障壁沉积体系研究进展及我国障壁岛研究展望

王宏月，王 洋，王红兵，罗晓枫，麦咏欣，黄旭弘，王中波*

（1.汕头大学海洋科学研究院，海洋灾害预警与防护广东省重点实验室，广东 汕头 515063；2.中国地质调查局海口海洋调查中心，海南 海口 570100）

障壁沉积体系是指在风、波浪和沿岸流的共同作用下，在海上发育形成的障壁岛，及其与大陆之间形成的滩涂、浅海湾、潟湖或沼泽湿地等沉积单元的统称，也称为障壁岛体系[1-3].充足的沉积物供应，适宜的海岸沉积动力环境（潮汐、波浪等）和低缓的海岸坡度，是障壁岛形成的必需条件[4-5].此外，海平面的缓慢上升对障壁岛演化也起着重要作用.一般来说，沉积物供应充足的区域，障壁较为发育；侵蚀程度高或沉积物供应稀少的区域，障壁沉积薄弱.总之，障壁岛是通过基底地质、气候、沉积物、海平面变化和海洋动力学之间复杂的相互作用而演化形成[6].此外，障壁岛是障壁沉积体系的核心单元，将开阔海域与近岸地区隔开，其海洋作用较为活跃[7]，是海岸沉积的主要类型之一，构成了全球10%的现代海岸线[6].因而，障壁岛的发育和演化与海平面变化、沉积物供应和风暴潮等自然因素以及人类活动有着密切的联系，是海岸带地质研究的重点和热点[3，7].

1 障壁沉积体系理论的提出和发展

“障壁岛”（Barrier island）这一术语最终作为通用地质名称，经历了长期的发展过程.其研究最早源自de Beaumont对外滨沙坝（Offshore bar）暴露成岛的成因分析，至今已超过150年[8].“障壁”（Barrier）首次出现在滨海沉积研究中，是用于地形描述，且不是专用术语[9].Gilbert在研究晚更新世淡水冰川沉积时，开始将“障壁”作为专用术语[10].Price和Shepard在研究近岸沙脊时，放弃使用“外滨沙坝”（Offshore bar）和“沙坝”（Bar），转而使用“障壁岛”[11-12].King曾使用“障壁海滩”（Barrierbeach）来描述“障壁岛”或“障壁沙嘴”（Barrier spit）[13].直至Oertel才正式提出并建立了障壁沉积体系模型[1]（图1），其核心包括陆地、障壁后潟湖、潮汐通道/潮汐三角洲、障壁岛、障壁台地、临滨等沉积单元，沿用至今.

图1 障壁沉积体系简图（据文献[1]修改）

2 全球障壁岛分布及研究进展

2.1 全球障壁岛分布

统计显示[6]，全球障壁岛分布不均，主要集中于北美洲东南沿海地区、北极极地、非洲西海岸、亚欧大陆沿岸以及南美洲东部地区，大洋洲东海岸也有零星分布（图2）.Glaeser根据海岸线的构造背景，发现占全球长度的49%的障壁岛位于后缘拖曳陆缘海岸，24%分布于碰撞板块边缘，以及27%分布于边缘海[14].而Stutz and Pilkey统计认为，后缘拖曳海岸的障壁岛占总数的73%，边缘海海岸的障壁岛只的18%[6].二者之间的差异在于对障壁岛的统计标准不同，后者没有考虑海滩障壁、湾口障壁以及碰撞海岸和边缘海的沙嘴.但以上统计表明障壁岛的发育与板块边缘类型直接相关，构造差异是控制障壁岛分布的主要因素[14].86%的障壁岛分布在北半球，反映出5 ka以来海平面波动对障壁岛海岸的影响，其中30%的障壁岛分布在美国海岸[6].在北美东部的被动大陆边缘、墨西哥湾海岸、美洲西部碰撞大陆边缘分布着大量障壁岛，其周围都有低地势沿海平原的存在，因此障壁岛的分布还与邻近沿海平原的地貌特征有关[14].

2.2 障壁岛主要类型

目前全球大约存在1 500个独立的障壁岛，总长15 100 km，占总海岸线的6.5%[6]（图2），分布在除南极洲以外的所有大陆，出现在不同地质环境和气候带.障壁岛多出现在陆源碎屑沉积物供给充足的沿海平原，陆源沉积物是障壁岛发育的直接物质来源；而沿着大陆边缘海和碰撞边缘出现的障壁岛多为现有岬角的侵蚀和沿岸沙嘴的进积[14].

三角洲障壁岛体系是重要的障壁岛类型（图2），占全球障壁岛总长度的30%，在南美洲、亚洲和非洲占据的比例达一半以上，但由于海平面不同时期的变化，北美洲和欧洲的三角洲障壁岛仅占据10%[15].这类障壁岛的形成条件与三角洲发育条件基本一致，都需要充足沉积物供给、低缓的地形和足够强的波浪作用，且河控、潮控和浪控型三角洲均可以发育障壁岛海岸[15].其中，河控型的密西西比河三角洲的研究程度最高，但由于巨量物质供应，全新世沉积发育了多期障壁岸线，形成障壁岛链，形成模式主要为沙嘴冲断和向海加积，因此其障壁岛模式缺少普适性[16-17].多数三角洲障壁岛的形成机制受控海平面上升引起的潮汐通道、临滨形态和随之改变的波浪、潮汐和河流过程.而人类活动引起的泥沙通量、动力环境改变，会加速海平面上升引起的障壁岛演化[6，18-20].

极地障壁岛主要包括位于北美西北部和亚欧大陆北部的障壁岛，占据比例为25%，但其长度仅占12.5%，平均长度只有3 km，海拔偏低，多为海侵沉积[6，21].如阿拉斯加波弗特海岸沿线的障壁岛平均海拔是1～2 m，长度在100 m左右，多由砾石组成，形成动力机制是高强度的波浪能、冰漂流、冰川作用以及物理风化作用，明显区别于低纬度地区沙质障壁岛[22].

碳酸盐障壁岛在全球障壁岛中所占比例不足1%，但为丰富障壁岛的演化提供重要指标[6].波斯湾的阿布扎比群岛和尤卡坦半岛由于气候干旱，形成原生碳酸盐岩沉积物，因此障壁岛沉积物组成中陆源碎屑物质很少，多为海洋骨架和鲕状碳酸盐砂；阿布扎比海岸的全新世层序的特征与相邻潟湖的受保护性质密切相关，潟湖富含碳酸盐沉积物，其向海岸迁移导致海岸沙坝的进积[23].这些碳酸盐岩岛屿为障壁岛临滨沉积物提供了充足的物源供给，同时也显示出其不同的陆源物质属性[6].

极少数微弱成岩的更新世沙丘也可形成障壁岛，该类障壁岛的沉积物能体现其所在区域的气候和地质沉积环境，如乔治亚海群岛[6].此外，这类障壁岛沉积体还出现在北极地区、澳大利亚东南部和波斯湾（图2）.如波斯湾因哈卡岛和巴扎鲁托岛海岸在退潮时出现的碳酸盐沙洲，其表层碳酸盐颗粒在早期成岩作用下固化，为障壁岛发育创造利条件[23].

图2 全球障壁岛分布图（据文献[6]修改）

2.3 障壁岛沉积体系研究进展

障壁岛沉积体系研究具有明显的阶段性，早期的研究集中在障壁岛的定义和描述[1，14]，其后为个体障壁岛的形成和演化机制[15，24]，以及障壁岛的系统分类[25].目前的障壁岛沉积的研究热点主要围绕在人类活动对障壁岛的影响[19]和极端天气对障壁岛的影响[18，26].

早期，学者根据研究区域不同提出了多种的障壁岛成因认识.Curray指出障壁的形成是对于全新世晚期海平面上升速度降低的反应[27].而其他学者则强调障壁岛的位置变迁，认为多数障壁海岸是从海岸位置向海迁移到现在位置[28-31].此外，波浪形成的阶地下沉或冲积平原的淹没[32]，及海滩与陆地分离和滨岸沙嘴向海进积也是障壁岛的成因[33].后者认为，在宽阔平坦海岸，障壁多为海滩向海迁移；而在不规则海岸，障壁为沙嘴进积.同时，构造运动也使部分海底沙坝出露水面形成障壁岛，但其形成机制为个例不普遍适用[4].在大西洋中部海岸，沿岸沉积物的运移也是改造障壁体系的一种作用，但也仅出现在局部地区[34].

Hoyt基于障壁岛沉积的各种影响因素，总结了三种主要的障壁岛演化理论[4]，分别是：（1）障壁是由波浪作用改造的陆架沉积物，是沉积物垂直加积高于海平面而形成[9]；（2）沿岸搬运沉积物形成的沙嘴，随后被风暴浪潮冲断而形成[14]；（3）障壁起源于沿岸沙脊的淹没[35].

此外，多数障壁岛演变模式研究主要集中地貌变化和形成过程，而对比地层中的多向变化、侵蚀和再作用变化的开展的沉积机制研究较少[36-37].障壁岛地层演化研究需要精确的年代地层分析，其是探讨障壁海岸沉积过程和演化机制的基础.全新世时期通常由石英颗粒OSL和地层等富碳物质14C测量进行确定[38].Fruergaard et al.基于浅部地震地层和精确OSL年龄证实了北海瓦登海法努岛主要成因为全新世的海平面变化[39].南非莫桑比克海岸因哈卡岛和巴扎鲁托岛的演化过程也通过障壁岛地层OSL年龄揭示出沉积物来自全新世海侵，形成于沿岸沙嘴并经历后期海侵过程改造[40].而人类世以来的障壁岛年龄判断相对较难，一定程度上制约了研究开展，但近年来，OSL技术在障壁岛复合体十年尺度沉积地层研究获得了突破[41].

目前研究认为，影响障壁岛体系形成和发育的主要因素有基底斜坡地形、下覆地层沉积物性质、区域构造抬升或沉降、海平面相对变化、岸线演化、沉积物供应以及水动力环境[42].其中，短时间尺度障壁岛演化主要受控于基底地形、海平面相对变化、碎屑沉积物供应和波浪、潮流和风场变化，同时人类活动和极端天气不容忽视[20，43].此外，先期临滨地形和沉积物通量变化也会影响障壁岛的演变，会导致障壁岛向陆迁移、瓦解或形成海底沙坝[43].Pilkey et al.指出在波浪能量相对较低、海岸沉积物供应缺乏的条件下，障壁岛也可能形成[24].

综上所述，目前障壁岛研究主要集中在沉积体系形成和演化过程，最新研究则聚焦海平面变化、风暴潮对于障壁岛演化的影响，为海岸保护和合理开发提供数据支持和发展策略.

3 我国障壁岛研究的现状及展望

我国是典型的边缘海海岸，障壁岛发育相对较少[6，14]（图2），零星分布在渤海西北部、海南岛东部和台湾西南部海岸.在早期的研究中，障壁岛体系称为沙坝—潟湖体系，常见于我国广东、广西、台湾、山东和河北等沿岸[44-45].山东半岛海岸潟湖成因的三种模式：横向泥沙输送，纵向泥沙搬运，横纵沙源共同作用[46]；沙坝沉积具有典型海退层序，其发育受控于泥沙供给[47-48].也有学者提出，冰后海侵时期，不断向陆迁移的古滨岸沙是现代沙坝的基础，海平面变化控制潟湖-沙坝的海进-海退地层转换，而海岸地形、沉积物供给和风暴潮也有一定影响[44，47，49].此外，粤东碣石湾潟湖沉积研究发现，潮汐和波浪作用控制地貌演变，人类活动影响地形变化[50].因此，我国沙坝—潟湖海岸有多种成因，很难将不同区域海岸的演化统一为单一模式[51].

目前，我国障壁岛研究主要集中在渤海西北岸的滦河口障壁岛[7，52-54].渤海滦河三角洲障壁岛原是我国发育最典型的障壁体系.然而，20世纪80年代以来，流域水利工程建设引起滦河入海输沙量锐减，同时，海岸工程不合理开发导致河口障壁岛岸线的严重侵蚀（后退速率高达0.5 m/a），潟湖萎缩（最高速率为1～2 m/a），外侧障壁岛链破坏严重[52].曹妃甸障壁后潟湖造陆后，原来潮汐通道被封闭，导致老龙沟淤塞，天然良港已不复存在[55].近年来，人类活动和风暴潮作用对滦河三角洲障壁岛演化的影响不断增强[7].

前期工作发现，我国广东省粤东地区韩江三角洲莲阳河河口发育了一套典型障壁岛沉积体系（图3）.目前，韩江三角洲研究多集中三角洲平原地层分布和沉积模式[56-60]，而该障壁岛体系相关成因未见报道.由于莲阳河河口海岸目前是韩江三角洲最典型的自然海岸之一（图3），被汕头市列为“河段保护范围”，几乎未受到人为直接改造，很好地保持了障壁岛自然发育特征.

韩江三角洲地貌研究表明，平原的上游以河流作用为主，形成天然堤、决口扇、沼泽洼地等冲积特征的建设性三角洲；下游海洋（波浪作用）动力较强，形成沙堤—潟湖为特征的破坏性三角洲[57].同时，与多数三角洲障壁岛不同的是，韩江三角洲障壁岛风成沉积显著，大量风成沙丘发育.河口障壁沉积地貌具有典型的风成沉积特征，障壁坪表现出典型的向陆风成沉积特征.因此，风成沉积是韩江三角洲障壁体系演化的一个不可忽略的要素.

基于先期卫星遥感影像（1986-2021）和野外地质考察，初步判断韩江三角洲河口障壁沉积体系形成于1988～1990年间三角洲前缘的临滨砂席，随海平面上升和人类活动影响，分别发育为湾口障壁、沙嘴、障壁岛（链）不同地貌类型，最后临滨向陆迁移，在2000年之后，障壁岛沉积体系基本稳定，缓慢向陆迁移形成目前形态（图3）.

图3 韩江三角洲河口障壁岛及岸线变迁

综上所述，障壁岛由于其特殊的地理位置和地貌特征，以及现代障壁岛显著的人类活动和自然演化的双重驱动属性，是国际河口海岸沉积过程和环境演变研究的热点之一.目前，日益强烈的人类活动严重影响了我国障壁岛的地貌形态及沉积环境，一定程度上威胁到海岸带的生态环境，且相关研究薄弱.因此，在全球变暖、海平面持续上升的背景下，以韩江三角洲障壁岛及其河口作为研究区，开展的障壁岛成因及其环境演化研究，对比国内外典型三角洲障壁岛沉积体系演变，探讨沉积模式转变触发机制，丰富和完善三角洲沉积模式，进行10～100年不同时间尺度三角洲岸线和障壁岛演化预测，以及探讨我国三角洲河口海岸可持续发展具有积极的理论和现实意义.

4 结论

障壁沉积体系是平行海岸的沙砾岛屿，包括障壁岛、潟湖、潮汐通道、潮汐三角洲、临滨、障壁台地和陆地，障壁岛是障壁体系的核心单元.全球障壁岛分布差异明显，主要分布在后缘拖曳板块海岸，而碰撞板块边缘和边缘海海岸也有分布.全球障壁岛总数约有1 500个，总长达到15 100 km，占海岸线的6.5%.障壁岛沉积研究具有明显的阶段性，依次从障壁岛的定义、形成和演化机制、系统分类等研究，一直到目前的研究热点，即人类活动和极端天气对障壁岛的影响等.我国障壁岛分布较少，破坏严重，且研究薄弱.韩江三角洲障壁岛是在全球变暖、海平面持续缓慢上升的背景下，由人类活动和自然过程共同作用下形成，因此开展其成因及环境演化研究，对丰富和完善三角洲沉积模式、进行岸线和障壁岛演化预测，以及探讨我国三角洲河口海岸可持续发展具有重要意义.