太湖平原WJ孔矿物磁学特征以及晚第四纪海侵事件

陈 艇，王张华，强小科，马春燕，战 庆

1 中国科学院地球环境研究所，黄土与第四纪地质国家重点实验室，西安 710075

2 中国科学院大学，北京 100049

3 华东师范大学地理系，上海 200062

4 华东师范大学河口海岸学国家重点实验室，上海 200062

1 引 言

环境磁学在沉积环境重建、古气候等研究中具有“快速、简便、经济、非破坏性”等特点［1］.目前，环境磁学在黄土、湖泊以及深海沉积物等领域已取得重要进展［2－4］，而在受到海陆交互作用强烈、沉积环境复杂多变的三角洲地区的相关成果还较少.现阶段，王张华等［5］、张丹等［6］分别通过对长江三角洲地区晚新生代钻孔沉积物的磁学分析研究了该区沉积物的来源和沉积环境的演化；俞立中等［7］对太湖平原地区晚更新世晚期以来沉积物的环境磁学特征做了分析，揭示环境磁学可作为地球化学、孢粉、微体古生物、粒度等研究的先导和辅助手段；杨小强等［8］通过对珠江三角洲地区沉积物环境磁学的研究，提出参数SIRM／κ和χARM／SIRM可以用来指示该区海平面的升降.然而，三角洲地区沉积物中的磁性矿物受到物源、沉积环境、早期成岩作用和成土作用等因素的共同影响，陆源碎屑、自生以及次生磁性矿物的共存，使得磁学参数往往具有多解性，如何利用磁学参数更有效地解释海陆过渡带沉积环境演化及其控制因素—海平面变化等问题还需进一步探讨.

晚第三纪以来，随着西部青藏高原的强烈隆起，我国东部不断张裂沉降，整个中国大陆的地貌格局由原来的“东高西低”变成了如今的“西高东低”［9］.在长期的构造下沉作用下［10］，长江三角洲地区晚第四纪以来多次经受海进－海退作用［11］，经历了滨海、浅海、河口湾、河流－湖泊、阶地等沉积环境的交替变化.虽然前人对长江三角洲地区海进－海退的研究取得了重要进展，如基本统一认为晚第四纪长江三角洲地区经受了三次海侵：晚更新世早期的太湖海侵、晚更新世中期的滆湖海侵和全新世的镇江海侵，但对各海侵年代、强弱、范围等方面的认识还存在较多争议［13－15］.

本文在古地磁和AMS14C测年的基础上，通过分析太湖东部WJ孔沉积物的磁学性质，结合沉积物岩性、粒度以及有孔虫化石特征研究该区晚第四纪以来沉积环境演化，揭示晚第四纪海侵事件及其年代归属，并针对磁学参数的多解性和海陆过渡带这一特殊环境，探讨河口三角洲地区气候－海平面波动控制下不同沉积环境中环境磁学参数特征及其指示意义.

2 材料与方法

2008年10月，我们于江苏省吴江市双桥获取了 WJ孔（31°13′N，120°39′E）（图1），孔深51.2m.对钻孔进行详细的岩性描述后，以10cm间隔采集376个石英环古地磁样品，以0.5m间隔采集99块样品进行粒度和室温磁性分析.根据粒度、室温磁性测试结果选择代表性样品进行IRM获得曲线及反向场退磁曲线、κ－T曲线和磁滞回线等岩石磁学测试.根据岩性变化采集22块样品进行有孔虫分析.于11.75m和14.2m取得两个贝壳样品，在美国BETA公司进行AMS14C测年，年龄分别为41540±440yr BP和43050±510yr BP.以 CalPal＿2007＿HULU为年代校正曲线［16］，并选择 ΔR 为135±42［17］进行海洋碳库效应校正，11.75m 和14.2m两个贝壳样品校正之后的年代分别为42970±720 cal yr BP和44480±1270cal yr BP.

古地磁实验在零磁空间（＜150nT）进行，首先使用 ASC Scientific TD－48型热退磁仪进行热退磁，以10～50℃为间隔逐步加热到620℃，再使用2G755型超导磁力仪进行剩磁测量.粒度使用激光粒度仪（型号LS13320，美国Coulter公司）测试.室温磁性测试过程如下：

（1）使用Bartington MS2双频磁化率仪测试低频（0.47kHz）磁化率并计算得到f；

图1 研究区与WJ孔地理位置Fig.1 Location of the study area and borehole WJ

（2）利用 Molspin交变退磁仪（交变磁场峰值100mT，直流磁场为0.04mT）产生非磁滞剩磁（ARM），同时利用 Minispin旋转磁力仪测试ARM，并计算得到ARM；

（3）利用Molspin脉冲磁化仪获得样品在20mT、100、300、1000mT（SIRM）、－20、－100、－300mT磁场下的等温剩磁，并用旋转磁力仪测定.

完成上述测试后，计算磁化参数：F20mT＝100×IRM20mT／SIRM；退磁参数：S－300mT＝100×（SIRMIRM－300mT）／（2×SIRM）［18］；硬 剩 磁：HIRM ＝（SIRM＋IRM－300mT）／2［1，19］；以及比值参数ARM／ARM／SIRM.

κ－T曲线采用AGICO公司生产的KLY－3s型卡帕桥及CS－3温度控制系统测量（氩气环境）；IRM获得及反向场退磁曲线利用ASC IM－10－30脉冲磁化仪获得外加磁场（最大磁场为2T），并用AGICO公司生产的JR－6A双速自动旋转磁力仪完成剩磁测量；磁滞回线用 MicroMag 3900变梯度磁力仪测试.

室温磁性、粒度、有孔虫分析在华东师范大学河口海岸学国家重点实验室进行，古地磁、κ－T 曲线、IRM获得及反向场退磁曲线在中国科学院地球环境研究所完成，磁滞回线在中国科学院地质与地球物理研究所完成.

3 研究结果

3.1 古地磁年龄结果与年代序列

逐步热退磁结果表明（图2），WJ孔大部分样品的次生黏滞剩磁可以在200～300℃之间被清洗掉，在350～585℃显示稳定的特征剩磁方向，且在620℃时剩磁强度下降到初始天然剩磁的10%左右.采用正交投影图和主成分分析法对分离出的特征剩磁进行分析［20－21］，选取至少4个连续的剩磁分量投影点进行特征剩磁方向拟合.剔除位于岩芯各回次两接头处样品后，将拟合后最大角偏差（MAD）小于15°（负极性段MAD＜10°）的特征剩磁方向用于确定钻孔的古地磁极性序列.

磁极性结果表明（图3），WJ孔从上到下分别在11.2～11.9m、15.9～16.6m、26.6～29.2m 记 录了三个明显的短期负极性事件.根据11.75m和14.2m的AMS14C测年结果判定位于孔深11.2～11.9m和26.6～29.2m最显著的两次古地磁负极性事件分别为 Laschamp（39～41ka［22］）和 Blake（114～120ka）事件［23］，这和杨怀仁等［13］对太湖827孔的年代地层推测吻合.另外，推测15.9～16.6m可能为 Norwegian Greenland Sea（～64.5ka）事件［24］.

图2 WJ孔典型样品系统热退磁正交矢量投影图和归一化剩磁强度变化图（空心（实心）符号代表垂直（水平）分量投影）Fig.2 Orthogonal projection of progressive thermal demagnetization and normalized intensity decay plots of typical samples of WJ.The open（solid）circles represent vertical（horizontal）planes

3.2 WJ孔地层、有孔虫分布及粒度特征

前人研究结果认为［15，25］，长江三角洲地区广泛发育的硬粘土层，可以作为区域地层划分的标志.因此，根据AMS14C年龄、古地磁极性事件以及硬粘土层的分布，将WJ孔第一层硬粘土层的顶界2.5m作为全新世与晚更新世地层的分界，将第二硬粘土层的顶界34.3m作为晚更新世与中更新世地层的分界（图3）.中更新世地层依据第三硬粘土层的顶界划分为两个亚层：中更新世阶段I（51.2～46.5m）和中更新世阶段II（46.5～34.3m）.

自下而上各地层有孔虫分布、粒度特征如下：

中更新世阶段I（46.5～51.2m）：未见有孔虫（图3）.平均粒径为9.6～34.6μm（图4）.

中更新世阶段II（34.3～46.5m）：下部有孔虫丰富，达790枚／50g干样，上部明显减少，见胶结质砂轮虫属（Trochammina sp.）（图3）.该段平均粒径为7.9～74.3μm.

晚更新世（2.5～34.3m）：该层上部未见有孔虫化石；7.8～10.4m有孔虫丰富，达1168枚／50g干样；10.4～17.5m 有孔虫较多，为216～392枚／50g干样，17.5～27.4m 有孔虫明显减少，仅有8～168枚／50g干样；27.4～34.3m有孔虫化石非常丰富，最高达3296枚／50g干样，见五玦虫（Quinqueloculina sp.）等深水种.该段沉积物平均粒径为9.5～101.6μm，上部（2.5～10.4m）较细，向下有逐渐变粗的趋势；中部（10.4～27.4m）也较细；下部（27.4～34.3m）显著变粗，以细砂为主，含量高达60%.

全新世（地表约2.5m），粒度较细.

3.3 WJ孔磁性特征及其指示的磁性矿物类型、磁畴与含量

图6 典型样品磁滞回线（虚线代表未经顺磁校正，实线代表经顺磁校正）Fig.6 Hysteresis loop for typical samples of WJ（solid（dashed）lines represent corrected（uncorrected）for perrimagnetism）

中更新世阶段I（51.2～46.5m），除参数S－300mT外、SIRM、HIRM三者都为全孔的极低值（图5）.48.05m代表样品未经顺磁性校正的磁滞回线（图6）基本呈一直线，该段样品以顺磁性矿物为主；该样品κ－T加热与冷却曲线（图7）显示在小于580℃时磁化率分别显著降低与升高，小于磁铁矿的居里温度（580℃），且IRM反向场退磁曲线与其它样品不同（图8a），呈上凸型，这可能与样品中磁铁矿晶格中含有其他杂质如Al、Ti使得其居里温度变低，IRM反向场退磁曲线发生变形有关［1，26］.而其经校正的磁滞回线显示大肚子特征（图6），在Day图中（图8b）位于SD与MD混合曲线上，接近于SD磁畴颗粒的区间，也可能与磁性矿物中含有其他杂质使SD与MD的边界值变大，从而表现为SD 颗粒特性有关［27－28］.

中更新世阶段II（46.5～34.3m），底部46.5～42.7m 的、SIRM、HIRM、磁化参数F20mT和退磁参数S－300mT各值与中更新世阶段I相比显著升高，42.7～39m各值逐渐降低，在39～34.3m稳定在低值.

45.5m和42.05m样品磁滞回线都较平滑、窄而陡，500mT时磁滞回线没有闭合；IRM获得曲线（图8a）在1T时等温剩磁达到96%～98%；κ－T 曲线（图6k，j）在580℃左右磁化率显著降低，指示着磁铁矿的居里温度，加热曲线在500℃左右磁化率达到峰值与含铁粘土矿物、硅酸盐等矿物转化为强磁性的磁性矿物有关［30－32］，也可能与SD细颗粒的磁铁矿的解阻有关［30－32］，冷却曲线磁化率比加热曲线高也表明有大量新的磁性矿物生成.综合各磁学参数以及岩石磁学特征，此两样品中的磁性矿物以磁铁矿为主.Day图表明磁铁矿的平均粒径为PSD颗粒［27］.以磁铁矿为主的磁性样品，磁化参数F20mT可指示多畴（MD）颗粒的相对含量［19］，另外，、对单畴（SD）磁铁矿反映灵敏［1，19］.42.05m 样品与45.5m 相比 F20mT值相对较高以及值相对较低，结合42.05m样品在Day图中靠右，在BC图（图8c）中位于左下方，认为42.05m样品磁畴可能比45.5 m样品相对较粗.

37m代表样品矫正前磁滞回线呈一条直线，校正后磁滞回线略显细腰特征，且在500mT没有闭合；IRM获得曲线（图8a）表明其很难达到饱和，在300mT时IRM／SIRM 约为65%，Bcr约150mT；κ－T加热曲线较平直，在约500℃时磁化率略微升高，在580℃时磁化率显著降低，之后随温度的升高磁化率仍然有所降低，表明除磁铁矿外，可能还含有赤铁矿.上述特征表明该样品以顺磁性矿物为主，赤铁矿等高矫顽力磁性矿物含量相对较高.37m样品虽然在Day图中位于SD＋SP颗粒混合曲线内，在BC图（图8c）中位于右上方，因磁性矿物中磁铁矿含量很少，顺磁性矿物、赤铁矿等相对含量高，校正后磁滞回线略显细腰型，认为该样品在Day图以及BC图中的分布并不代表磁畴颗粒较细，而与赤铁矿等高矫顽力磁性矿物相对含量较高有关.

图7 WJ孔典型样品磁化率随温度变化曲线（黑线代表加热过程，灰线代表冷却过程）Fig.7 Temperature－dependent susceptibility curves for representative samples from WJ（Black and gray lines refer to heating and cooling curves，respectively）

综合45.5、42.05、37m 三样品的岩石磁学结果和46.5～34.3m 磁学参数特征，认为46.5～42.7m磁性矿物含量很高，以PSD颗粒的磁铁矿为主；42.7～39m磁性矿物含量减少，但磁铁矿颗粒变粗，高矫顽力磁性矿物相对含量升高，39～34.3m磁性矿物含量较少，以顺磁性矿物为主，且赤铁矿等高矫顽力矿物相对含量较高.

晚更新世（34.3～2.5m），根据室温磁性特征，分为两个亚层：

图8 WJ孔典型样品IRM获得曲线及其退磁曲线、Day图以及BC图Fig.8 IRM acquisition and demagnetization curves，hysteresis parameters plotted on Day／BC plot for representative samples of WJ

全新世，沉积物的磁性最弱，除磁化参数、退磁参数外，其余各磁性参数值均较低.该段1.5m样品磁滞回线、IRM获得曲线及反向场退磁曲线显示该段样品以顺磁性矿物为主，也含一定量的高矫顽力磁性矿物.κ－T加热曲线在240℃磁化率迅速升高，在约270℃达到峰值，这可能与磁黄铁矿在约240～270℃发生λ－转换（即六面体磁黄铁矿转换为单斜磁黄铁矿）［27，33］有关；之后，磁化率又迅速降低，这也可能反映了磁黄铁矿的居里温度（320℃）［27，33］.

4 讨 论

4.1 WJ孔沉积物记录的各时期沉积环境

第四纪期间，长江三角洲内陆平原地区，沉积物主要来源于西部山区，受长江的作用较少［34］，沉积物物源基本变化不大.该区沉积物磁性的强弱主要决定于两方面原因，一是受沉积动力控制的陆源碎屑输入量的多少和磁性颗粒磁畴粗细，二是沉积环境控制的早期成岩作用的强弱.在滨海环境中，陆源碎屑输入丰富，磁性颗粒磁畴较粗，早期成岩作用也相对较弱，沉积物表现为较强的磁性［35］；随着水深加大，碎屑磁性矿物输入量减少，磁畴变细，同时，因海水作用加强，被溶解和被还原的磁性矿物均增多［35－37］，磁性减弱；潮上带及盐沼环境，因有机质丰富，为还原环境，沉积物磁性也会减弱.另外，晚第四纪长江口地区还经历湖沼和阶地环境［38］，也存在陆源碎屑矿物输入量少、早期成岩作用强的阶段.因此在长江三角洲地区，浅海、盐沼、湖泊沉积物和后期被海水淹没的阶地古土壤都可能表现出弱磁性特征［5］.故需综合沉积物磁性、有孔虫化石和岩性特征三方面来确定WJ孔中更新世晚期以来气候—海平面波动控制下的沉积环境演变过程.

中更新世阶段I，沉积物磁性很弱，顺磁性矿物含量高.该阶段磁性矿物种类与WJ孔上部层位有所差异，可能反映了WJ孔沉积早期的物源与后期沉积有一定差异.缺乏有孔虫化石，且顶部硬土层发育，推测该阶段钻孔所在地首先经历了湖相沉积环境，随后由于气候变冷、湖平面下降，发生沉积间断.

中更新世阶段II，46.5～42.7m铁磁性矿物显著增多说明陆源碎屑供应丰富，该段有孔虫化石较丰富且岩性呈现砂泥互层特征，推测为潮间带环境.42.7～39m沉积物磁性快速减弱，磁性矿物磁畴变粗，软磁性矿物相对含量快速降低，可能反映以溶解细粒亚铁磁性矿物为主的早期成岩作用加强［37］.39～34.3m磁性矿物的含量很低，以顺磁性矿物为主，赤铁矿等不完全反铁磁性矿物相对含量较高，可能反映碎屑磁性矿物来源减少、且早期成岩作用更加剧烈［37，39］，结合沉积物中植物根茎增加、有孔虫出现胶结质的砂轮虫，可确定为潮上带盐沼还原环境；该段硬土层发育，反映了盐沼沉积物在海平面下降后暴露于空气中，发生沉积间断和风化成土作用，该段沉积物中常见的钙质结核可能就是成土作用的结果.

晚更新世34.3～10.4m，为全孔显著的强磁性阶段，磁性矿物含量很高，说明磁性矿物输入量丰富，早期成岩作用弱，反映滨海沉积环境特征［35］.其中底部34.3～27.4m磁铁矿磁畴较粗，同时有孔虫化石非常丰富（图3），并见五玦虫（Quinqueloculina sp.）等深水种属，沉积物以细砂为主，粒度为全孔最粗阶段（图4），可能反映了暖湿气候条件下的河口砂坝环境.中上部（27.4～10.4m）磁铁矿磁畴粗细波动变化较大，沉积物岩性特征演变为潮汐层理显著的砂泥互层，而且存在较多有孔虫化石，推测为河口湾－潮滩环境.

晚更新世10.4～2.5m，最显著的特征为磁性矿物含量明显降低，磁性矿物来源减少.10～7.8m HIRM依然为高值，且磁化率以及退磁参数值较低，可能处于磁铁矿被溶解，不完全反铁磁性矿物保留较多的早期成岩作用 阶段［36－37，39］，由于有孔虫化石丰富（图3），且沉积物粒度较细（图4），推测为潮下带环境.上部7.8～2.5m发育的硬土层为晚更新世末期在长江三角洲地区广泛发育的硬土层，沉积物磁性由较强变极弱，磁性矿物含量极少，且以顺磁性矿物为主，无有孔虫化石（图3）.前人的研究认为该硬土层是末次盛冰期发育的古土壤，母质主要为河漫滩或是湖沼相沉积［19，40］.

全新世，沉积物磁性很弱，主要为顺磁性矿物，且含还原过程中自生的磁黄铁矿—六面体磁黄铁矿.结合岩性特征认为该阶段为湖沼相还原环境.

4.2 WJ孔记录的晚第四纪海侵事件及年代推测

WJ孔50m以上存在中更新世阶段II（46.5～34.3m）、晚更新世34.3～7.8m两个海侵地层.其中晚更新世地层34.3～27.4m有孔虫化石非常丰富，见深水种，反映为最强盛海侵，根据孔深26.6～29.2m的Blake事件，推测为MIS5e沉积.前人及我们过去的研究中认为本区MIS5期海侵范围和强度均较小［13，15，19，41］，但是从本孔的结果来看，MIS5e海侵是中更新世晚期以来最强盛的海侵，与全球在MIS5e期间的高海平面一致（图3），地层缺失、河口浑浊水团不利于有孔虫繁殖以及有孔虫的保存情况等可能是过去没有充分认识MIS5e海侵强度的原因.结合其它古地磁极性事件和AMS14C年龄，以及12.8～15m存在数个岩性突变条带等情况推测27.4～15m 可能是 MIS5a－5d的沉积，而15～7.8m属于MIS3期海侵.因此，晚更新世地层实际由MIS5、MIS3海侵和MIS2海退地层构成.另外，MIS3后期（10.4～7.8m）钻孔所在地经历了一次海侵加强事件，可与前人研究的海侵强度较大、历时较短的滆湖海侵第二阶段相对应［12，14，15，43］.

4.3 WJ孔环境磁学参数对沉积环境的指示意义

根据综合岩性、粒度特征、磁学性质以及有孔虫化石特征对WJ各阶段沉积环境和海侵状况的判断结果，总结受到海侵与海退交替影响的河口三角洲地区不同沉积环境下的磁学参数特征，以及环境磁学参数对河口三角洲地区沉积环境的指示意义.

滨海潮滩－河口砂坝环境中磁性矿物含量丰富，且以磁铁矿为主、SIRM与HIRM同为极高值，S－300mT也较高.潮下带（10.4～7.8m），磁性矿物含量较低，有、SIRM 低，HIRM 值较高，S－300mT较低的特征.滨海盐沼（38～34.3m）和淡水湖沼环境中（51.2～46.5m，6～0m）磁性矿物含量极低，以顺磁性矿物为主，表现为、SIRM、HIRM 以及S－300mT都为极低值的组合.

因此，海岸带地层中，滨海潮滩－河口砂坝沉积的磁性特征最为明显，环境磁学参数对环境的指示意义明确，极高的SIRM值可以唯一指示潮滩—河口砂坝环境.

5 结 论

（1）WJ孔沉积物的磁性特征、岩性、粒度以及有孔虫分布特征记录了钻孔所在地中更新世晚期以来从河湖相、滨海与阶地、河口坝、河口湾－潮滩、阶地以及湖沼沉积环境的演变过程；并且，WJ孔记录了三次海侵事件，即中更新世晚期海侵，MIS5海侵和MIS3海侵，其中MIS5e期间海侵最为强盛，MIS3后期也存在一次海侵加强事件.

（2）海岸带沉积物的磁性特征主要受控于陆源碎屑输入量、磁性颗粒磁畴大小以及早期成岩作用的强弱，且与气候—海平面波动控制下的沉积环境变化密切相关.滨海潮滩—河口坝环境中磁性矿物来源最为丰富，受到的早期成岩作用弱，因此环境磁学参数的指示意义明确.而盐沼与湖泊环境磁性矿物来源少，同时，早期成岩作用强，环境磁学参数不易区分此两种环境.

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