長(zhǎng)江水下三角洲記錄的全新世以來(lái)的環(huán)境信息

王敏杰，鄭洪波，楊守業(yè)，范代讀

（1.同濟(jì)大學(xué) 海洋地質(zhì)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092；2.南京大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210093；3.同濟(jì)大學(xué) 長(zhǎng)江水環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092）

全新世以來(lái)，中國(guó)內(nèi)陸風(fēng)化產(chǎn)物經(jīng)長(zhǎng)江源源不斷地搬運(yùn)，最終在中國(guó)東部入海.長(zhǎng)江起到了連接陸－海相記錄的橋梁作用.在中國(guó)東部，長(zhǎng)江泥沙主要沉積在三角洲平原、水下三角洲以及閩浙泥質(zhì)區(qū)，也有少量沉積在北黃海以及沖繩海槽［1］.其中，面積約10000km2的水下三角洲是一個(gè)重要的“泥沙庫(kù)”，對(duì)長(zhǎng)江入海泥沙量和沿岸流場(chǎng)的變化極為敏感，對(duì)長(zhǎng)江泥沙入海后的再分配起著重要的調(diào)節(jié)作用.不僅如此，相比于其他古環(huán)境信息載體，水下三角洲有獨(dú)到的優(yōu)勢(shì).具體表現(xiàn)在：沉積環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定，沉積連續(xù)，沉積速率高，保存良好的測(cè)年材料（例如貝殼、有孔蟲(chóng)殼體等），易于用14C方法獲得準(zhǔn)確的年代序列.作為末次冰消期高海平面以來(lái)長(zhǎng)江流域入海物質(zhì)的主要沉積區(qū)之一，長(zhǎng)江水下三角洲有可能完整地記錄了全新世整個(gè)長(zhǎng)江流域的氣候變化信息.而較高的沉積速率保證了水下三角洲良好地記錄著全新世以來(lái)從年到百年尺度上的突發(fā)事件，為高分辨率古氣候研究提供了理想的研究場(chǎng)所.

目前，長(zhǎng)江三角洲平原鉆孔較多，研究相對(duì)成熟［2－3］，閩浙泥質(zhì)區(qū)也有不少學(xué)者研究過(guò)［4－7］，而水下三角洲區(qū)域研究相對(duì)薄弱，主要靠淺地層剖面和古生物相分析進(jìn)行沉積總量的估算以及沉積相的劃分［8－10］.有關(guān)長(zhǎng)江水下三角洲高分辨率古氣候研究至今涉及較少，已有的8個(gè)較深長(zhǎng)江水下三角洲鉆孔，全由上世紀(jì)80年代取得，分別為 CJ－1，CJ－2，CJ－3，CJ－4，CJ－5（長(zhǎng)22～43m，打穿全新世地層）［11］，和Ch1，Ch2，Ch3（長(zhǎng)40～100m）.2000年，在水下三角洲－陸架過(guò)渡區(qū)又鉆孔6個(gè)（SK－1，SK－2，SK－3，SK－4，SK－5，SK－6，長(zhǎng)約2m）［12］.由于定年材料的缺乏，最早的8個(gè)鉆孔年齡框架不夠精確.本文報(bào)道長(zhǎng)江水下三角洲YD 0901孔沉積物粒度、有機(jī)質(zhì)研究結(jié)果，通過(guò)建立高分辨率地層，探討全新世以來(lái)現(xiàn)代長(zhǎng)江三角洲的演化及環(huán)境信息.

1 材料與方法

1.1 樣品的采集

2009年5月，同濟(jì)大學(xué)海洋學(xué)院和浙江省地質(zhì)勘查局合作，在現(xiàn)代長(zhǎng)江水下三角洲YD 0901孔鉆探（北緯31°11′01.768″，東經(jīng)122°30′00.655″，水深21m），取得長(zhǎng)65.23m 的巖芯（圖1b）［13］.

1.2 粒度分析

對(duì)整個(gè)巖芯按10cm間隔取樣，獲得粒度樣品，測(cè)試粒度.預(yù)處理步驟如下：取樣品0.15g，加入10mL 30%的H2O2，去除有機(jī)質(zhì)；然后加入15mL 25%的醋酸煮沸1min，移入1000mL高型燒杯，加滿(mǎn)去離子水，放置24h后移去清液，以去除碳酸鹽.最后加入300mg（NaPO3）6分散劑，超聲振蕩3min后，使用同濟(jì)大學(xué)海洋地質(zhì)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室Beckman Coulter LS230型全自動(dòng)激光粒度儀測(cè)試樣品，儀器的測(cè)量范圍為0.04～2000μm，重復(fù)測(cè)量的相對(duì)誤差在1%以?xún)?nèi).

1.3 TOC（總有機(jī)碳）和TN（總氮）的測(cè)試

用濃度1mol·L－1的HCl處理樣品，去除碳酸鹽礦物，再用去離子水反復(fù)清洗樣品，低溫烘干，研磨后供TOC和TN分析.有機(jī)元素分析采用EA1110型有機(jī)元素分析儀（Thermo公司的Carlo Erba），以純有機(jī)化合物磺胺作為標(biāo)樣，分析精度為0.5%.

1.4 年齡框架

YD 0901孔的年代框架按8個(gè)貝殼的14C測(cè)試年代.在無(wú)生物鉆孔、無(wú)擾動(dòng)的巖芯層位挑選出較完整的貝殼，經(jīng)中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所制靶后，在北京大學(xué)核物理與核技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成年代測(cè)試.利用Calib 5.0軟件中的marine 04程序進(jìn)行校正，構(gòu)成了本研究的年代框架（圖1b）.分析表明，8個(gè)貝殼樣品質(zhì)量?jī)?yōu)良，所獲得的年齡可靠，整個(gè)巖芯的年齡框架通過(guò)內(nèi)插和外插法獲得.由于粒度采樣間隔為10cm，平均分辨率約20a.

2 結(jié)果與分析

2.1 沉積環(huán)境

YD 0901孔全長(zhǎng)65.23m（圖1），巖性可分為3段.①51.88～65.23m，河床相，主要以中細(xì)砂為主，偶見(jiàn)礫石，含大量植物碎屑，黃褐色.末次盛冰期以來(lái)，東海陸架大部分裸露，水動(dòng)力以河流切割為主，陸架上發(fā)育多條古河道以及巨型下切河谷［14］.隨著末次冰消期到來(lái)，海平面逐漸回升，海水沿下切河谷快速向岸推進(jìn)，下切河谷開(kāi)始充填河床相沉積［15］.②34.22～51.88m，河口灣－淺海相 （海侵期），以粉砂和細(xì)砂為主，砂泥質(zhì)單交互層，局部見(jiàn)貝殼碎片和木屑.此段沉積動(dòng)力為潮流和河流共同作用，為淺海相沉積.34.22m附近為最高海平面時(shí)期，此時(shí)，海侵最大，形成以鎮(zhèn)江、揚(yáng)州為頂點(diǎn)的巨大古河口灣［16］.30～34.22m，水下三角洲相，以粉砂和黏土等細(xì)粒泥質(zhì)為主，偶見(jiàn)貝殼，含有孔蟲(chóng)等，整體呈灰色，內(nèi)部成分、結(jié)構(gòu)、顏色均一，頂部2.5m以上含水量較高.在大約距今7ka時(shí)期，海平面最高，為長(zhǎng)江泥沙在河口區(qū)的堆積提供了空間，現(xiàn)代三角洲開(kāi)始發(fā)育，古長(zhǎng)江河口從鎮(zhèn)江－揚(yáng)州一帶逐漸向海推進(jìn)至現(xiàn)代河口區(qū).

可見(jiàn)，最大海侵面位于34.22m附近，對(duì)應(yīng)距今6925a（最大海侵時(shí)間略早于6925a，因?yàn)樽畲蠛Ｇ职l(fā)生后大量長(zhǎng)江源細(xì)粒組分才逐漸到達(dá)YD 0901站位，即大量陸源細(xì)粒沉積物到達(dá)YD 0901站位的時(shí)間略晚于最大海侵發(fā)生時(shí)間）.最大海侵面的確定為精確估算冰后期最大海侵以來(lái)水下三角洲沉積總量提供了條件（由于尚未打穿河流相底界面，所以難以確定冰后期海侵旋回底界面的具體深度和年代）［16］.而已有的8個(gè)水下三角洲鉆孔，盡管根據(jù)粒度數(shù)據(jù)可以大致得出最大海侵面深度，但由于定年材料匱乏（只有一兩個(gè)貝殼年齡），難以對(duì)8個(gè)鉆孔的最大海侵面深度檢驗(yàn)精確年齡.相比之下，長(zhǎng)江三角洲平原鉆孔數(shù)量多，年齡數(shù)據(jù)精確、可靠，前人已經(jīng)對(duì)冰后期長(zhǎng)江三角洲平原沉積通量進(jìn)行了估算［16］.而要想精確估算冰后期最大海侵以來(lái)水下三角洲沉積通量，尚需更多的水下三角洲鉆孔資料.

2.2 沉積速率

從圖2可以看出，距今6.8ka～5.8ka期間，YD 0901孔的沉積速率較大，達(dá)到1.0cm·a－1左右，暗示在距今7ka～6ka期間長(zhǎng)江源沉積物“傾瀉入?！?，水下三角洲開(kāi)始加速營(yíng)造，對(duì)應(yīng)“中全新世大暖期”［17］.此時(shí)，河口區(qū)水動(dòng)力系統(tǒng)尚處于調(diào)整期，東海沿岸流可能尚未穩(wěn)定，攜帶細(xì)粒河流源沉積物到閩浙沉積區(qū)的能力還相對(duì)較弱.另一方面，也可能是由于河流沉積物的“傾瀉入?！毖谏w了沿岸流運(yùn)走河口細(xì)粒沉積物的能力.閩浙泥質(zhì)區(qū)的鉆孔PC 6［6］，MD 06－3040［4］，EC 2005［18］和 MZ 01［7］證實(shí)，在距今7ka～6ka期間，這4個(gè)孔位沉積速率都很低，遠(yuǎn)小于YD 0901孔.此時(shí)，長(zhǎng)江源細(xì)粒沉積物主要在水下三角洲沉積，水下三角洲開(kāi)始加速建造，小部分細(xì)粒組分被東海沿岸流搬運(yùn)至閩浙，開(kāi)始緩慢形成閩浙泥質(zhì)區(qū)；5.8～0.98ka期間，沉積速率較穩(wěn)定（0.18～0.36cm·a－1），說(shuō)明長(zhǎng)江水下三角洲水動(dòng)力系統(tǒng)穩(wěn)定，東海沿岸流穩(wěn)定；0.98ka至今，沉積速率明顯增大.原因可能有幾個(gè)：首先，人類(lèi)活動(dòng)對(duì)河口區(qū)的改造能力增強(qiáng)，致使長(zhǎng)江入海泥沙增加.也可能是長(zhǎng)江河床基面自身調(diào)整，沉積中心逐漸外推到崇明島［19］，導(dǎo)致更多的長(zhǎng)江源沉積物在更遠(yuǎn)的內(nèi)陸架沉積.當(dāng)內(nèi)陸架沉積區(qū)達(dá)到飽和后，河流輸砂又會(huì)逐漸覆蓋外陸架.最近有研究表明［20］，北緯29°以北的東海外陸架殘留砂區(qū)也開(kāi)始接受現(xiàn)代河流源細(xì)粒沉積物.

圖2 YD 0901孔年代控制點(diǎn)與沉積速率Fig.2 Age control points and the deposition rate of Core YD 0901

2.3 TOC和TN分析

由圖3可知，沉積物中TOC（總有機(jī)碳）和TN（總氮）含量總體變化不大.TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)w（TOC）為0.42%～1.13%，平均為0.66%；TN 質(zhì)量分?jǐn)?shù)w（TN）為0.08%～0.17%，平均為0.12%，基本落在現(xiàn)代長(zhǎng)江水系沉積物的有機(jī)元素組成范圍內(nèi)［21］，且TN和TOC含量存在較弱的正相關(guān)關(guān)系（相關(guān)系數(shù)R2＝0.184）.

研究表明，沉積物中TOC和TN的質(zhì)量比w（TOC）／w（TN）主要受控于有機(jī)質(zhì)來(lái)源和降解程度［22］.無(wú)脈管的低等水生植物（藻類(lèi)）由于含有較高的蛋白質(zhì)而少纖維素，其w（TOC）／w（TN）較小，多在4～10之間；而高等陸生脈管植物則相反，其w（TOC）／w（TN）可達(dá)20甚至更高［23］.但有機(jī)質(zhì)在埋藏后迅速降解可顯著降低沉積物中有機(jī)質(zhì)的C和N的質(zhì)量比w（C）／w（N）.因此，盡管長(zhǎng)江水系沉積物的有機(jī)質(zhì)主要來(lái)自流域土壤C3類(lèi)高等植被，但其w（C）／w（N）多在10以下［21］.由于 YD 0901孔離河口較近，受長(zhǎng)江沖淡水影響較大，所以其沉積物中有機(jī)質(zhì)不僅來(lái)自自生海源類(lèi)有機(jī)質(zhì)（浮游、底棲生物），長(zhǎng)江水系帶來(lái)的有機(jī)質(zhì)貢獻(xiàn)可能更大［24］.

在距今2700a左右，TN含量逐漸增大，而TOC并未明顯變化.可能是因?yàn)椴糠諸OC發(fā)生成巖作用，被硫酸鹽還原成碳酸鹽.伴隨著TOC的還原，硫酸鹽轉(zhuǎn)化成的H2S進(jìn)一步與沉積物中的Fe氧化物和氫氧化物作用，形成Fe的硫化物，從而改變沉積物中的磁性礦物組成.YD 0901孔上部磁化率曲線的不規(guī)則變化也佐證了這一點(diǎn).在用HCl去除碳酸鹽后，發(fā)現(xiàn)TN變化很小，說(shuō)明HCl對(duì)氮的去除效果明顯不如無(wú)機(jī)碳.北黃海沉積物的研究表明［25］，粒度越細(xì)，沉積物中有機(jī)氮分解速度越小，氮的早期成巖作用越弱，即細(xì)粒沉積物中有機(jī)氮的分解礦化速率最小，易于富集有機(jī)氮.相比之下，C的早期成巖作用就比較強(qiáng)烈.所以，在成巖作用比較強(qiáng)的情況下，TN比TOC更適合古氣候研究.距今2700a（春秋戰(zhàn)國(guó)時(shí)期）以來(lái)，屬于農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)創(chuàng)建時(shí)期［26］，隨著流域內(nèi)人類(lèi)活動(dòng)逐漸加劇，溶解無(wú)機(jī)氮（硝酸鹽、亞硝酸鹽和氨氮等）和有機(jī)氮大量排放，沉積物會(huì)吸附部分溶解無(wú)機(jī)氮（如NH＋4）及有機(jī)氮，導(dǎo)致沉積物中TN含量升高.而TOC由于發(fā)生成巖作用，含量并未明顯升高.3ka以來(lái)（特別是近2ka以來(lái)），由于人口逐漸增多，流域內(nèi)開(kāi)墾越來(lái)越強(qiáng)烈，長(zhǎng)江來(lái)沙增多，加之中下游河床淤積減弱，導(dǎo)致進(jìn)入長(zhǎng)江口的泥沙顯著增多，長(zhǎng)江三角洲淤積加快［27］.

3 結(jié)論

（1）在距今7ka～6ka的“中全新世大暖期”，陸源沉積物“傾瀉入?！?，長(zhǎng)江水下三角洲開(kāi)始加速營(yíng)造，閩浙泥質(zhì)區(qū)緩慢形成.此時(shí)，古氣候和海平面變化是控制長(zhǎng)江水下三角洲發(fā)育演化的主導(dǎo)因素.

（2）在距今2.7ka左右，由于長(zhǎng)江流域人類(lèi)活動(dòng)逐漸加劇，造成總氮含量逐漸增加.總有機(jī)碳由于成巖作用，含量并未明顯變化.此時(shí)，三角洲的發(fā)育不再單純受控于古氣候及海平面變化，人類(lèi)活動(dòng)的影響越來(lái)越大.

（3）由YD 0901孔精確年代框架及高分辨率地層的建立，得到最大海侵面的深度，為準(zhǔn)確估算冰后期最大海侵以來(lái)水下三角洲沉積總量提供了可靠的依據(jù).

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