第四纪地质与环境：第八章 海平面波动与环境变迁

1、第8章 海平面波动与环境变迁 第8章 海平面波动与环境变迁 一、第四纪海平面波动的概念 二、第四纪海平面波动的标志 三、第四纪海平面波动历史 四、海平面波动的原因一、第四纪海平面波动的概念1、基本概念1）海平面：是指平均的海面，既不是高潮面，也不是低潮面。是通过多年的观测数据计算得到的一个海面位置。测量学上，大地水准面是一个标准的海平面，可向陆地延伸形成一个封闭的圈我国大地水准面是以黄海的海平面为准渤海的海平面比黄海高，东海的海平面也要高些。 我国的海平面从北到南是波状起伏的，不是一个平滑的面。海平面的概念世界海平面三个较大的隆起区域：1）一个在澳大利亚东北部海区，76米；2）第二个区域在北大

2、西洋，68米；3）非洲东南部，48米。三个较达的凹陷区域：1）一个在印度洋上，凹陷深达112米；2）加勒比海，凹陷深度64米；3）加利福尼亚以西，凹陷深度为56米。 地球洋面上至少有三个较大的隆起区和凹陷区古海平面在第四纪的古海平面研究中，有时确定的是平均海面的位置，但有时确定的是高潮面的位置，如贝壳堤、海滩岩、沿沙堤等都是高潮面的位置，而海蚀凹槽确定的是平均海平面的位置因此不能一概把所有的古海平面看成平均海面。2）海平面波动：海平面波动：是指地质历史时期海平面相对现今海平面位置的变化。短期波动，如日变动、季节性变动、年变动和偶发性变动等，主要与波浪、潮汐、大气压、海水温度、盐度、风暴、海啸等

3、因素有关，升降幅度小，局部的；长期波动，即地质历史期间的海平面变动，变动幅度大，大区域性的，甚至是全球性的。主要是研究长期的海平面变动。最直接后果是海侵或海退。导致海岸线移动，海陆变迁，对大陆架和海岸地貌、浅海与近岸沉积和矿产的基本特征产生很大影响，使海岸工程、港湾建筑遭受侵袭或废弃，河道由于基准面变化或淤或冲。研究海平面变化规律，预测其发展趋势，对研究第四纪地质、新构造运动、探索气候变化规律以及对于人类生活和生产都极为重要。2）海平面波动：概念的提出1906年，修斯提出全球性海面变动。海侵和海退是由海洋盆地容积变化引起的。30年代，R.A.戴利发展了“冰川控制”概念，并对冰川消长引起的海平面

4、升降值作了估算。60年代，板块扩张速率变动可导致洋盆容积的变化，进而控制海平面的升降。70年代，把地壳和水体当作统一平衡体系，用地球流变观点研究各区域之间海平面升降的关系。1974年“IGCP”设立了海平面研究组织，加强了全球海面变化的对比研究。当前研究重点是关于世界海面变化的起因与未来发展的趋势问题。一、第四纪海平面波动的概念2、海平面波动的类型（1）水圈体积型海平面变化地球排气过程（火山喷发）使水圈水量增加。速率：2.8mm/103a尤其在地球的早期作用明显。一、第四纪海平面波动的概念（2）冰川型海平面变化气候变化导致陆地上冰量的变化，引起海平面变化。如在第四纪冰期：下降达100m。现今冰

5、川融化：海面上升66m。现在:面积为1622多万km2，占陆地的11%(10%)左右;体积约为2600万km3。占全球淡水的69%。全部融化可使洋面上升66m。冰期时:可达世界陆地面积的1/3 (32%)。海面降低120余米。一、第四纪海平面波动的概念（3）构造运动型海平面变化构造运动既可引起全球性海面变化，也可引起局部的海面变化。如海底扩张：引起海盆容积增大，如果大洋面积增加1，海面下降44m。局部构造抬升：海面下降。一、第四纪海平面波动的概念（4）海温型海平面变化海水温度变化，海水体积变化，海平面变化。如厄尔尼诺：东、西太平洋的海面有1m的差值。另外：洋盆体积型、均衡型海面变化。二、第四纪

6、海平面波动的标志1、沉积物标志2、地貌标志3、生物标志4、同位素地球化学标志（1）泻湖沉积和泥炭泻湖(lagoon) ：杭州的西湖、无锡的太湖1、沉积物标志淡化泻湖：高于海平面咸化泻湖：低于高海面1、沉积物标志（1）泻湖沉积和泥炭泥炭(Peat)：主要发育在平均低潮的高潮和大潮极端高潮之间的海岸部分 海滨盐沼泥炭淡水泥炭：其表面与海面处在同一高度或略高咸水泥炭：其表面与海面处在同一高度或略低它们重叠的接触面为古海平面的位置1、沉积物标志（2）海滩岩形成热带和亚热带沿海，形成的时间可以短暂，一般厚度几厘米到数米。海滩岩胶结作用的上限至少是大潮平均高潮位，其下限相当于大潮平均低潮位 海滩岩的下限可

7、作为海平面的位置。海滩岩海滩岩田横卧海滨，似一座雄伟“长城”南海长城 受溶蚀的岩田形成千姿百态的巨洞 2、地貌标志2、地貌标志（1）海蚀凹槽和海蚀穴海蚀凹槽：是沿着海平面发育向陆地凹入的线状凹槽。海蚀凹槽最深的部位为平均海平面位置，而上下的转折部分为高潮面和低潮面的位置。若凹槽很宽-当时的潮差大；横剖面梯形-海平面垂直位移小于潮差；深窄的楔形-指示海平面垂直位移小，海平面经历了较长时间的稳定。（1）海蚀凹槽和海蚀穴海蚀穴（sea cave）：是形成于海平面附近,深度（向陆地方向）大于宽度（沿海岸线方向）的洞穴。海蚀穴指示海平面位置与海蚀凹槽相似。2、地貌标志（1）海蚀凹槽和海蚀穴海蚀凹槽（2）

8、海蚀崖和波切台海蚀崖：在海蚀过程中，海岸线后退，海岸崩塌形成的悬崖峭壁。当海蚀凹槽不断扩大，其上面的岩石因失去支撑而倒塌，就形成海蚀崖。波切台：是沿着平均海平面向陆地延伸并向海洋方向缓倾斜的基岩台地，有时有少量的砾石和沙粒的堆积物。2、地貌标志2、地貌标志（2）海蚀崖和波切台 海蚀崖底部-海平面位置波切台横剖面的中点，或沿海岸线波切台中点的连线基本上可以代表平均海面的位置，而顶部界线和下部界线是高海面和低海面的位置。2、地貌标志（3）砾滩和沿岸沙坝砾滩形成高能区，分布于潮间带，且多沿高潮线分布，常形成平行于海岸线的砾石堤，所以是高海面的良好指示物。沿岸沙坝沿海岸线分布，沙坝的底界基本与高潮线处

9、在同一高度。水下沙坝形成于小于10m的水深范围内。2、地貌标志（4）贝壳堤贝壳堤形成于海面稳定，河流提供较丰富的泥沙量，有明显的沿岸流的海岸区，其延伸方向与海岸线平行，位于高潮线位置。一般认为贝壳堤的底板（贝壳堤与下伏沉积物的界面）作为平均海面的位置比较恰当，而贝壳堤的顶部不宜作为海平面位置的标志。三大古贝壳堤美国圣路易斯安那州古贝壳堤南美苏里南古贝壳堤沧州古贝壳堤：共有6道，东西跨度约为31公里，分别形成于距今六七千年至一千多年左右。（1）沈庄-东孙村贝壳堤。（2）苗庄一同居贝壳堤。（3）许官-武帝台-沙井子贝壳堤（4）脊岭泊刘洪博贝壳堤。（5）歧口-狼坨子贝壳堤（6）歧口-赵家堡低潮贝壳堤

10、。3、生物标志（1）珊瑚礁坪台当海面稳定时，珊瑚礁平铺发展，但厚度不大；当海面上升或海底下沉时，形成的礁层厚度较大，礁体可发育成塔形、柱形，也有的礁体可深溺于海面以下成为溺礁。当海面下降或地壳上升时，形成的礁层厚度也不大，也有的礁体可高出海面成为隆起礁。滨珊瑚、菊花珊瑚、蜂巢珊瑚、鹿角珊瑚等珊瑚骨骼堆积形成。生活的水深：85m。指示：平均大潮低潮位。3、生物标志（2）牡蛎礁和藤壶牡蛎和藤壶岩石海岸的生物，生活在潮间带。牡蛎礁的顶面：指示低潮位位置。藤壶：平均高潮位平均低潮位之间。 最高不超过最高潮位。藤壶附着在海边岩石上一簇簇灰白色、有石灰质外壳的小动物。它的形状有点象马的牙齿，所以生活在海边

11、的人们常叫它“马牙”。藤壶的生长时间较短，季节性海平面变化。 3、生物标志（3）有孔虫大海里的小巨人有孔虫是单细胞动物。有石灰质壳壳上多小孔由此溢出许多丝状的假足。有孔虫属原生动物门有孔虫亚纲，从寒武纪到现在一直都存在着。 3、生物标志（3）有孔虫利用有孔虫的组合进行海平面位置的确定。滨海沼泽：盐砂虫、砂竖口虫、棕硅粟虫。高盐沼泽：缝裂假穹背虫、拟异虫、平脐虫、球旋虫。高位沼泽：胖砂轮虫、瘦瘪砂轮虫、窄瓣砂轮虫。3、生物标志（4）介形虫奥陶纪出现到现代。介形虫是生长在水域中的无脊椎动物。大的像米粒，小的肉眼看不清，通常只有0.51毫米大小。它的模样，形形色色，有圆形的，长方形的，三角形的，还有

12、全身长满疣和刺的，或全身光滑的。 3、生物标志（4）介形虫有淡水和咸水。不同的水深介形虫的分异度（种的数目）和丰度（标本的数目）不同。潮间带：分异度和丰度都非常低。潮上带：低分异度、高丰度。海平面以下：分异度和丰度变化的趋势相同4、同位素地球化学标志海洋沉积物（有孔虫壳体）的18O值增加，海平面下降；其值降低，海平面上升。18O值的0.1的变化，代表海平面10m的变化。末次冰期，1.41.6 ，指示海平面140160m的变化。与同时代有关的各种古海面指示范围（据Badykov，1986）1海蚀崖基部；2海蚀平台后部；3海蚀凹槽；4窝穴；5海蚀穴；6滨海堆积阶地面；7水下堆积阶地面；8海滩与上部

13、水下岸坡的堆积；9潮汐平原堆积；10泻湖堆积；11滨海泥炭沼泽；12软体动物壳体；13造礁珊瑚；14海滩岩；15鲕粒；16陆区；17波切凹地最大范围；18波切凹地的平均位置；19平均高潮位；20平均海平面；21平均低潮位；22水下岸坡海平面波动标志（小结） 沉积学：泻湖沉积和泥炭；海滩岩地 貌：侵蚀地貌；堆积地貌生 物：珊瑚、有孔虫、介形虫同位素：18O1、前第四纪海平面波动概况2、早、中更新世海平面波动3、晚更新世海平面波动4、全海平面波动5、现代海平面变化趋势三、第四纪海平面波动历史三、第四纪海平面波动历史1、前第四纪海平面波动概况 1、前第四纪海平面波动概况在亿年的尺度上，海面波动可达3

14、00m以上。在新生代：三个高海面（古始新世、中新世中期、上新世），三个低海面（渐新世晚期、中新世晚期、第四纪）。1、前第四纪海平面波动概况 在古近纪和新近纪海平面变化可划分出6个旋回，分别为60、49.5、39.5、29、22.5、6.6和2.8Ma，每个旋回由缓慢的海面总体上升与大幅度急剧下降所构成。其中最显著海平面下降事件发生在29Ma BP，海平面从200m左右直落到了接近200m的高度，变化幅度达400m。1、前第四纪海平面波动概况 在我国出现了两个比较显著的高海面时期，一是始新世，全国多处发生海侵，是新生代最为温暖的时期，当时北京的年均气温为1520。二是上新世，当时中国东部发生大面

15、积海侵，海水入侵到渭河、汾河流域。2、早、中更新世海平面波动根据地层中的证据，而地貌证据受到一定程度的破坏。在地中海沿岸地区，保存有较好的海成阶地，并认为这些海成阶地的形成可与阿尔卑斯山地区冰期和间冰期对比，在间冰期形成高海面，而在冰期形成低海。但在第四纪的早期，即使是冰期，其海面也比现今高得多。2、早、中更新世海平面波动地中海地区海平面波动与阿尔卑斯山地区冰期和间冰期可对比（据Frenzel，1973）由于各地区新构造运动的差异，又未能扣除它们的影响，因此对海平面升降值估算差别较大，如霍尔姆斯（1965）和兰道尔夫（1973）的估算值就比较大。全球第四纪冰期和间冰期海平面波动（据杨怀仁数据绘

16、）在中更新世，出现了几次高海面，时间分别为640-590ka BP、520-460ka BP、360ka BP、300-260ka BP、220-180ka BP。2、早、中更新世海平面波动中国早、中更新世的海平面波动主要根据东部平原和大陆架上钻孔资料获得。在华北平原，早更新世初的海侵可达北京东面的通州，称北京海侵（古地磁年龄2.43Ma B P），此后发生了渤海海侵（1.5Ma B P），兴海海侵（1.0Ma B P）。在黄海、东海以及南海也出现过高海面。2、早、中更新世海平面波动3、晚更新世海平面波动（130-11kaB.P.）3、晚更新世海平面波动晚更新世包括了一个末次间冰期和末次冰期，

17、海平面总体上从早期到晚期是一个下降过程，但期间存在一些波动。（1）末次间冰期（13075ka BP）末次间冰期（Last Interglacial Age）相当深海沉积物氧同位素的第5阶段（MIS5），该阶段又可分为三个次一级的温暖期（MIS5a、c、e）和两寒冷期（MIS5b、d），其中MIS5e最温暖，在欧洲称为艾姆间冰期（Eemian）。3、晚更新世海平面波动根据新几内亚海成阶地珊瑚礁台和深海钻孔V1930岩芯氧同位素阶段的对比研究，显示了在120ka B P（MIS5e）、100ka B P（MIS5c）、80ka B P（MIS5a）三个相对高海平面时期，并可与巴巴多斯岛的巴巴多斯I

18、II、巴巴多斯II和巴巴多斯I对比。在这个时期，总体上为高海平面时期，但多数时间的海平面比现今低，只有在MIS5e时海平面比较现今高618m。（1）末次间冰期（13075ka BP）新几内亚海平面波动与深海氧同位素阶段对比（据N. J. Shacklrton，1986；补充）横坐标上的1、2、3、4、5、6为深海氧同位素阶段在中国的华北地区，这个时期发生了白洋淀海侵和沧州海侵，出现高海平面。在黄海、东海、南海也发生海侵。（2）末次冰期（Last Glacial Age）末次冰期气候寒冷，相当深海氧同位素的第4、3、2阶段，这个时期的海平面波动也非常的剧烈，总体上是一直下降，在2515ka B

19、P达到最低，而后快速回升，但是在不同的时期海平面的高度还是不一样（图721）。世界各地海平面的高度在末次冰期的不同时期是不一样的，在60ka BP为1124m，40ka BP为2140m，3025ka BP为2067m，18ka BP为85145m。末次冰期海平面波动（据苍树溪等，1986）1、海相地层；2、孔口高度线；3、未经校正的海面曲线；4、经初步校正的海面曲线中国东部海平面发生了下降回升的两个旋回波动。第一个旋回发生在氧同位素第4、3阶段。在70-40ka BP阶段，即大理冰期早冰阶，中国东部发生全面的海退，海平面普遍下降，黄海海岸线位于75m处，东海的海岸线在100m左右，称为黄海海

20、退。而渤海露出大面积陆地，形成了陆相沉积。在40-30ka BP阶段，相当氧同位素第3阶段晚期，全球气候温暖湿润，中国东部发生海侵，称太湖海侵，海平面上升，当时的海平面只比现今低8-10m。第二个旋回发生在氧同位素的第2阶段，时间在3010ka BP，这个时期为末次冰期最强盛时期，在中国称为大理晚冰阶。这个时期的早期，海平面急速下降，在1815ka BP（LGM），中国东部海平面达到最低，海岸线位于150160 m。渤海和黄海露出海面，长江向东推进了约600km，称为东海海退。1510ka BP，气候转暖，但波动还是比较剧烈，称晚冰期，海平面逐渐回升，上升到3020 m。中国东部海平面波动与世

21、界海平面变化对比（据曹伯勋，1995） 中国东部在末次冰期盛冰期的海岸线位置（据张兰生，1992） 4、全新世海平面波动4、全新世海平面波动三种观点：全新世海平面经历了上升最高下降的变化。初期海平面的上升较快，可达8mm/a，在6ka BP达到最高，比现今高约23m，然后逐渐下降稳定在现今的海平面的位置上。认为在全新世没有高海面时期，一直是逐渐上升到达目前的海平面位置；还有的学者认为在5-3.6ka B P就达到了现今的海平面高度，而后就一直稳定到现今。全新世海平面波动与气候波动曲线对比（据赵希涛等，1992） 4、全新世海平面波动4、全新世的海面波动我国的全新世海平面波动经历了三个阶段，即上

22、升最高下降上升阶段（106ka BP）：由于气候的转暖，海平面快速上升。在108ka BP期间，海平面从约40m上升到1520 m；到86ka BP已上升到5 m。高海平面阶段（65ka BP）：从北到南都发生了海侵，渤海称为黄骅海侵，海岸线相当现今向西推进了80100ka；东海称为镇江海侵，海岸线达沭阳洪泽镇江常州杭州一线，长江口退缩到镇江。这个时期的海平面比现今高2-4m。下降阶段（50ka BP）：海平面在波动中下降，达到目前的海平面位置。在渤海湾西岸，留下了这个时期海平面下降形成的四道贝壳堤，贝壳堤VI（4.74ka BP）、贝壳堤III（3.83ka BP）、贝壳堤II（2.51.6

23、ka BP）、贝壳堤I（正在形成中）。5、现代海平面变化趋势指现代冰期结束之后20世纪以来的海平面变化。主要根据世界各地观测站的资料进行研究。这些观测资料表明，近100多年以来，世界各地的海平面都是在上升，上升的速率在1.25.5mm/a之间，我国的上升速率较小，在0.081.05mm/a之间。由于温室效应的影响，两极地区的冰川正在融化，海平面有上升的趋势。我国近几十年来的海平面变化周期约10年，幅度在1040cm之间。渤海湾、长江三角洲几东海沿岸、北部湾在未来的几十年海平面可能处在上升趋势，而辽东半岛、山东半岛等地可能表现为下降地趋势。从全新世海平面变化规律来看，未来几十年或几百年中，海平面

24、变化的幅度可能不会超过3m。5、现代海平面变化趋势四、海平面波动的原因一类称为全球性海平面变化，这是消除了海底的水均衡作用后的海平面变化，认为这是真正的海平面变化。另一种称为相对海平面变化，是指大陆与海洋水面之间的相对运动。两种原因并不相同，如后者可由局部性的地壳运动、冰川的均衡作用、水的均衡作用、沉积物的压实作用、冰流的引力作用等。但有时这两者的海平面变化难以分开，我们常获得的海平面变化是这两者累加的结果。四、海平面波动的原因（一）水圈体积型海平面变化由于水圈的水量变化而引起的，认为火山喷发使地球的水圈水量增加，从而导致海平面变化，并认为可产生2.8mm/103a的海平面上升速率。但不少学者

25、认为地球上的水量没有多大的变化，火山喷发带来原生水，但沉积作用和化学作用地壳又吸收了一部水，两者处在平衡状态。这在地球的早期可能起作用，但随着地壳的增厚，作用已不明显了。（二）冰川型海平面变化这种原因是由于气候变化导致陆地上冰量的变化，引起海平面的波动。基本的机制是，当冰期时，海洋中的一部分转移到大陆以冰川的形式存在，使海平面下降；而在间冰期时，陆地上的冰川融化注入海洋，使海平面上升。具有全球性，是第四纪海平面波动研究的主要原因之一，且被很多事实所证实，如冰期时全球海平面都表现出降低，而在间冰期海平面上升。海平面变化的幅度达100m，有人估计若南极和北极的冰川全部融化，可使现代海平面上升66m

26、。Flint（1972）估计了当第四纪冰期的劳伦特冰盖和斯堪地纳维亚冰盖全部融化，使海平面分别上升74m和34m。由于人类排放的CO2的增加，温室效应的日趋严重，两极冰川不断融化，可能是未来海平面上升的主要原因。（二）冰川型海平面变化冰川型海平面变化机制 （三）构造运动型海平面变化构造运动既可造成全球性海平面变化，也可引起局部的海平面变化。海底扩张，使洋盆容积增加，导致海平面下降，如果大洋面积增加1，海面将下降约40m。如果大洋脊体积增加，可导致海平面的上升。海底扩张具有节奏性，因而可引起海平面的阶段性的升降。大洋板块与大陆板块的挤压作用，可使海平面上升。另外，还有局部的构造运动造成海平面的局

27、部变化。当地壳运动上升时，局部地区的海平面相对下降；当构造运动下降时，海平面相对上升，在海平面以下有埋藏的古海岸线。这些是局部的，不具有全球性。因此，在进行全球的海平面变化对比时应注意扣除这部分变化。（四）大地水准面型海平面变化全球的大地水准面不是一个平滑的曲面，而是凹凸不平的，这主要是由于地球重力和地球转动不均一性引起的，如我国从北到南的海平面的高程不相等，而是起伏的。如在新几内亚近代大地水准面存在76m的“隆丘”，马尔代夫有140m“凹陷”。在经度5060的距离内，垂直高差达180m。 （五）海温型海平面变化海水温度的变化使海水体积发生变化，从而引起海平面变化。当温度升高时，体积膨胀，海平