Journal of Marine Sciences >

2025 , Vol. 43 >Issue 3: 60 - 72

DOI: https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-909X.2025.03.007

Sedimentary characteristics and paleoenvironmental evolution during the Late Pleistocene of core NZD01 in southern Hangzhou Bay

  • DING Hao , 1 ,
  • ZHANG Penghui , 1, * ,
  • CHEN Chao 2
Expand
  • 1. College of Oceanography, Hohai University, Nanjing 210098, China
  • 2. School of Ecologicaland Environmental Sciences, East China Normal University, Shanghai 200241, China

Received date: 2025-03-21

  Revised date: 2025-05-30

  Online published: 2025-10-15

Fold

Abstract

Given the underutilization of elemental geochemistry in paleoenvironmental and sea-level studies during the Late Pleistocene in southern Hangzhou Bay, this research employs an integrated approach using core NZD01. Combining sedimentological analysis, grain-size distributions, and key geochemical proxies (Sr/Cu, CIA, CIW, Sr/Ba, 100×(MgO/Al2O3), U/Th, Ni/Co) with AMS 14C dating and correlation of magnetic susceptibility with speleothem δ18O records, we aim to reconstruct the sedimentary evolution sequence and its responses to climate-sea level interactions. Five sedimentary facies were identified: fluvial channel, floodplain, estuarine, shallow marine and modern estuary. Grain-size characteristics indicate a hydrodynamic evolution process: from strong to relatively weak, then to stronger and more complex, followed by weak and stable, and finally to moderate conditions. Geochemical indicators reveal: (1) Sr/Cu ratios document a distinct paleoclimatic transition from arid to warm-humid and finally to semi-arid conditions with frequent humidity-aridity oscillations since the Late Pleistocene; (2)CIA and CIW values indicate weathering intensity variations: moderate weathering phase, moderate-dominated phase with localized intense weathering,moderate weathering recurrence, generally moderate phase with intermittent primary weathering, and transition from moderate to primary weathering(frequent fluctuations); (3) Sr/Ba and 100×(MgO/Al2O3) demonstrate rising paleosalinity responding to Last Deglaciation transgression; (4) U/Th and Ni/Co ratios suggest overall oxidizing conditions, with Ni/Co peaks in Unit I potentially marking extreme marine events. This study demonstrates that element geochemical approaches effectively reveal the evolutionary sequence from continental to marginal marine environments and their responses to climate-sea level fluctuations in this region.

Key words： southern Hangzhou Bay; Late Pleistocene; grain size characteristics of sediments; elemental geochemistry; magnetic susceptibility and oxygen isotopes; paleoenvironmental evolution; response to sea-level change

Cite this article

DING Hao , ZHANG Penghui , CHEN Chao . Sedimentary characteristics and paleoenvironmental evolution during the Late Pleistocene of core NZD01 in southern Hangzhou Bay[J]. Journal of Marine Sciences, 2025 , 43(3) : 60 -72 . DOI: 10.3969/j.issn.1001-909X.2025.03.007

0 引言

杭州湾作为钱塘江注入东海形成的喇叭状强潮型河口湾(图1),海陆相互作用强烈,发育较厚的第四纪沉积物,是研究晚第四纪海平面变化的关键区域[1]。其沉积记录蕴含多次海侵-海退事件及气候冷暖与干湿波动的信息,对揭示全球气候变化响应机制具有重要意义。
图1 杭州湾地区NZD01孔与相关钻孔位置图

Fig.1 The location map of core NZD01 and related boreholes in Hangzhou Bay Area

前人对杭州湾古环境演化的研究多聚焦于全新世表层沉积物的粒度特征和孢粉组合分析,对晚第四纪元素地球化学特征的解析不足,多指标综合对比的研究较为薄弱。例如,林清龙等[2]通过孢粉与微体古生物重建了杭州湾南岸慈溪地区的古气候序列;骆丁等[3]基于有孔虫和孢粉记录推测杭州湾南岸的宁波平原在晚第四纪可能存在两次海侵;王建华等[1]通过杭州湾跨海大桥钻孔资料,结合古气候与海平面变化研究,将杭州湾晚第四纪沉积相划分为三个海陆沉积旋回;夏长发等[4]的研究揭示了杭州湾南岸的钱塘江下切河谷自下而上经历了河床、河漫滩、河口湾、浅海和现代河口湾的沉积演化过程。
晚第四纪以来,全球气候经历了末次冰期、末次盛冰期、末次冰消期(具体气候事件如海因里希事件H1、波令-阿勒罗德暖期BA、新仙女木事件YD)及全新世的典型气候突变事件(包括8.2 ka冷事件、4.2 ka冷事件等)的显著变化[5]。冰期-间冰期交替伴随海水入侵、风暴、洪涝等极端气候现象。受到海平面升降与河流作用的双重影响,晚更新世以来,杭州湾南岸的宁绍平原沉积环境发生了显著变化[6]。
本研究以杭州湾南岸的NZD01孔为研究对象,整合沉积学、粒度参数与元素地球化学指标,系统研究了古环境演化与海平面变化过程,探讨沉积环境对海平面波动及区域气候事件的响应机制,为相关研究提供参考。

1 地质背景

杭州湾南岸地处长江三角洲南缘,构造上位于扬子和华夏板块交汇带[7]。晚第四纪以来的异常性升降运动(沿海平原持续沉降,丘陵地带微弱抬升)塑造了该地区显著的升降差异[7-8]。然而,构造沉降速率远低于海平面变化幅度,海平面波动是本区沉积环境演化的主控因素[8]。
本区沉积作用受物源供应(钱塘江与长江沉积物输入)、水动力体系(强潮型动力叠加河流作用)和气候-海平面旋回(冰期与间冰期旋回驱动海岸线迁移)等因素共同影响[8]。
NZD01孔(30°13'N,121°51'E)位于杭州湾南岸的宁绍平原(图1)。该区域地处钱塘江河口不稳定段,河床变迁频繁,完整保留了末次冰消期以来的海侵-海退序列及风暴沉积记录,是记录晚更新世以来海陆交互演变的理想载体[9]。

2 材料与方法

本次研究选用NZD01孔样品(孔深98.20 m,剔除顶部1.30 m的素填土),取心率>90%,样品无扰动。共测试了3 266个粒度分析样品、156个元素地球化学分析样品、357个磁化率样品,所有测试在自然资源部海洋地质实验检测中心完成。
粒度分析:采用Mastersizer 2000激光粒度仪测定粒径<2 000 μm的组分,重复误差<1%。预处理流程为:用3%H2O2去除有机质,用3 mol/L稀HCl溶解钙质壳体,离心洗盐至中性。依据福克-沃德公式计算平均粒径(MZ)、分选系数(σ1)、偏度(SK1)和峰度(KG)[10]。
元素地球化学分析:通过 X射线荧光光谱分析仪(Axios PW4400)测定常量元素(Al2O3、CaO、Na2O、K2O、MgO)和微量元素(Sr、Cu、Ba、U、Th、Ni、Co)。精度:常量元素的相对标准偏差(relative standard deviation, RSD)<2%,微量元素的RSD<5%。
AMS14C测年与年代框架构建:采用气体正比计数法(半衰期5 730 a)测年,结果经Marine 20模型校正(应用杭州湾区域海洋碳库校正值)。结合邻近钻孔层序、海岸线变迁以及磁化率与氧同位素(δ18O)气候事件对比,基于校正年龄数据(表1)建立综合年代框架。
表1 杭州湾南岸NZD01孔AMS14C测年数据表

Tab.1 AMS14C dating results of core NZD01 in southern Hangzhou Bay

测年样品编号 深度/m 测年材料 (13C/12C)/‰ 常规14C测年年龄/a BP 校正年龄/a BP
2σ范围 中间值
NZD01-1 19.65 贝壳 -0.5 3 980±30 4 084~3 872 3 978
NZD01-2 24.25 贝壳 -0.9 4 360±30 4 823~4 623 4 723
NZD01-3(不采纳) 40.00 有孔虫 -3.7 14 860±40 15 431~14 988 15 209

注:40.00 m深度有孔虫样品的测年结果(14 860±40 a BP)明显偏老,与东海海岸线在17.5~14.4 ka BP期间尚未到达研究区的历史记录矛盾,故不采纳。

3 沉积相与粒度特征

基于岩心的沉积学观察和粒度参数分析,结合沉积构造、古生物化石及地球化学指标,可将NZD01孔自下而上划分为5种沉积相(图2和图3)。
图2 杭州湾南岸NZD01孔典型沉积相特征

(a)河床相:暗红色含砾中粗砂,砾石呈棱角状,分选差;(b)河漫滩相:紫红色黏土,含透镜状粉细砂,底部含砾砂;(c)河口湾相:橄榄灰中砂与粉砂质砂-黏土质砂薄层,夹不规则泥质条带,发育透镜状层理和交错层理;(d)浅海相:灰色-灰绿色粉砂和黏土质粉砂,夹细砂薄层,含有孔虫;(e)现代河口湾相:灰色-黄灰色砂质粉砂与粉砂质黏土夹黏土质粉砂薄层互层,发育生物扰动

Fig.2 Typical characteristics of sedimentary facies of core NZD01 in southern Hangzhou Bay

图3 杭州湾南岸NZD01孔沉积物综合柱状图

Fig.3 Comprehensive histogram of core NZD01 sediment in southern Hangzhou Bay

Ⅴ段,河床相(98.20~95.80 m):以紫红色中粗砂为主,含棱角状砾石(图2a)。底部发育侵蚀接触面、正粒序层理及大型交错层理。铁锰结核富集,指示沉积后暴露在干旱气候下的氧化环境。缺乏海相化石与生物扰动。粒度以砂为主(72.64%),平均粒径为2.76Φ,分选系数均值为2.46(差),偏度均值为0.52(正偏),峰度均值为1.18(尖锐)(表2)。粒度概率累积曲线显示跳跃组分占优势,其次是悬浮组分(图4a)。粒度频率分布曲线呈单峰(峰值约为1.5Φ,图4b)。综上,该段表征强水动力河流环境,与钱塘江下切河谷河床相特征一致。
图4 杭州湾南岸NZD01孔沉积物粒度概率累积曲线与频率分布曲线

Fig.4 Grain size probability accumulation curve and frequency distribution curve of sediments in core NZD01 from southern Hangzhou Bay

表2 杭州湾南岸NZD01孔沉积物粒度特征参数

Tab.2 Grain size characteristic parameters of sediments in core NZD01 from southern Hangzhou Bay

段号 深度/m 平均含量/% 平均粒径 分选系数 偏度 峰度
砂 粉砂 黏土
Ⅰ 0.00~16.20 23.08 67.26 9.66 3.14Φ~6.89Φ/5.16Φ 0.68~2.34/1.63 -0.06~0.49/0.29 0.94~1.72/1.32
Ⅱ 16.20~53.10 6.71 71.19 22.11 1.53Φ~7.68Φ/6.51Φ 0.51~3.22/1.84 0.01~0.72/0.28 0.69~3.23/1.09
Ⅲ 53.10~77.60 64.05 29.03 9.28 1.20Φ~7.61Φ/3.75Φ 0.44~3.19/1.86 -0.16~0.77/0.30 0.68~3.35/1.25
Ⅳ 77.60~95.80 26.95 60.00 13.05 1.52Φ~7.00Φ/5.35Φ 0.77~3.17/1.92 -0.12~0.64/0.27 0.65~2.13/1.07
V 95.80~98.20 72.64 22.57 4.78 2.18Φ~3.60Φ/2.76Φ 2.23~2.91/2.46 0.34~0.61/0.52 0.63~1.64/1.18

注:3.14Φ~6.89Φ/5.16Φ表示最小值~最大值/平均值。

Ⅳ段,河漫滩相(95.80~77.60 m):主要为青灰色、深灰色砂质粉砂,局部为黄灰色粉砂质砂和青灰色黏土质砂薄层。发育有棕黄色锈斑(Fe3+氧化物)。沉积构造有透镜状层理(漫流冲刷)、水平层理及块状层理(洪泛加积)。底部见暗红色的细砂、砾石、粉砂及砾砂薄层,反映洪水期能量波动及间歇性暴露特征。该段顶部见透镜状层理、水平层理和炭斑;底部见透镜状层理、块状层理及局部炭斑富集,指示暴露于氧化环境。粒度以粉砂为主(60.00%),平均粒径为5.35Φ,分选系数均值为1.92(较差),偏度均值为0.27(正偏),峰度均值为1.07(中等)。粒度概率累积曲线形态较平缓(图4c),以悬浮组分占优,表征较弱的水动力条件。Sr/Ba比值的均值为0.22,指示了淡水环境(表3);富含植物碎屑且无海相化石,可进一步判断为陆相淡水环境。综上,该段属河流洪水间歇的河漫滩相。
表3 杭州湾南岸NZD01孔古环境变化指标参数

Tab.3 Paleoenvironmental change indicator parameters of core NZD01 in southern Hangzhou Bay

深度/m 项目 古气候/化学风化指标 古盐度指标 古氧化还原相指标
Sr/Cu CIA CIW Sr/Ba 100×(MgO/Al2O3) U/Th Ni/Co
Ⅰ
0.00~16.20		 最小值 4.21 56.77 63.13 0.31 16.73 0.17 2.12
最大值 15.58 64.99 73.55 0.39 18.60 0.21 5.88
平均值 9.48 60.89 68.35 0.35 17.49 0.19 2.47
Ⅱ
16.20~53.10		 最小值 2.92 57.69 64.35 0.22 11.10 0.14 1.80
最大值 10.05 70.65 90.42 0.36 17.94 0.20 2.65
平均值 4.83 66.04 76.00 0.29 17.03 0.16 2.43
Ⅲ
53.10~77.60		 最小值 2.89 62.03 75.60 0.08 3.56 0.18 1.05
最大值 10.64 77.72 90.90 0.21 12.76 0.25 2.23
平均值 5.40 69.15 84.01 0.11 6.97 0.21 1.73
Ⅳ
77.60~95.80		 最小值 2.67 67.69 78.12 0.12 3.94 0.14 1.02
最大值 19.10 86.01 94.14 0.28 14.37 0.22 2.60
平均值 8.02 77.79 88.65 0.22 8.20 0.18 1.93
Ⅴ
95.80~98.20		 最小值 17.50 64.73 81.51 0.16 8.41 0.15 1.12
最大值 19.68 64.85 81.71 0.20 9.42 0.27 1.30
平均值 18.62 64.79 81.61 0.18 8.91 0.18 1.21
Ⅲ段,河口湾相(77.60~53.10 m):以灰色粉砂质砂和砂质粉砂为主,夹灰色/灰黄色中细砂、黏土质粉砂带及橄榄灰色砂层。顶部含铁锰结核;中部见砾砂沉积,含贝壳碎片,发育虫孔结构,含次棱角状砾石;底部发育潮汐成因的透镜状层理、河流交错层理及水平层理,并见炭斑。粒度以砂为主(64.05%),平均粒径为3.75Φ,分选系数均值为1.86(中等偏差),偏度均值为0.30(正偏),峰度均值为1.25(尖锐)。粒度概率累积曲线呈两段式(以跳跃组分为主,占55%~70%,图4e)。粒度频率分布曲线主要呈双峰,主峰为1.90Φ~4.10Φ,次峰为5.60Φ~7.10Φ(图4f)。综上,该段反映潮汐-河流交互影响的过渡环境,水动力整体较强且复杂多变,判定为河口湾相。
Ⅱ段,浅海相(53.10~16.20 m):以灰色黏土质粉砂和粉砂为主,部分为灰色砂质粉砂,少量为灰色粉砂质砂及粉砂质黏土,局部为灰绿色黏土质砂,夹灰色黏土(底部偶见黄灰色黏土)。顶部发育水平层理(低能稳定环境);底部发育虫孔、交错层理和块状层理,并见铁锰结核。含底栖/浮游有孔虫(40.0 m)及贝壳碎片(23.1~25.4 m)(图3),证实为正常盐度的浅海环境。粒度以粉砂为主(71.19%),平均粒径为6.51Φ,分选系数均值为1.84(中等偏差),偏度均值为0.28(正偏),峰度均值为1.09(中等)。粒度概率累积曲线整体呈略向上凸起的一段式(几乎全为悬浮组分,图4g)。粒度频率分布曲线呈单峰(峰值为5Φ~7Φ,图4h)。综上,该段整体表现为低能稳定的浅海相。
Ⅰ段,现代河口湾相(16.20~0 m):以褐黄色/黄灰色的砂质粉砂、粉砂质砂(部分为灰绿色)和黏土质粉砂(部分为灰色)为主,夹淤泥质黏土、粉砂质黏土和黏土。顶部发育有透镜体、虫孔结构与泥浆贯入。粒度以粉砂为主(67.26%),平均粒径为5.16Φ,分选系数均值为1.63(中等偏差),偏度均值为0.29(正偏),峰度均值为1.32(尖锐)。粒度概率累积曲线近乎呈两段式(跳跃组分占比70%以上,图4i)。粒度频率分布曲线呈双峰(主峰为4Φ~5Φ,次峰为7.5Φ~8Φ,图4j)。综上,该段整体属于中等水动力条件的现代河口湾相。

4 沉积相年代框架

末次盛冰期(LGM,26.5~19.0 ka BP),东海海平面显著下降[11];末次冰消期(LDG,18.0~11.7 ka BP),海平面呈阶段性快速上升[11-12];进入全新世后,杭州湾南岸海平面持续快速上升,至8.0~7.6 ka BP,海水入侵达到全新世时期的最大范围,海岸线推进至杭州湾沿岸山麓地带,姚江谷地被海水贯通;此后海平面上升速率显著减缓,且波动幅度减小,研究区进入全新世高海平面时期[6,13]。杭州湾沿岸的宁波慈溪地区钱塘江下切河谷中的CX1孔记录表明,在约11.1 ka BP,海侵岸线已抵达宁波慈溪地区沿岸附近[14-15],此时的古海岸线接近NZD01孔所在区域[15]。鉴于NZD01孔点位相较于内陆的宁波平原、余姚盆地、姚江河谷以及杭州湾顶部萧山地区都更邻近古海岸,因此推测其较这些区域更早受到海侵影响[11]。区域的钻孔记录显示:宁波平原东南部低地在9.9 ka BP左右被海水淹没[13];余姚盆地东侧入口在9.2 ka BP左右遭海水入侵[16-17];姚江河谷中心区域在约8.9 ka BP遭海水淹没[16-17];杭州湾顶部萧山地区SE2孔发育为浅海相的时间约为9.5 ka BP[18]。
与基于董哥洞和葫芦洞石笋氧同位素(δ18O)记录建立的气候事件框架[19-20]对比可知,NZD01孔磁化率曲线与石笋δ18O变化趋势在关键气候事件中存在显著对应关系。例如,深度段89.65~78.46 m对应LGM(26.5~19.0 ka BP)[11],71.02~65.55 m对应H1事件(17.5~16.0 ka BP)[5],63.62~57.03 m对应BA暖期(14.7~12.9 ka BP)[5],57.03~54.32 m对应YD事件(12.9~11.7 ka BP)[5],48.16~45.26 m对应8.2 ka冷事件(图5)[5]。
图5 杭州湾南岸NZD01孔磁化率曲线(b)与董哥洞(a)、葫芦洞(c)氧同位素对比

YD—新仙女木事件;BA—波令-阿勒罗德暖期;H1—第一次海因里希事件;H2—第二次海因里希事件;LGM—末次盛冰期

(董哥洞的数据来自文献[19],葫芦洞的数据来自文献[20]。)

Fig.5 Comparison of magnetic susceptibility curve of core NZD01 in southern Hangzhou Bay (b) with δ18O records of Dongge Cave (a) and Hulu Cave (c)

(The data from Dongge Cave are from reference [19], and those from Hulu Cave are from reference [20].)

根据上述氧同位素(δ18O)曲线与NZD01孔磁化率曲线的对比分析结果可知, 在NZD01孔中,位于53.10 m 的浅海相沉积层形成时间应晚于YD事件结束时间(11.7 ka BP)。同时,本研究测得19.65 m处沉积物的校正年龄为3 978 a BP(表1)。基于上述数据,通过线性插值和平均沉积速率计算得出:53.10 m处(浅海相底部)沉积物的年龄约为11.40 ka BP,16.20 m处(现代河口湾相底部)沉积物的年龄约为3.28 ka BP。结合区域海侵历史综合分析推测,NZD01孔浅海相沉积的底部形成时间应为11.4~11.1 ka BP。鉴于文中未对53.10 m深度进行专门的高精度年代测定(此简化处理并不影响对钻孔记录所反映的气候事件进行讨论与分析),故而在后续分析中,将Ⅱ段的底界视为始于早全新世。最终,对NZD01孔各沉积相年代划分如下:
Ⅰ段为晚全新世(约为3.28 ka BP至今);Ⅱ段为早全新世(Ⅱ段底部为11.4~11.1 ka BP)—晚全新世早期(3.28 ka BP);Ⅲ段为末次冰消期(Ⅲ段底部为19.0~18.0 ka BP)—早全新世早期(Ⅲ段顶部为11.4 ~11.1 ka BP);Ⅳ段和Ⅴ段沉积时期处于末次冰期(其中Ⅳ段顶部含末次盛冰期)。

5 古气候、古环境特征分析

基于元素地球化学指标的综合解析,重建了NZD01孔沉积期的化学风化强度、古盐度和古氧化还原相演变过程(表3和图6),揭示了气候、海平面、沉积环境等方面的演化过程。
图6 NZD01孔古环境变化指标

Fig.6 Paleoenvironmental change indicators of core NZD01

5.1 古气候/化学风化程度

古气候/化学风化程度重建以化学蚀变指数(chemical index of alteration,CIA)和化学风化指数(chemical index of weathering,CIW)为核心指标[21-22]。根据CIA值划分风化程度:50.00~60.00为初级风化,60.00~80.00为中等风化,80.00~100.00为强烈风化[21]。相较于CIA,CIW可规避钾交代作用干扰[22]。通常,CIW值为50.00~60.00,指示未受化学风化;CIW>70.00,指示强烈化学风化[22]。另外,Sr/Cu比值可示踪气候的干湿变化。通常,Sr/Cu>10.00,指示干旱气候;1.00<Sr/Cu<10.00,指示暖湿气候。但在河口环境中,Sr/Cu易受陆源碎屑输入干扰,需谨慎使用[23]。本研究以CIA和CIW为主,Sr/Cu比值为辅,结合年代框架与区域事件判识气候演化。
Ⅴ段(末次冰期):CIA均值为64.79,CIW均值为81.61,Sr/Cu均值为18.62,指示中等风化、冷干气候,响应末次冰期背景。
Ⅳ段(末次冰期,含末次盛冰期):CIA均值为77.79,CIW均值为88.65,Sr/Cu均值为8.02,指示以中等风化为主,局部强烈风化。该段化学风化程度比Ⅲ段至Ⅰ段强,可能是因为冰期海平面下降导致低纬度地区陆架暴露,发生进一步的风化,从而造成化学风化作用增强[20,24]。虽然冰期全球温度降低,但低纬度地区温度仅下降2~4 ℃,且早先沉积的沉积物在适宜的温度和湿度条件下也会进一步发生化学反应,导致末次盛冰期的化学风化程度高于全新世[25]。
Ⅲ段(约为末次冰消期—早全新世早期):CIA均值为69.15,CIW均值为84.01,Sr/Cu均值为5.40,指示中等风化,反映气候整体温暖湿润。63.46~57.03 m 段CIA逐渐升高,可能对应BA暖期;顶部风化程度回落响应YD事件。
Ⅱ段(约为早全新世—3.28 ka BP):CIA均值为66.04(部分<60.00),CIW均值为76.00,Sr/Cu均值为4.83,指示总体为中等风化,局部为初级风化,反映气候整体温暖湿润。底部受全新世早期9.2 ka与8.2 ka降温事件作用,加之东亚冬季风强盛而夏季风衰弱,形成低温少雨环境,化学风化作用因此受限,最终导致CIA值普遍偏低[26]。中上部风化程度提高至相对稳定的中等风化水平,这对应于中全新世气候大暖期的暖湿环境,与同期杭州湾宁波北部海域相对稳定的风化程度表现一致[27];顶部风化程度略有降低,可能与4.2 ka冷干事件相关,这与萧山地区的气温逐渐回落及风化作用减弱趋势吻合[18]。
Ⅰ段(晚全新世,3.28 ka BP至今):CIA均值为60.89,CIW均值为68.35,Sr/Cu均值为9.48,反映风化程度相比Ⅱ段减弱,处于中等-初级风化过渡阶段,为准干旱气候,并伴随频繁的干湿波动。该段分析结果与前人对杭州湾宁波北部海域3.64 ka BP以来气候总体转凉干的研究结果相吻合[27]。

5.2 古盐度

Sr/Ba比值与镁铝比值[m=100×(MgO/Al2O3)]是重建古盐度的有效指标[12,28-29]。有关研究表明:0.27<Sr/Ba<0.66,为半咸水环境;Sr/Ba<0.27,为淡水环境[11,29]。镁铝比值与盐度正相关,但杭州湾南岸陆源碎屑中的MgO本底值偏高,需结合Sr/Ba比值综合判断[28-29]。对Sr/Ba比值和铝镁比值的分析结果如下:
Ⅴ段:Sr/Ba均值为0.18(范围为0.16~0.20),镁铝比值均值为8.91,指示为陆相淡水河流环境,与河床相沉积特征吻合。
Ⅳ段:Sr/Ba均值为0.22(范围为0.12~0.28),镁铝比值均值为8.20,指示主体为淡水环境,局部具半咸水过渡特征,与河漫滩周期性淹没的背景相符。
Ⅲ段:Sr/Ba均值为0.11(范围为0.08~0.21),镁铝比值均值为6.97,指示强淡水输入的河口湾环境,与宁波北部海域HZW1907孔记录一致[30]。
Ⅱ段:Sr/Ba均值为0.29(范围为0.22~0.36),镁铝比值均值为17.03,指示半咸水环境。末次冰消期海平面持续上升,导致盐度显著升高,而后海平面回落,进入相对稳定的全新世高海平面时期。其过程表现为:53.10~48.16 m,Sr/Ba比值快速上升,反映海侵进入研究区;48.16~45.26 m,Sr/Ba比值回落,可能受8.2 ka冷事件及古地形沉积物充填调整影响[31];40.47~22.31 m,Sr/Ba比值变化幅度变小并趋向相对稳定,可能与6.5 ka BP后海平面相对稳定相关[6]。Ⅱ段的盐度变化与海侵造成的区域变化一致:8.0~4.0 ka BP海水沿河谷漫溢,并于7.6~7.5 ka BP实现古杭州湾与古宁波湾贯通,海岸线推进至内陆山麓地带[13]。NZD01孔的盐度变化趋势与杭州湾宁波北部海域HZW1907孔及宁波慈溪地区CX1孔记录的海侵过程与盐度变化趋势相似[30,32]。而慈溪北部平原范市镇的BZK1孔(30°07'17″N,121°27'20″E)始终为河口湾相[2],表明全新世最大海侵边界位于该点位置北侧。
Ⅰ段:Sr/Ba均值为0.35(范围为0.31~0.39),镁铝比值均值为17.49,指示河口半咸水环境,与现代杭州湾河口湾水动力特征一致。对比Ⅱ段上部,Ⅰ段的古盐度呈升高趋势。该盐度差异受控于长江冲淡水路径的时空变迁:在Ⅱ段沉积时期(主要为早-中全新世),海平面处于快速上升阶段,古钱塘江-长江下切河谷水道开阔通畅,长江冲淡水得以向东及东南扩散,相较Ⅰ段时期稀释了盐度[29];至Ⅰ段时期(晚全新世),随着长江三角洲向海推进,其前缘沙坝与杭州湾北部沉积体系的发育充填共同形成有效的水动力屏障,阻碍了长江冲淡水南下输入[31,33],致使研究区所受冲淡水影响减弱,而受潮汐作用动力增强,古盐度相较Ⅱ段增大[30-31]。尽管存在上述水动力变化,鉴于钱塘江属贫沙型山溪性河流,其输送至河口区的沉积物通量有限,该时期研究区沉积物仍主要源自长江,钱塘江物源贡献占比很小[31]。

5.3 古氧化还原相

古氧化还原相是表征沉积水体溶解氧含量的重要指标,可通过氧化还原敏感元素(如U、Th、Ni、Co)比值重建[34]。其中,U/Th<0.75指示氧化环境(富氧),0.75<U/Th<1.25指示氧化还原过渡环境(贫氧),U/Th>1.25指示还原环境(缺氧)[34]。此外,Ni/Co<5.00指示氧化环境(富氧),5.00<Ni/Co<7.00指示氧化还原过渡环境(贫氧),Ni/Co>7.00指示缺氧环境[35]。
对NZD01孔的U/Th比值和Ni/Co比值(表3,图6)的分析显示:
Ⅴ、Ⅳ段指示为氧化环境,与河床、河漫滩相沉积环境特征吻合。Ⅲ段整体仍反映为氧化环境,但U/Th比值的波动减弱,可能因潮汐-河流交互作用增强及陆源碎屑输入增多,对氧化还原敏感元素的信号产生了稀释作用。在Ⅱ段,氧化环境持续占据主导,然而古氧化还原指标记录到微弱变化(具体表现为U/Th比值降低、Ni/Co比值升高),可能指示沉积环境发生局部变化(如物源输入发生变化)[31]。Ⅰ段主体表现为氧化环境,但记录到两次Ni/Co比值异常高值事件,事件期间Ni/Co比值急剧升高后迅速回落,指示在该沉积期内曾发生短期缺氧扰动。推测此类事件与风暴潮(常由台风诱发)相关。风暴潮引发的水体扰动和有机质快速沉降可能导致底部水体出现短暂但强烈的缺氧状态[11,36]。值得注意的是,此类短时间尺度缺氧事件在沉积物的Ni/Co比值记录中呈现显著响应,而U/Th比值则响应较弱[37]。
从整体趋势看,Ⅰ段和Ⅱ段的Ni/Co平均比值高于Ⅲ段至Ⅴ段。这一变化差异可能与物源转变有关:在Ⅰ段和Ⅱ段沉积时期,研究区沉积物主要源自长江[27],其沉积物富含伊利石和绿泥石,这类黏土矿物对Ni的吸附能力比Co强,致使沉积物中Ni/Co比值升高[34];反观Ⅴ段至Ⅲ段沉积时期,研究区物源以钱塘江为主[27],其黏土矿物的组成特征(如类型、含量)及元素吸附特性与长江物源不同,加之长江物源输入量远大于钱塘江[38],共同导致Ⅲ段至Ⅴ段时期与Ⅰ段和Ⅱ段时期的沉积物Ni/Co比值相比偏低。

5.4 古环境演化

自晚更新世以来,杭州湾南岸经历了多次海侵-海退旋回,沉积环境显著变化。基于古气候环境地球化学指标,可将NZD01孔自下而上划分为5个阶段:Ⅴ段(末次冰期):气候干旱、风化程度中等,为陆相淡水氧化环境。Ⅳ段(末次冰期):气候经历干旱—暖湿—偏干波动,风化程度以中等风化为主、局部为强风化,盐度微升,仍为淡水氧化环境。III段(末次冰消期—早全新世早期):气候整体暖湿,风化程度中等,盐度最低,为强陆源淡水氧化环境。Ⅱ段(早全新世—晚全新世早期):气候整体暖湿,风化程度以中等风化为主、局部为初级风化,盐度升高,对应大规模海侵的半咸水氧化环境。Ⅰ段(晚全新世至今):为准干旱气候(伴随频繁的干湿波动),风化程度呈现中等-初级风化过渡(频繁波动),盐度较高,为海陆过渡的半咸水氧化环境。

6 结论

本研究基于对杭州湾南岸NZD01孔的沉积学、粒度特征及元素地球化学分析,重建了晚更新世以来的沉积环境演化和古气候响应过程,主要认识如下。
1)NZD01孔自下而上划分为:河床相、河漫滩相、河口湾相、浅海相和现代河口湾相。粒度特征显示,水动力条件经历了“强—较弱—较强且复杂多变—弱且稳定—中等”的演变过程,总体呈水动力减弱的趋势。
2)古气候指标Sr/Cu反映研究区古气候自晚更新世以来经历了“干旱—暖湿—准干旱(伴随频繁的干湿波动)”的转变;CIA和CIW指示风化程度呈现“中等风化—以中等风化为主,局部为强烈风化—中等风化—总体为中等风化,局部为初级风化—中等-初级风化过渡(频繁波动)”的转变过程。Ⅱ段的古盐度变化与末次冰消期以来的海侵和海平面变化高度吻合。Ⅰ段的Ni/Co比值出现异常高值,推测与台风过境诱发风暴潮的影响有关。
3)沉积记录表明,全新世以来研究区受海侵影响,沉积环境经历了“淡水—淡水为主、偶发咸水入侵—半咸水”的演变过程。

References

Publishing order | Descend order by publishing year | Descend order by cited within
[1]
王建华, 周洋, 郑卓, 等. 杭州湾晚第四纪沉积与古环境演变[J]. 古地理学报, 2006, 8(4):551-558.

WANG J H, ZHOU Y, ZHENG Z, et al. Late Quaternary sediments and paleoenvironmental evolution in Hangzhou Bay[J]. Journal of Palaeogeography, 2006, 8(4): 551-558.

[2]
林清龙, 林楠, 马宏杰. 杭州湾南岸慈溪地区晚第四纪沉积与古环境演化[J]. 科学技术与工程, 2017, 17(9):1-8.

LIN Q L, LIN N, MA H J. Late Quaternary sediments and paleoenvironmental evolution in Cixi, Hangzhou Bay south coast area[J]. Science Technology and Engineering, 2017, 17(9): 1-8.

[3]
骆丁, 肖渊甫, 叶思源, 等. 宁波平原晚第四纪的古气候变化[J]. 海洋地质与第四纪地质, 2013, 33(5):155-161.

LUO D, XIAO Y F, YE S Y, et al. Palaeoclimatic changes during late Quaternary in Ningbo plain[J]. Marine Geology & Quaternary Geology, 2013, 33(5): 155-161.

[4]
夏长发, 张霞, 林春明, 等. 钱塘江下切河谷SE4孔晚第四纪沉积环境与古气候演化[J]. 古地理学报, 2022, 24(3):433-448.

DOI

XIA C F, ZHANG X, LIN C M, et al. Sedimentary environment and palaeoclimate evolution of the late Quaternary from core SE4 in Qiantang River incised valley[J]. Journal of Palaeogeography, 2022, 24(3): 433-448.

[5]
SHAKUN J D, CARLSON A E. A global perspective on Last Glacial Maximum to Holocene climate change[J]. Quaternary Science Reviews, 2010, 29(15/16): 1801-1816.

[6]
刘锐. 宁绍-杭嘉湖地区末次冰消期以来的古气候环境演化与早期人类文明[D]. 南京: 南京大学, 2017.

LIU R. Evolution of paleoclimate and environment and early human civilization in Ningshao-Hangjiahu area since the last deglaciation period[D]. Nanjing: Nanjing University, 2017.

[7]
林春明, 张霞. 江浙沿海平原晚第四纪地层沉积与天然气地质学[M]. 北京: 科学出版社, 2018.

LIN C M, ZHANG X. Late Quaternary stratigraphy, sedimen-tology and natural gas geology in the Jiangsu-Zhejiang coastal plain[M]. Beijing: Science Press, 2018.

[8]
LIN C M, ZHUO H C, GAO S. Sedimentary facies and evolution in the Qiantang River incised valley, Eastern China[J]. Marine Geology, 2005, 219(4): 235-259.

[9]
LIU R, QIN J G, MEI X. Sedimentary environment changes of the Ningshao Plain since the later stage of the Late Pleistocene: Evidence from palynology and stable organic carbon isotopes[J]. Quaternary International, 2014, 333: 188-197.

[10]
FOLK R L, WARD W C. Brazos River bar: A study in the significance of grain size parameters[J]. Journal of Sedimentary Research, 1957, 27(1): 3-26.

[11]
江凯禧. 晚第四纪钱塘江下切河谷泥质沉积物地球化学特征及其地质意义[D]. 南京: 南京大学, 2021.

JIANG K X. Geochemical characteristics and geological significance of muddy sediments in the lower incised valley of Qiantang River in late Quaternary[D]. Nanjing: Nanjing University, 2021.

[12]
YOKOYAMA Y, ESAT M, THOMPSON W G, et al. Rapid glaciation and a two-step sea level plunge into the Last Glacial Maximum[J]. Nature, 2018, 559(7715): 603-607.

[13]
吕晔. 姚江-宁波平原全新世沉积地貌演变以及对新石器文化发展的影响[D]. 上海: 华东师范大学, 2022.

LÜ Y. Evolution of Holocene sedimentary geomorphology in Yaojiang-Ningbo plain and its influence on the development of Neolithic culture[D]. Shanghai: East China Normal University, 2022.

[14]
ZHANG X, LIN C, DALRYMPLE W R, et al. Facies architecture and depositional model of a macrotidal incised-valley succession (Qiantang River estuary, eastern China), and differences from other macrotidal systems[J]. Geological Society of America Bulletin, 2014, 126(3/4): 499-522.

[15]
LIU Y, DENG L, HE J, et al. Holocene geomorphological evolution and the Neolithic occupation in South Hangzhou Bay, China[J]. Geomorphology, 2021, 389: 107827.

[16]
DAI B, LIU Y, SUN Q, et al. Foraminiferal evidence for Holocene environmental transitions in the Yaojiang Valley, South Hangzhou Bay, eastern China, and its significance for Neolithic occupations[J]. Marine Geology, 2018, 404: 15-23.

[17]
LIU Y, DENG L, HE J, et al. Early to middle Holocene rice cultivation in response to coastal environmental transitions along the South Hangzhou Bay of eastern China[J]. Geomorphology, Palaeogeogr, Palaeoclmatol, Palaeoecol, 2020, 555: 109872.

[18]
李鑫, 张霞, 林春明, 等. 钱塘江下切河谷SE2孔全新世沉积物黏土矿物特征及其意义[J]. 古地理学报, 2022, 24(2):332-343.

DOI

LI X, ZHANG X, LIN C M, et al. Characteristics and its significance of clay minerals in the Holocene deposits of core SE2 in Qiantang River incised valley[J]. Journal of Palaeogeography: Chinese Edition, 2022, 24(2): 332-343.

[19]
DYKOSKI C A, EDWARDS R L, CHENG H, et al. A high-resolution, absolute-dated Holocene and deglacial Asian monsoon record from Dongge Cave, China[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2005, 233(1/2): 71-86.

[20]
赵增祥, 万世明, 鞠梦珊, 等. 末次冰期以来南海西北部沉积物源和风化演变的Sr-Nd同位素与稀土元素证据[J]. 矿物岩石地球化学通报, 2023, 42(4):702-716.

ZHAO Z X, WAN S M, JU M S, et al. The Sr-Nd isotopic and REE geochemical evidence for the provenance and weathering evolution of sediments in the NW South China Sea since the last glacial age[J]. Bulletin of Mineralogy, Petrology and Geochemistry, 2023, 42(4): 702-716.

[21]
FEDO C M, NESBITT H W, YOUNG G M. Unraveling the effects of potassium metasomatism in sedimentary rocks and paleosols, with implications for paleoweathering conditions and provenance[J]. Geology, 1995, 23(10): 921.

[22]
YANG S Y, JUNG H S, LIM D I, et al. A review on the provenance discrimination of sediments in the Yellow Sea[J]. Earth-Science Reviews, 2003, 63(1/2): 93-120.

[23]
谢建磊, 赵宝成, 战庆, 等. 元素地球化学在古环境和古生态研究中的应用综述[J]. 上海国土资源, 2015, 36(3):64-70,74.

XIE J L, ZHAO B C, ZHAN Q, et al. Review of geochemical applications for paleoenvironmental and paleoecological analyses[J]. Shanghai Land & Resources, 2015, 36(3): 64-70, 74.

[24]
WAN S M, CLIFT P D, ZHAO D B, et al. Enhanced silicate weathering of tropical shelf sediments exposed during glacial lowstands: A sink for atmospheric CO2[J]. Geochimica et Cosmochimica Acta, 2017, 200: 123-144.

[25]
WEI G J, DENG W F, LIU Y, et al. High-resolution sea surface temperature records derived from foraminiferal Mg/Ca ratios during the last 260 ka in the northern South China Sea[J]. Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology, 2007, 250(1/2/3/4): 126-138.

[26]
GRACHEV A M, SEVERINGHAUS J P. A revised +10±4 ℃ magnitude of the abrupt change in Greenland temperature at the Younger Dryas termination using published GISP2 gas isotope data and air thermal diffusion constants[J]. Quaternary Science Reviews, 2005, 24(5/6): 513-519.

[27]
黄冬琴, 高秦, 厉子龙, 等. 晚更新世以来杭州湾沉积物黏土矿物特征及其古环境意义[J]. 浙江大学学报:理学版, 2022, 49(5):584-597.

HUANG D Q, GAO Q, LI Z L, et al. Characteristics of clay minerals in sediments of Hangzhou Bay since the Late Pleistocene and their paleoenvironmental significance[J]. Journal of Zhejiang University: Science Edition, 2022, 49(5): 584-597.

[28]
WANG Z H, ZHAN Q, LONG H Y, et al. Early to mid-Holocene rapid sea-level rise and coastal response on the southern Yangtze delta plain, China[J]. Journal of Quaternary Science, 2013, 28(7): 659-672.

[29]
WEI W, ALGEO T J. Elemental proxies for paleosalinity analysis of ancient shales and mudrocks[J]. Geochimica et Cosmochimica Acta, 2020, 287: 341-366.

[30]
高秦, 厉子龙, 陈燕婷, 等. 晚更新世以来杭州湾沉积地球化学特征对源-汇过程的启示[J]. 地球化学, 2024, 53(3):454-478.

GAO Q, LI Z L, CHEN Y T, et al. Implications of sedimentary geochemical characteristics for source-sink processes in Hangzhou Bay since the Late Pleistocene[J]. Geochimica, 2024, 53(3): 454-478.

[31]
张霞, 林春明, 杨守业, 等. 晚第四纪钱塘江下切河谷充填物物源特征[J]. 古地理学报, 2018, 20(5):877-892.

DOI

ZHANG X, LIN C M, YANG S Y, et al. Provenance for the late Quaternary Qiantang River incised-valley fill[J]. Journal of Palaeogeography, 2018, 20(5): 877-892.

DOI

[32]
陈杰. 宁波慈溪地区全新世沉积环境演化:钱塘江河口古下切河谷填充过程及其物源演变[D]. 上海: 华东师范大学, 2020.

CHEN J. Evolution of Holocene sedimentary environment in Cixi, Ningbo: Filling process and provenance evolution of ancient incised valley in Qiantang River Estuary[D]. Shanghai: East China Normal University, 2020.

[33]
王硕. 杭州湾沿岸平原新石器遗址海侵地层及极端风暴事件的数值模拟[D]. 上海: 华东师范大学, 2021.

WANG S. Numerical simulation of transgression strata and extreme storm events of Neolithic sites in the coastal plain of Hangzhou Bay[D]. Shanghai: East China Normal University, 2021.

[34]
韦恒叶. 古海洋生产力与氧化还原指标:元素地球化学综述[J]. 沉积与特提斯地质, 2012, 32(2):76-88.

WEI H Y. Productivity and redox proxies of Palaeo-oceans: An overview of elementary geochemistry[J]. Sedimentary Geology and Tethyan Geology, 2012, 32(2): 76-88.

[35]
ADAMS J A S, WEAVER C E. Thorium-to-uranium ratios as indicators of sedimentary processes: Example of concept of geochemical facies[J]. AAPG Bulletin, 1958, 42(2): 387-430.

[36]
黄光庆. 香港全新世沉积物中的风暴潮记录[J]. 地理学报, 1998, 53(3):216-227.

DOI

HUANG G Q. Storm signatures in Holocene sediments of Hong Kong[J]. Acta Geographica Sinica, 1998, 53(3): 216-227.

DOI

[37]
TRIBOVILLARD N, ALGEO T J, BAUDIN F, et al. Analysis of marine environmental conditions based on molybdenum-uranium covariation—Applications to Mesozoic paleocea-nography[J]. Chemical Geology, 2012, 324: 46-58.

[38]
HE M, ZHENG H, CLIFT P D, et al. Geochemistry of fine-grained sediments in the Yangtze River and the implications for provenance and chemical weathering in East Asia[J]. Progress in Earth and Planetary Science, 2015, 2: 1-20.

Options
Outlines

/

〈 〉