有关新生代渤海海平面下降的影响机制的探讨--廖鸿
同济大学
海洋与地球科学学院
秦皇岛野外实习报告
有关新生代渤海海平面下降的影响机制的探讨
学 生：廖鸿
学科专业：地质学
指导老师：吴自军，田军，谢昕，黄湘通
二〇一五年七月
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2 题目: 有关新生代渤海海平面下降的影响机制的探讨
作者: 廖鸿①*，宋晗①，窦海潮①，刘勇①，谭东阳①
① 同济大学海洋与地球科学学院上海市四平路1239号 200092
* 联系人, E-mail: [email protected] 3 4 5
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31 摘要渤海为中国东部的半封闭型海湾，三面与陆地相连，只有在东南方向有一开口与黄海相连，进行海水的更新交换。在秦皇岛地区发现的多处海蚀地貌以及河流阶地现象，都发育有明显的三级分布，反映了新生代以来渤海海域至少经历了三次连续的规模较大的海平面下降。通过分析探究渤海海平面下降的影响机制，得出新构造运动导致郯庐断裂带变成继承性活动断裂带，郯庐断裂带的走滑和挤压造成断裂带两侧地壳的不稳定。郯庐断裂带西侧部分地壳凸起抬升，东侧部分地壳的凹陷沉降，形成渤海盆地。说明了新生代渤海海平面的下降与新构造运动有着必然的联系。 关键字：海平面下降；新构造运动；海蚀现象；河流阶地；郯庐断裂带 1绪言 海平面的变化与构造运动的陆壳变动和古气候环境的变化都有着密切的联系，对地质时期下的海平面变化的研究分析，可以反映古气候和古环境的表征参数及变化趋势，同时也能对构造运动的成因和机制进行研究分析，探究板块扩张的速率和漂移过程。对海洋海平面变化的研究是海洋地质和古环境研究领域的重要内容之一，亦是国际地学界高度重视的跨学科前沿研究领域。随着十八大以来，我国对海洋的研究越来越重视，在海洋方面的研究已成为热门的领域。对新生代以来渤海海域的海平面变化的研究较少，特别是针对渤海地区曾发生过的几次规模较大的海平面下降的成因的研究分析较为缺少，多数人认为新生代了冰期—间冰期旋回与海平面下降的密切耦合说明新生代冰期旋回是造成渤海海域海平面的下降的主要原因。 新生代的新构造运动使得郯庐断裂带进一步挤压，变成继承性活动大断裂带，贯穿渤海整个海域。郯庐断裂带是我国东部规模最大、活动性最强的断裂带，也是华北地区的强烈地震带，在人类历史时期发生过多次强震。本文通过研究分析新生代渤海地区海平面的下降的成因，探究造成渤海海平面下降的主要原因。 2研究内容 2.1地质背景 秦皇岛位于渤海海域西岸，华北板块的东侧，该地区位于郯庐断裂带等活动断裂带上，构造运动活跃，地震频发，渤海海域位于北西向的北京-蓬莱和北北东向的郯庐两条区域性断裂带交汇区。渤海海底受毗邻大陆影响，四周向渤海中央及渤海海峡倾斜。按照板块构造学说的观点，从表层
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38 构造、岩浆活动及地球物理等方面的资料分析，渤海及其邻近地区的基底性质属于过渡性陆壳基底。中生代以后，在西太平洋板块作用下，东亚构造域又经历了改造，形成了NE 向的3个沉降带和若干深大断裂(如郯庐断裂) ，渤海的区域应力场随之变化。渐新世以来, 北京-蓬莱断裂带左旋走滑和郯庐断裂带右旋走滑致使渤海中部发生强烈沉降, 形成体积巨大的下沉式渤中坳陷，渤中坳陷是渤海湾盆地发育较晚、下沉最深和新构造活动最强烈的地区(图1) 。
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46 2.2河流阶地 我们在实习期的路线3前往上庄坨观察大石河河流阶地现象。大石河大体为蛇形河曲，贯穿在山峰之间，对山体进行侵蚀。大石河在上庄坨水流方向大致为东南方向，对东侧的山峰进行侵蚀搬运形成凹岸，河流带来的碎屑物在西侧进行沉积，形成凸岸。在凹岸山峰已侵蚀到山体的山脉中心处，迎着河流一侧已成为断崖，高达50m 。说明大石河对东侧的山峰的侵蚀作用时间长。在大石河的凸岸明显发育有浅滩、河漫滩以及河流阶地，河流阶地在垂直方向上呈三级分布（图2）。
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64 浅滩分布于凸岸，宽约5m ，缓缓向河床倾斜。沉积物主要为砾石，间夹着粗沙、中沙，砾石的成分主要以远源的花岗岩、正长岩和近源的安山岩为主，可见少量的流纹岩、片麻岩和各种沉积岩。河漫滩主要分布于凸岸，宽约15m ，下部沉积物主要以砾石为主，间夹中沙、细沙，上部沉积物为细沙和亚沙土。河漫滩的二元结构比较明显，下部砾石最大粒径达70cm ，最小粒径只有1cm 。砾石分选性差，次棱、次圆状为主。砾石排列略 为定向排列。 河流阶地呈明显的三级分布，表面略向河床及下游方向倾斜，陡坎分段明显。Ⅰ级河流阶地：堆积阶地，高出现代河水面约5m 。下部由砾石层组成，上部为河漫滩相亚沙土，阶地的宽度不等，10~50m之间，现在已被改造成永久耕地。Ⅱ级河流阶地：主要为堆积阶地，高出现代河水面约10m 。表面沉积物主要由亚沙土、亚黏土组成，下部沉积物为浅滩相砾石层，现在已被改造成永久耕地。Ⅲ级河流阶地：是基座阶地，高出现代河水面约20m 。仅保留局部，分布不连续，人工改造明显。表面沉积物主要为亚沙土和亚黏土，可见残留的砾石，直接覆盖在火山岩的基座之上。砾石磨圆度好，主要成分为石英砂岩和花岗岩。 大石河中游的三级阶地发育，代表了本地区在新生代以来发生过三次规模较大的海平面下降，或者是三次较大的地壳的抬升，导致海平面相对地壳下降，影响到侵蚀基准面的下降，本来已达到均夷化的大石河又发生去均夷化作用，河流继续下蚀，使得大石河加深加宽，形成深切河曲。每发生一次侵蚀基准面的下降，就发生一次去均夷化作用，河流下蚀发育一次河流阶地。 2.3海蚀地貌
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86 我们在实习路线6中前往老虎石公园、鸽子窝公园、小东山等地方观察秦皇岛地区丰富的海蚀地貌，海蚀地貌包括古海蚀地貌和现代的海蚀地貌。现代海蚀地貌多为海蚀凹槽和海蚀沟，海蚀凹槽为现代海平面的波切面，在波浪的反复作用下在水平方向进行侵蚀形成水平方向的凹陷，形成海蚀凹槽。海蚀沟是沿着岩层的. 节理方向进行垂直方向侵蚀而形成的，因为岩层的发育节理的地方有裂隙，周围的岩层易风化而不稳定，故沿着节理面更容易被波浪侵蚀，将裂隙进一步加深扩大，形成海蚀沟。 在路线的3个地方我们在海岸上的花岗岩基岩上都发现了古海蚀地貌，古海蚀穴，呈蜂窝状产出。古海蚀穴总体面向大海，分布在基岩的顶部和岩壁之上，形状为圆形或椭圆形，大小不一。古海蚀沟，成排出现，总体方向指向海洋方向，和现代海蚀沟一样，大多数是沿着基岩的NE 156°方向节理进行侵蚀。古海蚀凹槽，开口面向大海，凹槽深度在0.5~1.5m之间，凹槽上顶面朝内倾斜，底面朝外倾斜。其形态与现代的海蚀凹槽十分相似，均是波浪侵蚀基岩在水平方向形成的凹槽。古海蚀阶地，海蚀阶地是早期海蚀地貌受构造运动影响而被抬升到一定高度后形成的相对平坦的平面，多次构造运动可形成多级海蚀阶地，最先形成的海蚀阶地位于最高位置。老虎石公园内基岩顶部大致为一个微微向海洋倾斜的平面，高度与老虎石东侧公路旁的一级海蚀凹槽相当，高于现代海平面3~5m。 在鸽子窝公园内的古海蚀柱上，明显发育了三级古海蚀凹槽（图3）。Ⅰ级海蚀凹槽，位于海蚀柱下部，高出现代海平面约5m ，该凹槽的高度与沿岸公路的高度、老虎石海蚀阶地的高度、小东山一带小礁石的高度相当，是整个秦皇岛地区最近的一次规模较大的海平面下降的重要记录。Ⅱ级海蚀凹槽，位于海蚀柱的中部，高出现代海平面约12m ，与老虎石东侧山坡上的二级海蚀地貌高度相当，也是秦皇岛地区的一次规模较大的海平面下降的记录。Ⅲ级海蚀凹槽，位于海蚀柱的顶部，高出现代海平面约20m ，高度与鹰角亭基座上的海蚀穴的高度、老虎石东侧山坡上最高出海蚀地貌的高度相当，是研究秦皇岛地区第四纪海平面下降的重要记录标志。
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99 3 分析讨论 3.1 造成秦皇岛发育河流阶地和古海蚀地貌的原因 在实习路线6中观察到的古海蚀地貌在垂直方向呈现明显的三级分布，与上庄坨地区观察到的大石河在垂直方向上的三级分布的河流阶地相对应，都反映了秦皇岛地区在新生代以来有关三次规模较大的海平面下降，或者是地壳的抬升而造成的海平面相当地壳的下降。造成新生代海平面下降的可能原因有新生代了冰期—间冰期旋回、新构造运动。 3.1.1 新生代冰期—间冰期旋回 冰期具有强烈冰川作用的地史时期。冰期有广义和狭义之分， 广义的冰期又称大冰期，狭义的冰期是指比大冰期低一层次的冰期。大冰期是指地球上气候寒冷，极地冰盖增厚、广布，中、低纬度地区有时也有强烈冰川作用的地质时期。大冰期中气候较寒冷的时期称冰期，较温暖的时期称间冰期。新生代以来有3次规模较大的冰期—间冰期旋回（图4），李四光以庐山为样板，将中国东部第四纪冰期由老到新划分出鄱阳、大姑、庐山冰期。
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116 冰期时期最重要的标志是全球性大幅度气温变冷，在中、高纬（包括极地）及高山区广泛形成大面积的冰盖和山岳冰川。由于水分由海洋向冰盖区转移，大陆冰盖不断扩大增厚，引起海平面大幅度下降。 间冰期气候是指两次冰川活动期之间比较温暖的气候。整个世界气候温暖，雪线上升，冰川消融退缩，气候带和生物群落向高纬推移。冰川的大规模消融导致海平面的大幅度上升。 虽然第四纪的冰期—间冰期旋回有三次，而且都导致了海平面的变化，但是渤海地区的海蚀地貌和河流阶地呈现三级连续分布，说明当时海平面呈持续下降状态，没有海平面大规模的回升，与冰期—间冰期旋回导致海平面的周期性回荡不一致，所以第四纪冰期—间冰期旋回不是造成渤海地区海平面下降的主要原因。 3.1.2新构造运动 郯庐断裂带是东亚大陆上的一系列北东向巨型断裂系中的一条主干断裂带（图5），在中国境内延伸2400多公里，切穿中国东部不同大地构造单元，它形成于中元古代，在新生代受太平洋板块和大西洋板块的挤压而形成继承性右行走滑-逆冲断层，多数时间内以逆冲运动为主。据史料记载，自公元前70年以来，在渤海海域及其附近共发生过4次7级以上的地震。近30年来又发生了1969年渤海7．4级和1975年海城7．3级强烈地震。该带地震活动具有强度大、频次低、复发周期长的特点。
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137 渤海海域内构造凹陷处断裂相对少，构造隆起和控制次级凹陷或凸起的主断裂上方断裂密集；郯庐断裂在近地表表现出NNE 向不连续分布的特征，分段性明显，晚第三纪时剪切作用增强，郯庐断裂为右旋张扭性断层。伴随着张扭性断裂活动，形成一系列张扭性断裂背斜圈闭。NEE--EW 向断裂数量极多，但浅层结构相对较为简单，断层面多为近直立，主要表现为张性断裂，最新活动时间为晚更新世末期一全新世，叠加了明显的拉张裂陷作用, 具有强烈的垂向运动特征:在辽东湾坳陷, 断裂带西缘的辽中和渤中凹陷, 堆积的下第三系厚6 000 m左右; 主断裂新生代的垂直断距有3 000 ～5 500 m , 晚第三纪以来的垂直断距为500 ～1 200 m ;断裂带东缘的辽东和渤东北凹陷, 堆积的下第三系厚3 000 ～ 5 000 m ; 主断裂新生代的垂直断距为3 000 ～ 5 000 m , 而晚第三纪以来的垂直断距300 ～ 1 300 m。从而造成了断裂带东侧渤海海底形成凹陷，在断裂带的西侧陆壳抬升。既有海底的凹陷，又有陆壳的抬升，所以导致了秦皇岛地区海岸的海平面下降，形成了古海蚀地貌和河流阶地的现象。 3.2 新构造运动造成地壳上升的其他证据 中国是世界上新构造运动最强烈的地区，新生代以来，我国受板块运动作用的影响（图6），印度板块俯冲欧亚板块之下，太平洋板块和菲律宾板块又向西北方向对欧亚板块进行挤压，使得我们很多老断裂带变成活动断裂带，导致我国在新生代构造运动的加剧和频发。 3.2.1汤河地堑的形成 位于鸡冠山——上平山之间的汤河河谷中，由几条近南北向的正断层组合而成。断层面倾角大，河谷东侧断层面向西倾，西侧断层西向东倾，汤河河谷就是沿地堑构造中心部位发育的。地堑的横截面的方向为NE 140°，是新生代时期太平洋板块与欧亚板块碰撞挤压形成的应力的方向，该应力的拉伸作用造成了汤河地堑的形成（图7）。
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149 3.2.2善卷洞的形成 善卷洞位于江苏宜兴，在扬子板块之上。据前人研究分析善卷洞是在新生代早期形成的，善卷洞的岩溶现象规模大，从上至下分为上洞、中洞、下洞和水洞，其中水洞是现在地下河所在的地方，为现代岩溶现象，上洞、中洞、下洞已没有地下河的侵蚀，在地下河水面之上，为古岩溶地貌。善卷洞的明显垂直方向的三级分布，说明善卷洞形成的阶地有三次规模较大的海平面的下降，从而导致地下河水面的下降，这与渤海地区的古海蚀地貌有着类似之处。在江苏宜兴地区的石灰岩岩层测量的节理走向多数为NE300°，NE210°，可知该地层所受的应力方向为NE 75°，在新生代印度板块向欧亚板块俯冲，导致我国至西向东地壳的抬升，西部青藏高原抬升速率最快，东部沿海地区抬升速率最慢，形成了东西阶梯状地形。俯冲带的挤压造成青藏板块向东挤压，使我国的中部的板块受向左漂移的应力，从而解释了扬子板块地区的节理面走向的夹角方向为NE75°左右。说明了善卷洞的成因也是新构造运动导致地壳的抬升而形成海平面相对下降的现象。
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3.2.3青藏高原的隆起 中国新构造运动表现最强烈的地区是青藏高原，青藏高原的快速隆起形成了世界最高的“世界屋脊”，高原第一次上升，发生在距今340万年~170万年，青藏高原地区平均海拔从1000米左右上升到2000米以上，此时高原已经形成，这次上升运动被称为“青藏运动”。高原第二次强烈的地壳抬升发生在110万年~60万年左右，高原面在80~60万年平均高度达到3000~2500米左右，高原的自然环境发生了根本性的改变，高原上山地全面进入冰冻圈。高原的新旧断裂活动活跃，高山深谷地貌形成并发展。环流形势被打乱，气候从温暖湿润转为寒冷干旱，地域差异性明显增大。高原第三次强烈的地壳抬升发生在距今15万年左右，这段时间，高原的平均高度已达到4000米以上，一些高山超过了6000米，使高原内部的气候更加寒冷干燥。 青藏高原的隆起进一步说明了我国在新构造运动时期地壳发生过多次抬升，其中有三次规模较大的抬升运动。 4结论 (1) 新生代我国新构造运动强烈，造成我国地壳的抬升，其中有三次规模较大的抬升现象记录，这与渤海地区的河流阶地和古海蚀地貌记录所反映的相一致，说明了新构造运动是造成渤海地区陆壳抬升，海平面相对下降的主要原因。 (2) 在新构造运动中东部沿海郯庐断裂带表现最为强烈，郯庐断裂带在水平方向走滑和垂直方向的抬升沉降都很惊人，使得在渤海中心的陆壳沉降形成了渤中凹陷，储油量丰富，在断裂带西侧海岸抬升，形成了古海蚀地貌。 (3) 冰期—间冰期旋回并不是造成渤海地区三次规模较大的海平面下降的原因，其可能与渤海地区发现的多次海进海退记录，沉积环境的变化有一定的关系，还有待进一步深入研究分析。
同济大学海洋与地球科学学院2014级
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187 致谢感谢吴自军老师、田军老师、谢昕老师、黄湘通老师在实习期间的指导和帮助，感谢谢昕老师提出的宝贵意见. 参考文献 1邹华耀, 龚再升, 滕长宇, 庄新兵. 渤中坳陷新构造运动断裂活动带PL19-3 大型油田晚期快速成藏. 中国科学: 地球科学, 2011年第41卷第4期: 482 ~ 492. 2 刘宝珺, 李廷栋. 地质学的若干问题. 地球科学进展, 2001, 16: 607–616. 3 徐杰, 高战武, 宋长青, 等．营口一潍坊断裂带新生代活动特征EJ3．地震地质, 1999,21(4)：289—300． 4 景才瑞, 刘会平. 论中国第四纪冰期与间冰期. 成都理工学院学报，1991年第1期. 5 周慕林. 北戴河第四纪海蚀现象. 地球,1987年04期. 6 周慕林. 中国晚新生代冰期. 地质论,2012年5期. 7徐杰, 计凤桔, 周本刚. 有关我国新构造运动起始时间的探讨. 地学前缘, 2012年9月. 8 徐嘉伟, 马国锋. 郯庐断裂带研究的十年回顾. 地质评论,1992年7月. 9李达, 张志殉, 张维冈, 陶倩倩. 渤海海域及邻区新构造运动特征与环境地质意义. 海洋地质动态, 2009.02. 10 张克信, 王国灿, 洪汉烈, 徐亚东, 王岸, 曹凯, 骆满生. 青藏高原新生代隆升研究现状地质通报2013(1) 11 邓起东, 闽 伟, 晁洪太. 渤海地区新生代构造与地震活动[A].北京:地震出版社,2001.218-233.
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