东亚和南亚典型大河三角洲晚第四纪地层结构及成因对比

2020-02-28潘大东王张华

海洋地质与第四纪地质 2020年1期

潘大东，王张华

1. 华东师范大学河口海岸学国家重点实验室，上海 200241

2. 闽南师范大学历史地理学院，漳州 363000

3. 华东师范大学城市发展研究院，上海 200062

河口三角洲是陆海相互作用的关键地带，是海岸带研究的重点区域。世界三角洲的研究始于19世纪末20世纪初，前人将三角洲沉积体划分为顶积层、前积层和底积层[1]，提出三角洲的范围包括三角洲平原和水下三角洲，三角洲既有陆相沉积又有海相沉积[2]。到20世纪60—90年代，大量研究工作在三角洲的沉积旋回、三角洲类型以及三角洲初始发育、建造过程和沉积特征等方面深入开展。研究发现三角洲的沉积体具有旋回性，即进积建造和退积破坏，其中进积的三角洲在垂向上表现为向上变粗的沉积序列[3]。研究者根据三角洲砂体分布和垂向沉积相变特征及河流、波浪、潮汐动力相对强弱对三角洲进行分类[4]，将世界三角洲划分为河控三角洲、波控三角洲和潮控三角洲[5]。20世纪90年代以来，得益于14C测年技术的广泛应用，以及全球变化科学和层序地层学的发展，河口区域冰后期的沉积历史和地层结构成为国际研究热点。研究显示，受海平面变化控制，世界上现代主要三角洲发育的时间集中于8 500～6 500年前[6]。随后大量研究都将海平面变化作为最主要的控制因子，分析三角洲地区的晚第四纪地层结构[7-14]。

末次冰消期以来，全球气候逐渐变暖，除两极和高山以外，欧洲、北美洲冰盖大部分消融，导致全球平均海平面上升了 120±5 m[15-21]（图 1）。而且，冰消期以来的海平面变化较为复杂，存在数次冰融水事件（MWP- Melt Water Pulse），期间全球海平面跳跃式上升。如发生在约14.2～13.7 cal.kaBP的MWP-1A事件，500年时间海平面上升了约19 m，上升速率达 38 mm/a；发生于11.5～11.0 cal.kaBP的MWP-1B事件，500年时间海平面上升了约15 m，平均上升速率达到30 mm/a[15,22]（图1）。早全新世海平面继续快速上升，平均上升速率超过10 mm/a[8,15]（图1）。到大约7 000年前，全球海平面趋于稳定。海平面的快速上升导致现今大陆架的广大区域被海水淹没，河口大幅度后退，河口的沉积历史和地层结构也因此深受影响[6,23]。

气候波动影响河流入海淡水量和泥沙量，从而影响河口沉积动力和沉积物堆积速率，因此也是三角洲地区沉积历史和地层结构的重要影响因素[13,24]。前人研究显示，亚洲七大主要河口三角洲的发育规模与流域沉积物入海通量呈显著正相关[25]。亚洲特别是东亚、南亚地区受季风作用，全新世以来降水量波动显著[26-29]。其变化历史主要包括在全新世初期迅速增强，并于约10～6 cal.kaBP处于强盛时期，约6 cal.kaBP 以来开始衰退，约2 cal.kaBP以来有所复苏[27-29]。

图1 珊瑚礁记录的末次盛冰期以来全球海平面波动[15]Fig.1 Sea-level fluctuation curve since the Last Glacial Maximum from coral reef [15]

由于海平面、季风气候的变化具有全球性或区域性的共同规律，那么受海平面、季风作用的各河口-三角洲沉积历史和地层结构应该具有相似性。同时，由于流域和受水盆地的差异性，每个三角洲的地层结构又具有其独特性。弄清楚这些问题有助于掌握河口-三角洲演变的普遍规律，也有助于预测其未来变化。亚欧大陆为全球最大的大陆，数条世界性大河发源于其内部高原，如长江、黄河、湄公河、恒河发源于青藏高原，珠江、红河发源于云贵高原。同时，这些河流都受东亚和南亚季风气候影响，降水量丰富，携带大量泥沙，入海形成重要的三角洲。其中长江三角洲[9,30-34]、珠江三角洲[13,35]、红河三角洲[7,10,36]、湄公河三角洲[11-12,37-39]和恒河-布拉马普特拉河三角洲[14]这5个大河三角洲，目前已经有大量的研究成果出版，包括沉积相分析、年代地层学和层序地层学等。黄河三角洲虽然也有大量研究成果[40-44]，但是由于其河口有多次长距离迁徙[45]，三角洲地层结构变得特殊。因此，本文试图通过对比长江、珠江、红河、湄公河、恒河这5个潮汐作用显著的大河三角洲的晚第四纪地层结构和沉积演化历史，分析其相似性和差异性，并探讨差异性的主要影响因素。

1 东亚、南亚主要大河口晚第四纪地层结构和沉积演变

1.1 长江三角洲

图2 长江三角洲纵向地层剖面[32]（图中年龄未经日历校正）Fig.2 Stratigraphy of a longitudinal cross section of the Yangtze delta[32]（Ages not calibrated.）

长江三角洲河口堆积主体位于长江下切古河谷之内，末次冰消期以来的沉积厚约70 m[30,32]（图2，3a）。下切古河谷的晚第四纪地层自下而上依次为：① 河流沉积体系，以河床滞留相沉积为主，为低水位体系域，多形成于12～13 cal.kaBP之前；② 潮控河口湾沉积体系，包括潮汐河道、潮控汊道、淤泥质潮间带-潮下带、河口湾前缘等沉积相，为海侵体系域，多形成于12～8 cal.kaBP；③ 三角洲沉积体系，形成于8 cal.kaBP以来，并且自大约6 cal.kaBP向海进积，为高水位体系域（图3b）。

长江三角洲的全新世沉积历史，存在几次重要事件[46]（图 3a）。首先，10～8 cal.kaBP 期间，河口沉积体系快速向陆后退，同时伴随普遍的侵蚀现象；第二，约8 cal.kaBP三角洲开始发育，使沉积体重新向海大幅度伸展；第三，约6 cal.kaBP，水下三角洲沉积体再次显著向陆后退；第四，约2 cal.kaBP，三角洲向海进积速率显著增大。

1.2 珠江三角洲

珠江三角洲基岩埋深较浅，末次冰期古河谷的下切深度一般不超过50 m[13]（图4）。基岩上覆盖的晚第四纪地层自下而上依次为：晚更新世砂砾沉积，早全新世下切古河谷充填沉积，中晚全新世三角洲沉积。其沉积演化历史主要分为4个阶段[13]（图5）：末次冰期，河流下切晚更新世地层（图5a）；约1万年前MWP-1B结束后，海水开始进入下切古河谷（图5b）；早全新世下切古河谷快速充填（图5c）；自大约8.5～7 cal.kaBP，海水溢出下切古河谷，淹没宽广的三角洲盆地（图5d），珠江河口因此后退至三角洲盆地顶点，并于大约8 cal.kaBP开始建造三角洲沉积体。

在上述沉积演变过程中，值得注意的是，9 cal.kaBP之前，海水作用仅局限于下切古河谷，而此时季风强盛，河川径流量大，因此下切古河谷内河流作用强盛。到8 cal.kaBP，海水淹没了整个三角洲盆地，入海淡水径流被分散，潮流作用因此加强，珠江口成为潮控型河口。另外，大约6 000年前，由于季风径流减弱，三角洲前积速率放缓；但在过去2 000年，人类活动加剧，河流入海泥沙明显增加，海岸线再次快速前进[35]。

图3 长江三角洲全新世层序地层结构[46]a. 地层及等时线空间展布；b. 地层Wheeler图解。缩写：MFS，最大海泛面；TS，海侵面；HST，高水位体系域；TST，海侵体系域。Fig.3 Holocene sequence stratigraphy across the Yangtze River mouth [46]（a）Chronostratigraphic chart. Blue lines represent the chronostratigraphic boundaries. （b）Wheeler diagram. Abbreviation: MFS, Maximum flooding surface;TS, transgressive surface; HST, highstand systems tract; TST, transgressive systems tract.

图4 珠江三角洲典型纵向地层剖面[13]箭头所指年龄均已校正（cal. kaBP）Fig.4 Longitudinal cross-section with calibrated ages for the Pearl River deltaic complex[13]

1.3 红河三角洲

末次冰消期以来，红河三角洲下切河谷自下而上的地层也由河道相、潮控河口湾相和三角洲相组成[10]（图 6）。14.5 cal.kaBP 之前为低水位体系域（图 6b），14.5～9 cal.kaBP 为海侵体系域（图 6b，c），9 cal.kaBP以来为高水位体系域（图6b，c）。其海侵体系域主要由潮汐河道、潟湖、潮滩、盐沼和河口湾前缘等沉积相组成（图6b）。自9 cal.kaBP三角洲开始建造以来，9～2 cal.kaBP红河入海泥沙主要沉积于基岩控制的漏斗形河口（图6a）。2 cal.kaBP之后，三角洲沉积体向口外进积，形成向海突出的舌状体（图6a）。推测此种变化与人类活动导致的输沙量剧增有关，前人估算红河输沙量9～2 cal.kaBP为（17～27）×106t/a，近 2 000 年则达到 49×106t/a[10]。

图5 珠江河口晚第四纪—早全新世沉积环境演化的主要阶段[13]Fig.5 Evolutionary stages of the Pearl River mouth during Late Pleistocene to Early Holocene[13]

图6 红河三角洲冰后期沉积物A-B和C-D纵剖面层序地层解释[10]缩写：MxFS，最大海泛面；TS，海侵面；HST，高水位体系域；TST，海侵体系域；LST，低水位体系域；IFS，初始海泛面；SB，层序边界。Fig.6 Sequence stratigraphy of the post-LGM sediments of the longitudinal sections A-B and C-D[10]Abbreviation: MxFS, Maximum flooding surface; TS, transgressive surface; HST, highstand systems tract;TST, transgressive systems tract; LST, lowstand systems tract; IFS, initial flooding surface; SB, sequence boundary.

1.4 湄公河三角洲

湄公河三角洲晚第四纪地层自下而上依次为：13.0～9.5 cal.kaBP，河流沉积物充填下切古河谷；9.5～8.0 cal.kaBP，河口湾沉积；8.0 cal.kaBP 以来，三角洲沉积[39]（图7）。在其沉积演化史中，特别值得注意的是，9.5 cal.kaBP之前，海侵和沉积作用均被限制在狭长的下切古河谷（图8a-c）；而9.5 cal.kaBP之后，由于海平面的快速上升，河口大幅度后退，今湄公河三角洲所在区域均被海水淹没，成为喇叭形的大型河口湾（图8d），使海洋作用大为增强。大约8 000年前三角洲开始建造后，随着海岸线向海推进，波浪作用加强，自大约3 500年前开始，在海岸带形成系列滩脊[47]。

1.5 恒河-布拉马普特拉河三角洲

在恒河-布拉马普特拉河河口的锡尔赫特盆地，全新世地层厚度接近100 m（图9），是区别于其他三角洲的典型特征。其海侵地层厚约50 m[14]（约11～8 cal.kaBP），以垂向加积作用为主；三角洲陆上区域的高水位体系域厚度也达到约40 m[14]（约8～0 cal.kaBP）。由于海侵地层的加积特征，前人认为该河口于11～10 cal.kaBP就开始建造河成三角洲[14]（图9）。三角洲的西部主要受恒河泥沙供应，于7 cal.kaBP左右开始向海进积，河流输入的细颗粒悬沙穿过陆上三角洲在大陆架上形成一个前积的三角洲前缘斜坡，而在三角洲平原上主要形成河道相砂体。此时三角洲的东部，布拉马普特拉河的泥沙仍主要沉积在内陆构造盆地，邻近陆架缺少沉积物供应，海岸带继续发生海侵。5 cal.kaBP左右，恒河与布拉马普特拉河改道并在三角洲东部海岸带汇合入海，使三角洲东部区域进积到现在的河口位置。

2 典型河口全新世沉积历史演变的主要影响因素

2.1 海平面变化的控制作用

上述各大三角洲的晚第四纪地层，大多由低水位体系域河流相沉积、海侵体系域河口湾相沉积以及高水位体系域三角洲相沉积组成，而且高水位体系域三角洲开始建造的时间，大多开始于9～8 cal.kaBP（表1）。这种相似性受控于全球海平面变化。早全新世[48]（11.7～8.2 cal.kaBP）海平面快速上升，上升速率＞10 mm/a（图1），而且各河口下切古河谷和三角洲盆地均被海水快速淹没，成为宽广的河口湾，因此河流动力弱于海洋动力，发育河口湾沉积体系。自大约8.2 cal.kaBP，海平面上升速率明显下降[34]，因此海洋作用减弱，使各河口湾顶开始建造三角洲。前人对全球36个三角洲年龄进行调查，发现这些三角洲大多自8.5～6.5 cal.kaBP开始建造，与海平面上升速率的下降时间基本一致[6]。

图7 湄公河三角洲典型纵向地层剖面[39]Fig.7 Longitudinal cross-section for the Mekong incised valley[39]

图8 湄公河三角洲和越南东南大陆架在12，10，9.5，8.5 cal.kaBP时的古地理解释[39]缩写：mbsl，现今海平面以下米数。Fig.8 Palaeo-geographical interpretation of the Mekong Delta and southeast Vietnamese shelf at 12, 10, 9.5,and 8.5 cal.kaBP with respect to the present-day coastline[39]Abbreviation: mbsl, meters below modern sea level.

图9 恒河-布拉马普特拉河三角洲晚第四纪层序地层[14]Fig.9 Generalized sequence stratigraphy for the Late Quaternary Ganges-Brahmaputra delta[14]

海平面上升速率与三角洲建造的关系，从根本上来说，是其与河口沉积速率之间的博弈：当海平面上升速率大于沉积速率，河口的沉积物可容空间发生净增加，海岸线向陆后退，形成河口湾环境；当沉积速率超过海平面上升速率，河口的沉积物可容空间减小，海岸线向海进积，从而有利于三角洲的发育[24,49]。另外，从潮控受水盆地的动力角度来说，海平面上升速率的减小，导致纳潮量增加速率的减小，从而改变河流与潮汐作用的相对强弱，利于沉积物在河口的堆积。

2.2 流域对河口演变的影响

前人研究认为恒河三角洲在海侵期间就开始建造，时间为11 cal.kaBP，早于其他三角洲数千年[14]；红河三角洲的开始建造时间也略为偏早[10]（表1）。由于河口沉积体系的演变取决于海平面上升速率和泥沙堆积速率之间的平衡关系[6]，因此，可以推测这两大三角洲的流域泥沙供应充足。对比五条河流的入海年输沙量及悬沙浓度（表2），可以看到，恒河的年输沙量远远大于其他河流，达到10亿t/a；恒河与红河的入海悬沙浓度也数倍于其他河流。

这些河流都位于印度洋和太平洋季风区，气候上具有相似性。因此，推测导致其输沙量及入海悬沙浓度显著差异的原因，与流域地貌特征、基岩属性等因素有关。首先，恒河自青藏高原发源后，向南快速汇入了孟加拉湾，河长仅约2 510 km（表2）。因此，恒河具有落差大、流程短的特征，源区产生的泥沙大多被径流直接输送入海。研究者还估算，11.5 cal.kaBP前后由于西南季风比现在更强盛，恒河的输沙量约为2.5×109t/a，是现在的2.5倍[14]。因此，尽管早全新世海平面快速上升，恒河巨大的输沙量使沉积物供应和海平面上升相对平衡，海岸线保持稳定[14]，从而在早全新世就形成巨厚的河控三角洲沉积体（图8）。相比之下，同样发源于青藏高原且流域面积相似的长江，河长超过6 000 km（表2）；而且长江入海前要先流经江汉盆地、洞庭湖盆地和鄱阳湖盆地等数个沉积中心[50]，上游产出的泥沙首先在这些中下游盆地沉积，导致入海泥沙量显著减少。其次，流域基岩特征对泥沙产出影响巨大。例如，发源于云南巍山县的红河，流域大部分为热带红土，风化强，产沙量大。夏季风盛行时，红河悬沙浓度可达12 kg/m3[10]。而珠江流域内广泛分布碳酸岩，其风化以溶蚀作用为主，碎屑泥沙的产出小，因此入海平均悬沙浓度仅0.22 kg/m3，明显低于其他河流（表2）。

表1 五大三角洲开始建造时间对比Table 1 A comparison of delta initiation time in South and East Asian

2.3 沉积盆地对河口演变的影响

珠江入海泥沙量显著小于其他河流，但其三角洲也于大约8 000年前开始建造，分析其原因，可能与其全新世基底地形及海洋动力较弱有关。首先，其全新世基底地形受基岩限制，末次冰期下切古河谷的深度均不超过50 m（图4，5），而其他河口如长江、红河、湄公河等，下切古河谷的深度均超过60 m（图2，6，8）。因此，珠江口在早全新世海水没有溢出下切古河谷之前，泥沙主要沉积在古河谷之内，使得下切古河谷得到快速充填。其次，珠江口为弱潮河口，平均潮差仅 0.86～1.57 m[35]（表 2）；加上河口众多基岩岛屿的限制，呈现为河口湾的形态，湾内波浪较弱，正常天气平均波高0.9～1.9 m[35]。这样的动力条件有利于中全新世海平面上升速率下降之后湾顶三角洲的建造。