末次冰消期以來海平面變化研究進展

趙信文，向 薇，肖尚斌，黃長生，陳雙喜

（1.中國地質(zhì)調(diào)查局武漢地質(zhì)調(diào)查中心，武漢 430205；2.三峽大學土木水電學院，湖北 宜昌 443002）

海平面變化是指海平面的升降變化，海平面變化“eustatic”一詞是E.Suess在1888年提出的，指全球性的海平面變化。一般將海平面變化劃分為全球海平面變化和相對海平面變化兩種類型，全球海平面變化與局部因素無關(guān)，相對海平面變化與局部因素（沉降或隆升）關(guān)系密切[1]。

近年來，全球溫室效應(yīng)加劇，氣溫上升，引起冰川融化及海洋上層水體受熱膨脹，使得海平面在不同地區(qū)有不同程度的上升。Nicholls和Mimura[2]的研究表明，在上個世紀，世界平均海平面上升了10～25 cm。海平面變化的成因比較復雜，既與氣候相關(guān)，也與地殼活動有關(guān)。郭旭東[3]認為，許多代表海平面升降運動期間的氣候記錄同大陸冰川進退、生物演化存在時間上的一致性，因此海面變化由氣候成因引起比較合乎實際。楊懷仁等[4]認為，引起海面升降的主要原因為氣候波動、地殼運動及大地水準面變形。楊瑞東等[5]總結(jié)了海平面變化的原因，包括冰川、板塊構(gòu)造、海水密度變化、氣候、潮汐作用、局部構(gòu)造運動等，同時也指出，冰川作用、海底擴張和地球在銀河系中位置的變化是引起海平面升降的最主要原因。有學者推測南極西部冰蓋的消融在12萬年前曾使得海平面比現(xiàn)在高出至少6 m[6]，因此冰川是海平面變化的重要影響因素。

海平面上升將帶來一系列問題，包括淹沒濕地、低地、城鎮(zhèn)、加劇海岸侵蝕、加劇洪水泛濫、抬升地下水位、增加河流(河口)、海灣及蓄水層的鹽度[7]。2009年3月10號在哥本哈根舉行的氣候變化國際科學大會上關(guān)于氣候變化的研究報告表明，到2100年海平面可能會上升0.5～1 m或者更高。世界上有大約10%（6億）的人口處于被淹沒的危險地帶，三千多座城市位于海拔低于10 m的沿海地區(qū)，如果不采取有效措施遏制世界海平面的繼續(xù)上升，沿海地區(qū)將受到毀滅性的災害。因此，加強對海平面變化的研究，對全球沿海地區(qū)意義重大。研究末次冰消期以來的海平面變化，對未來的海平面變化趨勢作出預測從而及早作出預防措施具有重要的意義。

1 海平面變化方法學研究進展

1.1 研究海平面變化的標志物

研究歷史時期海平面變化，首先是要找到海平面變化的標志物。王紹鴻[8]對海平面變化的標志物作了系統(tǒng)全面的總結(jié)，他將海平面標志分為三大類:古生物標志、沉積物標志和地貌標志。古生物標志一般有珊瑚礁、海生軟體動物（牡蠣殼、貝殼、貝殼堤）、介形蟲、硅藻、孢子花粉、藤壺、大型植物遺體等古生物化石類；沉積物標志一般有海灘巖、鹽沼泥炭、障壁沙、碳酸鹽類；地貌標志一般有海蝕槽穴、海蝕平臺、古文化遺址等地貌形態(tài)。

1.1.1 古生物標志

古生物標志在海平面變化研究中已廣泛應(yīng)用，是該領(lǐng)域成熟的研究手段，受國內(nèi)外學者青睞。到目前為止，學者在珊瑚礁、海生軟體動物、介形蟲、硅藻等古生物標志方面的研究成果豐碩，如珊瑚礁的發(fā)育是記錄海平面變化過程的極好標志[9]。Mayer[10]發(fā)現(xiàn)，大型塊狀的濱珊瑚的蟲體在經(jīng)受1 h的暴露或是陽光的暴曬就會死亡，因此其實際生長上限只能達到大潮低潮面[11]。余克服等[9]以珊瑚礁及其生物地貌帶作為高海平面的標志，通過測年研究指出全新世以來至少存在過5期相對高海平面。另外，Shen[12]、Yu[13]及 Kershaw[14]也都利用珊瑚礁分別對菲律賓呂宋島、雷州半島、希臘科林斯灣南海岸的全新世海平面進行了研究。海生軟體動物死亡后遺留的殼可以作為古海面指示物[15]。郭旭東等[3]利用古海面貝堤或貝丘遺跡對遼東半島全新世古海平面進行了研究，認為黃海北岸大致在中全新世后期以來海平面曾有三次明顯的降低。Laborel等[16]利用生物標志物對熱帶和亞熱帶地區(qū)的巖石海岸進行了全新世海平面和氣候變化的研究。

1.1.2 沉積物標志

海灘巖常被用作熱帶、亞熱帶海岸區(qū)的海平面指示物。楊建明等[15]認為，砂堤型海灘巖相當于貝殼堤堆積，其底板相當于平均高潮位；海灘型海灘巖是真正的狹義海灘巖，其沉積頂板可認為相當于大潮平均高潮位；高位鹽沼泥炭的形成部位相當于平均高潮位，低位鹽沼泥炭的形成部位則相當于平均低潮位。詹文歡等[17]從海灘巖的角度探討了粵東沿海海平面變化，恢復了近3500 a以來海平面變化曲線。Hopley[18]認為狹義海灘巖頂板的沉積位置相當于大潮平均高潮位，最高可接近最高天文潮位，真正海灘巖的最上層面才是古潮位的可靠標志。王紹鴻[8]認為海相碳酸鹽巖才能作為海平面標志。

1.1.3 地貌標志

王紹鴻[8]認為，運用海蝕槽穴和海蝕平臺作為海平面標志物時，要和其他海蝕地貌一起考慮。另外，海蝕形態(tài)不能用于直接的測年，要借助附近相關(guān)的可測年的海平面標志物。劉曉東等[19]利用掃描電鏡方法分析了南極法爾茲半島上海蝕成因的古海蝕龕沉積物中石英砂表面結(jié)構(gòu)特征組合，發(fā)現(xiàn)在所有的石英砂表面上均表現(xiàn)出冰川和水流共同作用的結(jié)構(gòu)特征組合，龕中沉積物是冰水沉積環(huán)境下的產(chǎn)物，另外還得出，南極法爾茲半島上的冰蓋解體并退出長城站區(qū)的時間應(yīng)早于4600 a BP。Kershaw等[20]也利用海岸峭壁上海蝕刻槽對希臘Perachora半島的相對海平面進行了研究。Tjia[21]對馬來西亞-泰國半島海平面變化的研究中提到，海岸邊石灰?guī)r崖上的U型海蝕刻槽的最深處與古平均海平面一致。

1.2 研究海平面變化的定年方法

古海平面研究離不開高精度的測年方法，目前高精度的測年是第四紀研究一大瓶頸，國內(nèi)外學者運用各種方法嘗試著突破這一制約，如在全新世海平面變化方面主要運用14C定年法和TIMS鈾系定年法進行研究。14C定年法，是利用自然存在的14C同位素的放射性定年法，用以確定原先存活的動物和植物年齡，可測定早至5萬年前有機物質(zhì)的年代。TIMS鈾系定年法，測定地質(zhì)年齡范圍在數(shù)百年到五十萬年之間，其中未經(jīng)蝕變的第四紀珊瑚和第四紀碳酸鹽質(zhì)沉積物等是最合適的研究對象[22]。

在對中晚全新世海平面變化進行研究時，AMS14C方法應(yīng)用廣泛[23-25]。近年來，TIMS定年法也得到了較好的發(fā)展。馬志邦等[26]、溫孝勝等[27]、Stirling等[28]都應(yīng)用TIMS定年法對鹿回頭、南沙群島等地的珊瑚礁進行了古海平面變化的研究。在這兩種方法中，TIMS鈾系定年法更精確、測年范圍更寬，可以測試500 ka以來的樣品[29]。在提供古海平面變化的測年記錄及橫跨末次冰期的13萬年的現(xiàn)存的大量觀察記錄上，鈾系測年法被廣泛地應(yīng)用。

2 海平面變化曲線

2.1 全球海平面變化

國內(nèi)外學者對末次冰消期以來全球的海平面變化做了大量的研究。Tanabe等[30]對日本中部的Shinano River末次冰消期的相對海平面變化進行了研究，認為早全新世海平面低于現(xiàn)今海平面；Glenn等[31]對加勒比海和美國南部的大西洋海岸全新世海平面變化進行了研究，發(fā)現(xiàn)海平面數(shù)據(jù)有明顯的空間差異；Suric等[32]采用14C方法對采集于亞得里亞東部海岸的水下洞穴堆積物作了測年研究，結(jié)果表明研究區(qū)域與鄰近區(qū)域Tyrrhenian海岸和法國地中海海岸的海平面變化趨勢一致；Gehrels等[33]重建了丹麥古環(huán)境變化及晚全新世相對海平面變化；Pedersen等[34]對丹麥Wadden海的Varde A流域進行了全新世地貌演變及相對海平面的重建，指出在中全新世海平面低于現(xiàn)今海平面；Camoin[35]對印度洋西部的古海平面變化進行了研究，認為在10000～7000 a BP，海平面以 6 mm/a的速率上升，在7500 a BP左右，海平面上升速率下降至1.1 mm/a。

前人對地中海沿岸如法國、意大利、土耳其等地海平面變化的眾多研究結(jié)果一致，全新世左右的古海平面要低于現(xiàn)今海平面[36-41]。與此結(jié)果類似的還有Spurgeon對美國Florida的Siesta Key的海平面的研究，其研究發(fā)現(xiàn)在2000 a BP左右，海平面上升至現(xiàn)今海平面高度[42]。這些結(jié)果與Clark劃分的全球海面預測區(qū)吻合。楊子賡[43]在其著作中提到，Clark等的文章中提出了粘彈性地球上洋面變化的數(shù)值模型，認為即便全球海面是不變的，由于冰蓋區(qū)的地殼均衡回跳和大洋的負荷增加，世界各地的海平面變化過程也不會相同，因此Clark等將全球海面劃分為6個預測區(qū)，而地中海及美國南部便位于其中的第Ⅲ區(qū)，此區(qū)的海平面變化特點是，從6000 a BP開始海平面便一直處于上升階段。

全球有很多地區(qū)出現(xiàn)了中晚全新世高海平面的證據(jù)。Corner等[44]構(gòu)建了俄羅斯西北部科拉半島上的Polyamy的全新世海平面變化曲線，10000 a BP時海平面在現(xiàn)今海平面以上80 m；Baker等[45]利用生物指示物方法對澳大利亞東南部晚全新世海平面曲線的重建表明，晚全新世研究區(qū)域的海平面呈現(xiàn)波動下降的趨勢，6000年前海平面與現(xiàn)今海平面高度接近，澳大利亞東海岸和南半球中高緯度地區(qū)如Melanesia、Polynesia和Brazil南部，都呈現(xiàn)出與研究區(qū)域類似的環(huán)境和海平面變化。Lambeck[46]對構(gòu)造穩(wěn)定的澳大利亞邊緣中全新世以來的海平面變化進行了研究，認為7000～6000 a BP時海平面為0～3 m；Grossman等[47]對太平洋珊瑚礁的研究表明，在1500～2000 a BP，海平面在現(xiàn)今海平面以上 1～1.5 m；Tjia 等[21]對構(gòu)造穩(wěn)定的 Malay-Thai半島海平面進行了研究，認為海平面在2000 a BP在現(xiàn)今海平面以上0.7～1.2 m；在1500 a BP，海平面下降至現(xiàn)今海平面以上0.2～0.4 m；Yu等[48]對來自于中國南海北部5個中全新世小環(huán)狀珊瑚島的樣品進行了測年研究，結(jié)果表明，在7050～6600 a BP，海平面在現(xiàn)今海平面以上1.71～2.19 m，且至少有四個波動周期；Liew等[49]對臺灣地區(qū)晚全新世的海平面、河量及氣候相互間的關(guān)系作了研究，表明在2000～1500 a BP，海平面高出現(xiàn)今海平面1.3～1.5 m；Yim[50]利用14C方法對中國香港的海灘巖的測年研究結(jié)果表明，在1660±75 a BP，研究區(qū)域海平面高于現(xiàn)今海平面2.03 m；沈明潔等[51]對全新世以來中國東部海面變化的資料數(shù)據(jù)進行全面搜集，其中包括12條原始曲線和600多個標志物點的多項信息，初步建立起中國東部全新世以來海面隨時間變化的波動序列，中國東部全新世以來海面變化從總體上來講共經(jīng)歷了9個周期的波動變化，其中有4次高于現(xiàn)今海平面；Angulo等[52]對所收集的巴西巖石海岸最南端的貝殼作了測年研究，發(fā)現(xiàn)在（5410±80）～（190±65）a BP 之間，古海平面呈現(xiàn)高出現(xiàn)今海平面2.10 m～0.20 m的變化趨勢；Ybert等[53]對巴西東南海岸全新世的環(huán)境和海平面變化的研究結(jié)果表明，4900～3470 a BP，研究區(qū)域海平面高于現(xiàn)今海平面；在日本，Omoto[54]利用14C方法對日本西南部Ryukyu島的海灘巖進行了測年研究，認為在（1640±65）～（1970±95）a BP，研究區(qū)域海平面在現(xiàn)今海平面以上0.1～1.7 m；Hongo等[55]利用珊瑚礁對日本Ishigaki島和Ryukyu島的全新世海平面進行了研究，指出中全新世最高海平面出現(xiàn)于5000 aBP左右，高出現(xiàn)今海平面3±2.5 m；在南極，Zwartz[56]等對南極洲Vestfold山脈附近以前與海洋相通的湖泊沉積物作了研究，指出在中全新世，存在高海平面；Hall[57]對南極維多利亞地區(qū)130多個樣品做了放射性碳測年研究，得出了新的相對海平面曲線，也得出中全新世存在高海平面的結(jié)果；Froede[58]等利用14C方法對Florida海岸的研究表明，2000～1000 a BP，海平面高出現(xiàn)今海平面0.5 m。

圖1綜合了近年來全球全新世相對海平面變化研究的部分成果，由圖1可以看出全新世以來不同地區(qū)的相對海平面變化趨勢不同。印度洋西部及丹麥相對海平面變化趨勢基本相同，印度洋西部相對海平面高度從早全新世一直上升至現(xiàn)今海平面，丹麥的相對海平面變化曲線存在小的波動現(xiàn)象。與此大不相同的是俄羅斯北部科拉半島Polyamy的相對海平面變化曲線，它顯示該區(qū)域全新世相對海平面的變化趨勢是一直下降至現(xiàn)今海平面高度，這可以用前文提到的Clark等人的全球海平面變化分區(qū)結(jié)果來解釋[43]:俄羅斯北部科拉半島位于冰川覆蓋區(qū)，冰后期地殼均衡抬升，海平面迅速下降。

圖1 全球相對海平面變化曲線Fig.1 Global relative sea level change curve

從前人研究成果來看，除俄羅斯北部科拉半島的相對海平面變化曲線外，其他曲線和海平面數(shù)值都表現(xiàn)出以下規(guī)律:11500～8000 a BP，海平面迅速上升；8000 a BP至今，海平面總的趨勢是上升，但是太平洋沿岸如澳大利亞[45-46]、中國南海[48]、日本[54-55]、菲律賓[59]等地區(qū)的海平面高于現(xiàn)今海平面，與此類似區(qū)域還有巴西[53]、南極[57]及美國東南沿海[58]；而地中海沿岸如以色列[36]、土耳其[40]等國家及丹麥[33-34]的海平面低于現(xiàn)今海平面。

總的來說，這種海平面不斷上升、不斷下降和存在中全新世高海平面的現(xiàn)象與全球海平面變化的分區(qū)結(jié)果吻合[60]。

2.2 我國東南部海平面變化

陳欣樹等[61]根據(jù)珠江口外陸架海洋地質(zhì)調(diào)查獲得的地質(zhì)-地球物理調(diào)查及鉆井資料，從沉積相、地貌、微體古生物、14C測年等多方面研究，以充分的證據(jù)，闡明了該區(qū)末次冰期結(jié)束時為距今13700±600 a BP。當時海面低于現(xiàn)今海面131 m。方國祥等[62]對9類古海面標志物的107個樣品年代數(shù)據(jù)進行沉積深度校正、構(gòu)造升降幅度校正后，繪出了珠江三角洲8000年來海平面變化曲線。徐明廣等[63]對珠江三角洲地區(qū)進行了野外調(diào)查，研究表明，第四紀以來，珠江三角洲地區(qū)規(guī)模較大的海面升降各有兩次，分別形成下部和上部兩個陸相層和兩個海相層及頂部海陸交互層。李平日等[64]根據(jù)對廣東東部地區(qū)的大量鉆孔巖心和地表露頭的沉積相綜合分析資料及14C測年數(shù)據(jù)，討論了晚更新世以來的海平面變化。研究表明，全新世海進在距今12000～10000年已開始。中全新世早期海面迅速上升，晚期轉(zhuǎn)為緩慢上升甚至相對停頓。晚全新世早期海平面上升到最大高度，近2000年來稍有下降并漸趨穩(wěn)定。未必存在中全新世高海面。李平日等[65]也對珠江三角洲全新世環(huán)境演變進行了研究，利用107個已測年的古海面標志物繪制了珠江三角洲全新世海平面變化曲線。方國祥等[66]利用7類古海面標志物的137個樣品年齡數(shù)據(jù)繪出了閩南、粵東全新世以來海平面變化曲線。楊建明等[15]通過35個14C測年數(shù)據(jù)進行評價，建立了一條福建省沿岸過去6000年海平面變化曲線，該曲線表明海平面在現(xiàn)代位置上下呈振蕩性變化。朱永其等[67]通過東海陸架沉積物樣品實驗室分析和地貌發(fā)育的研究，從恢復古地理環(huán)境入手，論證了東海陸架晚更新世以來的海面變化過程。聶寶符[11]對南沙群島、西沙群島、海南島、雷州半島和臺灣恒春半島珊瑚礁進行了考察，進一步證實了南海同它的周邊情況一樣，確實出現(xiàn)過至少比現(xiàn)今高2～3 m的高海面。趙希濤等[68]根據(jù)對我國東部沿海與近海陸架的調(diào)查研究，在綜合與分析地層層序、標高、年代及與古海面關(guān)系確切可靠的豐富資料的基礎(chǔ)上，初步建立了我國東部20000年來海平面變化的模式。

珠江三角洲及鄰近地區(qū)閩南、粵東、臺灣的全新世海平面變化曲線圖（圖2）是對前人研究結(jié)果的匯總，該圖顯示珠江三角洲及鄰近地區(qū)全新世的海平面變化具有波動性的特征。

由圖2可以看出海平面上升的基本趨勢，在不同時期海平面變化存在著差異。約9000～6000 a BP，海平面急劇上升，粵東和臺灣的海平面變化存在比較大的波動，尤其是粵東，波動比較頻繁，但它們都體現(xiàn)出波動中上升的特點；約6000 a BP，海平面達到最高，高出現(xiàn)今海平面約5 m，與畢福志、丁錫祉研究結(jié)果類似[70-71]；在6000 a BP后，海平面多呈現(xiàn)出振蕩性變化，在現(xiàn)今海平面±5 m范圍內(nèi)波動。郭旭東[3]對南海及東南沿海、陳偉光[72]、張虎男[72-73]對華南沿海海平面變化的研究也表現(xiàn)出中全新世時海平面有一定幅度的振蕩。

圖2 珠江三角洲及鄰近地區(qū)全新世海平面變化曲線Fig.2 Holocene sea-level change curve of Pearl River Delta and adjacent areas

2.3 古海平面變化研究存在的問題

古海平面變化的研究離不開兩個條件，一是海平面變化標志物，二是高精度的測年方法。

測年方法的精度不同將導致研究結(jié)果大不一樣，Eisenhauer等[74]曾對14C和鈾系測年進行過比較，發(fā)現(xiàn)珊瑚礁鉆心的14C年齡要比相應(yīng)的鈾系年齡年輕1000 a。因此，對于同一地區(qū)海平面的變化，采用不同測年手段將導致研究結(jié)果不一樣。

此外，相對海平面的變化要考慮到構(gòu)造活動作用，區(qū)域沉降或隆升將導致古海平面標志物的移動，以致其不能精確代表古海平面的高程。有研究表明，海進強并不一定反映海平面絕對高度大，而可能是這個時段構(gòu)造沉降幅度大所造成的假象[64]，因此，推算研究區(qū)域器測時期以前的構(gòu)造沉降或抬升速率便顯得尤為重要。不同研究者對晚第四紀珠江三角洲的構(gòu)造運動速率的估算結(jié)果不同[75]:魏柏林等所估算的構(gòu)造沉降速率為+2～+3 mm/a，抬升速率為+0.3～+1 mm；陳偉光等估算的速率為-0.5～-1.8 mm/a與+0.4～+0.7 mm/a；張虎男等人估算東南沿海斷塊構(gòu)造速率為-2.6～-8 mm/a與+1.2～+2.5 mm/a。構(gòu)造速率估算結(jié)果不同，也將導致海平面高度的不同。由此可以看出，即使是針對相同區(qū)域的海平面變化研究，不同研究者得出的結(jié)論也有可能不一樣，因此，在對海平面變化進行的研究中，如何得到更精確的定年及海平面高度是每個研究者都應(yīng)該重視的問題，需要在今后的研究中加以改進。

3 結(jié)語

對于全球海平面變化而言，不同地區(qū)全新世海平面高度相差很大，且同時存在不斷上升和不斷下降至現(xiàn)今海平面高程的變化曲線，這說明海平面變化具有區(qū)域性的特征。

在珠江三角洲及其鄰近地區(qū)，6000 a BP后，海平面多呈現(xiàn)出振蕩性變化，在現(xiàn)今海平面±5m范圍內(nèi)波動。閩南、粵東、臺灣和珠江三角洲的全新世海平面變化曲線存在差別，可能是由于地質(zhì)構(gòu)造升降的影響，同時，定年技術(shù)及海平面標志物的精確度對海平面變化曲線的重建也有一定影響。因此，在進行古海平面變化的研究時，應(yīng)選擇地質(zhì)構(gòu)造相對穩(wěn)定的地區(qū)，另外也應(yīng)選擇高精度的定年技術(shù)及合適的海平面標志物。

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