江苏海岸小庙洪牡蛎礁演化模型

江苏海岸小庙洪牡蛎礁演化模型

作为一种生物礁，有一个原始的牡蛎地壳，它可以抵抗风浪，从地形上突出碳氢化合物（fagestam，1987）。现生牡蛎礁出现在河口区或有淡水注入的海湾、泻湖,从亚热带到温带都有分布。牡蛎礁是生物多样性丰富的海岸带生境(Luckenbachetal,2005;Parrasetal,2006),能促进物质和能量循环(Dameetal,1984;Dameetal,1993),净化水体(Jacksonetal,2001),稳定海岸线(Piazzaetal,2005)。近年来,美国等国开展了牡蛎礁恢复研究,基于实验和现场观测,从生物学和生态学的角度探讨水温、盐度、浊度、叶绿素a浓度、溶解氧、潮差、流速、基底高程等条件对牡蛎个体生长、种群数量变化的影响(Lenihanetal,1998;Bartoletal,1999;Lenihanetal,1999;Gangneryetal,2003;Soletchniketal,2007)。水动力和牡蛎种群动态联合模型常用于定量研究水动力条件对牡蛎种群时空分布的影响(Dekshenieksetal,2000;Livingstonetal,2000;Klincketal,2002)。水深、潮差、盐度、泥沙沉积速率和浮游藻类数量等对牡蛎礁生物群落的多样性、丰度以及补充量的影响也是近期研究的重点(Hulathduwaetal,2006;Thomsenetal,2006;Thomsenetal,2007)。此外,对牡蛎壳体在牡蛎礁表面的保存率也进行了研究(Powelletal2006)。关于牡蛎礁生长过程和物理结构的定量模型DeAlteris(1988)针对美国弗吉尼亚州James河口牡蛎礁曾经做过初步的工作,但该模型只是半定量的,并且将牡蛎礁生长速率看作是固定不变的。古牡蛎礁的分布非常广泛,从印度尼西亚到挪威的北极圈都有发现,见于中侏罗纪以来各个地质时期的浅海、海湾和河口地层中(Puckett,1994Parrasetal,2006;Pufahletal,2006)。内陆架区域还有一些由于海平面上升而淹没的全新世古牡蛎礁(Goodbredetal,1998;Wrightetal,2005),地质学家往往将古牡蛎礁作为相对海平面变化(Beamanetal1994;Chamyaletal,2003;Bruggemann,2004)和海岸线变迁(Goodbredetal,1998;Wrightetal,2005)的指示物。然而要正确解译牡蛎礁所含的古环境信息,必须首先回答牡蛎礁沉积层序的建造过程、沉积建造中区域性和局地性因素的作用、牡蛎礁所含的海平面和岸线位置的信息等重要问题。现有的碳酸盐沉积层序模型,如SEDPAK(Strobeletal,1989)、SedTec2000(Boylanetal,2002)、Carbonate3D(Warrlichetal,2002)等,都属于几何模型,其核心是碳酸盐岩生长率函数(Bosscheretal,1992),模拟中的参数设置来自对地质记录的分析和总结(Paola,2000)。已有的生物礁沉积层序模拟主要以珊瑚礁为研究对象,关于牡蛎礁的模拟研究还很少。由于珊瑚和牡蛎的生态习性极为不同,因此其沉积环境差别显著,珊瑚礁生长率函数对牡蛎礁并不完全适用,需要针对牡蛎礁发育特征进行修改。本项研究拟以江苏南部海岸现生牡蛎礁为研究对象,构建牡蛎礁从建造到被埋藏的演化过程及其与地貌-沉积环境关系的几何模型。1江苏省南海岸天然杂交礁1.1小庙洪牡蛎礁故礁小庙洪牡蛎礁位于江苏省海门市吕泗港西北约18km的潮间带下部(图1),礁区面积约3.6km2(张忍顺,2004;张忍顺等,2007)。牡蛎礁南侧为潮滩,牡蛎礁北侧紧逼小庙洪潮汐水道。据张忍顺等(2007)数据的计算,牡蛎礁顶部的平均高程约为-0.8m[以当地平均海面即1985黄海高程0.2m(赵明才等,2006)作为高程零点]。牡蛎礁顶部一般高于周围滩面1.0—1.5m,故牡蛎礁所在潮滩的滩面高程约为-2m。从暴露的礁剖面看,礁体堆积是连续的,未见间断面或碎屑沉积物夹层。造礁牡蛎有明显的沉积分层:最下部为长牡蛎(Crassostreagigas),向上渐变为以近江牡蛎(CrassostreaariakensisGould)为主,表层为活体褶牡蛎(Ostreacucullata)。小庙洪牡蛎礁体的平面形态具有分带性,在离岸方向上依次为稀疏斑状礁区、带状礁区和环状礁区。斑状礁区的礁体上有溶蚀礁芽等微地貌形态,环状礁区上则有礁塘(泻湖)、塘口与塘沟、塘口三角洲、礁墙和礁平台等一系列微地貌发育。局部礁面还常有一层厚度为10—25cm的淤泥层。礁体间潮滩的微地貌形态包括大波痕、潮汐水道边缘砂坝、贝壳堤和潮沟等。小庙洪海域的平均潮差为3.38m,大潮平均潮差大于4m,多年平均波高低于0.3m;冬季表层平均水温为4.9℃,夏季表层平均水温为27.4℃;盐度变幅不大,为27—30;海水悬沙浓度一般为0.2—0.7g/L(张忍顺,2004)。1.20年前牡蛎礁从南偏向外来，南偏需要学习长江口全新世以来的环境演变研究表明,距今2000年前小庙洪牡蛎礁所在的位置属于古长江口北支。北支封闭后,此处形成一个海湾,即三余湾(张忍顺,1985)。小庙洪牡蛎礁正是在这个地貌-沉积环境变迁中形成的,是镶嵌在长江三角洲中的碳酸盐沉积体。长江三角洲的建造始于全新世初期海进时期。牡蛎礁所在的长江北岸三角洲是经过6期河口沙坝演化而来的(许世远等,1987),其主体沙坝分别为红桥沙(7500—6500aB.P.)、黄桥沙(6500—4000aB.P.)、金沙(4500—2000aB.P.)、海门沙(2500—1200aB.P.)及崇明沙(1700—200aB.P.)、长兴沙—横沙(700aB.P.—至今)。这6期河口沙坝由西北而东南呈雁行式排列,在长江主流(南支)不断南偏的过程中,红桥沙、黄桥沙、金沙、海门沙已经先后并入北岸,成为长江北岸沿江平原的组成部分。从全新世长江口地貌-沉积环境变迁特点看,2000aB.P.以前长江口为溺谷型河口,约2000aB.P.以来,长江口向三角洲河口强化,河口逐渐外伸和缩狭(陈吉余等,1988;杨怀仁等,1995)。在河口整体形态不断向东南方向迁移的情况下,可以认为2000年前牡蛎礁所在水域的地貌-沉积环境类似今天的长江口北支口门外区域。牡蛎礁所在水域当时的水深应大于5m,属于潮汐作用为主的口外海滨区段。类比今天长江口北支口外海滨区段水深5—10m处的底层盐度空间分布状况(胡方西等,1995),2000年前牡蛎礁所在水域的底层盐度应大于26。小庙洪牡蛎礁最早期的造礁牡蛎是长牡蛎;该物种生长的盐度范围为14—37,最适盐度范围为20—26(NationalFisheriesDepartmentofKorea,1988),这应该是定殖阶段(即礁的基础开始形成的阶段)牡蛎礁生长的适宜盐度。距今1200年左右,长江河口东进到南通附近,北支也南移至通州和海门之间,海门沙成为河口的主体砂坝,原北支口门处出现了三余湾的雏形(张忍顺,1985)。距今1200—2000年期间,牡蛎礁所在水域水深减小,盐度下降。当底层盐度降低到26以下时,盐度不再成为牡蛎生长的限制因素。此时牡蛎礁位于以潮流作用为主的北支口门外约20km处,水深较大,潮流引起的再悬浮作用较弱,而径流来沙在潮流作用下大多沉积在北支口门以内,因此悬沙浓度适中,牡蛎礁有可能在此期间形成。距今950—1200年期间,长江北岸迅速从通州向东延伸至吕泗一带,三余湾的面积迅速扩大,同时长江主流继续南偏,新北支日益缩窄;大约距今950年时,北支封闭,海门沙并岸(张忍顺,1985),三余湾成为独立的海湾,其面积也达到最大,其环境朝着适宜于牡蛎生长的方向发展。近950年来,三余湾处在缓慢淤积之中,潮滩向海推进,海湾面积减小;在元朝至清康熙年间,长江口北支曾经成为主流;现在牡蛎礁顶部已高于低潮位。这些因素都是不利于牡蛎礁生长的因素。2牡蛎船发育模型的组成2.1牡蛎礁水动力条件的控制牡蛎礁演化过程是相对海平面变化、碎屑沉积和牡蛎礁生长相互作用的结果。相对海平面变化包含绝对海面变化和地面沉降,后者包括构造运动、均衡作用和压实作用等对地面高程的综合影响。相对海面变化是控制沉积物可容空间的产生和消亡的因素。牡蛎礁沉积的可容空间主要在潮间带到低潮线下10m范围内。对于某个具体的牡蛎礁,其有效可容空间取决于初始水深,并受到碎屑沉积物的制约:牡蛎礁顶部不能低于碎屑沉积层,否则牡蛎礁被埋藏。碎屑沉积作用受到沉积物供给和水动力条件这两个因素的控制。小庙洪牡蛎礁相继处于河口、海湾和潮滩环境,水动力条件复杂多变。牡蛎礁生长的主要影响因素包括:基底条件、干露时间、流速、光强、溶解氧、营养盐、水温、盐度和悬沙浓度等(Lenihanetal,1998;Lenihanetal,1998;Dekshenieksetal,2000;Livingstonetal,2000;Gangneryetal,2003;于瑞海等,2006;Soletchniketal,2007)。其中一些因素与礁体所处的水深、潮差和水动力条件密切相关。牡蛎礁的演化过程是牡蛎礁顶部高程(Ho)、牡蛎礁生长速率(Vo)、海平面高程(Hs)、相对海面变化速率(Vs)、碎屑沉积物高程(Hc)和碎屑沉积速率(Vc)相互对比的结果。当Hc<Ho<Hs且Vo>Vs时,礁体以垂向增生为主,侧向增生有限,顶部水深减小。当Hc<Ho≈Hs且Vo≈Vs时,牡蛎礁顶部位于潮间带,礁体转向以侧向增生为主,礁体面积不断扩张,向平台状演化。当Hc<Ho≤Hs且Vo<Vs时,礁体被淹没,沉积建造停止。相反地,如果相对海平面下降,牡蛎礁出露海面,机械侵蚀和溶蚀作用加剧,形成溶蚀洼地、溶蚀漏斗等负地貌形态。当Vo<Vc时,牡蛎礁有被碎屑沉积物掩埋的趋势,当Hc≥Ho,礁体即被沉积物埋藏。埋藏牡蛎礁可能由于海平面变化、水动力环境调整等原因复活;新礁体将以老礁体为基底,在沉积间断面之上继续向上建造。2.2牡蛎礁演化的定量模型在上述定性分析基础上,结合小庙洪牡蛎礁沉积-地貌演变特征,构建了该牡蛎礁演化的定量模型。模型主要由绝对海平面波动曲线、碎屑沉积物顶面高程曲线、牡蛎礁垂直生长率函数和牡蛎礁顶部高程曲线四个模块构成。模型的时间零点设为2004AD。图2显示了牡蛎礁演化模型的算法流程。2.2.1施雅风等3./a所采用的绝对海平面波动数据来自一些学者关于中国东部全新世绝对海平面变化的研究成果,数据的可信度较好(信忠保等,2006)。假设海平面变化曲线是正弦曲线,利用正弦函数分段拟合相邻-高-低两个海平面波动数值之间的绝对海平面变化曲线。近几十年来海平面上升速率加快,中国东部的绝对海平面上升速率约为3mm/a(施雅风等,2000)。为了与这个变化趋势保持一致,-300a≤t≤0的绝对海平面变化曲线采用插值的方法单独处理,所获2500年来的绝对海平面高程变化曲线Hs(t)如图3所示。高程零点为牡蛎礁水域在时间零点的平均海平面,即Hs(0)=0。如前所述,牡蛎礁最早可能形成于距今1200—2000年期间,如果暂且将模型初始时间t0设为-1600a,则Hs(-1600)=0.488m。2.2.2碎屑沉积顶面高程曲线在暴露的剖面上,未见代表沉积间断的碎屑沉积物夹层,因此认为历史上邻近区域的碎屑沉积物顶面高程一直小于牡蛎礁顶部高程。为简单起见,用牡蛎礁形成以来碎屑沉积的平均沉积速率Vc代替各时段的沉积速率。若地面沉降速率Vsub不变,为4mm/a(施雅风等,2000)则碎屑沉积顶面高程曲线Hc(t)简化为一条直线。已知现在潮滩滩面高程Hc(o)≈-2m,设初始高程Hc(-1600)=-6m,于是Vc≈6.5mm/a,由此得到Hc(t)的方程:2.2.3确定en参数借鉴SedTec2000(Boylanetal,2002)和Carbonate3D(Warrlichetal,2002)的碳酸盐岩生长率函数的构造方式,牡蛎礁垂向生长率函数为没有限制因素作用下的最大生长率和若干个独立的限制函数的乘积:式中P为最大生长率;Dn为水深限制函数,S1为盐度限制函数;S2为悬沙浓度限制函数;N为营养盐限制函数;T为水温限制函数。由于牡蛎属于广温性贝类,假设温度一直都不是小庙洪牡蛎礁生长的限制因素,即T=1。由于盐度适宜、悬沙浓度低、水体营养状况好的河口湾(或者有淡水注入的海湾)是牡蛎礁生长的最优环境,因此将S1、S2和N这三个限制函数的乘积综合为一个河口湾环境限制函数En,指示偏离河口湾的程度。于是,牡蛎礁垂向生长率函数Vo(t)化简为:确定Dn(t)的步骤如下。在碳酸盐沉积层序模拟中,未归一化的水深限制函数D的一般表达式为式中Z为水深,Z0为D=0处的水深,Zλ为光强减弱的特征水深(一般取低潮面以下10m),Zw为波浪作用为主的水动力特征水深。这个公式是根据珊瑚礁的生长规律得到的,珊瑚礁在平均海面即Z=0处,D=0,因此Z0=0。这个公式要修正后才能适用于小庙洪牡蛎礁。首先,小庙洪牡蛎礁最上部的造礁牡蛎是可以生活在潮间带的褶牡蛎(Ostreacucullata)。在理想状态下,牡蛎礁可以生长到平均高潮位,即Z0=-0.5R(R为平均潮差)时,D=0。其次,小庙洪牡蛎礁所在处的水动力一直以潮流占优势,水动力特征水深应为平均低潮位。因此上式修正为:对于小庙洪牡蛎礁,R=3.4m,Zλ=11.7m,代入(5)式后得到水深限制函数D(Z):根据上式,D(Z)在Z=3.7m时取得最大值Dm=0.5318。因此归一化的水深限制函数Dn为D(Z)和Dn(Z)的曲线见图4。在t时刻,Z(t)=Hs(t)-Ho(t)故由式(7)可得:在Carbonate3D模型中,碳酸盐岩生长率的海洋环境限制函数Uo的参数是礁平台顶部水深Zs。Zs越小,Uo越小,表明偏离海洋环境的程度越大,越不利于碳酸盐沉积(Warrlichetal,2002)。借鉴这种方法以三余湾面积S作为En的参数,构造En(S)的表达式如下:式中Sm为三余湾的最大面积,σ是调节En随S变化快慢的比例系数。根据2000年来长江口及三余湾海岸线变迁图(张忍顺,1985),再内插t=-1600a、-1400a和-700a的部分长江口和三余湾海岸线,量算出近1600年来11个不同时期三余湾的面积(图5)。据此可知,三余湾面积在t=-1600a时为247.3km2,t=-950a时达到最大,Sm=1205km2,t=-20a时仅为151.1km2。早期的小庙洪河口环境远比现在的潮滩环境适合牡蛎礁生长,因此计算En时进行了分段处理(图6):-1600a≤t≤-950a,牡蛎礁处在偏河口的环境中,σ值定性地取为2(目前尚未能做到准确地定量计算),表明河口环境整体比较适宜牡蛎礁生长;-950a≤t≤0,牡蛎礁处在偏潮滩的环境中,σ值取为0.5,表明潮滩环境不很适宜牡蛎礁生长。计算得到若干个时期的En值后,用插值的方法得到河口湾环境限制函数随时间变化的曲线En(t),如图7所示。2.2.4牡蛎礁高值牡蛎礁顶部高程变化率为牡蛎礁垂向生长率减去地面沉降速率,即其差分形式为:其中Vo(t)由式(3)给出。边界条件有两个:(1)Ho(t)<Hc(t)时,Vo(t)=0,即牡蛎礁顶部高程低于碎屑沉积物顶部高程时,牡蛎礁被埋藏,停止生长;(2)Ho(t)>Hs(t)+1.7时,Vo(t)=0,即牡蛎礁顶部高程大于高潮位时,牡蛎礁停止生长。计算中取t0=-1600a,Δt=10a,Ho(t0)=Hc(t0)=-6m,Vsub=4mm/a。取P=10、11、12、13和14mm/a,可得到相应5条Ho(t)曲线(图8)。将其与t=0时牡蛎礁顶部的实际平均高程H=-0.3m比较,可知P=12mm/a时模拟值和真实值最为接近。通过调节初始高程,可对模型进行敏感性分析。其结果表明,在所选定的σ值下,初始高程每降低1m,牡蛎礁最大生长率P需要提高1mm/a。对于-6m、-7m、-8m三种初始高程,牡蛎礁顶部都在大约330—360年前达到最大高程,且最大高程差别不大,在-0.5—-0.3m之间。牡蛎礁生长开始时以垂向生长为主,接近海平面后转向侧向扩张,因此在礁体上需要获得礁体最老层位的样品才能确定牡蛎礁定殖的时间,而目前还缺乏这方面的数据。调节牡蛎礁的年龄依次为1400a、1200a、1000a和800a,根据所采用的σ值对模型进行敏感性分析,观察顶部高程曲线的变化(今后如有确切的年代数据,可以对σ值和起始年代做相应的调整)。设牡蛎礁所在处的碎屑沉积速率保持6.5mm/a不变,t=-1600a时的滩面高程为-6m,则t=-1400a、-1200a、-1000a和-800a时的滩面高程分别为-5.5m、-5m、-4.5m和-4m。将这些高程作为牡蛎礁的初始高程,计算得到定殖时间不同的顶部高程曲线,再确定牡蛎礁沉积层位深度(自牡蛎礁顶面开始计算的厚度)和沉积年代的关系。敏感性分析表明,当牡蛎礁年龄在1200—1600年之间时,顶部高程曲线比较接近,都在t=-350—-330a之间达到最大高程,最大高程为-0.5—-0.3m,P变化小于1mm/a。当牡蛎礁年龄继续减小,顶部高程曲线差异增大,P迅速增大。若牡蛎礁的年龄为800年,则P要高达18mm/a,这是一个偏大的生长率(Bosscheretal,1992)。尽管目前尚无礁体不同层位的测年数据对Ho(t)进行直接验证,但图8显示Ho(0)的模拟值和真实值的吻合程度较好,且敏感性分析中P值变化也都在合理范围(Bosscheretal,1992)之内。若Ho(t0)=Hc(t0)=-6m,绝对海平面上升速率保持3mm/a,Vsub和Vc保持不变,三余湾面积以-80a≤t≤-20a期间的平均减少速率0.273km2/a缩小(对应的河口湾环境限制值如图7虚线所示),则根据式(11)计算,大约在250年后Ho=Hc,牡蛎礁将被沉积物掩埋(图9)。3牡蛎礁的沉积层序及其古环境图9显示了小庙洪牡蛎礁从建造到被埋藏的整个演化过程及其与沉积-地貌环境的关系。牡蛎礁形成于大约1600年前的古长江口海门沙时期,沉积-地貌环境为长江口北支口外海滨环境,水深大约6.5m。距今950—1600年期间,牡蛎礁处在河口的环境中,礁体以垂向增生为主,侧向增生有限,牡蛎礁顶部水深减小。距今520—950年期间,牡蛎礁处在海湾环境中。大约在910年前牡蛎礁开始出露于平均低潮面,礁体转向以侧向增生为主,面积不断扩张而厚度增长有限,同时开始发育礁芽等溶蚀地貌。距今约500年时牡蛎礁所在滩面的高程开始大于牡蛎礁所在水域的理论最低潮面(-3.1m),牡蛎礁进入潮滩环境。此后礁体的垂向增生速度很小,礁体的出露规模在距今330年时达到最大,顶部高程约为-0.3m。现在牡蛎礁的垂向生长几乎停滞,而潮滩沉积速率达6.5mm/a。预测牡蛎礁埋藏时的水深为1.6m,礁体总厚度为12m。小庙洪牡蛎礁这个沉积异质体在长江口三角洲沉积体系中的位置具有独特性。首先,长江口南北支具有完全不同水动力、盐度和悬沙浓度特征,只有潮流作用为主、悬沙浓度较小的北支口门附近可能成为牡蛎礁的定殖地。其次,牡蛎礁还处在地面沉降速率较大的三余湾中,否则随着长江岸线快速东进,北支封闭,还处在定殖阶段的小牡蛎礁会很快被三角洲沉积物所埋藏。最后,牡蛎礁处在湾口,而不是最先淤积成陆的湾顶,而且牡蛎礁临近小庙洪水道,属于沉积速率较低的水域。若非如此,牡蛎礁的演化史似乎应该早已结束。利用图9显示的牡蛎礁和碎屑沉积物的厚度数据,可以模拟生成牡蛎礁地层的垂向沉积层序(-1600a≤t≤250a,等时线间距为50a),如图10a所示。这个模拟的沉积层序显示了牡蛎礁堆积速率随时间的变化,以及碎屑沉积和牡蛎礁堆积之间的关系。这样一个层序是海平面变化和河口湾环境演变共同作用的结果,而不仅仅是海平面变化的结果。如果只考虑海平面变化因素,即假设En≡1,则模拟生成的沉积层序将完全不同,t=250a时,牡蛎礁将不会被埋藏(图10b)。牡蛎礁的演化具有复杂性,是气候变化、海平面变化这类区域性因素和沉降速率、碎屑沉积速率、盐度、营养盐、悬沙浓度等诸多局地性因素共同作用的结果。因此地质学家利用牡蛎礁地层的钻孔或剖面资料反演古环境时,不能将所有层序的成因都归于海平面变化,需要综合多种分析手段才可能得出正确结论。中国渤海湾西北岸全新世牡蛎礁平原俵口剖面的古环境解译就是一个很好的例子(Wangetal,1995;薛春汀,2003;范昌福等,2006)。根据图10的模拟结果,在绝对海平面相对稳定的条件下,牡蛎礁沉积层序呈现向上变薄、等时线加密的趋势。小庙洪牡蛎礁的这种沉积层序变化趋势和全新世高海平面以来世界各地的珊瑚礁沉积层序变化趋势一致(Stoddartetal,1978;Kennedy,2002),都显示7000年来珊瑚礁的生长等时线呈明显向上加密趋势,2000—3500aB.P.以来这些礁体由以垂向生长为主转为以侧向扩张为主。考察牡蛎礁顶部高程曲线,还能发现牡蛎礁顶板不一定代表海平面高度,牡蛎礁的平面位置也不一定代表岸线位置。首先,在仅有水深限制因素作用且海平面波动较小的条件下,牡蛎礁顶板水深取决于顶部造礁牡蛎的种属。小庙洪牡蛎礁顶部的造礁牡蛎是褶牡蛎(Ostreacucullata),属潮间带种,理想状态下其