珠江三角洲第四紀沉積物初始沉積年齡及沉積演化

鄭思琦，林振文，李出安，李冠華，莊文明，李詩穎，羅俊超，陽峰，李雨龍

1.廣東省海洋地質調查院，廣州 510062

2.汕頭大學海洋災害與防護廣東省重點實驗室，汕頭 515063

珠江三角洲地處中國廣東省中部、南中國海北部陸緣。該區域為西江、北江和東江的入?？?，河海作用強烈，第四紀沉積發育。自20 世紀70—80 年代以來，前人對珠江三角洲第四系開展了大量的沉積學和放射性碳同位素（14C）、光釋光（OSL）及熱釋光（TL）等測年研究，對三角洲第四紀以來的沉積過程形成了較為統一的認識，但在初次海侵和沉積時間上存在較大的爭議，對于更新世海平面波動與沉積演化缺少精細的刻畫[1-7]。多數學者認為珠江三角洲的沉積開始于4 萬年前，初次海侵發生于距今3.5～2 萬年[3,8-11]，沉積了上更新統禮樂組和全新統桂洲組兩個沉積單元[1]。珠江三角洲普遍發育的花斑黏土或氧化色砂層（三角層）被認為是晚更新世晚期MIS2（Marine Isotope Stages）盛冰期的風化層[1,10,12-15]，這與長江三角洲第一硬黏土層相一致[15-16]，其頂界被普遍認為是全新統與上更新統的分界線[1,17]。

近年來，隨著調查研究的持續深入，前人在三角層之下發現了一層花斑黏土或氧化色砂層[18]，被認為是形成于MIS4 低海面期的沉積[19]，定名為光明村層，其下伏的大套灰色沉積物被定名為南沙段，形成于MIS5。最新的沉積物OSL 年齡也顯示，三角洲初次海侵時間始于約10 萬年前[20-24]。Xu 等[24]在三角洲中部中山地區HPQK01 孔底部獲取了最新的沉積物post-IR IRSL 年齡為147±17 ka，認為珠江三角洲的沉積始于約15 萬年前。

本次研究區位于西江磨刀門水道與伶仃洋交界處海岸帶（圖1a），是研究珠江三角洲第四系沉積演化歷史的關鍵地區。本文利用多個第四系鉆孔，在詳盡的地層學研究基礎上，對各沉積單元和風化黏土層開展AMS14C、OSL 等年代學研究，旨在進一步界定珠江三角洲初始沉積與初次海侵等時間，精細刻畫三角洲的沉積演化過程，為構建珠江三角洲乃至華南第四系沉積演化提供參考。

圖1 珠江三角洲區域（a）與橫琴地區（b）第四系及鉆孔分布簡圖Fig.1 Distribution of the Quaternary sediments and the locations of borehole in the Pearl River Delta (a) and the Hengqin area (b)

1 區域地形地貌

珠江三角洲主要由珠江水系的西江、北江、東江帶來的沉積物在河口灣堆積而形成的復合型三角洲（圖1a）[1]，其基底的形成時間為白堊紀初期—新近紀[1]。三角洲內部遍布丘陵、臺地和殘丘，珠江流域各江河在內部匯合分汊，形成復雜河網后經8 個口門注入河口灣（伶仃洋和黃茅海），形成了獨特的“河網-口門-河口灣”三角洲系統。珠江三角洲西部、北部和東部被丘陵山地環繞，南瀕南海，形成三面環山、一面向海的馬蹄形的海灣地勢，且向海一面有眾多島嶼屏蔽（圖1a）。三角洲第四系的平均厚度約為25 m[1,14]，在磨刀門口附近的沉積厚度較大，最厚達63～64 m[14,25]。

2 鉆孔位置及樣品特征

2.1 鉆孔特征與地層劃分

本次研究區位于西江入?？谀サ堕T水道東側，橫琴中心溝處（圖1）。自西往東共布設了5 個鉆孔（包括GCZ02—05 和SWZ03），鉆孔均打穿第四系至基巖（圖1b）。在綜合分析沉積物特征、結構構造的基礎上，選取了以上鉆孔開展年代學研究，并對GCZ05 及SWZ03 孔開展粒度、微體古生物、磁化率等研究，在綜合前人研究的基礎上對第四系進行地層劃分，結果如下（粒度與微體古生物另著文發表）。

第四紀沉積物自下而上分為上更新統禮樂組和全新統桂洲組。上更新統禮樂組自下而上分為南沙段、光明村層、石排段、西南鎮段和三角層；全新統桂洲組自下而上分為杏壇段、橫欄段和燈籠沙段（圖2 和圖3）。

圖2 橫琴地區第四系鉆孔柱狀圖及測年結果Fig.2 Quaternary stratigraphic correlation and dating results in the Hengqin area

圖3 橫琴地區SWZ03 孔巖芯照片Fig.3 Photographs of SWZ03 cores in the Hengqin area

（1）南沙段：河流相砂礫層。SWZ03 孔的層底埋深為47.10 m，厚2.10 m（圖3）。

該層僅在SWZ03 孔揭露，其直接覆蓋于基巖之上，未見有孔蟲、介形類等微體古生物，巖性為含礫粗中砂，礫石約占10%，礫徑為2～6 mm，粗砂的含量約30%，中砂的含量約55%。該層存在自下而上粒度變細的特征。

（2）石排段：三角洲前緣汊道沉積。GCZ05 孔的層底埋深為44.00 m，厚6.05 m；GCZ02 孔的層底埋深為49.00 m，厚11.00 m；SWZ03 孔推測層底埋深為45.00 m，厚5.59 m；GCZ03 和GCZ04 孔未發育。

該層直接覆蓋于侏羅系花崗巖風化殼之上，為黏土質粉砂與粉砂質砂互層（圖3），未見有孔蟲和介形類，含有硅藻。硅藻主要為半咸水種Cyclotella striata，零星含海水種。

（3）西南鎮段：三角洲前緣淺灘沉積。GCZ05孔的層底埋深為37.95 m，厚7.15 m；GCZ02 孔的層底埋深為38.00 m，厚6.00 m；SWZ03 孔的層底埋深為39.41 m，厚4.83 m；GCZ03 和GCZ04 孔未發育。

該層為深灰—灰黑色黏土質粉砂夾含砂黏土質粉砂層，未見有孔蟲及海相介形類，硅藻的豐度低，以半咸水種Cyclotella striata為主，含有少量的淡水種Aulacoseira ambigua、 半 咸 水 種Coscinodiscus divisus和海水種Coscinodiscus oculatus。

（4）三角層：陸相花斑狀黏土、潛育化黏土層（圖3）。不同鉆孔中厚度差別較大，GCZ05 孔的層底埋深為30.80 m，厚0.60 m；GCZ02 孔的層底埋深為32.00 m，厚5.50 m；GCZ03 孔 的 層 底 埋 深 為35.64 m，厚6.64 m；GCZ04 孔的層底埋深為23.04 m，厚5.34 m；SWZ03 孔的層底埋深為34.58 m，厚13.43 m。

該層的花斑狀黏土是低海面時期沉積層出露地表遭受風化形成的。GCZ05 孔為潛育化黏土層，即在長期積水環境中，地層被水覆蓋，未遭受風化剝蝕，沉積物處于還原環境，形成非氧化色的灰色、青灰色黏土。該層有孔蟲的豐度低，屬種少，僅見玻璃質殼Rotalidium annectens，未見海相介形類，硅藻僅見Cyclotella striata。

在GCZ02、GCZ03 和SWZ03 孔的花斑黏土層中見深灰色—灰色黏土夾層（圖2、圖3），其中GCZ02和SWZ03 孔見2 層深灰色黏土夾層，下黏土夾層的層底埋深分別為29.76 m（GCZ02）和33.45 m（SWZ03），厚0.26 m（GCZ02）和0.22 m（SWZ03）；上黏土夾層的層底埋深分別為28.61 m（GCZ02）和32.00 m（SWZ03），厚0.25 m（GCZ02）和4.03 m（SWZ03）；GCZ03 孔見1 層深灰色黏土夾層，層底埋深為33.55 m，厚0.42 m。夾層中見有孔蟲、介形類和硅藻，有孔蟲全部為反映高鹽環境的瓷質殼類有孔蟲；介形類的豐度和分異度較低，為反映河口環境的Bicorncythere bisanensis、Neomonoceratina delicate和Pistocythereis bradyformis；硅藻以半咸水種Cyclotella striata為絕對優勢種，含有少量的海水種，不含淡水種。微體古生物特征反映沉積環境為水深較深的河口灣環境。

（5）杏壇段：河流相砂礫層，偶含腐木塊體。GCZ05 孔的層底埋深為30.20 m，厚3.63 m。

該層僅在GCZ05 孔中揭露，巖性為灰黃色砂礫，偶夾腐木、腐敗植物種子等。該層上部夾深灰色黏土，夾層的微古生物指示水動力條件較強，可能為潮汐水道環境。

（6）橫欄段：海相河口灣沉積。GCZ05 孔的層底埋深為26.57 m，厚9.57 m；GCZ02 孔的層底埋深為26.50 m，厚7.50 m；GCZ03 孔的層底埋深為29.00 m，厚5.00 m；GCZ04 孔的層底埋深為17.70 m，厚3.90 m；SWZ03 孔的層底埋深為21.15 m，厚4.00 m。

該層為深灰色含砂黏土質粉砂，偶含有機質和貝殼碎屑。微古生物以反映較深水的屬種為主，有孔蟲以Ammonia beccarii vars.和Elphidium hispidulum為優勢種，介形類以S.impressa、N.delicate和B.bisanensis為相對優勢種；硅藻在垂向上種群分布略有不同，中上部以半咸水種和海水種為主，頂部以海水種為主。

（7）燈籠沙段：海陸交互相的前坡-潮灘沉積。GCZ05 孔的層底埋深為17.00 m，厚12.00 m；GCZ02孔的層底埋深為19.00 m，厚13.50 m；GCZ03 孔的層底埋深為24.00 m，厚20.00 m；GCZ04 孔的層底埋深為13.80 m，厚8.80 m；SWZ03 孔的層底埋深為17.15 m，厚10.75 m。

該層為褐灰色—深灰色黏土質粉砂，富含蠔殼、雙殼類、瓣腮類等貝殼碎屑。研究區普遍存在一層貝殼黏土質粉砂夾層，貝殼碎屑的含量達35%，直徑為0.1～2.5 cm，厚0.06～0.60 m，貝殼破碎程度較高。燈籠沙段有孔蟲以A.beccarii vars.、Quinqueloculina seminula、Elphidium hispidulum為 相對優勢種，介形類以S.impressa為絕對優勢種，硅藻以半咸水種Cyclotella striata為絕對優勢種。

2.2 樣品特征

根據鉆孔的分層特征，選取各個鉆孔的典型位置進行采樣測試。AMS14C 測年選擇GCZ02—05和SWZ03 孔重要層組頂底位置進行采樣（表1），共計11 件，樣品以木屑和葉子為主（9 件），部分為蠔殼、藤壺等貝殼碎屑（2 件）。OSL 測年選擇GCZ05和SWZ03 孔巖芯中下部黏土質粉砂、含礫粗中砂及粉砂質砂進行采樣（表2），共計5 件。

表1 AMS 14C 樣品特征及測年結果Table 1 AMS 14C sample characteristics and the dating results

表2 OSL 樣品特征及測年數據Table 2 OSL sample characteristics and the dating results

3 測試方法

3.1 AMS 14C 測年

在理想樣品的前提下，AMS14C 的測年上限為55 kaBP[26]，優選年齡范圍不超過25～35 kaBP[24,27-31]。本次樣品的前處理和AMS14C 測試在中國科學院廣州地球化學研究所14C 專用加速器質譜實驗室進行。炭質、腐木及植物根系樣品化學采用酸堿酸前處理方法，制作石墨靶，后裝入樣品盤進行測試。加速器質譜儀型號為美國國家靜電公司（NEC）CAMS 500，加速器型號為1.5 SDH，端電壓0.5 MV。測試采用OX2（NIST SRM 4990C）作為主標準，IAEAC7 作為次級標準驗證測試的準確性。筆者利用CALIB 8.20 程序（http://calib.org/calib/calib.html）將慣用年齡校正為日歷年齡。校正曲線的選擇方面，貝殼等選用Marine 20 校正曲線，腐木、炭屑等采用Intcal 20 校正曲線。區域海洋碳儲庫效應參考Yu 等[32]關于現代南海的平均值ΔR=-25±20 a 進行校正。

3.2 光釋光測年（OSL）

本次光釋光樣品的前處理和測試在廣州大學地理科學與遙感學院的光釋光實驗室完成。測試過程如下：首先，制備細顆粒石英樣品（4～11 μm），并取少量樣品進行紅外信號檢測，確定樣品中是否有長石殘留。細顆粒樣品在Daybreak 2200（美國）光釋光儀上測定。該系統藍光光源波長為470 nm，半寬5 nm，最大功率為60 mW/cm2；紅外光源波長為880 nm，半寬10 nm，最大功率為80 mW/cm2。測片的輻照在801E 輻照儀中進行，其90 Sr—Y β 放射源的照射劑量率約為0.05 Gy/s。樣品采用簡單多片再生法獲得等效劑量值，用飽和指數方法進行擬合。

4 測試結果

AMS14C 測試結果除2 個超過檢出限外，其余均在檢出限以內（表1、圖2）。沉積物年齡結果整體隨深度增加而增大，僅存在一處年齡倒置現象，即GCZ05 孔11.05 m 處的7 516 cal.aBP 大于15.60 m處的1 755 cal.aBP（圖2）。

OSL 結果除1 個樣品低于檢出限，其余樣品均得出具體年齡值（表2、圖2）。其中測得的最老年齡為SWZ03 孔埋深47.10 m（光釋光樣品厚度為5 cm）處的含礫粗中砂年齡，為102.52±6.14 ka，最新年齡為SWZ03 孔埋深21.10 m 處的含砂黏土質粉砂年齡，為7.20±0.43 ka。年齡數值隨著深度的增大而增加，無年齡倒置現象（圖2）。

OSL 測試樣品中OSL-3 和OSL-5 位于第四系底部，沉積物的顆粒較粗，為較單純的河流和三角洲前緣汊道沉積，且年齡值與AMS14C 測年結果呈現較好的線性關系。OSL 測得橫欄段底部的年齡與相應位置的AMS14C 年齡值相一致；測得西南鎮段 頂 部 年 齡 為53.75±5.00 ka，與 同 位 置 的AMS14C 測年結果相比偏大（表2、圖2），結合多個測年結果認為該位置取AMS14C 測年結果較合適，即42.61～43.32 kaBP。綜合分析，全部AMS14C 和部分OSL 年齡值較為準確，舍棄53.75±5.00 ka 這一數據，取西南鎮段頂部年齡為42.61～43.32 kaBP。

5 討論

5.1 珠江三角洲底界年齡和初次海侵時間

關于珠江三角洲初始沉積和初次海侵年代，有兩種主流觀點，一種通過大量的14C 測年和部分光釋光測年，測得的第四系樣品最大年齡范圍為57～32 kaBP，認為珠江三角洲沉積開始于末次冰期間冰階（MIS3），約35～30 kaBP 發生晚更新世的海侵[1,3,5-6,11,33-37]；另一種是Yim 等[20]通過對香港地區樣品進行U 系測年，結果為130.5±50.3 和142±20 kaBP，因此認為珠江三角洲初次海侵發生于末次間冰期MIS5e 時期，Zong 等[21-22]和Tang 等[23]的研究也支持這一觀點。近年來隨著第四系測年方法的發展，郭良田等[38]通過OSL 測年得出下部地層的最大年齡為135.6±3.6 ka，認為珠江三角洲晚更新世海侵可能發生于距今4～10 萬年期間；Yu 等[39]采用石英光釋光測年和長石post-IR IRSL測年，得到第四系底部年齡為88.5±6.1、98.2±8.3 和113.6±13.8 ka，認為晚更新世海侵開始于MIS5 階段；Xu 等[24]通過對沉積物中的長石進行post-IR IRSL 測年，得到的最老年齡為147±17 ka，故而認為珠江三角洲的初始沉積開始于MIS6 階段，晚更新世海侵開始于MIS5 階段，MIS4—MIS2 經歷了長時間的沉積間斷，至中全新世發生全新世的海侵。

本次研究得到SWZ03 孔南沙段底部含礫粗中砂的最老年齡為102.52±6.14 ka，為晚更新世早期，屬于MIS5c 階段。受OSL 測年方法的限制，年齡值可能被低估，其結果代表該位置年齡的最小值[24,40-41]，因此，橫琴地區第四紀初始沉積可能早于MIS5c 階段。

之后發生晚更新世海侵，研究區進入三角洲前緣沉積環境。依據石排段底部年齡54.49±2.12 ka（GCZ05 孔）和西南鎮段頂部年齡42 609 cal.aBP（SWZ03）、43 323 cal.aBP（GCZ05）推斷，初次海侵開始的時間應早于42 kaBP，早于前人普遍認為的35～30 kaBP[1,3,5-6,11,33-37]。結 合 南 中 國 海 海 平 面 變 化 記錄[20,39,42-43]，MIS5 海平面與現代海平面相當，MIS4—MIS2 海平面波動下降，由MIS4 階段的-40 m 下降至MIS2 的-120 m。研究區石排段的層底埋深約為-45 m，西南鎮段的層頂埋深約為-32 m。海平面需大于-32 m 才可沉積出三角洲前緣相砂泥互層和黏土層，故推斷初次海侵開始時間早于MIS4。

結合本次年齡數據、珠江三角洲其他鉆孔年齡（表3）和海平面變化記錄，推斷珠江三角洲晚更新世海侵開始于MIS5 階段，海侵前的河流相沉積可能早于MIS5c 階段。

表3 珠江三角洲晚更新世初始沉積和初次海侵的測年數據Table 3 Dating results of initial deposition and the first transgression during late Pleistocene in the Pearl River Delta

5.2 珠江三角洲全新世海侵時間

近年來，多名學者對珠江三角洲全新世海侵時間、最大海侵范圍和時間等進行了研究（表4），Liu 等[15]分析了三角洲中部大鰲平原PRD05 孔，認為全新世海侵開始于約16.7 ka，約10.1 ka 海水侵入到大鰲平原并在PRD05 孔沉積河口灣環境沉積物；時翠等[47]通過對珠江口鉆孔的年代學研究，認為12 kaBP 珠江口低洼谷地開始受到海侵影響，并在6～5 kaBP 期間海平面達到最高值；謝葉彩等[19]對珠江三角洲中部區域鉆孔進行分析，得出末次盛冰期發育古河谷和河間地兩種地貌單元，中部地區下切河谷自9 kaBP 開始接受泥質沉積；最大海侵于大約7 ka 出現，導致在古河間地風化層之上發生海侵超覆；周良等[48]對珠江三角洲西緣的鉆孔沉積物進行測年分析，得出約11 kaBP 開始發生全新世的海侵，至6～5 kaBP海平面上升至最高。

表4 珠江三角洲全新統底部的測年數據Table 4 Dating results of the lowest Holocene in the Pearl River Delta

橫琴地區測得的三角層花斑狀黏土頂部的年齡為11 536 cal.aBP（GCZ02），與之相接近的年齡分別為采自GCZ05 孔的10 218 cal.aBP、GCZ04 孔的7 877cal.aBP 和SWZ03 孔的7.20±0.43 ka，這些樣品均位于橫欄段底部，橫欄段的沉積環境為海相的河口灣環境，是全新世海侵時形成的。橫琴地處珠江口磨刀門水道與伶仃洋交界處，位于珠江三角洲向海一側，故接受全新世海侵沉積的時間應早于三角洲內部。因此推斷全新世海侵珠江三角洲重新接受沉積的時間應該為11.5～10.2 kaBP。

收集前人鉆孔及全新世底部年齡數據，并將其校正為日歷年齡（表4），結合以上年齡數據和海平面變化記錄，推斷珠江三角洲于約11 kaBP 開始接受全新世海侵沉積，三角洲向海一側先接受沉積，海水沿河谷上溯，河谷中充填泥質沉積物。隨著海平面的上升，河間地及三角洲內部開始發生海侵超覆。

GCZ05 孔測年結果顯示出一處年齡倒置現象，其相應的沉積物特征也存在一定的變化。11.05 m處沉積物為貝殼黏土質粉砂夾層，貝殼碎屑的含量顯著高于燈籠沙段，發生了貝殼的聚集。珠江三角洲是受臺風暴潮影響較為嚴重的地區，推測這一年齡倒置現象可能的原因是沉積環境受到如風暴潮等強大外力作用，使得已經死亡沉積的貝殼發生再次搬運，聚集沉積，故其測年數值大于下層原地埋藏的貝殼樣品。

5.3 珠江三角洲時間框架及環境演化過程

鉆孔顯示，花斑狀黏土中普遍出現1—2 層深灰色黏土夾層，厚度不一，且在不同鉆孔中差別較大（圖3、圖4），夾層將花斑黏土分為下、中、上三層（圖3）。深灰色黏土夾層年齡為32 254 和10 313 cal.aBP（表1、圖2、圖4），西南鎮段頂部年齡為42 609 cal.aBP，與花斑狀黏土同時期形成的潛育化黏土層底部年齡為43 323 cal.aBP。以上年齡可以分為兩組，一組為約43～32 kaBP，一組為10～7 kaBP，表明不同層位花斑黏土的形成時間不同，下花斑黏土的形成時間為43～32 kaBP，屬于末次冰期間冰階MIS3 階段，中、上花斑黏土形成時間早于10 kaBP，屬于末次冰期晚期MIS2 階段，中、上花斑黏土所夾深灰色黏土為小范圍短暫性海水入侵的結果。

圖4 珠江三角洲鉆孔中多層花斑黏土分布對比（a）及鉆孔分布圖（b）ZK4 據付淑清等[52]；深圳新民SX97 據余素華等[49]；OL62 和OL48 據黃鎮國等[33]修改。Fig.4 Distributions of the mottled clay layers in the Pearl River Delta boreholes (a) and of boreholes (b)Data of ZK4 was modified from Fu et al.[52]; SX97 in Xinmin, Shenzhen was modified from Yu et al.[49]]; those of OL62 and OL48 were modified from Huang et al [33]].

珠江三角洲內多個鉆孔顯示出兩層至多層風化層的現象（圖4），黃鎮國等[33]對珠江口外伶仃島海域2 個鉆孔的上下兩層風化層進行AMS 測年，結果顯示下風化層的年齡早于31.06～28.75 kaBP，上風化層的年齡早于9.4 kaBP；深圳新民的第四系剖面也顯示出上下兩個風化層，下風化層的年齡為30.36±0.58 kaBP，上 風 化 層 的 年 齡 早 于7.08±0.12 kaBP[49]；武漢地質調查中心在中山黃圃施工的鉆孔ZK4 自上而下顯示有6 個風化層，其中第二層風化層的年齡為41 kaBP，第一層風化層的年齡早于10 kaBP[52]，其余風化層年齡未知。以上結果表明，整個珠江三角洲是一個連續的沉積體系，MIS3—MIS2 期間存在多次的海平面變化，具體為約40 kaBP 海平面降低，珠江三角洲處于風化剝蝕環境而形成下風化層；約30 kaBP 海平面上升，三角洲區域接受沉積直至MIS2 晚期，MIS2 晚期海退形成中、上風化層，爾后約11 kaBP 發生全新世海侵。

目前關于珠江三角洲沉積旋回存在著四旋回[35]、三旋回[1,33,45]、兩旋回[5,21,34,36,46,53]等多種劃分方案。綜合珠江三角洲的鉆孔巖性認為，珠江三角洲沉積物主要為兩套沉積旋回，經歷了兩次大范圍的海侵和一次海退事件，分別為始于晚更新世早期（MIS5 階段）的海侵、始于全新世早期（MIS1 階段）的海侵及MIS2 階段晚期的海退。在晚更新世海侵期間，相對海平面發生過多次波動，導致沉積物花斑色與深灰色交替出現的現象，被大部分珠江三角洲鉆孔記錄的為MIS3階段相對海平面波動。

6 結論

（1）珠江三角洲第四紀初始沉積早于102.52±6.14 ka，即開始于MIS5c 階段，初次海侵開始于MIS5階段。全新世海侵的時間約為11 kaBP（MIS1階段）。

（2）珠江三角洲第四紀以來經歷了至少2 次規模較大的海侵和1 次海退。三角洲初次海侵開始于晚更新世早期（MIS5 階段），于晚更新世晚期（MIS2 階段晚期）發生大規模海退，之后在全新世早期（MIS1 階段）再次海侵，形成了至少三層風化黏土層。晚更新世海侵過程中海平面顯著波動，其中在約40 kaBP（MIS3 階段）海平面顯著降低，形成下風化黏土層；約30 kaBP 海平面上升，三角洲重新接受沉積至MIS2 晚期，之后海平面大幅降低形成中、上風化黏土層。