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 刘 平 张 杰 于俊杰 岳 伟 王继龙 彭 博 刘 演 李 月 陈 静

1华东师范大学河口海岸学国家重点实验室，上海 2002412中国地质调查局南京地质调查中心，江苏南京 2100163江苏师范大学地理测绘与规划学院，江苏徐州 221116

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；Chapmanetal.， 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；Linetal.， 1989；Liuetal.， 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；Chapmanetal.， 2000；Lambeck and Chappell，2001；Siddalletal.， 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；Linetal.， 1989；王张华等，2004；Yietal.， 2012；Wangetal.， 2013；Lietal.， 2018；Gaoetal.， 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；Shangetal.， 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。

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；Liuetal.， 2010，2018；Wangetal.， 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；Berkeleyetal.， 2009；周洋等，2015；Charrieauetal.， 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；Yueetal.， 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。

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

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Table 1 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

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500μm和32μm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(500～32μm)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)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) 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).

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

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)。

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)。

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

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Table 2 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

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

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；Liuetal.， 2010，2017；Wangetal.， 2013)。

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50～200μm，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；Shangetal.， 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90000cal.aBP，Ⅲ层海相沉积物的年龄基本晚于60000cal.aBP。顶部海相沉积物(Ⅴ层)年龄均未超过10000cal.aBP，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；Chapmanetal.， 2000；Lambeck and Chappell，2001；Siddalletal.， 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。