渤海湾西岸CH114孔全新世沉积环境演化与海陆作用

商志文，田立柱，李建芬，陈永胜，王宏

（中国地质调查局 天津地质调查中心，天津 300170）

作为深入内陆的陆表海湾，渤海湾受到海陆交互作用的强烈影响。晚更新世以来，渤海湾及相邻沿海低地经历了3次大的海陆交替过程。其中，全新世海侵地层保存相对完整，信息记录最为丰富，是开展地质环境演变研究的良好对象。但以往全新世海侵时的海陆作用研究多是从地貌演化和史料记载入手，仅近10余年来笔者所在研究小组对该地区地层与古环境演变进行了新一轮研究（李凤林等，2004；李建芬等，2004；阎玉忠等，2006；范昌福等，2005、2008；商志文等 ， 2010a、 b；Fan et al， 2011；陈 永 胜 等 ，2012a、b）。

硅藻是海洋中最重要的微体植物之一，因水体物理、化学及水动力条件的差异，其种类、数量及组合特征存在明显的多样性。因此，可以通过沉积物中化石硅藻的特征推断古海洋环境和古气候条件。近年来，已有众多海域及海陆过渡相化石硅藻用于第四纪古环境重建的研究实例（王开 发 等 ， 1995、 2002a、 b、 2003；Sato et al，2001、2003；支崇远等，2003；李超等，2004；Freund et al，2004；黄玥等，2006；冉利华等，2008；李冬玲 等，2009；Fukumoto，2011；Saegusa et al，2011）。但渤海湾地区，硅藻与古环境的研究仍是极少涉及的领域（商志文等，2010a、b）。

本文试图通过CH114孔（图1）的沉积学和微体古生物学研究，划分沉积相，进而结合年代学数据，揭示渤海湾西北部浅海区全新世古环境演变、海洋影响与沉积速率特征，并讨论它们对环境演化的贡献。

图1 CH114位置图

1 材料和方法

CH114孔位于渤海湾西北部、岸外约3 km的浅海区，是天津汉沽海域活动断层地球物理调查的验证孔之一。岩心反映了渤海湾西北部近岸浅海区浅地层物质组成、层序与地质结构。钻孔采用机械钻探，全取心，岩心直径108 mm，平均采取率＞90%。钻探进尺依靠测深仪进行实时潮位水深校正，以保证进尺的准确性。由测深仪测量并经潮位校正后计算的孔口高程是-3.9 m（国家85高程）。CH114孔全新统厚16 m，为本文的研究对象。

CH114孔9个测年样品均采自岩心中相对完整的贝壳或泥炭，并在北京大学考古文博学院AMS（加速器质谱）14C实验室进行测试。测定值以5568半衰期计年，测定结果按照国际14C委员会通行方法进行分馏效应、海洋贮存库效应和大气效应校正后以日历年龄表达（cal BP）。

依据地层变化，CH114孔全新世沉积物共采取硅藻分析样品32个，取样间距10～60 cm。样品按照常规方法处理（Richard，1986），过程依次为：30%双氧水去除有机质、10%盐酸去除钙质、比重为2.38的ZnBr2重液浮选两次、加拿大树胶封片。制成玻片后，一般在400倍（个体较小的属种用1 000倍的油镜）显微镜下鉴定属种，每个样品鉴定硅藻壳体约200个。

粒度分析方法为激光粒度分析。粒级标准为尤登-温德华氏等比制φ值粒级标准；平均粒径、分选系数、偏态和峰态等粒度参数运用福克-沃德公式计算。

2 结果

2.1 年代学与沉积速率特征

9个AMS14C年龄由下向上表现出依次年轻的自恰性，且2组取自相同层位的测年结果基本一致（表1、图2），与相邻钻孔CH19孔相同沉积层位的年龄具有较好的可比性（商志文等，2010a），结果可信，显示该段沉积始于全新世（表1、图2）。根据AMS14C年龄结果，表2给出了各时段的沉积速率。需要说明的是：（1）沉积速率计算时，10.9 m和11.2 m处的年龄，为该处取自同一位置的两个样品年龄数据的平均值。（2）12 m以下缺乏年龄数据，因此，全新世底界参考与该孔相距约3 km的CH19孔（图1）年龄数据11 180 cal BP（商志文等，2010a）作为该孔全新世的开始（表2中用斜体表示参考年龄数据及相应的沉积速率）。

表1 CH114孔AMS14C测年结果

图2 CH114深度-年龄分布图

2.2 硅藻分布与组成

对CH114孔岩心的系统分析研究表明，除个别层位硅藻贫乏外，大部分样品硅藻比较丰富，32个样品中共发现17属28种。

表2 渤海湾西北岸CH114孔沉积速率

从每个样品中选取含量最高的前3种硅藻作为该样品的优势硅藻种，CH114孔的主要优势种有10种：Cyclotella striata/stylorum，Actinoptychus undulatus，Coscinodiscus argus， Coscinodiscus perforatus， Surirella armoricana， Coscinodiscus radiatus， Paralia sulcata， Coscinodiscus subconcavus，Grammatophora oceanica 和 Thalassionema nitzschioides。

Cyclotella striata/stylorum为潮间带-沿岸种，潮间带地区含量高达30%以上，最多达80%，自岸向海数量减少，水深大于30 m海区，数量一般小于15%。这两个种在中国北黄海沿岸、黄海、东海、南海北部湾等地均有记录（蒋辉，1987），为研究区第一优势硅藻种（商志文等，2012）。

Actinoptychus undulatus为广布性的沿岸底栖种，该种的最高含量出现在南黄海和东海水深40 m左右的浅海区，含量大于30%，大于或小于这个水深，数量明显减少（蒋辉，1987）。在渤海湾潮间带-浅海区表层沉积物中，潮间带地区含量低于浅海区（商志文，2012）。

Coscinodiscus argus、Coscinodiscus radiatus 为广布性浮游种，在渤海湾潮间带-浅海区表层沉积物中，含量随水深的变化不明显（商志文等，2012）。

Coscinodiscus perforatus、 Surirella armoricana，Coscinodiscus subconcavus均为沿岸底栖种。在渤海湾潮间带-浅海区表层沉积物中，Coscinodiscus perforatus在海河北部潮间带至2 m水深的浅海区含量最高。Surirella armoricana、Coscinodiscus subconcavus主要分布在浅海区，且随着水深加大，含量逐渐增多（商志文等，2012）。

Paralia sulcata为典型的浅海种，是我国表层沉积物中分布最广泛的种类之一，从岸线到浅海，数量逐渐增加，而从浅海到深海区或海槽，含量则逐渐减少，水深50～100 m最适合其生长（蒋辉，1987）。在渤海湾潮间带-浅海区表层沉积物中，该种主要分布在浅海区，且随着水深的增加，数量逐渐增多（商志文等，2012）。

Thalassionema nitzschioides为亚热带浮游种，分布区域盐度较高，代表海水影响较强的沉积环境，是渤海湾10～20 m水深表层沉积硅藻优势种之一（商志文等，2012）。

2.3 海洋影响分析与古环境重建

利用Tilia软件对CH114孔的10个优势硅藻种进行聚类分析（图3），共划分出6个硅藻组合带。同时，本文将亚热带浮游种Thalassionema nitzschioides与潮间带沿岸种Cyclotella striata/stylorum含量的比值，作为判定海洋影响强弱的指标（MI），比值越大，表明海洋影响越强（MI为0，表明Thalassionema nitzschioides的缺失，但并不代表完全没有海洋影响，只是海洋作用相对较弱而已）。各带的硅藻组合特征及古环境如下：

组合1带，埋藏深度为16～11.2 m。其中，16～14.3 m，灰黄棕色粉砂，夹泥质条带和碳质条带，波状复合层理，底部为淡水贝壳的富集层。本段未见硅藻，为陆相环境。14.3～11.2 m，暗橄榄棕与灰黄棕色粘土质粉砂，夹薄层炭质条带和炭斑，发育生物潜穴。本段只见零星的圆筛藻属硅藻碎片，代表了受海水影响的盐沼低地环境。

组合2带，埋藏深度为11.2～10.4 m。黑棕色贝壳碎屑与粉砂质砂的混杂堆积，无层理，与下伏地层侵蚀接触。本带硅藻属种相对较少，以Cyclotella striata/stylorum-Coscinodiscus perforatus-Coscinodiscus subconcavus为组合特征，3个优势种的含量＞80%，见Actinoptychus undulatus，Coscinodiscus argus，Coscinodiscus radiatus，Thalassionema nitzschioides和Grammatophora oceanica等。该带沉积物显示环境较为动荡，硅藻保存较差，属种相对单一，硅藻组合并不能完全反映当时的沉积环境。年代学数据显示该段地层沉积于6 646～4 280 cal BP（表1、图2），当时海平面与现在相当或略高（Chpell et al.，1996），海岸线位于现代岸线以西约40～50 km处（李世瑜，1962；王颖，1964；赵希涛，1980），而CH114孔位于现代岸线以东约3 km的浅海区，因此该孔在当时应位于远离岸线的浅海区，水深约15 m（孔口高程-3.9 m+埋深约10.8 m）。由于远离岸线，机械沉积速率缓慢，为软体动物繁盛提供了相对适宜的环境。另一方面，这一深度仍然位于坏天气浪基面以上，该贝壳碎屑层分选差、不具层理、硅藻保存不良，充分显示了动荡的水动力特征。据此推断该段为水深较大的浅海环境，且贝屑混杂堆积可能受到风暴事件影响。

图3 CH114孔柱状地层剖面、硅藻组合特征、年龄与海洋影响变化

组合3带，埋藏深度为10.4～9.6 m。黑棕色粘土质粉砂，偶见贝壳及贝壳碎片。本带硅藻属种丰富，以Thalassionema nitzschioides-Cyclotella striata/stylorum-Coscinodiscus perforatus为组合特征，三者的平均含量分别为35%、25%和13%。另见Coscinodiscus argus、Coscinodiscus radiatus、Coscinodiscussubconcavus、 Paralia sulcata 和 Grammatophora oceanica等。本带中Thalassionema nitzschioides为第一优势种，且潮间带沿岸种含量在地层中所见硅藻的各组合带中最低，指示该带为受海水影响较强（MI达到最大峰值）、水深较大的浅海环境，推测水深＞10 m。

组合4带，埋深为9.6～4.7 m。粒度向上逐渐变粗，下部为黑棕色粘土质粉砂，含砂质透镜体。中部为黑棕色粉砂与粘土质粉砂互层，具波状复合层理。上部为黄棕色粉细砂，发育小型交错层理与生物潜穴。本带硅藻属种丰富，以Cyclotella striata/stylorum-Coscinodiscus perforatus-Thalassionema nitzschioides为组合特征，三者的平均含量分别为28%、23%和9%。另见Actinoptychus undulatus、 Coscinodiscus argus、 Coscinodiscus radiatus、Coscinodiscus subconcavus、Paralia sulcata，Surirella armoricana和Grammatophora oceanica等。本带硅藻组合以浅海种为主，潮间带沿岸种Cyclotella striata/stylorum和Coscinodiscus perforatus的含量较组合3带略有增加，Thalassionema nitzschioides仍为本带的优势种之一，指示了较强的海水影响（MI出现3次峰值），综合判断为浅海环境，推测水深7～10 m，盐度较组合3带降低。

组合5带，埋藏深度为4.7～1.65 m。黑棕色粉砂，粒度向上变粗，含大量的贝壳碎屑、砂团及砂质条带，生物扰动明显。本带硅藻种属丰富，以Coscinodiscus perforatus-Cyclotella striata/stylorum-Coscinodiscus argus为组合特征，三者的平均含量分别为34%、29.5%和13%；另见Coscinodiscus subconcavus（3.5%）、Coscinodiscus radiatus（11%）和Grammatophora oceanica（6%）等。与组合4带相比，Cyclotella striata/stylorum和沿岸种Coscinodiscus perforatus含量增加，浅海种Paralia sulcata和亚热带浮游种Thalassionema nitzschioides消失。综合判断该带为浅海环境，推测水深范围为2～5 m，海洋影响减弱，盐度进一步降低。

组合6带，埋藏深度为1.65～0 m。浊黄棕色粘土质粉砂，发育生物潜穴，含砂质透镜体与贝壳碎屑。本带硅藻属种丰富，以Cyclotella striata/stylorum -Coscinodiscus perforatus-Coscinodiscus subconcavus为组合特征，3个优势种的含量＞80%，见 Actinoptychus undulatus、 Coscinodiscus argus、Coscinodiscus radiatus和Grammatophora oceanica等。硅藻组合以潮间带沿岸种为主，含浅海种与少量浮游种，判断为近岸浅海环境，根据优势硅藻种在渤海湾表层沉积物中的分布特征，推测该带的水深范围为0～2 m，盐度进一步降低。

3 讨论

3.1 沉积环境与沉积速率变化

CH114孔揭示该孔全新世以来经历了陆相→受海水影响的盐沼低地环境→受风暴强力事件影响的浅海环境→浅海环境的演化过程。

全新世初期，海水尚未到达CH114孔所在地，仍为陆相环境。随着海面快速上升，经历了受海水影响较弱的盐沼低地环境后（埋深12 m处的年龄为9 455 cal BP），转为浅海环境。之后海面快速上升，物源贫乏，9 455～3 634 cal BP期间机械沉积速率低，特别是 6 646～4 280 cal BP的约2 300年间，仅沉积了0.8 m厚的受风暴事件影响的贝壳碎屑与泥砂混杂沉积物，平均速率为0.03 cm/a。3 634 cal BP之后，仍为浅海环境，但水深逐渐减小，直至现代的1.5 m。其中，3 634～2 641 cal BP时，沉积速率较大，平均为0.5 cm/a；2 641～424 cal BP，沉积速率减小，仅为 0.12 cm/a；424 cal BP以后，平均速率为0.38 cm/a（图4）。

图4 渤海湾CH114钻孔沉积速率变化

沉积速率的阶段性变化与河流供给有较好的对应关系。全新世初期，海水尚未到达CH114孔所在地，河流供给物源相对充足，为沉积速率相对较高时期。海水约9 ka cal BP到达渤海湾西岸后，海面持续上升，岸线迅速后退，形成了巨大的可容空间，但9～4 ka cal BP期间的海面上升速率远高于这一阶段的沉积速率。CH114孔在9.5～3.6 ka cal BP为沉积速率最低时期，说明在此期间尽管有足够的可容空间，但沉积供给仅维持了低水平的相对稳定，河流作用不明显。距今约3 ka cal BP，中国东部相对海面已经稳定于现代海面高度（沈明洁，2002；Zong，2004）。3.6～2.6 ka cal BP期间，平均沉积速率上升至0.5 cm/a，距离CH114孔最近的黄河三角洲超级叶瓣5发育于 3.0～2.5 ka BP（Xue et al，1993），该时段古黄河三角洲的发育与CH114孔沉积速率的增加在时空上基本对应，说明CH114孔在该时段沉积速率的增大可能与黄河输入加强有关。2.6～0.4 ka cal BP期间，平均沉积速率下降至0.12 cm/a，揭示该时段河流输入作用较弱。0.4 ka cal BP以来，平均沉积速率上升至0.38 cm/a。公元1194年，黄河南徙，海河得以在其现代河口处独立入海（黄盛璋，1982），该时段沉积速率的增加与海河独立入海在时空上基本对应，揭示其可能与海河输入增强有关。

3.2 海洋影响曲线与全新世5 000 cal BP以来气候变化的对比

CH114孔海洋影响曲线特征是（图3、5）：

（1）埋深10.4～11.2 m，为贝壳碎屑与粉砂质砂的混杂堆积，MI＜0.07，表明海洋影响较弱，但是，此时沉积环境不稳定，硅藻保存相对较差，属种单一。因此，硅藻组合并不能完全反映当时的沉积环境。埋深10.2 m粗贝壳碎屑层之上的泥质沉积层底部MI达到最大峰值，指示海洋作用很强。之后向上至埋深7.2 m处MI整体上呈波动减小的趋势。埋深6 m处MI增大，表明一次海水影响增强的短暂过程。之后，又一次呈波动减弱趋势；埋深4.7 m以上，MI为0，指示海洋影响更弱。

（2）依据已有14C年龄采用线性内插方法，赋予CH114孔岩心硅藻-海洋影响曲线以时间意义，便获得了该孔硅藻所记录的全新世5 000 cal BP以来海洋影响强弱的波动曲线，曲线反映存在4次海洋影响增强的时期（图3、5）。

前人多认为全新世5000 cal BP以来共有4次气候变冷事件（事件3～0），但不同研究者对于各次事件的起迄时间尚未完全统一。本文综合了前人的研究成果（Hong et al，2009；王绍武，2009；Mayewski et al， 2004；Bond et al， 1997；Wang，1994；Wang et al，1997，2010；葛全胜 等，2006；竺可桢，1973；Ge et al，2010；郑景云等，2005；王宏，1996），重点参考了与本研究区相邻的中国东北部、东部地区各次寒冷事件的起迄时间，将这4次寒冷事件分别定为4 300～3 800 cal BP（事件 3）、3 550～3 350 cal BP 和 3 050～2 900 cal BP（事件2：细分为2次）、1 550～1 000 cal BP（事件1）及480～90 cal BP（事件0），寒冷事件之间为温暖期（图5）。

图5 CH114孔海洋影响曲线与全新世5 000年以来气候变化对比图

海洋影响的波动变化与全新世气候变化对比显示（图5），由硅藻记录的海洋影响增强的4次峰值期多与气候温暖期对应（峰值1，与相关温暖期不同相位，尚无法解释）。表明研究区海洋影响的增强与气候变暖具有一定的正相关性。但是，二者变化的起迄时间是否严格一致，仍需今后进一步深入探讨。

4 结论

（1）CH114孔岩心全新世硅藻经系统研究，共发现17属28种，与沉积岩石学、年代学（AMS14C）研究相结合，将该孔自下而上划分为6个硅藻组合带，分别对应全新世初期陆相（组合1带下部）、受海水影响的盐沼低地环境（组合1带上部）、6 646～4 280 cal BP年间受风暴强力事件影响的浅海环境（组合2带）和4 280年以来水深不断变浅的浅海环境（组合3-6带）。

（2）CH114孔沉积速率自下而上呈高-低-高-低-高的阶段性变化特征，这与研究区的河流供给有较好的对应关系：即3.6～2.6 ka cal BP和0.4 ka cal BP以来两个时段相对较高的沉积速率，分别与黄河三角洲超级叶瓣5的形成和海河独立入海相对应。

（3）由硅藻记录的海洋影响的波动变化与全新世气候变化对比显示：研究区海洋影响的增强与气候变暖具有一定的正相关性。

致谢：北京大学考古文博学院AMS（加速器质谱）14C实验室提供AMS14C测年数据，野外钻探由裴艳东、王福和田立柱完成，在此一并致谢。

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