sediments of Sansha Bay, Ningde area
5 讨论
5.1 基于沉积成因地化元素的闽北海湾晚第四纪沉积相辨识

由于Sr和Ba元素从河流入海后会发生沉积分异, Ba更易在河口处析出沉淀, Sr则会在海水中富集, 使得海水中Sr/ Ba值远大于淡水环境, 因此Sr/ Ba值经常被用来辨识海陆相沉积环境(蓝先洪等, 1987; 王爱华, 1996; Chen et al., 1997; Chen et al., 2000)。

图 5 基于宁德三沙湾表层沉积物有孔虫及沉积成因地化指标辨识NDGK2和NDQK11钻孔沉积环境Fig.5 Identification of sedimentary environment of the cores of NDGK2 and NDQK11 based on foraminifera and geochemical elements of sedimentary origin in the surficial sediments of Sansha Bay, Ningde area

值得注意的是, 沉积物全岩组分中硅酸盐矿物所含的Ba基本值过大, 很容易掩盖Sr/ Ba值的微小变化, 因此全量Sr/ Ba值在中国沿海地区第四纪钻孔中沉积相识别的应用效果并不理想(王建华等, 2009; 夏非等, 2012; 陈慧娴等, 2014)。王爱华等(2019, 2020)对沉积物不同相态中的Sr/ Ba值进行了研究, 发现利用稀醋酸提取的酸溶相组分(沉积成因)中Sr/ Ba值对沉积相变化最为敏感, 其由陆向海比值不断增大, 可以有效区分海陆相沉积环境。同样, 对氧化还原环境敏感的Mn、Fe元素, 从陆向海沉积过程中Fe的沉淀早于Mn, 使得Mn/ Fe值随着海水水深加深而逐渐增大(熊小辉和肖加飞, 2011; 伏美燕等, 2017; Herndon et al., 2018)。沉积成因的地球化学元素指标相对其他指标来说操作简单, 无生物生长条件限制, 受埋藏环境的影响小。

宁德三沙湾NDGK2孔和霞浦NDQK11孔的3层深灰色黏土层(图 5, Ⅰ 、Ⅲ 和Ⅴ 层)均有明显的“ 富Sr贫Ba” 特征, Sr/ Ba值远高于1, 和三沙湾现代表层沉积物接近, 具有典型的海相特征; 两孔中Ⅱ 层的Sr/ Ba值均小于1, 且和三沙湾现代表层沉积物偏离, 具有典型的陆相沉积特征(图 2, 图 5)。两孔中Ⅳ 层的岩性为杂色硬黏土, 为典型的陆上氧化特征(图 2), 但其Sr/ Ba值却稍高于1, 呈现为海相沉积的特征(图 5), 这一矛盾很可能指示了该层来源于其前期海相沉积物, 这和长江三角洲末次冰盛期形成的硬黏土层及珠江三角洲的花斑黏土非常相似(秦蕴珊和赵松龄, 1987; 蓝先洪, 1996; 王张华等, 2004; Liu et al., 2013)。自生的黄铁矿高值以及海相沟鞭藻同样出现于2个钻孔的Ⅰ 、Ⅲ 和Ⅴ 层中, 指示当时该区受到海水影响(图 6; 刘喜停等, 2020; 于俊杰等, 2021)。

总体上看, 霞浦NDQK11孔3层海相沉积层的Sr/Ba和Mn/ Fe值均高于三沙湾NDGK2孔同期层位, 可能是由于其所处海湾相对外海开放, 更容易受到海水影响(图 1, 图 5)。两孔中Ⅴ 层的Sr/Ba和Mn/ Fe值最高, 接近于现代三沙湾海湾环境, Ⅰ 层比值最低, 基本低于现代三沙湾的潮滩环境, 说明Ⅴ 层时期海侵最强, 最大海侵时为海湾环境, Ⅰ 层时期海侵较弱, 基本处于潮上带环境, Ⅲ 层海侵强度总体上介于两者之间(图 5, 图 6)。

综上, 通过对2个钻孔沉积物和三沙湾表层沉积物沉积成因地化元素指标的分析, 结合海相沟鞭藻和自生黄铁矿含量, 可推断沉积成因的Sr/Ba和Mn/ Fe值可以有效地辨识该区海相地层。

5.2 有孔虫等微体古生物化石在闽北海湾晚更新世地层沉积相识别中应用的局限性

在海陆相互作用地区的地层沉积相辨识中, 有孔虫化石经常被用来作为海相地层的标志。在中国东部沿海第四纪海侵研究中, 有孔虫化石也是最主要且有效的海相沉积地层的判别依据, 尤其是在细颗粒沉积物中其保存较好(汪品先等, 1988; 汪品先, 1992; Liu et al., 2010, 2017; Wang et al., 2013)。

宁德三沙湾和霞浦地区5个钻孔(NDGK2、NDQK2、NDQK6、NDQK8和NDQK11)中的有孔虫和介形虫沉积记录显示, 顶部黏土层(相当于NDGK2孔Ⅴ 层)中普遍存在有孔虫和介形虫(图 2)。这些钻孔的有孔虫以底栖有孔虫为主, 主要为玻璃质壳和瓷质壳, 同现孔轮虫、亚洲筛九字虫和异地希望虫较多, 介形虫以广盐性河口滨岸属种中华美花介、美山双角花介和欢乐新单角介为主, 指示沉积环境为滨海— 浅海(图 3; 汪品先等, 1988)。这和钻孔中沉积成因的Sr/Ba和Mn/ Fe值指示的结果较为一致(图 6)。结合年代地层框架, 可确定顶部黏土层基本为8000年以来形成的, 属于MIS1时期全新世海侵的沉积物(图 6; 于俊杰等, 2021)。而钻孔下部的晚更新世地层中, 宁德三沙湾4个钻孔的2期黏土层(相当于NDGK2孔Ⅰ 和Ⅲ 层)中均未发现有孔虫和介形虫, 霞浦钻孔仅在第2层黏土层(Ⅲ 层)出现有孔虫化石(图 2)。沉积成因的Sr/Ba和Mn/ Fe值显示这2期地层也均为海相地层(图 5, 图 6)。可见, 该区利用有孔虫化石指示海侵地层有一定的难度。这种有孔虫化石缺失现象在福建沿岸的晚更新世地层中普遍存在, 相对来说硅藻化石以及沟鞭藻却有出现(韩书华和张静, 1992; 曾从盛, 1997; 张璞, 2005; 陈慧娴等, 2014)。

究其原因, 其一, 可能是有孔虫生长环境受限。本研究发现宁德地区表层沉积物和钻孔沉积物中多数有孔虫壳体大小在50~200μ m, 相对于长江三角洲等区域明显偏小。前人研究显示, 与外海连通性受到制约的海湾和无障壁海岸环境条件不同会造成两地有孔虫群体存在差异(张良等, 2020)。本研究中宁德半封闭性三沙湾和开放性霞浦海湾钻孔中第2层黏土层中的有孔虫化石记录也不一致, 很可能意味着半封闭性海湾的水体环境不利于有孔虫生长(图 2, 图 5)。其二, 可能是受埋藏条件影响, 如有孔虫壳体埋藏后被溶蚀等。有孔虫壳体的溶蚀作用主要在热带— 亚热带湿热气候的河口海岸区域较常见, 尤其当沉积物粒度细, 有机质含量高, 水体或沉积物多呈酸性还原状态时(汪品先, 1992; 朱晓东等, 1996)。

综上, 福建半封闭海湾晚更新世海侵地层中有孔虫存在缺失, 在判定该区域沉积环境时具有一定的局限性, 需结合其他指标综合判断。

5.3 闽北海湾MIS5期和MIS3期海侵地层发现的意义

福建沿岸地区第四系沉积物基本以晚第四系沉积物为主, 直接覆盖于基岩之上。除了顶部全新世(MIS1期)海侵层外, 晚更新世普遍存在1期海侵, 尽管形成年代还具有一定的争议性。有人认为其发生于MIS3期, 也有研究认为是MIS5期(童永福和徐书勇, 1989; 韩书华和张静, 1992; 曾从盛, 1997; 郑荣章等, 2005; 陈聪等, 2016; Shang et al., 2018)。本研究中NDGK2孔的光释光和AMS14C年代数据显示, 底部海相沉积物(Ⅰ 层)年龄约90 000cal.a BP, Ⅲ 层海相沉积物的年龄基本晚于60 000cal.a BP。顶部海相沉积物(Ⅴ 层)年龄均未超过10 000cal.a BP, 属于全新世沉积物(图 6; 于俊杰等, 2021)。因此, 宁德海湾晚第四纪钻孔地层中记录的3层海相沉积物可能自下而上对应于晚更新世MIS5、MIS3和全新世MIS1期。这说明晚第四纪以来, 该区至少经历了晚更新世的2期和全新世的1期海侵过程, 和全球海平面的高海平面时期较为一致(Shackleton, 1987; Linsley, 1996; Chapman et al., 2000; Lambeck and Chappell, 2001; Siddall et al., 2003)。

本研究中NDGK2和NDQK11孔记录的全新世和晚更新世晚期的2次海侵地层和前期研究较为一致, 但底部记录的海侵层(图 6; MIS5期, Ⅰ 层)在福建沿海地层记录中较少出现。早期文献中曾提及在霞浦地区(和NDGK11孔位置接近)可能存在这期海侵层, 但是限于年代技术以及缺少沉积环境代用指标并未深入研究(王雨灼, 1990)。同时, 这期海侵记录显示其海侵强度明显较弱, 很可能和当时该地的古地势较高有关。因此, 本研究所辨识的晚更新世2期海侵地层对今后深入研究该区构造沉降历史提供了可能。

6 结论

闽北海湾晚第四纪地层中发育的3套深灰色黏土层具有海相特征, 但有孔虫和介形虫在晚更新世地层中存在缺失, 有孔虫在判定闽北海湾晚更新世海侵地层上存在局限性。结合三沙湾现代表层沉积物的相关特征, 沉积成因的地球化学元素Sr/Ba和Mn/Fe值可以有效指示3层海侵地层。结合年代框架, 3层海侵层自钻孔从下而上分别对应于MIS5、MIS3和MIS1期, 受控于全球海平面变化和区域构造沉降的共同影响。可见, 沉积成因地球化学元素指标可以有效辨识闽北海湾晚更新世海侵地层, 这将有助于进一步了解该区晚第四纪海侵过程及其控制因素。

(责任编辑 李新坡; 英文审校 徐 杰)

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