MIS-5以来南黄海西部沉积环境的演化:古气候与海面变化的耦合作用

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第四纪冰期-间冰期交替的气候变化导致全球海面的周期性升降,在浅海陆架和海岸带地区表现为海陆交互相沉积。南黄海是西太平洋典型的半封闭型陆架海,其巨厚的海陆交互沉积物中蕴含着丰富的古气候和古环境信息,是探讨海陆沉积演化过程、海面变化以及古气候变化的关键地区。MIS5以来时期包含第四纪末次间冰期-冰期气候旋回,了解MIS5以来的气候演化历史及海面变化有助于理解当前气候状况、认识潜在的气候驱动机制以及更好地预测未来气候和相应的海面变化。因此,开展MIS5以来南黄海区的海陆沉积演化过程与机理、古气候变化及海面变化研究,具有重要的现实意义和理论价值。  本论文对南黄海西部地区的3支典型钻孔进行研究,在14C、OSL和古地磁等测年方法建立可靠年代框架基础上,通过沉积学(粒度、沉积构造、沉积结构、沉积物颜色、沉积相等)、磁学参数(高频磁化率、非磁滞剩磁、饱和等温剩磁等)、地球化学指标(烧失量、有机C/N、有机δ13C、无机氧同位素)、古生物化石指标(有孔虫、硅藻、软体、孢粉化石)等多重指标来重建晚更新世以来南黄海西部沉积环境演化过程。此外,通过搜集南黄海西部65支钻孔资料,建立区域沉积演化数据库,分析晚更新世以来区域沉积特征与沉积相分布,总结区域沉积演化模式。最后,本文构建气候冰量-东黄海地形-河流泥沙淤积耦合的数值模型,模拟晚更新世以来该区域海岸线分布和沉积通量。  基于以上研究内容与结果得到以下主要结论。  1.本文采用碳-14、OSL和古地磁3种测年方法构建海岸线上的YZ07孔MIS5以来沉积年代框架。其中,根据古地磁布莱克负极性事件及沉积岩性特征和咸水种软体化石确定该钻孔MIS-5底界在72.16m。根据14C和OSL年代及沉积岩性特征、硅藻和有孔虫化石确定YZ07孔MIS1、MIS3、MIS4阶段对应钻孔的埋深底界分别在43.88m、52.16m和54.98m。结合沉积相分析推测YZ07孔缺失MIS-2时期的沉积记录;根据碳-14、OSL和有孔虫氧同位素对比结果构建钻孔年代模式及沉积岩性特征和有孔虫分布情况,可确定浅海陆架的YZ05孔的MIS1、MIS3、MIS4和MIS5阶段对应钻孔的埋深底界分别在12.03m、42.20m、45.1m和60.4m。结合沉积相分析推测YZ05孔也缺失MIS-2时期的沉积记录;根据碳-14及沉积岩性特征确定近岸潮滩的Y2孔的MIS1、MIS2和MIS3阶段对应钻孔的埋深底界分别在21.5m、31.5m和60m。  2.YZ05孔有孔虫氧同位素曲线与经典深海氧同位素年代地层曲线对比后发现,YZ05孔的岩心上部60.18m的底界年龄大约为12.8万年。氧同位素最轻值对应中全新世,次轻值对应MIS5阶段,表明这两个时期气候比现代更温暖;与此相对照,最重值对应于MIS6的晚期,表明该阶段气候较寒冷。此外,在MIS3阶段,氧同位素值表现MIS3早期多为正值,晚期多为负值,说明晚期气候偏暖,正对应冰期中的一个间冰阶。618O记录曲线呈现的冰期阶段值偏高,间冰期阶段值偏低现象,区域气候具有冰期-间冰期旋回变化特征。YZ05孔沉积物中有机613C值表明南黄海中陆架区的沉积物中的有机物质主要是由C3陆生植物或浮游植物生产的。C/N比低值(<10)指示海相环境,海面较高,气候较暖湿;C/N比高值(>20)指示陆相环境,海面较低,气候较寒冷。  3.海岸线上钻孔YZ07的有孔虫、咸水种硅藻以及咸水种软体化石个体丰度、生态属性和分布情况表明MIS1的海侵层(潮滩、潮间带相)的厚度、海侵的强度比MIS5时期(潮间带、河口相)要大,而MIS5时期的海侵层的厚度、海侵的强度比MIS3时期(潮间带相)要大。  4.YZ07孔上部24m沉积物的孢粉、古微体鉴定结果和钻孔年代框架模式揭示了南黄海-江苏平原-长江三角洲整个区域3.3ka以来的气候植被环境变化。沉积时期(带Ⅰ:3.3-1.6ka BP)区域为沿海滩涂环境,气候偏温暖湿润;沉积时期(带Ⅱ:1.6-1.2ka BP)区域仍为沿海滩涂环境,气候略温干;沉积时期(带Ⅲ:1.2-0ka BP)区域为沿海滩涂环境,气候偏温湿。  5.根据从南黄海的浅海陆架到海岸带钻取的3支钻孔(YZ05、Y2和YZ07孔),笔者通过沉积地质方法对YZ05孔及综合Y2和YZ07孔研究结果,并与研究区收集的多支钻孔的记录进行综合对比分析,重建了MIS5(甚至MIS6或更老年代)以来的南黄海-江苏海岸的海陆沉积循环过程。根据有孔虫化石和咸水种软体化石分布情况以及钻孔年代模式构建的结果,发现中更新世晚期到晚更新世早期的转折点(即MIS6到MIS5的转折点)是南黄海地区沉积环境重大转折点,完成从陆相(一套河-胡相沉积)沉积向海相(潮滩相、潮间带相、浅海相沉积)沉积为主的重大转变。而且本文研究钻孔中显示的这一转变在区域其他长钻孔中均有出现,体现了这一转变的区域性特征。钻孔的沉积序列揭示了南黄海自MIS5以来共发生3次大的海陆沉积循环,分别是发生在MIS5、MIS3和MIS1时期的海侵(海相沉积为主)以及MIS4和MIS2时期的海退(陆相沉积为主),且研究区在MIS4和MIS2阶段由于强烈的侵蚀而出现重大沉积间断。此外,根据本文研究的钻孔及研究区收集的钻孔的测年结果(包括光释光、AMS-14C和古地磁测年)综合分析证实南黄海地区MIS3海侵的存在。  6.MIS3和MIS5相对海面可通过海相层的埋深减去构造沉降和沉积物压实来近似估计获得。根据YZ07孔估算出研究区的MIS5相对海面高度为7±9m a.s.l.,MIS3相对海面高度为-21±4m a.s.l.。MIS3和MIS5海侵的强度、海面高度和海侵的范围差异性主要受控于气候变化,同时也部分受新构造运动的影响。  7.MIS5以来8个主要气候期的南黄海沉积相分布,表明了区域浅海-滨海-陆相沉积发生了巨大变化。在晚更新世初期MIS5(130-110kaBP),浅海相沉积分布在黄海东侧,滨海相沉积分布伸进内陆。MIS3晚期(30-40ka BP)两个大海湾深入内陆,呈现出“苏北海湾”和“长江口海湾”。末次盛冰期(21ka BP)黄海海区为陆相沉积分布,推测滨海相和浅海沉积远在本区东部。在大约15ka BP长江河口沉积向东南伸展,达到东海30°N以南,海岸相沉积在苏北平原到达了119.5°E。海岸相沉积分布伸向苏北平原内陆,而长江河口伸向东海达到东经124°E。全新世早期(11-9ka BP)长江河口沉积向东南伸展,到达东海30°N以南,海岸相沉积在苏北平原达到了119.5°E。中全新世(5-7ka BP)海岸相沉积分布伸向苏北平原内陆,而长江河口伸向东海达到东经124°E。晚全新世晚期(1ka BP)接近于现代海岸和河口,除了长江口依然呈现喇叭形河口,河口中为三角洲相的沙岛沉积。  8.通过组合模型模拟了距今13万年、4万年和1万年不同时间尺度江苏海岸线和长江三角洲地貌与沉积长期变化过程。模拟结果表明,当MIS5a时,海面在东黄海下降到-55m asl.时,渤海海峡关闭;当MIS4a时,海面达到-90m asl.时,黄海成陆;当MIS3c时,台湾海峡在海面下降到-80m asl.时关闭。在末次盛冰期的低海面(-145m asl.)阶段,对马海峡关闭,整个东亚大陆的大陆架暴露成陆,海岸线向东推进了1000公里。这个模拟与全球海面研究成果对比,冰期与间冰期海面变化一致,而区域性的不同变化部分占10-18%。该模拟与数个地质钻孔资料进行的对比验证,表明在晚更新世以来冰期-间冰期-晚冰期-冰后期的海岸分布和沉积记录的变化趋势基本一致。此外,对MIS3晚期海侵层的定量重建、动力模拟和机理研究表明,MIS3晚期海面变化主要由气候-冰川控制,同时也部分地受到区域新构造沉降、陆源河流泥沙充填和后期沉积物压实等因素的影响。
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