2019, Vol. 49
2. 青岛海洋科学与技术国家实验室海洋地质过程与环境功能实验室，山东 青岛 266061;
3. 国土资源部青岛海洋地质研究所，山东 青岛 266071
南黄海是一个地理位置独特的半封闭陆架海，接受黄河、长江所携带的巨量泥沙物质，同时受到来自陆地的流域演变和来自西太平洋边界流变化的双重影响[1-2]，记录了丰富的全球变化以及人类活动信息。黄河是多沙少水的游荡性河流，其河口的位置及流路曾多次迁移和变动。历史上，黄河的入海口位置常在黄河沿岸的江苏和渤海沿岸的山东、河北、天津等地摆动，分别注入黄海与渤海。在过去的2000年间，黄河较大规模的改道共发生了26次，当中南迁注入淮河的改道有14次。其中1128—1855年700多年间，黄河一直流入黄海，直到1855年黄河北归，导致江苏北部的黄河下游流路发生废弃，形成了废黄河[3]。研究黄河改道对南黄海沉积环境的影响，对于揭示黄海—渤海物质交换、泥沙收支平衡和泥质沉积区的演化有重要的科学意义。已有一些关于黄河改道的报道主要集中在黄河口、渤海地区等离现代黄河较近的海区，分析了黄河改道前后现代黄河三角洲地区及渤海中部泥质区的柱状沉积物，研究表明岩心样品沉积物特征都有差异明显的上下分段的特性[4-5]。前人研究显示远离现代黄河口、废黄河口的济州岛西南远端泥质区也已受到了1855年黄河改道事件的影响[6]，有理由推断距离废黄河口较近的南黄海中部海区来说，黄河改道使得陆源物质输入量和淡水的入海量发生剧变，这会使该海域的沉积环境及沉积物物源发生相应的变化，也可能在沉积记录中得以保存。有孔虫作为保存海洋沉积环境信息重要载体，是研究海洋生态学的良好材料，也是推断古环境和恢复古地理的重要标志。近海有孔虫是对环境变化极其敏感的种群，有孔虫群落演变有可能作为识别黄河改道的良好指标。目前，对黄河改道在南黄海的沉积记录研究还主要集中于苏北废黄河河口三角洲地区[7-9]，而在离河口相对较远的泥质区关于黄河改道的报道还较少。本文主要基于采集自南黄海中部泥质区的柱状沉积物岩心，对样品中的底栖有孔虫群进行定性、定量分析，结合岩心的210Pb测年、粒度分析数据，研究1855年黄河改道事件的沉积记录，探讨黄河改道事件对研究区沉积环境的影响。
1 研究方法 1.1 样品采集研究区位于南黄海中部泥质区，岩心YSL04(见图 1)位于泥质区距离苏北废黄河口较近的西南边缘(122°29.384′E，34°29.144′N)，水深62 m。该岩心长175 cm，由DDC4-2型重力取样器于2012年2月采集。随后，于室内对该岩心进行分割，粒度样品分样间隔为0.25 cm，其他样品分样间隔2~5 cm，样品装入塑料样品袋中密封保存，待用。
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(据苏纪兰[10]等，2004改。The base map was modified from Su, 2004. ) 图 1 沉积物岩心位置及南黄海环流图 Fig. 1 Sampling station of core sediment and regional circulation pattern in the South Yellow Sea |
首先将约10 g沉积物样品烘干后装入专用的测试样盒密封15天。随后对各样品进行无损坏的多种核素的同时直接测量。所用仪器为多道高纯锗井型探测器(OrtecHPGe GWL)γ谱分析系统，由美国EG&G公司生产，过剩210Pbex直接由总210Pb扣除226Ra得到。该方法测试相对误差 < 10%。210Pb的标准样品由英国利物浦大学提供，137Cs和226Ra的标准样品由中国原子能研究院提供。放射性210Pb的测定在中国科学院南京地理与湖泊研究所湖泊沉积与环境重点实验室完成。
1.2.2 沉积物粒度分析取样品0.1~0.6 g，置于烧杯(100 mL)中，并加入H2O2(10%)溶液10 mL，为去除样品中有机质，需水浴加热1 h，采用的水浴温度为60 ℃。对样品进行离心，随后加入少量蒸馏水，浸泡12 h以上，再加入10 mL的(NaPO3)6溶液(0.05 mol/L)，且进行2 min超声波分散，之后采用Mastersizer2000型激光粒度测量仪进行测定，采用1/4 Ф粒级间隔采集数据，应用McManus的矩法公式计算粒度参数。该分析重复测试的相对误差小于2%。
1.2.3 沉积物有孔虫鉴定鉴定前需于烘箱内50 ℃烘干样品，所得的干样称取20 g，置于烧杯(500 mL)内，并加入H2O2(10%)溶液10 mL，浸泡足够时间使样品充分分散。随后使用铜筛对样品进行分选，采用的标准铜筛孔径为0.063 mm，对样品冲洗直到冲出的水中不含泥。将铜筛之上余下样品放于50 ℃烘箱内烘干，待用。有孔虫鉴定和统计在OLYMPUS SZX16双目显微镜，原则上每个样品需统计200~300枚有孔虫壳体，对于不透明的胶结壳的有孔虫鉴定，需用加水润湿法鉴定。如果样品中有孔虫数目过多，需采用缩分法进行鉴定; 而样品中有孔虫数目过少时，则需在鉴定前用CCl4浮选，同时在显微镜下对底样挑选出未浮出的壳体，确保有孔虫不被遗漏。在完成单个样品鉴定后，统计有孔虫百分含量、分异度和丰度等参数。
2 结果 2.1 沉积物岩心粒度特征和年代框架 2.1.1 沉积物岩心粒度特征YSL04柱样沉积物粒级组成和粒度参数如图 2所示。该岩心粒级组成以粉砂为主，平均含量为61.29%;粘土次之，平均含量为24.84%;砂含量最少，平均含量为13.87%。岩心的平均粒径介于5.31~7.86 Φ之间，平均为6.59 Φ。根据粒级特征的差异，YSL04柱样大致可分为两段：上段(0~106 cm):砂含量较多，平均含量为21.34%，最高可达41.23%，粘土含量相对较少，平均含量为20.71%;平均粒径介于5.31~7.82 Φ，平均为6.11 Φ，上段沉积物明显较下段沉积物粗。下段(106~175 cm)：砂含量明显减少，含量介于0.13%~8.24%，平均含量2.23%，粘土含量相对较多，平均含量为31.27%;平均粒径介于6.84~7.86 Φ，平均7.33 Φ，下段沉积物较细，明显区别与上段。另外，YSL04分选系数表现为从上到下变大的趋势，峰态和偏态则表现为从上到下变小的的趋势。两段沉积物粒度特征差异明显，反映了水动力特征和物质来源的差异[11]。
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图 2 YSL04岩心粒度组成和粒度参数特征 Fig. 2 Plots of grain sizes and grain parameters of core YSL04 |
YSL04柱样210Pbex的测量结果如图 3所示，沉积物10 cm以上层段210Pbex强度波动性较强，表明岩心在此段发生一定程度的扰动; 而在10 cm以下的层段，210Pbex强度具有随深度增加呈指数衰减的特征，该衰变曲线总体上较好，拟合曲线相关系数达到了0.84，可以揭示该岩心的年代总体框架; 从40 cm以下层位，210Pbex趋于稳定，接近背景值。采用作图法(CRS模式)求得沉积速率为0.67 cm/a。前人通过对渤海、黄海沉积物210-Pb放射性活度进行了测定，建立了210Pb沉积速率较为详细的空间分布模式，表明南黄海中部泥质区沉积速率一般小于0.5 cm/a[12-13]，与本次测得的沉积速率属于同一数量级。根据沉积速率计算所得的1855年层位位于柱样沉积物的105.19 cm处。另外，岩心的粒度数据表明，柱样沉积物以106 cm为界分成差异明显的两段，而这种差异可能是由于1855年黄河改道引起的(将在后文中详细讨论)，该分段层位与沉积速率计算所得的1855年改道位置较为吻合，故而本文采用106 cm为黄河改道的位置。
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图 3 YSL04柱样210Pbex垂向分布 Fig. 3 Vertical distribution of 210Pbex in the core sediments of YSL04 |
鉴定了YSL04柱状中的42个样品，共获得有孔虫9 649枚，分属17属25种，绝大多数为底栖类型，仅见1种浮游种类。YSL04柱状样底栖有孔虫的丰度(N/g)、简单分异度(S)、复合分异度H(s)见图 4。有孔虫丰度介于41~73枚/g之间，平均54枚/g，自上而下呈逐渐变小的趋势; 有孔虫简单分异度(S)在6~12种之间，平均10种，复合分异度H(s)介于1.07~1.66之间，平均1.37。底栖有孔虫壳质以玻璃质壳为主，平均含量高达94.3%，似瓷质壳次之，平均含量为5.7%，未发现胶结质壳。
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图 4 YSL04柱样有孔虫丰度(N/g)、简单分异度(S)、复合分异度H(s)与常见属种相对含量 Fig. 4 Downcore variations of abundance(Test number per gram dry sediment), benthic foraminiferal species number, compound differentiation and relative abundance(%) of common benthic foraminifera in core YSL04 |
该岩心有孔虫复合分异度H(s)与简单分异度(S)变化趋势相似，大致可以106 cm为界分为上下两段：上段平均简单分异度(S)为10种、平均复合分异度H(s)为1.43，在有孔虫壳质方面，玻璃质有孔虫含量较高，似瓷质有孔虫含量较低; 下段平均简单分异度(S)为8种、平均复合分异度H(s)为1.25，玻璃质有孔虫含量较低，似瓷质有孔虫含量较高。
在该柱中连续分布以及含量较多的仅11种，它们含量之和占全部有孔虫总量的90%以上(见图 4)。其中以Protelphidium tumberculatum(具瘤先希望虫)含量最高，岩心中变化不大，含量介于40.7%~70.9%之间，平均含量58.9%。另外还有Ammonia ketienziensis(结缘寺卷转虫)、Cavarotalia annectens(同现孔轮虫)以及Cribrononion subincertum(亚易变筛九字虫)3个主要优势种也占有相对高的比例，平均含量分别为11.57%、11.2%以及8.85%。常见属种平均相对含量由高到低依次是：
Protelphidium tumberculatum(具瘤先希望虫)58.88%、Ammonia ketienziensis(结缘寺卷转虫) 11.57%、Cavarotalia annectens (同现孔轮虫) 11.20%、Cribrononion subincertum(亚易变筛九字虫) 8.85%、Elphidium advenum(异地希望虫) 2.13%、Ammonia compressiuscula (压扁卷转虫) 2.08%、Hanzawaia mantaensis(曼顿半泽虫) 1.30%、Lagena spp.(瓶虫诸种) 0.93%、Fissurina spp. (缝口虫诸种) 0.82%、Globigerina spp.(抱球虫诸种) 0.50%、Buccella frigida(冷水面颊虫) 0.31%、Quinqueloculina spp.(五玦虫诸种) 0.27%。
2.2.2 底栖有孔虫R型因子分析与组合演变对YSL04柱样42个样品中含量较多且连续的10种底栖有孔虫进行R型因子分析，通过方差最大化旋转的因子的分析结果显示出3个主要因子，这3个因子的累积方差贡献为85.403%(见表 1)。
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表 1 YSL04有孔虫R型主因子载荷矩阵 Table 1 R-mode rotated factor matrix of common benthic foraminifera in core YSL04 |
因子1：方差贡献率为35.612%，包含的属种有A.compressiuscula、A.ketienziensis、H.mantaensis、Lagena spp.和Fissurina spp.，为A.ketienziensis-A.compressiuscula组合，在整根柱样中上段(0~106 cm)层位具有较大的因子得分(见图 5)，而在上段85~106 cm的层位又存在因子得分向上逐渐变大的过渡段，并在85 cm以上的层段达到相对稳定。A.ketienziensis在该组合中含量最高，是典型的低温、窄盐种类，现在主要生活于东海北部和南黄海水深较大的海洋环境中。该组合中所包含的属种在因子1上均为正载荷，且多为窄盐的陆架浅水分子，说明因子1代表了盐度相对正常的海水环境。
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图 5 YSL04柱样R型因子得分变化趋势图 Fig. 5 Downcore variations of change in R-mode factor score in core YSL04 |
因子2：方差贡献率为28.805%，包含的属种有P.tumberculatum和B.frigida，为P.tumberculatum-B.frigida组合。其因子得分在整根柱样中较为一致，变化不大(见图 5)。P.tumberculatum在该组合中含量最高，是典型的北方型冷水因子; B.frigida虽然含量较低，但在因子2上有较高的正载何，其主要分布于现代世界海洋冷水区，是中国黄海、渤海及沿岸第四系常见种，系浅海凉水种，因子2代表了海水温度的变化。
因子3：方差贡献率为20.986%，包含的属种有C.annectens、C.subincertum和Quinqueloculina spp.，为C.subincertum-C.annectens组合，P.tumberculatum在因子2与因子3内载何均较高，反映其受两种因素的共同影响。在整根柱样中下段(106~175 cm)层位具有相对较大的因子得分(见图 5)，而在上段85~106 cm的层位存在因子得分向上逐渐变小的过渡段，并在85 cm以上的层段达到相对稳定，与因子1呈现此消彼长的变化趋势。C.subincertum与C.annectens在该组合中含量较高，两者均为近岸浅水广盐种，Quinqueloculina spp.为低盐浅水种在因子3上也具有较高正载荷，因子3代表了低盐环境。
根据该柱各层位底栖有孔虫R型因子分析结果和属种组成及其含量的变化特征(见图 4)，可以将该柱自下而上划分出2个阶段，各阶段含有各自特征性的有孔虫组合：
阶段1(柱深106~175 cm)：为P.tumberculatum-C.subincertum-C.annectens 组合。该组合以P.tumberculatum(平均含量56.97%)、C.subincertum(平均含量11.29%)和C.annectens(平均含量11.18%)为优势种，其他常见种A.ketienziensis和A.compressiuscula在该组合中含量明显降低，Quinqueloculina spp.在该组合中含量相对较高。
阶段2(柱深0~106 cm)：为P.tumberculatum-A.ketienziensis组合。该组合以P.tumberculatum(平均含量62.32%)和A.ketienziensis(平均含量13.02%)为优势种，其他常见种C.subincertum在该组合中含量降低，Lagena spp.(平均含量1.44%)及Fissurina spp.(平均含量1.27%)为该组合中特有的属种，且含量均超过1%，H.mantaensis(平均含量1.87%)在该组合中含量也明显高于阶段1(平均含量0.28%)。
3 讨论1128—1855年间，黄河南徙注入黄海的700多年里，大量的泥沙输入南黄海，三角洲不断发育，最终在废黄河口附近形成面积达9 000 km2的陆上三角洲和25 000 km2水下三角洲[14]。YSL04岩心位于距离苏北废黄河口较近的南黄海泥质区西南边缘，从柱样的粒度特征来看，虽然在106 cm处发生突变，分成明显的两段，但是在柱样各段内粒度特征较为单一，并无明显变化。这说明虽然南黄海所处的海域环流复杂多变[15]，但该岩心在突变发生前后均长期受到稳定物源与水动力条件的影响。前人研究表明废黄河三角洲沉积物是南黄海中部泥质区沉积物的重要来源[16-17]。而1855年后，黄河北归流入渤海，进入黄海的泥沙骤减; 黄河径流量的减少，并在枯水期断流，陆海之间的沉积动力平衡被打破[3]，使得研究区的水动力与物源也发生了变化，并结合本文210-Pb测年所得到的沉积速率与粒度变化特征，可基本断定1855年黄河改道是造成YSL04岩心柱样上下两段沉积物差异的主要因素。廖永杰等[5]通过对渤海中部柱样沉积物分析表明，黄河改道使得距离现代黄河口较近的渤海泥质区沉积环境由滨—浅海沉积相变为前三角洲、三角洲前缘沉积相。本研究区位于距离废黄河口较近南黄海中部泥质区，其情况则刚好相反，表现为黄河改道前，受黄河河流作用影响，为前三角洲沉积环境，水动力条件相对较弱，沉积物粒度较细; 黄河改道之后，河流输入沉积物中断，废黄河三角洲进入侵蚀状态，且侵蚀作用主要发生于冬季风浪作用较强的季节，导致沉积物颗粒总体上变粗，而该处也演变成浅海沉积环境。
YS04柱中玻璃质壳有孔虫是占绝对优势的类群，其平均含量达到了94.3%，大量的玻璃质壳有孔虫的出现则说明研究区长期以近岸浅海的沉积环境为主[18]。该岩心柱样有孔虫上段丰度较下段增加，简单分异度与复合分异度变化相似，均呈现上段有孔虫分异度较大，下段则较小的特征，且整体数值较低。有孔虫丰度及分异度是沉积环境的良好标志，一般认为从浅水区向深水区，从近岸向远海方向，有孔虫丰度增大，从岸边到陆架外缘，分异度逐渐增大，分异度越高，越接近正常的海洋沉积环境[19]。丰度和分异度的变化规律反映了黄河改道使得该柱附近地区海水盐度变化，改道前由于沉积物的大量堆积，岸线向海推进，研究区离废黄河口较近，受黄河入海淡水的影响，研究区水体受到黄河入海河水的影响，盐度相对较低; 改道后，由于水动力条件增强，加之泥沙断绝，苏北岸线发生快速侵蚀后退，仅1855—1890年期间岸线蚀退距离达12.3 km，平均每年后退342 m[20]，研究区离岸相对较远，且不再受黄河淡水影响，盐度上升，接近正常海水盐度。
研究区岩心柱样发现的有孔虫种属较为单调，P.tumberculatum在整根柱样含量最高，是典型的北方型冷水因子，代表相对低温的环境，它不仅是白令海、鄂霍次克海、日本海浅水种的优势种，也是中国东、黄、渤海沿岸的广盐性种，在南黄海西北部主要见于黄海沿岸流冷水分布区[21]，该有孔虫的大量出现可指示低盐的浅海冷水环境。另外岩心中还出现了B.frigida，虽然含量较低，仅占0.31%，其主要分布于现代世界海洋冷水区，是中国黄海、渤海及沿岸第四系常见种，系浅海凉水种[19]，反映了研究区受黄海沿岸流影响较强。但二者的变化趋势却相反，P.tumberculatum上段较下段含量低，B.frigida则上段含量较高。造成这种差异的原因，主要是由于改道前，沿岸流携带的北方冷水与废黄河水混合，研究区受废黄河和黄海沿岸流的共同作用; 改道后，废黄河的影响缺失，研究区则主要受黄海沿岸流影响，因而水温降低，B.frigida含量有所升高，同时因为盐度升高导致P.tumberculatum一定程度的减少。
该岩心下段(106~175 cm)有孔虫为P.tumberculatum-C.subincertum组合。该组合代表了黄河改道前沉积区的沉积环境，属种多为因子3中的有孔虫属种，组合内C.subincertum与C.annectens含量相对较高，两者均为浅水种[19]，其主要分布于内陆架和潮间带、河口等近岸浅海地区，C.subincertum为低盐浅水种。另外含量较低的Quinqueloculina spp.为浅水属种，可忍受低盐环境[22]，主要存在于该组合内，上段基本缺失，说明该时期研究区盐度较低的近岸浅水环境。另外因子2中的B.frigida在该组合内含量降低，反映了废黄河水对研究区水温的影响。黄河改道前，废黄河口附近河流作用大于海洋作用，河流带来的大量泥沙在河口发生快速沉积，岸线逐渐向海推进，粗颗粒物质无法长距离搬运而主要沉积在苏北废黄河三角洲附近，距离河口尚有一定距离的泥质区边缘，则主要接收黄河细颗粒的物质的沉积，导致了研究区YSL04柱样下段主要以粉砂和粘土为主、砂的含量较少。泥沙堆积导致岸线向海发育，且受黄河携带的淡水影响，研究区盐度较低，另外研究区主要受黄海沿岸流与黄河的共同作用，黄河水流的混入一定程度上使该海区的水温升高。
该柱上段(0~106 cm)为P.tumberculatum-A.ketienziensis组合。该组合反映了黄河改道后的沉积环境，含量相对较高的属种多为因子1中的有孔虫属种，组合内A.ketienziensis在该段含量相对较高，是典型的低温、窄盐种类，现在主要生活于东海北部和南黄海水深较大的海洋环境中[23]。A.compressiuscula在该组合中含量也有所升高，现今生活于南黄海、东海北部的水温和盐度都比较正常的陆架海域[19]。因子2中的冷水种B.frigida在该组合内含量升高，Lagena spp.、Fissurina spp.与H.mantaensis含量虽然较少，但主要出现在该组合中，在下段发生缺失，Hanzawaia mantaensis为喜冷窄盐种[24]。Lagena spp.与Fissurina spp.在现代世界各海洋中均有分布，在中国陆架广泛分布，数量不多，具有数量由海岸向深水区增长的特点[19]。该组合内窄盐冷水种含量上升，反映了黄河改道使得该时期的盐度接近于正常海水，水温有所降低。另外在改道初期，该组合在柱状样85~106 cm层段存在一个过渡阶段，主要表现为(见图 4)窄盐种Lagena spp、H.mantaensis在该段向上逐渐增加，广盐种C.subincertum含量在该段向上逐渐降低的趋势，并在85 cm以上含量相对平衡，这种变化规律在因子1与因子3中同样存在(见图 5)。该层段特征主要反映了沉积物中盐度的渐变过程，黄河改道后，失去黄河淡水的影响，海水盐度升高，而沉积物中富含的孔隙水与外界的物质交换相对较缓慢，因而在改道初期一定程度上保持了改道前的盐度，形成了过渡段。改道后，新沉积的物质同时受盐度相对较高的海水及下部沉积物低盐度孔隙水的影响，沉积物孔隙水的盐度并没有伴随黄河改道马上改变达到上覆海水的盐度，而存在一定时间的过渡时期，随着沉积物的不断堆积以及孔隙水与海水的物质交换使得盐度递增，新沉积物中孔隙水盐度逐渐升高，并最终与海水达到平衡，改变为现今的沉积环境。
综上所述，黄河改道后，导致研究区水动力增强，岸线发生快速的侵蚀后退，研究区离岸较远，失去了黄河的巨大径流量和输沙量，泥沙基本断绝，河口及邻近海域沉积动力平衡被打破，苏北废黄河三角洲发生快速侵蚀，研究区沉积环境发生改变，同时沉积于三角洲的粗颗粒沉积物也被重新搬运。有研究表明，废黄河三角洲主要受黄海旋转潮波和东海前进驻波两个潮波系统控制[25-27]，这为废黄河三角洲粗颗粒沉积物的再悬浮及向海搬运提供了足够的水动力条件。另有研究表明在苏北浅滩由于水深较浅和水动力强烈，造成沉积物强烈的再悬浮过程，并在该区形成了高悬浮体浓度水体，由浓度梯度推动向海扩散[28]。因而造成研究区岩心上段砂含量剧增，平均粒径变粗。另一方面，黄河改道导致研究区失去了黄河淡水的影响，黄海沿岸流的影响起到主要作用，使得研究区水体盐度升高、而温度有所降低。
4 结语南黄海中部泥质区西南边缘受到1855年黄河改道的明显影响。改道之前，研究区形成的沉积物砂含量低，粉砂与黏土含量增加，平均粒径较细，有孔虫的丰度、分异度相对较低，有孔虫组合以广盐的近岸浅水冷水属种为主，黄河从南黄海入海，研究区则主要接受来自黄河的细粒物质沉积，且受黄河淡水的影响，水体盐度较低且水温相对较高。改道之后，沉积物砂含量相对较高，平均粒径较粗为特征，有孔虫丰度、分异度均相对较高，有孔虫组合中喜冷、窄盐的陆架浅水种含量增加，该时期黄河三角洲发生快速侵蚀，岸线后退，研究区开始接受苏北浅滩再悬浮的粗粒物质沉积，并失去来自黄河淡水的影响，黄海沿岸流的影响起主导作用，研究区水体盐度升高且水温有所降低。
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2. Laboratory for Marine Geology, Qingdao National Laboratory for Marine Science and Technology, Qingdao 266061, China;
3. Qingdao Institute of Marine Geology, Ministry of Land and Resources, Qingdao 266071, China