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闽北近岸海域晚更新世以来沉积地层特征及其演化

徐承芬 张勇 孔祥淮 胡刚 毕世普 牟秀娟 宁泽 张晓波

徐承芬, 张勇, 孔祥淮, 胡刚, 毕世普, 牟秀娟, 宁泽, 张晓波. 闽北近岸海域晚更新世以来沉积地层特征及其演化[J]. 沉积学报, 2020, 38(2): 331-339. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2019.095
引用本文: 徐承芬, 张勇, 孔祥淮, 胡刚, 毕世普, 牟秀娟, 宁泽, 张晓波. 闽北近岸海域晚更新世以来沉积地层特征及其演化[J]. 沉积学报, 2020, 38(2): 331-339. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2019.095
ChengFen XU, Yong ZHANG, XiangHuai KONG, Gang HU, ShiPu BI, XiuJuan MOU, Ze Ning, XiaoBo ZHANG. Sedimentary Stratigraphic Characteristics and Evolution since the Late Pleistocene in the Offshore Area of Northern Fujian[J]. Acta Sedimentologica Sinica, 2020, 38(2): 331-339. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2019.095
Citation: ChengFen XU, Yong ZHANG, XiangHuai KONG, Gang HU, ShiPu BI, XiuJuan MOU, Ze Ning, XiaoBo ZHANG. Sedimentary Stratigraphic Characteristics and Evolution since the Late Pleistocene in the Offshore Area of Northern Fujian[J]. Acta Sedimentologica Sinica, 2020, 38(2): 331-339. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2019.095

闽北近岸海域晚更新世以来沉积地层特征及其演化

doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2019.095
基金项目: 

国家自然科学基金项目 41376079

海洋地质调查项目 DD20160137

海洋地质调查项目 DD20190205

详细信息
    作者简介:

    徐承芬,女,1991年出生,硕士,沉积学,E-mail: xuchengfen@sina.com

    通讯作者:

    张晓波,男,高级工程师,E-mail: qimgzy@163.com

  • 中图分类号: P539.1P736.2

Sedimentary Stratigraphic Characteristics and Evolution since the Late Pleistocene in the Offshore Area of Northern Fujian

Funds: 

National Natural Science Foundation of China 41376079

Marine Geological Survey Project DD20160137

Marine Geological Survey Project DD20190205

图(8) / 表 (1)
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出版历程
  • 收稿日期:  2018-11-06
  • 修回日期:  2019-11-19
  • 刊出日期:  2020-04-10

目录

    闽北近岸海域晚更新世以来沉积地层特征及其演化

    doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2019.095
      基金项目:

      国家自然科学基金项目 41376079

      海洋地质调查项目 DD20160137

      海洋地质调查项目 DD20190205

      作者简介:

      徐承芬,女,1991年出生,硕士,沉积学,E-mail: xuchengfen@sina.com

      通讯作者: 张晓波,男,高级工程师,E-mail: qimgzy@163.com
    • 中图分类号: P539.1P736.2

    摘要: 根据2015年青岛海洋地质研究所地质调查船在闽北近岸海域采集的3 500 km高分辨率的浅层地震剖面资料,结合所处海域水深35~40 m、长度90.2 m、穿过测线Z3和测线L9地震剖面的交叉处的一口地质岩芯ECS1601的分析,对闽北近岸海域晚更新世以来的沉积地层进行了精细的划分。研究结果表明:闽北近岸海域浅层地震剖面,可以识别出5个地震层序,自上而下分别为SU1(QT0-QT1)、SU2(QT1-QT2)、SU3(QT2-QT3)、SU4(QT3-QT4)、SU5(QT4-QT5);根据沉积特征和测年数据,地质岩芯ECS1601可以划为4个沉积地层单元,从上往下依次命名为DU1、DU3、DU4、DU5(DU5a、DU5b、DU5c)。将两者进行对比发现,SU1对应于DU1,SU3对应于DU3,SU4对应于DU4,SU5对应于DU5。综合分析地震剖面和地质浅钻,建立了闽北近岸海域的年代地层框架和沉积地层演化模式,探讨了研究区的沉积演化过程。

    English Abstract

    徐承芬, 张勇, 孔祥淮, 胡刚, 毕世普, 牟秀娟, 宁泽, 张晓波. 闽北近岸海域晚更新世以来沉积地层特征及其演化[J]. 沉积学报, 2020, 38(2): 331-339. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2019.095
    引用本文: 徐承芬, 张勇, 孔祥淮, 胡刚, 毕世普, 牟秀娟, 宁泽, 张晓波. 闽北近岸海域晚更新世以来沉积地层特征及其演化[J]. 沉积学报, 2020, 38(2): 331-339. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2019.095
    ChengFen XU, Yong ZHANG, XiangHuai KONG, Gang HU, ShiPu BI, XiuJuan MOU, Ze Ning, XiaoBo ZHANG. Sedimentary Stratigraphic Characteristics and Evolution since the Late Pleistocene in the Offshore Area of Northern Fujian[J]. Acta Sedimentologica Sinica, 2020, 38(2): 331-339. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2019.095
    Citation: ChengFen XU, Yong ZHANG, XiangHuai KONG, Gang HU, ShiPu BI, XiuJuan MOU, Ze Ning, XiaoBo ZHANG. Sedimentary Stratigraphic Characteristics and Evolution since the Late Pleistocene in the Offshore Area of Northern Fujian[J]. Acta Sedimentologica Sinica, 2020, 38(2): 331-339. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2019.095
      • 研究区位于福建省霞浦县以东,北纬26°~27°的近海海域,蕴藏着丰富海陆相互作用的信息,是“源—汇”效应的活跃区域[1]。前人对东海沉积特征的研究已有很多[2-3],Liu et al.[4]从长江口外地区22 m的水深中回收了一个长35.60 m的岩芯(ECS-0702),分析了其沉积特征,将岩芯分为4个沉积单元(降序排列为DU1~DU4),代表了过去约13 000年的冰川后沉积序列。牛作民[5]认为,东海除冲绳海槽水下地形比较复杂外,陆架区都较平缓, 呈阶梯状由西北向东南缓慢下降,长江等河流携带丰富的陆源物质入海是形成东海陆架现代沉积的重要陆源。DeMaster et al.[6]研究表明,在长江河口附近的内架沉积中,在100天的时间尺度上,沉积速率高达每月4.4 cm。肖尚斌等[7]通过对闽北近岸海域表层沉积物底质类型、矿物及地球化学特征的初步研究和分析, 确定闽浙沿岸泥质沉积物的主要物源区可能为长江流域。唐保根等[8]利用浅层地震剖面对长江水下三角洲进行了研究,认为其存在两套性质完全不同的岩层,上部为具有层理性、质地松软的全新统前三角洲相沉积;下部为不具层理性、质地致密的晚更新世湖相沉积。唐保根[9-10]对东海第四纪地质岩芯进行了统一的划分和对比分析,构建了东海陆架第四纪地层层序,从老到新依次为下更新统西湖组、中更新统金鸡山组、上更新统西伶组、全新统海礁组或下全新统鸡骨礁组、中全新统大斡山组、上全新统嵘洒组。刘振夏等[11-13]对钻孔DZQ4进行了深入的研究和分析,并将其与氧同位素6期以来的6个地震地层进行结合和对比,认为钻孔地层与氧同位素6期以来的期次之间呈现很好的对应关系,发现氧同位素6期以来共有四次海退—海进的沉积旋回。秦蕴珊等[14-15]对地质岩芯Ch1进行了详细的分析和研究,认为地质岩芯Ch1记录了中更新世晚期以来的沉积演化过程,并对晚更新世以来的环境演化和变迁做了深入的探讨。吴自银等[16-17]利用1996年中法合作采集的长江口至冲绳海槽区域的地震资料,结合地质岩芯DZQ4的岩性资料等特征,与氧同位素期次和全球冰期进行了对比和分析。杨建明[18]对大量地质岩芯的微体古生物硅藻和有孔虫化石组合以及14C测年结果进行研究和分析,认为闽江河口近岸海域共发育两期海侵沉积地层,说明晚第四纪期间,此区域至少经历了两次海侵事件。李达[19]对东海区域获得的浅层地震剖面资料进行分析和解释,将东海西部海区分为4个层序,9个地层单元,表明了此区域发生了四次海侵和三次海退活动。陈聪等[20]通过对位于福建平潭岛北部芦洋埔海积平原的地质岩芯PT01的分析,采用加速器碳同位素(AMS 14C)和光释光(OSL)测年建立了该地区的地层年代框架,认为晚更新世富含有孔虫等海相生物化石的地层应归属于MIS5高海面期。虽然很多地质工作者对东海区域做了大量的探讨和研究,但是,以往的研究工作大多集中分布在长江水下三角洲地区或者外陆架附近,对闽北近岸海域的研究相对较少,且缺少高分辨率的地震剖面资料和更为精细的分析和研究。

        本文基于一口地质岩芯(ECS1601)的粒度、微体古生物和测年等实测资料和3 500 km过井浅层地震剖面的解译和对比,对晚更新世以来闽北近岸海域的沉积地层进行了精细的划分和对比,对其沉积和环境演化特征进行了深入的探讨,以此为基础,重建了闽北近岸海域晚更新世以来的沉积演化历史,推测了其对海平面变化的响应,恢复了晚更新世以来的沉积演化历史,丰富了东海近岸海域层序地层学理论,对东海临近地区地层结构和演化特征的研究起到了对比和借鉴作用;同时,该研究区发现了大量古河道、浅层气等特殊地质体,对该区地质灾害防治、地质演化历史研究等都具有重要的实际意义和科学价值。

      • 2015年,青岛海洋地质研究所在东海西部近岸海域采集的3 500 km浅层地震剖面(图 1)。声学记录良好的范围为50~90 m,垂向分辨率较好,高于0.5 m。剖面打印分辨率较高,地质信息记录良好。采用的声波平均速率约为1 550 m/s。浅层地震剖面的解释根据地震相反射特征和界面识别标志来进行地层划分。主要步骤:首先在诸多地震剖面中,选取了一条反射结构清晰、分辨率较高的剖面,然后对其进行识别和解译,最后将其与剩余剖面进行对比分析,最终在全区范围内形成界面的闭合。

        图  1  地震测线布置和钻井布置图

        Figure 1.  Seismic survey line and drilling layout

        钻孔ECS1601位于地震测线L9与Z3交点处,地理坐标为120°39'30″ E,26°50′36″ N,所处海域水深35~40 m,长度90.2 m,平均采取率为92.20%。首先,对地质岩芯的沉积特征进行了详细的描述,然后按照2 cm间隔对粒度进行了取样,按照10 cm间隔对微体古生物进行取样,选取了若干光释光测年样品试分析,并据此绘制出地质岩芯的沉积柱状图。

      • 浅层地震反射界面QT0,振幅较强、连续性较好。通过分析认为此地震反射界面表示海底,该地震反射界面的起伏特征反映了研究区海底地形的起伏变化。

      • 在浅层地震剖面中,界面QT1在浅层剖面中非常明显,可以在全区追踪和对比,可以作为反射标志层。界面之上表现为近似平行、亚平行的反射特征,界面之下呈现为混杂—波状、叠瓦状反射特征的古河道沉积。在地震剖面的某些区域,可以发现一些上超反射特征,认为该特征是海侵过程中海洋向陆地方向的上超现象。与此同时还发现一些对下伏地层表现为削截的现象,这种界面往往表现为在全区内相对比较平直的特征(图 2),这往往代表了古河道地层对下伏地层的截切作用。

        图  2  典型地震剖面解释图

        Figure 2.  Interpretation diagram of typical seismic profile

      • 浅层地震反射界面QT2,在剖面中的特征为振幅较高、能量较强。但是该界面不能连续追踪,局部区域会有间断。该界面在地震剖面中表现为向下削截下伏地层的反射特征,将其解释为一个侵蚀界面;同时,该界面表现为高低起伏的特征,这代表了侵蚀深度的变化,往往呈V或U形削截下伏地层。将其与地质岩芯对比分析,认为QT2界面为上更新统上组上段陆相(河流相)沉积地层(氧同位素2期)和上更新统上组中段海相沉积地层(氧同位素3期)的分界面。反射界面QT1与QT2之间的SU2代表了末次盛冰期形成的陆相沉积或河流沉积。此外,在测线剖面的古河道上部位置发现了大片的浅层气反射特征(图 3),因此,进一步佐证了此处古河道沉积地层的存在。

        图  3  测线剖面上的浅层气

        Figure 3.  Shallow gas on the profile

        浅层地震层序SU2上部往往表现为近似平行或亚平行的反射特征,中部表现为相对明显的叠瓦状反射特征(前积反射结构),层序最底部则表现为一些填充型的乱岗型反射特征(图 2)。其中,河道内部前积反射结构,与上下反射层之间表现为斜交的层理,与上部SU1和SU3层序中的平行或亚平行反射结构形成鲜明的对比。

      • QT3地震反射界面在全区范围内普遍分布,可以全区进行追踪和对比,而且分布范围相对较大。但是在某些区域不能连续追踪,因为其被上覆的古河道界面侵蚀切割,表现为断开缺失的反射特征,但是沿着古河道一端区域继续追踪,直至古河道的另一端,又可以连续进行追踪。

        将其与钻孔进行分析和对比,反射界面QT3与QT2之间的层序表示为SU3,当反射界面QT2缺失时,QT3与QT1之间的层序表示为SU3,认为其对应于氧同位素3期。由于此期间,海平面波动性上升,沉积物对先期被冲刷侵蚀形成的古河道底部填充,因此,该层序下部反射结构相对杂乱(图 2);随着海平面上升,古河道被充填变平,相应的地震层序内部反射特征也表现为近似平行的反射结构。

      • QT4地震反射界面一般表现为向下削截下伏地层的反射特征,该界面底界面高低不同,说明了侵蚀下切的深度和强度不同。与QT2有些相似,该界面起伏变化较大,在地震剖面中往往表现为“U”字型或“V”字型。界面之下反射特征呈现为平行或者亚平行结构,界面之上则变现为古河道的杂乱反射特征(图 2)。该界面对下伏海相地层表现为截切作用。

        局部地区,QT3和QT5之间的地层为平行或亚平行反射结构。将QT3与QT4之间的地震层序定义为SU4,通过将其与地质岩芯分析和对比,认为其形成于氧同位素四期以来。

      • QT5反射界面在浅层地震剖面中,是一个中弱振幅的反射界面,由于该地层埋深较深,下部能量变小,所以该浅层地震反射界面隐约模糊,识别较为困难。该界面整体上表现为相对平行或亚平行的同相轴反射,虽然界面模糊不清,但是局部区域大体可以连续追踪和识别。与QT3类似,该界面某些区域也常被上覆的古河道QT4界面切断。

        通过与钻孔分析对比,QT5与QT4之间的地震单元为SU5对应于地质岩芯中的DU5,发育于氧同位素5期以来。在浅层地震剖面中地表现为亚平行或者平行的反射结构特征(图 2)。

      • 本文根据微体古生物特征(图 4)、粒度特征(图 5)、光释光测年,岩芯ECS1601可以划为4个沉积地层单元(图 6),从上往下依次命名为DU1、DU3、DU4、DU5(DU5a、DU5b、DU5c)。各沉积单元沉积特征见表 1

        图  4  底栖有孔虫比例、丰度和分异度变化图(a);底栖有孔虫类型和三大壳体类型的变化(b);浮游有孔虫比例、丰度和分异度变化(c);介形虫主要类型(d)

        Figure 4.  (a) Benthic foraminifera ratio, abundance and differentiation; (b) benthic foraminifera type and three major shell types; (c) planktonic foraminifera ratio abundance and differentiation; (d) main types of ostracod

        图  5  ECS1601孔沉积物组分和粒度参数垂向分布

        Figure 5.  Vertical distribution of composition and grain size parameters of ECS1601 pore sediments

        图  6  钻孔ECS1601岩性柱状图

        Figure 6.  Lithology histogram of drilling of ECS1601

        表 1  地质岩芯ECS1601各沉积单元沉积特征

        Table 1.  Sedimentary features of each sedimentary unit of the shallow geological drill core ECS1601

        地层 沉积特征
        DU1 0~15.00 m:此段多为泥质沉积。下部泥质沉积中夹杂砂质—粉砂质透镜体,分布有虫孔,周边也见一些生物扰动;中部可见一条宽度约为1m的粉砂质层;上部主要为黏土,呈灰色,夹杂少许贝壳碎屑
        DU3 15.00~38.91 m:此段岩性总体上呈现为粉砂和黏土的互层。下部岩性主要为黏土、粉砂,粒度较细,证明这段时期内沉积环境相对安静,水体稳定,沉积均匀;上部岩性主要为粉砂、黏土质粉砂,粒度变粗,夹杂少了透镜体,见局部分布有生物潜穴、波状层理、交错层理。此段岩性的变化具有明显的韵律性特征,表明了这段时间内沉积环境为周期性变化特点
        DU4 38.91~59.97 m:本段岩性主要为黏土和中细砂,整体为灰褐色。中细砂中含有少量棕色锈斑和植物根碎屑,夹杂少量白云母且分布若干黏土条带,层状交错层理;黏土中分布砂质透镜体和生物潜穴,夹少量黑色泥炭屑。整体上,此段岩性变化相对较大,说明了这段时期水动力较大,且夹杂陆源碎屑,推测此段沉积主要为河流等陆相沉积
        DU5 ① DU5a地层单元
        59.97~74.90 m:本段岩性主要为黏土,灰黑色,黏土中夹杂形态各异的粉砂质透镜体,含少量泥质炭夹层,内部可见一些生物孔洞和生物碎屑、且孔洞周围生物扰动较强
        ② DU5b地层单元
        74.90~81.92 m:本段岩性主要为中细砂,灰褐色,偶见少量豆粒大小的棕色锈斑,有少量植物根屑夹杂其中,砂质层中夹杂一条黏土条带层,夹少量深黑色泥炭屑,可见砂质交错层理
        ③ DU5c地层单元
        81.92~90.02 m:本段岩性主要为粉砂、黏土,灰褐色,黏土层可中见生物潜穴,夹少量黑色泥炭屑和植物根屑,粉砂层中夹杂贝壳碎屑
      • 将地质岩芯与浅层地震进行对比和分析,DU1沉积单元对应于浅层地震剖面中反射界面QT0和反射界面QT1之间的地震相SU1(图 7),推测其形成于氧同位素一期(MIS1)以来的一段时期—全新世时期,主要为泥质沉积体沉积。通过分析认为QT1界面为全新世以来的海进面,QT1和反射界面QT0之间的地震相为全新统,表示氧同位素一期以来形成的沉积地层,为海侵体系域上部和高位体系域的沉积物。

        图  7  钻孔和浅层地震剖面对比图

        Figure 7.  Comparison between drilling and shallow stratigraphic seismic section

        由于地质岩芯中的DU2沉积缺失,因此,将沉积单位DU3对应于浅层地震剖面中QT3和海底QT1之间的地震相SU3(图 7)。根据测年数据和沉积特征,该沉积单元开始于氧同位素三期(MIS3),直至氧同位素二期(MIS2),根据测年数据和沉积特征,推测其属于上更新统上组中段沉积,主要为海侵作用时期发育而成的海相沉积地层。

        通过浅层地震剖面与地质岩芯分析对比,地质岩芯DU4沉积单元对应于浅层地震剖面中反射界面QT3和反射界面QT4之间的地震相SU4(图 7),属于上更新统上组下段沉积地层。沉积相反射特征变现为“U”或“V”型的古河道相沉积层序,沉积物沉积特征表现为粒度较粗的古河道沉积。

        与上述分析和对比方法一样,将沉积地层DU5单元对应于浅层地震界面QT5和海底QT4之间的地震相SU5(图 7),属于上更新统下组沉积地层。沉积相反射特征变现为平行或亚平行的沉积反射层序,沉积物沉积特征表现为粒度较细的淤泥质沉积。

      • 通过将上述地震反射特征和地质岩芯沉积地层特征进行对比和综合分析,再结合收集的相关文献和资料,反演推断出闽北近岸海域晚更新世以来的沉演化积模式(图 8)。

        图  8  闽北近岸海域晚更新世以来地沉积模式图

        Figure 8.  Sedimentary model map since the Late Pleistocene in the coastal waters of northern Fujian

        氧同位素5期(MIS5),即晚更新世早期阶段,全球气温上升,海水由浅变深,发生海进,闽北近岸海域逐渐被海水淹没,水动力条件也随之减弱,随之携带的悬浮沉积物也逐渐下沉沉积,由此发育了一套海侵—海相沉积地层。

        进入氧同位素4期(MIS4),海水又开始呈现波动性下降趋势,闽北近岸海域陆架失去海水的掩盖而裸露地表,受到入海河流的冲刷和侵蚀作用,并发育了河流相沉积。不久之后,海平面又出现波动性上升,海水逐渐淹没前期发育的古河道等陆相沉积,发育了一系列海陆交互相沉积地层。最后,研究区被海水再次淹没,海水携带的沉积物逐渐下沉,开始发育海相沉积地层。

        进入氧同位素3期(MIS3)时,海平面波动性上升,闽北近岸绝大部分区域被逐渐淹没,前期裸露地表时形成的洼地和河谷被逐渐填平、掩埋,由此发育了海相沉积层。

        进入氧同位素2期(MIS2),全球气候急剧变冷,海平面出现波动性下降。此段时期,海平面下降,海水变浅,海底裸露,受河流冲刷和侵蚀,同时此区域接受了陆源碎屑沉积,发育了河流相沉积。

        进入氧同位素1期(MIS1),即全新世时期,海平面升高,海水深度由浅变深,水动力逐渐变弱,海水中悬浮的沉积物也随之开始下沉,填埋之前下伏地层中发育的河流沉积,随着时间推移,海平面逐步波动性上升,研究区发育了一系列海陆交互相沉积,直到最后,完全被海水淹没,由此演化成为海相沉积。

      • (1)通过地质岩芯(ECS1601)大量的实测资料,将闽北近岸海域沉积地层划分为6个沉积单元,从上往下分别命名为DU1、DU3、DU4、DU5a、DU5b、DU5c,根据3 500 km的浅层地震剖面资料,将其划分为5个地震层序,从上到下分别为SU1(QT0-QT1)、SU2(QT1-QT2)、SU3(QT2-QT3)、SU4(QT3-QT4)、SU5(QT4-QT5)。并将两者进行对比分析和研究推测,SU1和DU1代表全新统(MIS1),SU2代表晚更新统上组上段(MIS2),SU3和DU3代表晚更新统上组中段(MIS3),SU4和DU4代表晚更新统上组下段(MIS4),SU5和DU5a、DU5b、DU5c代表晚更新统下组(MIS5)。

        (2)通过岩芯沉积特征分析和浅层地震剖面解译,结合以往文献和资料,推测反演出研究区晚更新世以来的海平面变化对沉积过程的控制和影响的演化模式。分析认为,研究区晚更新世以来共发生了三次海进过程、两次海退过程;同时,结合海平面变化,分析了晚更新世以来的海平面变化对沉积过程的控制和影响作用,结果表明,海平面周期性波动下降,发生海退,闽北近岸区域陆架由于失去海水淹没而暴露地表,遭受入海河流的冲刷和侵蚀,由此发育了一系列河流相沉积;海平面周期性波动上升,发生海侵,其携带的沉积物也随之沉积,发育了海相地层。

    参考文献 (20)

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