珠江三角洲全新世海平面升降及其对全球变化的响应*

彭 杰，杨小强，黄文娅，苏志华

(1.中山大学地球科学与地质工程学院，广东 广州 510275;2. 中国科学院边缘海地质重点实验室，广东 广州510640)

全新世气候特征及其一些极端气候事件的研究，为揭示现今人类生活环境的变化规律及其未来趋势，提供了不可替代的基础素材。迄今为止，在早中全新世气温升高、中晚全新世气温降低的总体趋势之下，最显著的气候事件被认为是发生在～8.2 ka的变冷记录[1-3]，认为格陵兰淡水注入、北大西洋环流形式的突变是导致该事件发生的主要因素[4-5]。除此之外，其它一系列气候事件也相继在高分辨率的石笋和海洋沉积中被揭示[6-7]，显示了全新世与末次冰期期间类似的气候不稳定性特征。但是对这些气候事件的认识，仍然存在一些疑问，它们的全球性特征，以及驱动机制存在诸多未解之谜。如著名的～8.2 ka变冷事件和～4.2 ka的干旱事件，在热带区域很难发现类似的记录，许多学者甚至质疑这些事件的真实性[8-13]。另外一方面，作为地球环境系统中的重要一员，全球海平面的波动规律及其机制，以及它与这些千年、百年尺度的气候事件之间的联系更是甚少有比较系统的讨论[14-21]。其中最大的难题在于短尺度海平面波动指标的建立以及高分辨率年代学标尺的确定。

河流三角洲通常具有很高的沉积速率，沉积体系随海侵或海退过程而发生明显变化，是研究海平面波动和古气候变化的良好载体。珠江三角洲毗邻南海，位于东亚季风影响区域，沉积始于晚更新世，全新世沉积厚度一般在8～20 m波动。前期沉积学、地球化学、微体古生物学、矿物学等方面的工作，揭示沉积物可以记录短尺度的南海海平面的变化过程和陆地降雨变化规律[22-26]。但是由于沉积相的复杂性和地层年代学工作的不确定性，不同区域钻孔地层的对比及其对沉积物记录的海平面变化规律的认识，存在较大争议，从而影响深入探讨区域短尺度海平面变化与全球气候变化之间的关系及其可能的驱动机制。

对珠江三角洲一些代表性钻孔，如位于广州番禺的PD钻孔和深圳的SX97钻孔，已有的岩石磁学和环境磁学工作揭示，沉积物中磁性矿物的类型、组份和粒度的变化，与海平面的升降密切相关[24,27]。但遗憾的是，在这些前期工作中由于沉积物年龄的不确定性，导致甚少涉及海平面变化历史的讨论。本文主要应用旋回沉积学和磁化率变化相联系的方法，进行区域地层的对比；应用地球磁场长期变化，确定沉积物的年代框架，进而讨论高频海平面波动及其与全球变化的联系。

1 地质背景

珠江三角洲位于热带、亚热带过渡区域，面积约1.1万 km2，现代气候主要受亚洲季风体系和海洋作用控制。现今的三角洲是由三大主要珠江水系(东江、西江和北江)在入海口形成的比较开阔的平原地带(图1)。区域内花岗岩和花岗片麻岩构成一些低山、丘陵。发育的一系列活动断层[28]，导致不同区域沉积速率和沉积厚度产生较大差异。进入全新世以来，一般认为三角洲具有持续、缓慢的沉降特征[28]。三角洲沉积开始于晚更新世，沉积物大部分由粘土、粉砂质粘土和细砂组成。沉积厚度从几米到几十米变化，沉积速率约在50～200 cm/ka 之间。

三个代表性钻孔SX97和PD、PD2以不锈钢钻具旋转钻进直至基岩而获得(图1)。钻孔SX97位于深圳市珠江河口东北岸22°46′10″N, 113°46′42″E。钻孔长约30.6 m, 岩性变化如下: 0～3.85 m 是人工填土，3.85～10.84 m主要由粉砂质粘土、粘土质粉砂、粉砂和细砂组成，含有贝壳夹层；10.84～12.12 m为多种颜色混杂的风化粘土(一般称作“花斑粘土”)；12.12～16.46 m逐渐从杂色粘土质粉砂向橘红色粗砂转变；16.46～26.04 m为灰绿色、灰白色粉砂和细砂，底部则为灰白色含细砾粗砂。

钻孔PD长约17.5 m，位于广州番禺(22°53.859′N, 113°28.782′E)。主要沉积物为灰色、灰黑色粘土、粉砂质粘土和粘土质粉砂，含有不同大小的贝壳碎片。黄色、红色、白色和灰色等多种颜色混杂的“花斑粘土”出现在钻孔中部12.02～11.99 m, 10.39～10.30 m 和 9.13～7.4 m三个层位。底部15.2～17.5 m主要为灰色含细砾粗砂，在13.9～15.2 m之间灰色粉砂和细砂占主体。钻孔PD2距离PD只有800 m左右, 长约29.8 m。沉积物相对比较均质，从0～24.8 m主要为灰黑色粘土和粉砂质粘土，含有贝壳碎片和不对称的粉砂夹层。在15.40～16.0 m 之间沉积物为含有黄色粘土结核的灰黄色粘土。24.8 m之下主要为灰黄色中、细砂[25]。

钻孔PD和PD2距离相近，但是沉积厚度不同、花斑粘土在PD2钻孔不甚发育的特征，可能归因于2个钻孔分别位于“珠江口断层”两侧，钻孔PD2可能位于下降盘，故沉积速率远大于钻孔PD。

图1 珠江三角洲及研究钻孔地理位置图

2 钻孔沉积物14C测年

钻孔PD共选择10个样品供14C定年，其中5个用加速器质谱仪(AMS)测试而其它5个用传统液体本底闪烁仪进行测量。除一个样品为贝壳外，其它均为全岩有机质。用于AMS测量的样品在西安地球环境研究所完成预处理，然后在北京大学重离子物理实验室完成测试。常规14C测年在中国科学院广州地球化学研究所完成。PD钻孔底部3个粉砂和细砂样品进行热释光年代确定，在中国科学院广州地球化学研究所完成。SX97钻孔的12个14C年龄和PD钻孔的4个14C年龄分别来自文献[22,25]。

表1 钻孔沉积物14C测年1)

1)*代表加速器质谱仪(AMS)年龄; SX97钻孔年龄除来自文献[22]外，部分由中国科学院广州地球化学研究所余素华研究员提供; TL-代表热释光年龄

表1显示不同钻孔沉积物的14C年龄结果显示严重的新、老倒置现象。对钻孔PD而言，花斑粘土之上沉积物的年龄仅分布在1.805±0.03和3.725±0.03 ka之间。在该区域，Zong et al.和刘春莲等[26,29]根据JT81，V37和PRD05等几个钻孔的14C数据，认为珠江三角洲初次海侵发生在约9 ka，在约6.8 ka开始向海退转变。如果以花斑粘土之上沉积作为全新世初始沉积的标志，对比钻孔PD、SX97与JT81、V37、PRD05的沉积物(图2)，可以发现钻孔PD、SX97全新世沉积物年龄明显存在问题。在早、中全新世全球高海平面期间，钻孔PD缺失该时期沉积，而在海退期间，却存在细粒沉积物，这很难在沉积原理上进行解释。

图2 钻孔PD，SX97和JT81，V37，PRD05全新世沉积物对比[26,29]

Yim(1999)[30]曾提出，在低海平面时期，三角洲沉积物暴露地表，其测年物质可能被地下水污染，从而导致测年信息的不确定。本文研究的3个钻孔位于现代海平面之上，地下水位随海平面和陆地淡水的供应而变化，这种变化也许会影响碳同位素的迁移，进而导致14C测年的不可预期性。

3 钻孔间地层对比

钻孔SX97和PD岩石磁学结果证明主要的载磁矿物为河流输入的碎屑性磁铁矿，其浓度和粒度随着沉积物性质而变化[24,27]。而在花斑粘土层，针铁矿和赤铁矿占据重要位置，反映了沉积后暴露地表经历长期风化的过程[27]。三个钻孔在磁性矿物类型、浓度和粒度方面变化的相似性，表明整个沉积过程主要受控于海平面的波动。因此，有理由推测沉积物磁化率值代表了沉积过程和沉积环境的变化。也就是磁化率值的大小变化，响应一个沉积旋回。磁化率变化的一些显著特征值是同期沉积，可以提供钻孔间地层对比的替代性指标(图3)。

SX97和PD钻孔中部花斑粘土厚约1 m，磁化率值较低，可以作为钻孔地层对比最明显的标志层。尽管在PD2钻孔没有发现明显的类似地层，但是在钻孔中部(约15～17 m)存在一层灰黄色的粘土沉积，其中包含黄色粘土结核，具有低的磁化率值。在此层之下，伴随一磁化率非常低的层位，与PD钻孔磁化率特征非常相似，而在此层之上，沉积物磁化率值呈现总体增加的趋势，可以判断该层是与花斑粘土同时期的沉积。从花斑粘土开始，岩性呈现高频变化特征，粒度从细到粗，沉积物颜色从深到浅，旋回式变化与沉积物磁化率大小表现出良好的一致性。在钻孔上部，存在一磁化率值突然增大的层位，与岩性的突然变化相一致，代表了晚全新世以来的沉积，也可以作为地层对比的一个标志层。如果以沉积物从细到粗、颜色从深到浅以及贝壳等生物含量多少作为一个沉积旋回(表2)(钻孔PD2全新世沉积岩性较均一，难以划分沉积旋回)，与磁化率的从大到小综合考虑，它们可以作为钻孔间地层对比的良好工具。尽管钻孔SX97的磁化率变化幅度弱于其它两个钻孔，但是仍能比较清楚的鉴别出响应于岩性变化的峰、谷特征(图3)。基于这种旋回沉积学的对比，自花斑粘土向上，可以建立3个钻孔间地层对比的基本方案，将之划分为7个可对比层(以字母a-g标记)(图3)。虽然在磁化率和沉积旋回可对比层位，3个钻孔的沉积物年龄存在巨大差异，钻孔沉积物的14C年龄无法提供准确的年代信息，但是清楚的沉积旋回仍然表明珠江三角洲全新世以来海平面至少存在7次显著的高频波动。

表2 SX97与PD钻孔沉积物沉积旋回划分

4 钻孔SX97磁倾角变化

钻孔PD、PD2由于岩心管在破开之后，失水破裂而无法进行古地磁方面的研究，故只有钻孔SX97的沉积物用来进行古地磁方向的获取。以5 cm为间距取样，共取得200个立方体(2 cm×2 cm×2 cm)样品(13.85～15.7 m之间沉积物为粗砂无法取样)。首先选择部分样品分别在0～80 mT交变磁场或20～650 ℃温度区间(MMTD60 热退磁炉)进行磁清洗，并分别在2G-755超导系统测量其剩磁。实验结果表明，16 mT或200 ℃基本可以消除次生剩磁的影响。在更强的交变场或更高温度，可以获得样品的特征剩磁(图4)。为了避免沉积物中高矫力矿物对交变退磁的影响，对剩下的所有样品进行热退磁实验。由于没有确定钻孔方位角，故只能讨论特征剩磁倾角的变化。

至少选择4个以上的退磁数据点，以最小二乘法进行分析，获取样品特征剩磁。去除最大角偏差>8°的样品，特征剩磁倾角随深度的变化如图5(c)所示。从磁倾角变化曲线，可以识别出比较明显的8个峰、谷变化(标记为‘α-τ’)，代表了该区域全新世地球磁场的长期变化特征。

图4 沉积物交变退磁与热退磁正交矢量投影. 结果显示交变退磁和热退磁均可获得沉积物特征剩磁NRM-天然剩磁，TH-热退磁，AF-交变退磁. 实心/空心圆分别表示水平/垂直投影.

5 讨 论

5.1 基于磁倾角变化对比的沉积物年代框架

如上讨论，由于沉积物14C数据无法提供准确的年龄信息，我们拟以地球磁场长期变化对比进行地层年代的确定。众多的研究证明，在千年时间尺度、约数千公里范围内，地球磁场长期变化(PSV)具有相同的特征，可以作为区域地层对比和年代确定的良好工具[31-35]。Ali(1999)首先在日本Biwa湖建立了亚洲区域全新世的地球磁场长期变化曲线[35]，与从亚洲其它湖泊重建的PSV曲线和考古记录表现出良好的一致性[36-37]，为PSV的区域对比提供了参照物。以14C年龄作为基本的参考，将钻孔SX97的磁倾角变化曲线与Biwa湖[35]、海南双池岭[36]和云南洱海[37]的长期变化曲线对比，以求确定钻孔不同深度的沉积物对比年龄(图5)。确定SX97钻孔的年龄框架之后，根据沉积地层旋回对比方案，进一步确定PD和PD2两个钻孔的年代标尺(表3)。依据这种方法，可以建立3个钻孔的年代—深度模型(图6)。结果显示，3个钻孔全新世初始沉积基本一致，始于约9 ka，与全球海平面快速上升至拐点转向基本稳定的时间一致。尽管不同钻孔之间沉积速率有所差异，但是各个区域沉积过程基本稳定，受同一因素控制。

图5 钻孔SX97沉积物岩性(a)、体积磁化率(b)以及特征剩磁倾角(c)变化. 同时显示与东亚其它区域的地球磁场长期变化曲线对比. (d)日本Biwa湖[35]，(e)海南双池岭[36]，(f)云南洱海[37]. 图中字母α-τ分别指磁倾角一些特征的峰、谷变化，虚线代表可对比特征点。

表3 根据地球磁场长期变化对比确定的钻孔沉积物年龄

Table 3 Sediment ages obtained from correlating the deposition cycles and susceptibility variations between cores utilizing the inclination curve

PD2/cmPD/cmSX97/cm年龄/ka18060600 75～0 853451501351 0～1 24051902001 35～1 54802302501 8～2 07003233052 4～2 69204403904 65～4 8010204904705 7～5 911806505807 3～7 514007107088 5～8 7

5.2 珠江三角洲全新世高频海平面变化历史

当沉积容纳空间主要被海平面的变化所影响时[26]，沉积物粒度的大小主要受控于河流和海洋的相互作用过程。一般情况下，更细的沉积物粒度是海进过程、水深增加的结果[26,29]。尤其是磁铁矿一类的重矿物，对搬运水动力条件更为敏感。当河流搬运动力受海水顶托作用而快速减弱时，粗颗粒重矿物首先在向陆一侧堆积，而细颗粒重矿物则悬浮或跃移搬动一段距离在向海一侧堆积。在同一位置，当海平面上升、水深增加时，将导致更细颗粒的重矿物含量增加。区域降雨增加导致的河流搬运动力的增强，对重矿物的粒度也有影响，但是这种变粗多表现为更短时期的事件性堆积，很难形成较长时期的连续堆积。

图6 钻孔SX97，PD以及PD2年龄-深度模型

PD钻孔详细的岩石磁学结果表明沉积物磁化率和饱和等温剩磁(SIRM)值的增大，归因于磁铁矿浓度的增加[27]。更高SIRM/κ的比值反映了细粒磁性矿物组分的增加，与由于水深的增加而导致的水动力条件的减弱相关。最显著的SIRM/κ峰值一般为灰黑色粘土沉积的特征，向上粒度变粗，含有有孔虫遗体。因此SIRM/κ的波动可能反映了海侵与海退过程[27]。χARM/SIRM同样也是磁性矿物粒度的指标，与SIRM/κ相比总体趋势两者相似，但其变化频率更为显著，对磁铁矿浓度的变化更为敏感。由此推测，磁性参数χARM/SIRM反映了磁铁矿粒度的变化，也可以作为反映海平面变化的替代性指标。

因此，我们认为钻孔PDχARM/SIRM比值的旋回式变化，响应于海平面的升降过程[27]。钻孔PD的磁化率和χARM/SIRM，以及PD2磁化率值随时间的变化如图7所示。在图中，磁化率的变化与χARM/SIRM并不总是表现出严格的一致，这归因于磁化率对磁性矿物浓度的变化更为敏感。

图7 珠江三角洲海平面变化与全球气候变化之间的联系. χARM/SIRM的低值代表了较低的海平面时期. 图中灰色条带代表可以与气候变化相联系的高频海平面变化

从替代性指标χARM/SIRM反映的海平面变化分析，其与其它区域的海平面变化规律基本相似，代表了珠江三角洲区域约9 ka以来百年尺度的海平面变化过程[14-19]。该区域初次海侵发生在约9.2 ka，最大海侵时期在约9.1～7.7 ka之间，该时期也是季风降雨最大时期[6]。但是，并没有发现全球性的～8.2 ka变冷事件对应的记录。在最大海侵之后，χARM/SIRM开始减小，表现出旋回式变化特征。主要的海平面变化分别发生在1.2～1.5, 3.0～3.2, 4.0～4.75, 5.25～5.75, 6.2～6.3 和7.25～7.75 ka BP (图7)，与北大西洋赤铁矿颗粒表示的冰筏事件相一致[8]。同时在时间误差允许范围之内，也与石笋记录表示的季风减弱事件具有一致性[11-12]。

在构造基本稳定的前提下，全球海平面的变化很大程度归因于全球冰量的变化[16]，冰期/间冰期的转换导致非常显著的海平面升降。因此，全新世以来海平面变化的长期趋势与气候变化一致，这是无可争议的。但是，在百年-千年时间尺度，海平面波动的驱动机制存在诸多不确定性因素，如区域海平面的波动由于地壳抬升或下降，将导致更为复杂的结果。因此，在不同海域以不同的替代性指标推断而出的海平面变化曲线具有较大的差异性，很难与全球变化相联系[14-16,19]。在我们的研究中，尽管没有直接的证据表明珠江三角洲区域海平面的变化响应于古气候变化历史，但是替代性指标χARM/SIRM与北大西洋赤铁矿颗粒含量的同步变化趋势，以及～8 ka 和～7 ka高海平面与强的季风降雨导致更多的淡水注入同步[26]，表明在珠江三角洲高频的海平面波动与全球气候变化之间存在紧密联系。

6 结 论

1) 珠江三角洲旋回沉积学分析为进行不同区域钻孔地层对比提供良好的工具，每个沉积旋回反映了沉积环境的变化过程。

2)基于沉积物记录的地球磁场长期变化曲线，可以为三角洲沉积物提供区域可对比的年代学框架。

3) 以环境磁学参数χARM/SIRM为替代性指标来反映高频海平面的波动，可以发现6次明显的低海平面时期和两次高海平面时期与全球气候同步变化的规律。

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