南海北部全新世以来海平面变化特征及未来趋势预测_乐远福.pdf

乐远福，唐立超.南海北部全新世以来海平面变化特征及未来趋势预测J.海洋地质前沿，2023，39（2）：1-16.YUE Yuanfu,TANG Lichao.Characteristics of sea level changes in the northern South China Sea since the Holocene and prediction of the fu-ture trendsJ.Marine Geology Frontiers,2023,39(2):1-16.南海北部全新世以来海平面变化特征及未来趋势预测乐远福，唐立超（广西南海珊瑚礁研究重点实验室，珊瑚礁研究中心，广西大学海洋学院，南宁 530004）摘要：南海北部是南海向陆地过渡的前锋关键地带和全球变化的敏感地区之一，受海平面变化的影响，该地区海平面标志物广泛发育，是开展过去海平面变化研究的理想区域。目前关于南海北部全新世海平面变化历史的认识依然存在一定分歧。基于此，通过新增 6 个珊瑚礁数据，并对南海北部已发表的海平面数据进行年代和高程校正，然后进行相互验证和可靠性分析。同时对监测记录较为连续的 12 个验潮站的现代海平面观测资料进行整理和进一步验证重建结果的可靠性。最后，根据汇编的 679 个校正和可靠性评估后的海平面数据，重建了南海北部全新世以来，尤其是最近 2 000 a 的海平面变化历史和变化特征。校正和评估后的数据显示：南海北部海平面从早全新世（8 211 128）cal a BP 的16.16 m 快速上升到6 0007 000 cal a BP 的 1.5 2.5 m，之后波动下降到现今海平面高度。其中在中全新世海平面保持高位震荡约 2 600 a，而晚全新世南海北部过去 2 000 a 海平面整体呈现出阶段变化过程。首先，在公元 0350 年呈下降趋势，然后在公元 350850 年海平面快速上升，并在公元 880 年，海平面处于过去 2 000 a 的最高点（1.050.35）m，随后海平面继续下降至公元1850 年的（0.180.05）m。之后半个世纪保持水平窄幅波动，直到公元 1897 年（0.19 0.05）m 后，海平面持续震荡逐渐上升至公元 2020 年的 0.076 m。若以过去百年（公元19252020 年）和 40 a（公元 19802020 年）上升速度（分别为 2.35 mm/a 和 3.55 mm/a）估算，公元 2100 年南海北部海平面将比现今海平面高 0.190.28 m。因此，在南海北部沿海低洼地区开展大型工程建设时，需要考虑未来海平面上升因素带来的不利影响。此外，分析发现，基于不同海平面标志物和采用不同重建方法是南海北部全新世以来海平面重建结果区域差异的主要原因。总体上，南海北部中全新世以来海平面呈现出波动下降的趋势。尽管不同地区海平面在时间与高度上存有差异，但是南海北部地区与周边海岸的海平面记录一致，这说明中全新世南海北部高海平面与南海周边地区基本同步，极可能具有全球背景。关键词：南海北部；全新世；海平面变化；不确定性分析；未来预测中图分类号：P731.23文献标识码：ADOI：10.16028/j.1009-2722.2022.193 0 前言中国大陆南端，包括广东、广西、香港、澳门和海南等沿海经济发达地区，处于西太平洋最大的边缘海-南海的北部。该地区是南海向陆地过渡的前锋关键地带，处于典型的东亚季风区，邻近印度-西太平洋暖池，频繁受到厄尔尼诺-南方涛动（El Nino-Southern Oscillation，ENSO）事件1和风暴潮的影响2，是全球变化的敏感地区，同时也是世界上最容易受海平面上升影响的地区之一。在当前全球变暖的背景下，海平面快速上升及其相关的灾害（例如，导致沿海低洼地区发生洪水的频率和严重程度增加以及严重的海岸侵蚀），将对南海北部乃至全国/全球沿海低洼地区的社会经济发展和生态环境 收稿日期：2022-06-27资助项目：国家重点研发计划项目（2017YFA0603300）；国家自然科学基金（41702182）；广西省自然科学基金（2018GXNSFAA281293）作者简介：乐远福（1982），男，博士，硕士生导师，主要从事全球变化与环境演变方面的研究工作.E-mail： ISSN 1009-2722海洋地质前沿第 39 卷第 2 期CN37-1475/PMarine Geology FrontiersVol 39 No 2构成严重威胁，特别是对经济发达的珠江三角洲低洼地区，因而引起了社会的广泛关注和政府的高度重视。然而，迄今为止，人类仍未完全了解过去海平面变化的历史和变化规律及其驱动机制，对未来海平面上升是否存在加速并达到中全新世的高海平面仍不能做出确定性结论，这严重影响了对未来海平面变化预估的准确性。基于此，拟通过对南海北部一“点”的海平面研究，研究中国南海北部全新世以来，尤其是过去 2 000 a 以来的海平面变化历史，深入到中国南海乃至东亚过去海平面变化历史的“面”的认识。这不仅对了解自然的海平面变化过程、减小未来预估结果不确定性的范围具有重要意义，而且对中国华南沿海地区乃至全国未来沿海基础建设和生态环境保护等方面都具有重要的现实意义和长远战略意义。南海北部是全球变化的敏感地区和全球海平面研究的一个关键区域（图 1）。该地区位于南海北部沿海的低纬度地带，作为远场区域，全新世以来构造稳定，该地区海平面标志物广泛发育3。前人通过这些海平面标志物进行测年和高程研究，对南海北部全新世的海平面展开了研究。然而，从海平面高度时空变化的角度来看，这些研究结果明显存在巨大差异。比如早全新世海平面重建结果介于13.822 m4-6，波动幅度达 35.8 m；中全新世海平面重建结果介于3.24 m4,7-11，波动幅度超过 7 m；晚全新世海平面重建结果在 0.823.8 m 波动12,13，最后下降到现在的高度。也有研究基于不同的珊瑚生长上限标准计算得到的南海北部中全新世海平面相差甚远14，还有研究基于大量不同海平面标志物的14C 测年结果和高程校正提出南海北部中全新世并没有高海平面3，甚至得出最近 3 000 a 海平面变化较小的结论3,15。这些研究表明目前关于南海北部过去海平面变化历史的认识依然存在一定分歧。归根结底，可能与海平面标志物选取和测年方法不同，是否考虑了构造运动因素并进行构造校正，海平面计算方法和定年或高程误差计算，及冰川均衡效应带来的不确定性有关。因此，有必要采用标准化的海平面重建方法对南海北部过去海平面历史进行梳理，同时寻找更多的记录来厘清存在的分歧。110151510520 N 20 N 115120 E110115 E图例水深7 000 5 000 3 000 1 0000500 1 500 3 000 5 000已发现海平面标志物位置本次发现海平面标志物位置陆高1:32 000 000未定国界省级行政中心外国首都、首府五指山山峰1 867高度表/m图 1南海地理位置（A）和南海北部全新世海平面数据的空间分布（B）Fig.1 Location of（A）and spatial distribution of Holocene sea-level data in the northern South China Sea（B）中全新世被认为是一个高温时期，与现代气候相似，这为理解当前和未来海平面变化提供了潜在的类比和背景。首先通过 3 块滨珊瑚（微环礁）顶部高程进行高精度测量，开展高精度铀-钍（Urani-umthorium，简称 U-Th）年代测试，新增 6 个珊瑚高精度 U-Th 年代和高程数据16，然后对收集的已发2Marine Geology Frontiers海洋地质前沿2023 年 2 月表的重新校正后的南海北部海平面数据加以比较和相互验证，同时对监测记录较为连续的 416 个验潮站的现代海平面观测资料进行整理，进一步验证重建结果的可靠性，最后汇总了 679 个海平面数据，重建南海北部地区全新世以来，尤其是过去 2 000 a的海平面变化历史。本研究探讨南海北部过去海平面重建结果差异性的原因，重点讨论珊瑚为主的全新世以来海平面变化特征，进而预测 2100 年该地区海平面可能上升的幅度，以期为当前海平面变化研究以及未来海平面变化趋势预测提供重要的基础资料。1 研究区域南海位于太平洋和印度洋之间，是中国近海中面积最大、水最深的海区（图 1A）。南海通过巴士海峡、苏禄海和马六甲海峡，连接太平洋和印度洋。而汇入南海的河流主要有中国广东的珠江和韩江以及中南半岛上的红河、湄公河和湄南河等。南海北部是南海向陆地过渡的前锋关键地带和全球变化的敏感地区之一，也是重要经济发达地区和大中城市集中地区（图 1B）。南海作为西太平洋最大的边缘海，又邻近印度-西太平洋暖池，处于典型的东亚季风区，其表层大洋环流受到东亚季风的显著影响17。冬季受西伯利亚高压的影响，东亚冬季风（East Asian WinterMonsoon，EAWM）携带冷气团从北向南移动，越过中国大陆到达南海，风向由陆地刮向海洋，南海此时盛行低温干燥的东北季风。夏季时，东亚夏季风（East Asian Summer Monsoon，EASM）携带暖湿的气团由海洋刮向陆地，并给中国大陆带来降水，此时南海盛行温暖湿润的西南季风。受此季节性东亚季风的影响，南海海水的表层环流在冬季时逆时针方向流动，来自台湾海峡的浙闽沿岸流与广东沿岸流，沿南海西部大陆近海流向西南；夏季时以东北流向为主，海水主要从爪哇海经卡里马塔、卡斯帕海峡进入南海，至南海北部，大部分海水经巴士海峡及巴林塘海峡流出南海汇入黑潮主干，小部分继续北上进入台湾海峡18-19。此外，该地区频繁受到风暴潮的影响2，导致南海北部海平面和海表温度产生变化20，而东亚冬季风强度增加，ENSO 强度也随之增加，使局部区域气候寒冷干燥，反之东亚夏季风越强，ENSO 强度减弱21，带来充沛的降雨，使局部区域海平面升高。南海北部海域广阔，进入全新世后，该地区气候与环境构造相对稳定，常见的海平面标志物（例如珊瑚礁和海滩岩）12-13在此区域广泛发育，为开展过去海平面变化研究提供了理想的区域。2 材料和方法本文数据（附件：南海北部海平面数据）主要来源于南海北部近年来已发表的 489 个海平面数据（包括 166 个珊瑚氧同位素记录的海平面数据）和6 个新增海平面数据及其区域内 12 个验潮站的416 个观测数据。2.1野外采样及数字 X 射线成像为了对已发表的海平面数据进行验证和进一步获得新的全新世珊瑚海平面数据，在 2020 年 7月最低潮位时对海南文昌铜鼓岭和琼海青葛沿海采集了 3 个原位珊瑚礁样本（图 2）。首先采用实时动态测量方法（Real Time Kinematic，RTK），使用RTK 测量仪器对珊瑚礁上顶面进行了高精度高程测量，并将高程转换为 1985 国家高程基准。回到实验室后，对 3 个样品进行整体打磨至 7 mm 薄板，然后进行数字 X 射线成像。如图 2 所示，成像结果显示珊瑚生长纹清晰。根据成像结果从每个珊瑚薄板挑选 2 个不用深度的样品，共 6 个样品，送往澳大利亚昆士兰大学放射性同位素实验室进行高精度的 U-Th 测年（表 1）。2.2U-Th 定年以及可靠性分析高精度和准确的测年方法，是研究全新世过去海平面变化的基础。有研究证明，全新世珊瑚样品的 U-Th 年龄符合树木年代学校准，并验证了应用于珊瑚的 U-Th 地质年代计的精度和准确性10-11,22-23。同时，为了减小差异和不确定性，以及便于统计分析，在本研究中，首先考虑同类型的海平面标志物以及相同的测年方法，以获取更连续的海平面变化曲线数据，并且避免使用被污染的测年数据，以保证测年数据结果的可靠性。对新增珊瑚样品的 U-Th 进行定年分析参照ZHAO 和 CLARK 的研究方法24-25。Th 和 U 同位素比值在 Daly 离子计数器上用测量，230Th/238U 和234U