Relation of the distribution of bottom polymetallic manganese nodules to multibeam backsactter in West Pacific
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摘要:
西太平洋高丰度高覆盖率多金属结核的发现受到各国学者的高度关注，如何高效探测不同覆盖率和丰度的多金属结核分布特征是目前研究的重点。利用EM122多波束回波强度资料对西太平洋海盆结核分布特征进行分析，结果表明，回波强度的高低变化与结核覆盖率关系密切，而当结核覆盖率相当时，回波强度的高低变化反映了结核的粒径大小，其中大型结核（直径D>6 cm）较多时，回波强度值明显增大。利用最大似然分类方法对回波强度资料进行监督分类，得出深海沉积物、低丰度、中等丰度和高丰度结核空间分布，结果显示，深海粘土沉积区与丰度>>30 kg/m2的高丰度结核分布区多回波强度差异高达近20 dB。
Abstract:As the discovery of high abundance and high coverage of manganese nodules in West Pacific has attracted much attention of many countries, how to detect the distribution characteristics of manganese nodules with different coverage and abundance is the focus of current research.In our project, the multibeam backscatter intensity data acquired by EM122 system were used to analysis the distribution characteristics of nodules.The results indicate that the change of backscatter intensity is closely related to nodule coverage, while when the coverage is equal, the change of backscatter intensity reflects the size of the nodule, and when nodules are large (D>6 cm), the backscatter intensity increases obviously.Then the maximum likelihood supervised classification method was used to classify the backscatter intensity data.The results of classification reveal that spatial distribution of sediment, low abundance, medium abundance and high abundance nodules. Significantly, in the deep-sea basin, whereas obvious high-backscatter values are observed on areas of clay deposit, the important difference in backscatter between two geological classes is nearly 20 dB which are pelagic clay sediments and nodules with high abundance around 30 kg/m2 in the deep sea basin.
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Key words:
- backscatter intensity /
- manganese nodules /
- abundance /
- seafloor acoustic classification /
- West Pacific
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晚新生代以来，随着青藏高原的隆升，亚洲大陆逐渐形成了以中心向外发散的辐射状水系，沿海地区成为河流与沉积物的汇集地，造就了诸多堆积平原，如黄淮海平原、长三角平原、红河平原、湄公河平原、恒河平原等，在空间上形成由高原向边缘海的源汇体系[1-3]。下游平原区的巨厚沉积物记录了高原隆升剥蚀、盆地沉降历史，以及大江大河的形成、沉积物质输送过程和堆积过程、海平面变化等多圈层的地质信息[4-7]，对圈层相互作用、人地关系等地球系统科学核心问题的研究具有重要意义[8]。
黄淮海平原位于中国东部，周缘被太行山、燕山、伏牛山、泰山等山脉环绕，东临黄海和渤海，面积约30×104 km2(图 1-a)。黄淮海平原的形成是晚中生代以来青藏高原崛起导致中国地形倒转的结果。晚中生代之前，中国大陆地形“东高西低”，东部为高原或者高山地形[10-18]。晚中生代以来，青藏高原隆起，地形反转，西部古特提斯海海相地层逐渐消失，并剧烈隆升、遭受剥蚀以致荒漠化[19-21]。新生代早期，太行山以东的中国东部发育多个断陷盆地，盆-岭地貌出现，相关的河湖相沉积局限于盆地之中；晚新生代以来，尤其是中新世以来，中国东部整体沉降，沉积大量河湖相沉积物，黄淮海平原逐步形成[18-20](图 1-b)。
图 1. 中国东部黄淮海平原地貌、主要水系、流域边界、断裂及盆地(a)和渤海湾盆地冀中坳陷构造剖面图(b，据参考文献[9]修改)Figure 1. Geological map showing geomorphology, major drainage systems, drainage divide, faults and basins of the Huang-Huai-Hai Plain, eastern China(a)and structural profile of central Hebei depression in the Bohai Bay Basin(b)因此，晚新生代，特别是晚中新世以来，随着周缘山脉的隆升和东部陆架区的沉降，黄淮海平原构造地貌特征及海陆格局基本定型；黄河贯通三门峡后，中上游的大量物质被输送至下游，建造了现代的黄淮海平原，深刻改变了平原地区的地表过程、水系格局，以及源-汇过程；气候控制下的海平面变化导致了沿海地区大规模海侵事件的发生。本文对地貌格局和海陆格局的形成、黄河贯通和晚更新世海侵3个重大地质事件进行了综述，并讨论其对环境的综合影响，同时对目前研究中存在的问题进行了探讨，对下一步需要关注的方向进行了展望。
1. 淮平原晚新生代重大地质事件
1.1 黄淮平原晚新生代构造地貌格局的形成
1.1.1 东部山脉的隆升及平原地貌的形成
中国东部太行山、燕山等山体和黄淮海平原的地貌差异，是新生代以来构造演化的结果[22]。晚新生代以来，以渤海湾盆地为核心的东部诸多盆地进入热沉降阶段，受河湖相沉积物充填披覆，中国东部逐渐由盆-岭地貌转变为平原地貌，黄淮海平原逐步形成；与盆地沉降对应的是以太行山、燕山、泰山、秦岭—大别山为主的构造山地的隆升，以及层状地貌的形成[23]。
太行山是中国华北地区重要的构造地貌单元，是二、三级阶梯地形的界线，也是黄淮海平原的西部边界。太行山山地中发育的深切河谷研究表明，太行山主要隆起于第四纪，隆升幅度占山地总体隆升幅度的60%~70%[23]。活动断层、夷平面、河流阶地及盆地沉积特征的综合研究表明，太行山新生代呈现出阶段性隆升[24-29]，主要隆升时期为中新世—上新世中期，其隆升幅度占现今太行山脉的70%，第四纪隆升幅度较小[27]。来自热年代学的证据，更直接地表明太行山自晚白垩世以来的幕式隆升。太行山地区易县和赞皇[22]、五台山[30-31]、沁水盆地[32]、太行山南段[33-34]、太行山北段[34-35]、阜平地区[31]等地热年代学研究显示，太行山3个快速隆升阶段分别发生在晚白垩世、古新世—始新世和渐新世—中新世以来(图 2)。但需要注意的是，早期的研究[22]往往只局限于单个方法，缺少其他方面的定量或半定量证据[32]，亦缺少径迹长度、Dpar等定量数据，未进行热年代学的模拟，其结果存在不确定性。热年代学还揭示出太行山隆升的不均一性，主要表现为太行山南北段隆升幅度不均一，且北部隆升早于南部[19, 33]。
图 2. 太行山、燕山、鲁西隆起、秦岭、大别山的隆升与渤海湾盆地发育的耦合关系ZFT—锆石裂变径迹；AFT—磷灰石裂变径迹；ZHE—锆石(U-Th)/He；AHE—磷灰石(U-Th)/HeFigure 2. Basin-mountain coupling relationships of Bohai Bay Basin and surrounding Taihang, Yanshan, western Shandong and Qinling-Dabie Mountains中国东部山脉的隆升是一个区域性构造事件，除太行山外，黄淮海平原周边其他山脉，如燕山[23, 36-40]、房山[41-45]、泰山[46]、沂蒙山[47-48]、秦岭-大别山[49-52]，在新生代均表现出与太行山相似的阶段性隆升(图 2)。但相对太行山而言，燕山的隆升在不同地域有所差异。燕山中段的盘山与雾灵山岩体、西段的云蒙山与四合堂岩体和西南缘的八达岭岩体抬升期次并不同[36-37]。吴中海等[39]通过裂变径迹手段在燕山及邻区识别出6次隆升事件(120~105 Ma、95~85 Ma、60~50 Ma、38 Ma、25~20 Ma和10~5 Ma)；而李越等[40]对燕山东部响山岩体的裂变径迹研究，仅识别出1次隆升事件(白垩纪末—古新世)。对山前钻孔的研究发现，燕山山前地带第四纪才开始在广义的山前盆地最深处沉降中心出现底砾岩，似表明燕山山前地区第四纪才开始断陷，并发生山区与平原区的分异[54]。
总之，新生代黄淮海平原周缘山地的隆升是在统一的构造环境中形成的，现今华北地貌格局主要是中新世以来的快速隆升导致的，第四纪最终定型。太行山晚白垩世以来的幕式隆升，与太行山地区发育的三级夷平面(北台面、甸子梁/太行面、唐县面)具有较好的对应性(图 3、图 4)，夷平面的形成对应了隆升事件之间的间歇期[25, 35]；泰山和沂蒙山地区广泛存在的中新世(23~20 Ma)的隆升，也对应了甸子梁期夷平面[46]。与中国东部太行山、燕山等山脉隆升成山相对应，还有盆地内部新生代以来的快速沉降，两者呈现“盆-山”耦合关系[24, 30](图 2)。太行山层状构造地貌代表的新生代幕式隆升，与渤海湾新生代阶段性沉降彼此对应，古近纪的隆升对应了渤海湾盆地的裂陷过程，导致太行山开始出现盆-山地貌差异，中新世隆升则对应了盆地的热沉降过程[33, 35, 57-58]，奠定了现今太行山与东部平原之间地形差异的基础。盆地中裂陷和坳陷阶段形成的古近系和新近系，属于响应太行山当时的抬升、剥蚀-稳定、夷平过程的相关沉积；渤海湾盆地基底、古近纪与新近纪不整合面、新近纪与第四系不整合面，分别对应太行山层状构造地貌中的北台面、甸子梁面和唐县面；现今的平原是新近纪以来，在古近纪形成的盆-岭地貌上整体沉降形成的[24](图 4)。新生代泰山和蒙山的2次快速隆升，对应于济阳坳陷中的“济阳运动”和黄骅坳陷的“孔店升降”，后者对应于济阳坳陷中的“东营运动”和苏北-南黄海盆地的“三垛运动”，以及东海的“玉泉运动”[46, 48]。
1.1.2 东部陆架的沉降与海陆格局的形成
中国东部陆架分布有渤海、黄海及东海一系列边缘海，这些边缘海的形成、演化及发育过程决定了中国东部的海陆格局，而作为大陆性结构的边缘海基底，各构造单元的地壳运动对海洋的形成起着重要作用[59]。东部陆架地区闽浙隆起带及庙岛隆起的沉降，控制了黄海-渤海的形成，为中国东部大规模的海侵提供了条件，奠定了中国东部的海陆格局[7, 60]。同时还使大陆沉积物通过长江、黄河等河流向海域输送，控制了其沉积范围，对中国东部的源-汇过程影响深远[59, 61-62]。
闽浙隆起带位于黄海和东海交接处，走向NE—SW，由长江口延伸越过济州岛至朝鲜半岛西南部，又称“福建-岭南隆起带”、“浙江-福建隆起带”、“福建-岭南褶皱带”等[59, 63-64]。闽浙隆起带在区域地貌和沉积演化中起到非常重要的作用，自中—晚中生代隆升，一直阻挡海水入侵黄海—渤海，第四纪“福建-岭南隆起带”开始沉降，海水入侵，黄海—渤海海盆开始形成[59, 63-64]。
闽浙隆起带对于海侵事件的影响，早在1980年代就有研究。王强[65]通过分析渤海渤中凹陷石油钻岩屑样品，在400 m样品中见大个体的底栖有孔虫服部星轮虫Astrorotaia yabei Ishizaki化石等近300枚，海相介形类若干，认为可将其视为闽浙隆起带第四纪沉降，导致黄海—渤海此后发生海侵的标志[65]。近年来在黄海和东海海域大量的钻探工作，为探讨闽浙隆起带对海侵事件的影响提供了年代学限定。闽浙隆起带ESC-DZ1孔[61]、南黄海西部CSDP-1孔[66]、冲绳海槽U1428站位钻孔[62]，以及长江口PD钻孔[67-68]的研究，揭示了闽浙隆起带第四纪的沉降过程(表 1)。早更新世的小幅度沉降导致了黄海和东海小范围的海侵，海水受闽浙隆起带限制，仅在东海和黄海之间进行有限交换，大部分地区仍以河湖相为主[73-75]；直到晚更新世之后，随着闽浙隆起带的大幅沉降，黄海地区才出现大规模海侵，海相层也开始响应全球海平面低频高振幅的波动[69]。
表 1. 钻孔揭露的闽浙隆起带和庙岛隆起的沉降过程Table 1. The subsidence process of Min-Zhe and Miaodao uplifts revealed by boreholes研究地点/对象 主要观点 主要证据 参考文献 闽浙隆起 舟山群岛ESC-DZ1孔 约2.0 Ma出现沉降；1.7~0.2 Ma间发生抬升；0.2 Ma之后彻底沉降 研究区位于闽浙隆起带之上。约2.0 Ma出现海相层；1.7~0.2 Ma出现沉积间断；0.2 Ma之后为海陆交互沉积 [61] 南黄海第四系地震层序学研究 闽浙隆起带对南黄海沉积环境和沉积地层发育的控制作用直到晚更新世距今128 ka才终止 128 ka之前南黄海地区仅发育小规模海相层，对海平面波动的响应不明显；128 ka之后，南黄海地区出现大规模海相层，其形成很好地响应了低频高振幅的海平面波动 [69] 南黄海西部CSDP-1孔 1.66 Ma出现小幅沉降；0.83 Ma进一步沉降 3.5~1.66 Ma以河流环境为主，1.66~0.83 Ma为潮坪-潮下带与河流环境的交替，0.83 Ma以来现代海洋环境逐步建立 [66] 长江口PD钻孔 中更新世前后彻底沉降 早更新世物源发生扩张，中更新世发生物源再次发生变化 [67] 冲绳海槽U1428站位 约416 ka出现大规模沉降 钻孔中约416 ka出现岩性变化 [62] 庙岛隆起 莱州湾Lz908 约260 ka发生沉降，约130 ka完全沉降 钻孔中约260 ka湖相沉积结束，海相沉积开始；约130 ka渤海发育为现今内陆架 [70] 渤海BH08等多个钻孔 约0.3 Ma出现沉降, 0.1 Ma完全沉降 研究区约3.7 Ma之前以河流相为主；3.7~0.3 Ma盆地稳定沉降，形成“渤海古湖”，其中1.0 Ma高海平面时期发育微弱海侵；0.3 Ma典型海相沉积出现，0.1 Ma之后大规模海侵出现 [71] 黄河三角洲YRD-1101孔 0.83 Ma小幅沉降，MIS5期大规模沉降 0.83 Ma出现微弱海侵；MIS5早期出现强烈海侵 [72] | Show Table
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与闽浙隆起带类似，位于山东半岛和辽东半岛之间的庙岛隆起，是分隔渤海和古黄海的天然屏障，其在第四纪的构造演化控制了渤海从湖泊向海洋的转变[70, 76]。现今渤海海洋环境形成之前，庙岛隆起阻挡了渤海和黄海的交流，周缘河流注入渤海盆地逐渐汇集，并在上新世晚期形成“渤海古湖”，直到晚更新世前后，随着庙岛隆起的沉降，渤海地区出现大规模海侵[71]。渤海湾的多个钻孔，如Lz908钻孔[70]、BH08孔[71]、YRD-1101孔[72]等，均记录了庙岛隆起的沉降及其对渤海沉积环境演化的控制作用(表 1)。
第四纪，以闽浙隆起和庙岛隆起为代表的中国东部陆架的沉降，与高原的隆升相对应，维持了高原与日本-琉球岛弧之间的应力平衡[6]。上新世晚期—早更新世，现今中国东部陆架区均以陆相环境为主[77]，闽浙隆起和庙岛隆起阻挡了海水向西侵入，可能只有几条通道与局部地区有限沟通，因此早更新世中晚期在黄海—渤海形成范围有限的海侵层[66, 72-73, 75, 78]；至晚更新世，随着较大规模沉降的发生，现代海陆格局及海洋环境逐步形成。高原的隆升还促进了黄河、长江等大型河流的贯通和迁徙，使黄海—渤海发生大规模的海侵，长江、黄河在不同时期曾进入南黄海，且一度成为影响该地区的主要物源，深刻影响了海域的源-汇过程的演化[79](图 5)。
图 5. 闽浙隆起的沉降导致黄海和渤海地区沉积环境发生变化(据参考文献[74]修改)Figure 5. Significant environmental changes in the Yellow Sea and Bohai sea resulting from uplift of Min-Zhe uplift综上，以太行山、燕山等为代表的黄淮海平原周缘山脉于晚白垩世、古新世—始新世和渐新世—中新世以来出现了3次快速隆升过程，隆升过程与华北山地层状地貌及现今渤海湾盆地3期不整合面相对应，造就了黄淮海平原现今的地貌格局；以闽浙隆起和庙岛隆起为代表的东部陆架则在第四纪发生多次沉降，该过程控制下的陆架区由陆相向海相的转变奠定了目前的海陆格局。
1.2 黄河的贯通及其对东部平原的影响
现代意义上的黄河是河水切穿沿线各盆地之间的峡谷，贯通一系列的湖泊形成的[80]，而作为黄河东流入海的最后一道关口，三门峡的贯通对于黄河形成具有至关重要的意义。三门峡的贯通使黄河东流水系最终形成，形成黄土高原侵蚀与黄淮海平原堆积相结合的统一的环境动力系统，使黄土高原和黄淮海地区地表环境发生巨变，对中国东部边缘海的自然环境也产生了深刻的影响[5]，从此青藏高原、黄土高原、黄淮海平原，以及黄海—渤海等边缘海，被纳入统一的“源-汇”体系中。对于这一事件发生的时间，学者们主要从构造地貌和沉积响应方面进行了研究，目前仍存在分歧(表 2)。
表 2. 黄河贯通三门峡的时代Table 2. Ages of the cut through of the Sanmen Gorge by Yellow River研究对象 贯通时代 主要证据 参考文献 构造地貌 黄河扣马段河流阶地 >1.165 Ma 最高级阶地上1.165 Ma开始堆积黄土 [81] 黄河三门峡段河流阶地 3.63~1.24 Ma 黄河三门峡段上新世夷平面之下发育5级河流阶地；夷平面以及最高级阶地的形成时代分别为3.63 Ma和1.24 Ma [82] 三门峡段河流阶地及渭河盆地河湖相沉积 1.3~1.4 Ma 三门峡最高级河流阶地之上和渭河盆地中具有黄河上游碎屑锆石年龄分布特征的沉积物分别出现于1.3 Ma和1.4 Ma [83] 沉积响应 三门峡盆地黄底沟剖面 0.15 Ma 三门古湖0.15 Ma结束湖相沉积 [84-85] 邙山黄土 0.15 Ma L2以上粒度偏粗，沉积速率增大 [86] 200~250 ka 利用磁化率和粒度重新标定了邙山黄土的时代，发现S2之后沉积速率及粒度发生明显变化 [87] 约900 ka L9黄土(约900 ka)中已经出现了黄河物源 [88] 河南东部平原沉积物 0.78 Ma 黄河冲积平原B/M界线(0.78 Ma)上下沉积物特征、孢粉特征以及重矿物组合明显不同 [89] 汾渭盆地与河南平原更新统介形类化石 0.78~1.0 Ma 更新统介形类化石组合特征中更新世前后发生了明显变化 [90] 黄河三角洲石化2孔 早更新世 钻孔埋深223 m处上下沉积物元素组成存在明显差异，其上与黄河接近，其下与黄河明显不同 [91] 渤海湾西岸G4孔 渤海BH08孔及南黄海NHH01孔 1.6 Ma 地球化学组成指示1.6 Ma物源发生变化 [92] 南黄海西部CSDP-1孔 880 ka 稀土元素和粘土矿物组成指示物源在880 ka由近源小型山地河流为主，转变为以远源多组分的黄河沉积物为主 [93] 渤海湾西岸G2、G3及CK3 0.8 Ma 粘土矿物和Sr-Nd同位素指示物源在0.8 Ma由长江转为了黄河为主 [79] 1.6~1.5 Ma G2、G3及CK3中的碎屑锆石年龄谱在1.6~1.5 Ma发生了明显变化 [94] | Show TableDownLoad:
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关于黄河贯通东流入海的时间，学术界仍存在较大争议(表 2)。这一状况很大程度上是研究材料和角度不同导致的，也有概念分歧的原因。河流阶地研究往往得出的结论倾向于较老的时代[81-83]，而从古湖消亡的角度，年龄年轻很多[84-88]。一些学者将三门古湖的消失作为黄河贯通的标志[80]，另一些学者则认为二者没有必然关系，河流和湖泊可以同时存在[81]。如果认为黄河贯通较老，多是以河湖系统贯通为标志，而认为黄河贯通较年轻的观点多采用的是后期湖泊淤积河道的年龄[95]。黄河在不同盆地可能经历了多次的贯通过程。从上游兴海盆地—共和盆地，经中游河套盆地—晋陕峡谷—三门峡盆地—三门峡峡谷至郑州邙山，黄河贯通出现的时间并不同[80]，引发了不同时期的下切过程[96]。因此，需要将湖泊-峡谷-河流作为一个统一系统进行研究，才能得出有意义的解释[80, 95]。
作为“源-汇”系统中“汇”区的边缘海和黄淮海平原区，目前多数研究集中于沿海地区[79, 89-94]。最近采用物源分析方法，为黄河影响边缘海的时间做出了较好的限制[79, 93-95]。黄河贯通三门峡之后，携带大量黄土物质堆积于黄淮海平原，下游平原的沉积记录可以为黄河贯通的时间提供最直接的证据，为黄河演化过程提供直接的锚定点，从而避开中上游阶地和沉积物保留不全和意义不明的问题[96]。
1.2.1 黄河贯通对黄淮海平原地表过程的影响
黄河是世界上含沙量最大的河流之一，每年输入海洋中的泥沙量达1×109 t，占全球河流向海洋输沙总量的5%[97-98]。经过多年治理，虽然输沙量近年来有所下降，但每年仍有2×106 t[99]。黄河携带的泥沙一部分沉积在平原，塑造了广泛的堆积地貌[4]，成为平原地貌塑造的主要动力[5, 100-103]，深刻影响了黄淮海平原的地形地貌、沉积过程及地表过程[102](图 6)；另一部分输送到海洋，在河口建造黄河三角洲，形成中国东部海岸地貌，奠定了今日中国东部的海陆分布格局[3, 104-105](图 7)。
图 6. 黄淮海平原第四纪演化(据参考文献[5]修改)Figure 6. Quaternary evolution of the Huang-Huai-Hai Plain
黄河形成的大冲积扇对平原的形成起主导作用[104]。黄河贯通进入黄淮海平原，由于河流坡降、流速骤降，搬运能力下降，黄河从黄土高原携带的大量泥沙沿程沉降[105-107]。在西起孟津、东至鲁西、北至京津、南至江淮的广大地区，重塑了古冲积扇、老冲积扇和现代复合冲积扇，扇体呈放射状分布，面积占到整个平原的2/3左右[7, 84, 105, 107-108]。
黄河冲积扇的形成对黄淮海平原地貌格局形成及平原地貌的复杂性起巨大作用[100]。黄河贯通之前，平原沉积物主要来自周缘山地，地貌形态主要是太行山、燕山、伏牛山山前的一些小型冲洪积扇，广大平原地区湖泊洼地广布。黄河贯通之后，随着冲积扇的不断扩展，以及古冲积扇、老冲积扇和现代复合冲积扇的形成，平原低洼部分基本被填平，仅局部洼地尚残留湖泊[4, 7, 107, 109] (图 7)。目前，黄淮海平原地势大体以桃花峪为顶，以郑州—兰考一线为轴，地势向北东、南东倾斜，平原地势向东降低，地面坡降由顶端的1/2000~1/3000至末端已降到1/7000~1/8000[100]。伴随冲积扇的发育及黄河河道的迁移，冲积扇扇面不断升高[103]，扇体之上古河道、决口扇、河道洼地等地貌广布，在风力作用下形成独特的岗、坡、洼等微地貌，使平原地貌形态复杂化[100-101, 105, 107]。
黄河三角洲是黄河贯通进入黄淮海平原之后形成的又一重要地貌类型[7](图 7)。黄河贯通进入黄淮海平原，随着下游不断改造迁徙，在渤海和黄海入海口处普遍发育三角洲叶瓣[110-114]，渤海湾西岸残存的四道贝壳堤和苏北平原的三道砂堤，是不同时期三角洲平原稳定的痕迹。三角洲的形成发展促使黄淮海平原不断扩展，岸线不断外延；在黄河改道原河道废弃后，岸线遭受侵蚀[101](图 8)。
1.2.2 黄河贯通对中国东部平原水系的影响
黄河贯通三门峡之后，在黄淮海平原形成多期冲洪积扇，构成了黄河下游平原地貌的基础。而冲积扇的发育是与黄河下游河道的演变互为因果的，黄河下游改道和迁徙是冲积扇上河流发育的基本规律[7]。黄河在历史上便以“善淤、善决、善徙”而闻名于世，其波及范围北到海河，南到淮河，影响范围达25×104 km2[117]。前人对华北平原埋藏古河道的研究，揭示了地下不同时期不同层次的埋藏古河道[118-126]，古河道记录了晚更新世—全新世黄河变迁史，表明地质历史时期黄河多条流路共存、河道不断变迁的特性[7]。这一特点深刻影响了下游海河和淮河水系的发育和演化[5, 117]，因其含沙量巨大，对地形的改造远超东部原有河流，在下游的迁徙则重新塑造了平原水系。
海河水系的形成过程与黄河密切相关[127-128]。黄河经海河入海时，海河无法形成独立水系；黄河南流之后，海河水系才真正形成[117]。黄河进入平原早期，由于黄河的挤压，海河平原上原向东或北东东方向入海的河流，至晚更新世被迫改为北东向入海[4]，独立的现代海河水系此时尚未形成。黄河控制了平原的诸多水系，将发源于太行山的河流纳入黄河水系。至公元前602年，黄河改道南移，由河北孟村入海，孟村以北的黄河废弃河道容纳了海河平原诸多本地水系，形成海河水系雏形。西汉末年，黄河改道至山东利津入海，海河水系摆脱黄河干扰，形成独立水系；现今海河水系则是由于魏晋及隋唐时期人工开凿运河，将现代海河五大水系(北运河、永定河、大清河、子牙河、南运河)汇合天津入海而形成[5, 127-131]。
淮河的形成本质上也是黄河贯通的结果。黄河在中更新世左右形成之后，即控制了淮河的形成和发展[132-133]。早更新世，豫皖苏平原较低洼，河流向北注入湖泊中。随黄河贯通，低洼处被填平，原北西向流动的河流逐渐流向东南，晚更新世前后切穿苏皖之间的高地，贯通苏北，形成了早期的淮河[4]。淮河在形成之后相当长的一段时间内，保持了较稳定的形态。人工运河的开凿，逐渐形成了以淮河为枢纽的水路交通系统[134-135]。黄河夺淮事件导致淮河重大变迁，迫使原淮河水道只能泄黄河水入海，淮河支流失去了出海通道[133-136]。1594年，由于“分黄导淮”政策的实施，人工开通了淮河经长江入海的通道，自此淮河演变为长江支流[133-134, 137-139]。与此同时，沂、沭、泗等淮河支流由于黄河夺淮被迫改道，不再汇入黄河，随着淮河尾闾逐步淤积成为地上河；统一的淮河水系以废黄河为分水岭，形成淮河与沂沭泗河两大水系[133, 135-137]。
黄河贯通之后在黄淮海平原的变迁，不仅决定了平原水系演变，还影响了黄淮海平原湖泊的形成和消亡[105]。
(1) 黄河携带大量泥沙，填平原有湖泊使其消亡。黄河贯通之前，黄淮海平原中部广大地区地势低洼，多为河湖洼地[4]。黄河贯通之后在平原上形成巨大的冲洪积扇，低洼处被迅速填平，湖泊迅速缩小，至晚更新世平原洼地已基本被填平[5, 117]。全新世，随着黄河冲积扇推进和河流迁徙，平原上逐渐形成一些湖泊，如太行山东部的古白洋淀、大陆泽，均是黄河河道与太行山山前冲洪积扇之间的洼地形成的湖泊。但这些湖泊由于黄河泥沙的淤塞，目前或已完全消失(如大陆泽)，或尚有残余(如白洋淀)[103, 127, 140-144]。鲁西地区的大野泽，是在黄河冲积扇与鲁西山地山前冲洪积扇之间的洼地中形成的。随黄河冲积扇向东推进，以及黄河改道迁徙，大野泽逐步向北东向迁徙并逐渐淤浅，形成巨野泽和梁山泊，现今的东平湖便为其孑遗[103, 117, 141-148]。在江淮地区，黄河夺淮之前，湖泊密布，古湖分裂之后留下的湖泊广布于平原之上；黄河夺淮进入苏北平原后，湖泊淤平迅速消失[135]。据统计，唐宋至今黄淮海平原湖泊面积减少了60%以上[117]。
(2) 一些地区由于地势低洼、宣泄不畅，形成新的湖泊，如淮河流域三大湖泊(洪泽湖、骆马湖、南四湖)。隋唐之时尚无洪泽湖记载，该地仅有零星小湖泊，黄河夺淮之后，淮水失去入海通道，河水潴积将零星湖泊连成一片，加之人工修筑堤坝，最终导致洪泽湖的形成[133, 136-139, 141-142]。南四湖地区元朝之前尚无大型湖泊，南宋之后黄河夺淮入海，导致徐州以下泗水河道被截夺，河床淤高，泗水下泄不畅，河道积水变为湖泊；南四湖形成之后，由于徐州以下泗水故道废弃，原入泗水的沂水失去出路，改道东南蓄积于马陵山东南的洼地中，形成了骆马湖[133-137, 141-142, 149]。
1.2.3 黄河贯通对中国东部源-汇过程的影响
黄河贯通三门峡进入黄淮海平原，改变了原有沉积环境、沉积物来源和特征，深刻影响了中国东部平原及边缘海的源汇关系[89]。
首先，黄河贯通形成了外流水系，将青藏高原、黄土高原、黄淮海平原，以及黄海、渤海等边缘海纳入一个统一的“源-汇”体系，尤其是将黄土高原的侵蚀与黄淮海平原、东部边缘海的堆积联系起来，改变了黄淮海平原的“源-汇”过程[5]。黄河贯通之前，黄淮海平原及黄海-渤海均为本地物源，周缘山地短程河流携带剥蚀物质注入盆地中[93, 97, 150]；黄河贯通之后，进入黄淮海平原及边缘海的大量泥沙90%来自黄土高原[151-152]。沉积环境则由以冲洪积扇、湖泊为主演变为以河湖相地层为主，沉积物的岩性、孢粉、微体古生物、重矿物组合等特征均出现了明显的变化[89]。对渤海湾西岸和黄海-渤海钻孔的研究也发现，黄河贯通之后，沿海地区和黄海-渤海沉积物物源也由局部山地河流物源，转变为单一的黄河物源[79, 93-94]。黄河携带的大量沉积物，又使得渤海湾盆地和苏北-南黄海2个相对独立的盆地相连接，促成了受控于黄河河流作用的统一的黄淮海平原的形成。
其次，黄河贯通改变了平原和边缘海局部的源-汇过程。黄淮海平原原本为接受沉积的“汇”，但黄河贯通之后，带来大量泥沙，加之下游地形不断淤高，在地形和季风的影响下，局部地区演变为物源区[102]。黄河出三门峡之后形成的冲积扇，在冬季风影响下部分物质被吹扬起形成近源风尘物质，在中原邙山地区形成了风成黄土堆积[6, 87-88, 153]。苏北盆地因黄河泥沙的不断淤积，由内流转为外流，开始向海洋输送物质，成为了黄海的直接物源区[132]。黄河入海泥沙除形成三角洲外，也在海流作用下，为边缘海提供了大量沉积物。黄河入渤海之后，入海泥沙经再悬浮作用在渤海、黄海沿岸流的作用下，绕过山东半岛成山头向南输送，围绕山东半岛形成Ω形的水下斜坡沉积体，称为“山东半岛泥质楔”，形成了黄河物质在黄海的“汇”[150, 154-158]。废黄河三角洲在黄河北徙后经历了严重侵蚀，泥沙发生了再分配，开始为黄海和东海提供物源，每年790 Mt的侵蚀量中，超过50%进入黄海和东海，泥沙贡献量远远超过现今长江和黄河[159-160]。
黄河下游的频繁迁徙也导致下游物源供应的变化。研究表明，黄河从晚更新世开始往返于渤海和黄海之间不断改道[161]，形成遍布平原的河道带和古河道沉积[122-124, 162]。这些河道与在黄海-渤海大陆架发现的多条黄河古河道汇合，构成了黄河向海域输送沉积物的体系[59, 152, 160, 163-166]。末次盛冰期间，由于黄海完全暴露，黄河泥沙甚至可以直接输入冲绳海槽[151]。黄河的南、北迁徙使苏北平原和南黄海沉积黄河物质的范围大大扩展。黄河未从苏北平原入海时，黄河物质主要是经海洋扩散影响到苏北平原，影响范围有限；随着黄河由苏北入海，泥沙大量供给影响了整个苏北平原[167]，形成了广泛的黄泛层[168]。黄河北徙入渤海时，黄河入海泥沙可以影响到南黄海西北部，但每年由渤海输入黄海的泥沙仅为黄河输沙量的1%[164]。经由渤海输送至黄海的现代沉积物大部分沉积于山东半岛泥质楔上，只有少量向南或东南扩散[169-170]，南黄海中部泥质沉积区北半部以黄河物质为主，中部和南部则为多源混合[171]。当黄河南徙入黄海时，由于黄河沉积物直接入海，其沉积范围南移[172]。对黄海陆架泥质区的物源研究发现，南黄海35°N以南的黄河物质均来自苏北老黄河口的再悬浮物质[173]。长江口和浙江沿海地区的岩心中，均发现了黄河1128—1149年改道带来的黄河物质[174-175]，黄河物质向南输送的界线在25° N左右[173]。东海地区在这一过程中也受到明显的影响，黄河1855年改道前后，东海陆架北部钻孔中有机质来源发生了明显改变，由陆地来源为主，改变为以海洋来源为主，同时主量和微量元素成分也发生了明显变化[176]。
历史上黄河的迁徙在渤海沉积物中表现也非常明显[177]。渤海海底钻探柱状样沉积物不同层位，分别反映了黄河1048—1128年改道海河入海事件，以及1128—1855年黄河改道苏北入海事件[178]。1855年的黄河改道，使渤海中部沉积物来源、性质及动力环境发生改变。沉积物来源更复杂，沉积物的粒度和元素含量也发生突变，沉积环境由改道前的氧化性质的滨—浅海，改变为弱氧化-还原性质的三角洲环境，底栖生物也变得不发育[179]。百年尺度上的黄河尾闾的变化也影响了海洋的沉积环境[180-181]，如1976年黄河由刁口改至清水沟入海，导致三角洲东北部沉积物粒度变粗，陆源有机质供应增多[181]，同时渤海中部地区沉积物粒度变粗，C/N值下降[182]。1950年代以来人类活动导致的入海泥沙锐减，也造成黄河三角洲毗邻海域沉积环境发生显著变化，入海泥沙影响范围变小，输送到远海的细粒物质变少，下游河道侵蚀泥沙则成为黄河入海泥沙的主要物源[181]。
综上，虽然对于黄河贯通的时间仍有争议，但黄河贯通导致的晚新生代以来黄淮海平原环境的巨变则是毋庸置疑的。黄河贯通进入平原形成了巨大的冲洪积扇，在沿海地区则形成了多个三角洲，也决定了下游水系及湖泊的形成消亡。黄河贯通还将中上游大量物质带入研究区，造成了研究区“源-汇”系统的巨变。
1.3 东部沿海晚第四纪大规模海侵事件
1.3.1 第四纪海侵事件
受中国东部陆架持续沉降及全球海平面变化影响，中国东部沿海第四纪发生了多起海侵海退事件，影响制约了东部海陆格局演化及沿海地区环境变化(图 9)。针对沿海第四纪海侵期次和海进海退过程，人们依据渤海湾西岸研究提出了多种海侵期次划分(表 1)[184-191]。钻孔孢粉、微体古生物分析表明，约60 m深度以上的3期海侵皆发生在暖气候期[192-193]。后来在总结先前工作的基础上，在研究程度最高的渤海湾西、南岸平原及一些大河入海口，对不同期次海侵事件进行了命名(表 3)。
图 9. 渤海西岸晚第四纪海侵影响范围及古海岸线图(据参考文献[183]修改)Figure 9. Influence scope of the Late Quaternary transgression in the west coast of the Bohai Sea and paleocoast line表 3. 黄淮海平原沿海地区海侵期次划分Table 3. Division of transgression periods in the coast area of Huang-Huai-Hai Plain地点 海侵期次及名称 参考文献 黄骅、沧州、保定等地 渤海海进(早更新世)、海兴海进(中更新世)、黄骅海进(晚更新世早期)、白洋淀海进(晚更新世早期)、沧州海进(晚更新世早期)、天津海进(全新世) [184] 渤海湾西岸 沧州海侵(102~70 ka)、献县海侵(39~23 ka)和黄骅海侵(8~2 ka) [185] 河北平原东部 海兴海进、黄骅海进、青县海进、沧西海进(40~20 ka)、献县海进(8.5~5.5 ka)、沧东海进(5~3.5 ka) [186] 中国东部平原 星轮虫海侵(110~70 ka)、假轮虫海侵(40~25 ka)、卷转虫海侵(15~2 ka) [187] 台湾海峡以北沿海平原 盘旋虫海侵(中更新世早期)、星轮虫海侵(晚更新世早期)、假轮虫海侵(晚更新世中期)、卷转虫海侵(全新世) [188] 渤海西、南岸平原 早更新世(2.26 Ma)、中更新世(约0.30 Ma)，晚更新世(约100 ka)，晚更新世(39~24 ka)、全新世(＜10 ka) [189-190] 长江三角洲 如皋海侵(早更新世中期)、上海海侵(中更新世早期)、太湖海侵(晚更新世早期)、滆湖海侵(晚更新世晚期)、镇江海侵(全新世) [191] | Show TableDownLoad:
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根据北京地区钻孔和延庆杨户庄剖面中海相微体古生物研究，前人曾提出在早更新世2.26 Ma有一期海侵事件，称为“北京海侵”[194-198]。然而在渤海湾西岸其他地区尚未见，只在渤中凹陷钻孔中证实[65]，因此“北京海侵”可能只是沿构造通道发生的[190, 199]。
海相有孔虫可能是由风、水、鸟带来，在近似海洋的水体中存活下来，相关沉积被称为“非海相盐湖”(athalassic)[200]。河北阳原泥河湾盆地和北京延庆盆地第四纪早期有孔虫壳锶同位素测试，表明并非海洋生物，而是在与海水环境近似的内陆湖泊中生存的，其出现更可能是内陆局部水体环境咸化的结果[201-204]。在山西运城盐湖13个钻孔中见大量广盐海相介形类中华美花介Sinocytheridea出现，有孔虫层位较少，但也有数万枚个体样品[205-206]。内陆所见分异度低、优势度高有孔虫、海相介形类生物群，即属于非海相湖泊咸化的表现。孙镇诚等[59]结合实例总结了有孔虫、钙质超微生物由海向盐湖区的传布。
中更新世之后，福建-岭南隆起和庙岛隆起的沉降为海水进入黄海—渤海打开了通道，但直到中更新世末—晚更新世，海水才开始大规模影响到中国东部沿海[6, 69, 71, 207]。赵松龄等[185]根据渤海湾西岸71个水文钻孔的分析，确定渤海湾西部晚更新世发生了3次海侵，由老至新称为沧州海侵(102~70 ka)、献县海侵(39~23 ka)和黄骅海侵(8~2 ka)，分别对应于深海氧同位素MIS5、MIS3和MIS1阶段，并形成3套海侵地层，自上而下称为第一、第二和第三海侵层。渤海及周边地区进行的钻探工作，如渤海湾西岸的BQ1和BQ2[208]、BZ1[209]和BZ2[210]孔、HZ4-HHX2-FG1-YS1四孔[211]，黄河三角洲北部五号桩地区S3[212]、HB-1[213]、YRD-1101[72]和YRD-1402孔[214]、A1和A5[215]、莱州湾西岸Lz908[216-217]，渤海中部BC-1[76]，以及BH08[75]孔，均发现晚更新世以来的2~3套海侵层(图 10)。根据现代黄河三角洲北侧YRD1101钻孔200.3 m深，800多块样品分析，发现几乎连续出现海相微体生物，据其丰度等确定3期海侵[76]，与利津县打渔张灌区钻孔百余米深度尚见有孔虫[218]十分相似。
图 10. 渤海及周边地区钻孔对比Figure 10. Correlation of the boreholes in the Bohai Sea and adjacent area晚更新世3期海侵事件的年代多基于14C测年及磁性地层学工作，然而依据古地磁Blake亚时(128 ka)[185]判断的MIS5海侵，因沉积学原因可能所在层位很薄[49]，不易捕捉。14C方法对全新世海侵定年结果较好[219]，但MIS3期14C表观年龄为39~23 ka，以及近年美国Beta实验室与北京大学年代学实验室测得的43 ka等，已经接近14C的最大测年范围[49]。
近年，随着光释光测年(OSL)技术的发展，石英、长石光释光测年开始应用于海相层的定年。利用石英光释光测年手段对渤海湾西岸多个钻孔中的海相层定年发现，3个海相层分别对应MIS1、MIS5和MIS7，MIS3阶段并未发生海侵[220-221]。对位于渤海南部的Lz908、BH1和BH2钻孔，综合14C和OSL测年方法的研究发现，晚第四纪3次主要海侵事件发生于全新世、MIS3-5、MIS7，另外在MIS6可能存在一期微弱的海侵[222-223]。Yi等[70]在光释光测年的基础上，采用天文调谐方法外推第三海相层的年龄，认为第三海相层始于260 ka。值得注意的是，由于石英饱和剂量的限制，老于50~80 ka的OSL年龄很可能不可靠[224]，因此通过OSL方法去测定第二、三海相层的年龄同样需要格外谨慎。而长石的红外释光因其具有更大的饱和剂量，适合对更老的沉积物进行定年。事实上，1990年红外释光测年即应用于天津大直沽ZH2孔研究中[225]，但该孔仅见全新世海侵。最新的研究中，综合14C、石英光释光、钾长石红外释光等手段方法对渤海北部LZK06钻孔定年，建立了渤海晚第四纪海侵海退过程的年代学序列[224, 226]。利用红外释光方法测得的第三海侵层年龄为201±20 ka，第二海相层上部光释光年龄为45~50 ka，第一海相层时代则位于全新世，3次海侵事件分别对应于MIS1、MIS5和MIS7阶段[226]。
最近对渤海湾地区海相层的研究表明，MIS3期海侵可能并不存在[226]。事实上，此事争议已久，矛盾集中在MIS3期区域与全球海平面变化之间的不一致。
全球海平面高度在MIS3期要低于MIS5期，但是渤海湾西岸MIS3期海侵范围大于MIS5期[227-228]。这是因为目前的海侵并非面状分布，存在海水沿河流上溯发生的向陆地突出(如河北省文安县和霸州钻孔[188])、平面上呈指状分布的状态[190]。因而，这样的海侵影响范围平面形态与海侵强度、海面高度皆无关。类似霸州钻孔仅见广盐海相介形类的状况，近年在唐山古冶榛子镇陡河水库东北端钻孔全新世湖泊湿地沉积中发现，所见海相微体生物即典型中华美花介Sinocytheridea impressa(Brady), 还见2枚广盐低盐有孔虫阿卡尼圆形五玦虫Quinqueloculina akneriana rotunda (Geker)①。显然不可以据此认为全新世海侵抵达山前。40余年前建立的海侵序列，有些就是依据广盐-低盐海相微体生物在地层中的出现，加之其有被风、水、鸟搬运的可能，不宜据此过多推断海面高度，因为渤海湾西岸大量海侵层的沉积构造符合Klein(1971)总结的潮坪沉积模式[193, 229]。
MIS3期全球海平面低于现代海平面35~80 m[230-231]。根据渤海湾西岸46个钻孔中的海相微体生物化石，计算MIS3期海面标高低于海平面5~ 11 m[232]；渤海湾北部LZK钻孔中第二海侵层经校正后的标高低于海平面6~8 m[225]，均远高于同期的全球海平面。另有解释为地势带来的同期异相[233]或“视海侵”现象[232]，也有认为是由于基底构造或差异性沉降活动影响，同一海侵事件在不同构造单元中表现有所差异[208, 219-220]。按照古生态分析，地层中微体生物组合更多反映沿岸水团的影响，以致海侵影响边缘区仅见低盐广盐种[189, 191]。钻孔微体生物埋藏群结合岩心沉积构造表述海侵层的进一步划分[193]，是扭转使用简单的“海相、陆相、海陆过渡相”作为“成因”地层术语的关键，同时也扭转了对“古水深”的种种误解。
考虑到在渤海中部BH08孔中曾揭示出包含MIS3期海侵层在内的13期海侵层[75, 217]，推测MIS3海侵可能只发生在渤海中部局部地区，并未影响到现今的渤海沿岸地区。进一步的研究需要对渤海及其沿岸海相层进行更精确的年代学研究，以及大范围的地层对比。
1.3.2 海陆相互作用
晚新生代以来，随着青藏高原隆升和长江、黄河的贯通，中上游大量碎屑物质通过河流被搬运至下游，这一物质输送过程与陆架沉降诱发东部海侵发生“碰撞”，使沿海地区发生了显著的陆-海相互作用。在间冰期海侵过程中，河流泥沙的供给变化对海洋沉积带来了重要的影响，强烈的河流进积会阻挡和干扰海平面上升，此时河流对于海洋的贡献表现在海相层中出现了河流相关沉积。河流沉积不仅在三角洲平原后缘发育，在三角洲平原前缘也可见，输沙能力较强的情况下甚至可以中断间冰期高海面的海侵沉积[6]。现代黄河口北侧YRD-1101钻孔中全新世海侵强度明显低于MIS3期，可能与该时期黄河强烈输沙有关[72]。渤海湾西岸部分钻孔中出现的早全新世快速沉积，也是钻孔所在地河流充足泥沙供应的结果[193]，部分全新世沉积物中甚至记录了黄河1855年的改道事件[179]。同时，由于冰后期海平面的上升，流入海洋的河流径流坡度降低，在海水的顶托作用下，沉积物大量在沿岸沉积，海相层的沉积速率下降[159]。在辽东湾的研究也发现了冰后期形成的海相沉积物较薄的情况，但有研究认为是该时期河流泥沙供应量有限所致，直到中全新世之后随着人类活动加强，三角洲的进积速率才开始急剧增加[224]。
末次盛冰期在沿海和陆架地区形成的下切河谷也是海陆相互作用的一个典型例子[165]。LGM时期，全球海平面低于现今海面达130 m，黄海-渤海及东海陆架大部暴露在地表[59]，侵蚀基准面下降导致河流剧烈下切，在沿岸和陆架上形成了规模巨大的河流下切河道[234]。高分辨率地震剖面揭示的南黄海西部下切河谷由多个支流组成，平面呈树枝状分布，断面呈“V”或“U”形[165]，较大的主干河道深10~40 m，宽5~11 km[174](图 11)。研究显示，这是在MIS2阶段海平面低位期间，在MIS3形成的三角洲之上河流下切形成的，河谷中充填了河流相沉积物，LGM之后下切河谷充填由河流相转为河口相，并在之后为海侵沉积物覆盖，其充填模式响应了MIS3期以来从河流到河口再到海洋的演化过程[165, 174, 234]。在渤海地区，由于LGM时期现今沿海地区距离当时岸线较远，地势较平缓，有学者认为不足以形成深切河谷[159]。然而滨海地带钻孔研究发现，LGM时期由于海面下降形成的下切河谷，在渤海湾西岸和滦河三角洲也同样存在[7, 193]。天津海河中游见深35 m的下切河谷，上海浦东119孔所见则为62 m深[235]。在河北省孟村西汉黄河三角洲叶瓣顶部，下切河谷底板深度(30~32 m)，低于区域一般正常的全新统底板(20 m)。显然，北方下切河谷规模不及黄海陆架及长江口地区所见，也没有统一的大河。
图 11. MIS3期至末次冰期南黄海西部陆架上发育的下切河道[172]Figure 11. Incised drainage systems beneath the western Yellow Sea from MIS 3 to last glacial period综上，沿海地区第四纪发生多次海侵事件，但在晚更新世3次海侵事件中，MIS3期海侵事件存在与否，仍存争议。而与之相关的陆海和海陆相互作用，不仅带来了沉积环境的改变，还深刻改造了沿海地区及陆架区的地貌景观。
2. 目前研究中存在的问题
2.1 晚新生代黄淮海平原构造-气候作用
黄淮海平原晚新生代重大事件的实质是区域沉降背景下，在周缘山脉所围限的平原区域内气候作用影响下的陆海联合作用，事件的发生及演化受构造-气候作用的双重控制，构造-气候作用也因此成地质学者关注的重要问题。有研究将中国东部陆架的沉降、黄海-渤海物源的变化，以及黄河贯通事件相联系，认为构造作用才是控制中国东部大江大河演化，以及黄海-渤海沉积环境变化的首要因素。青藏高原东北缘隆升及中国东部陆架的沉降，使黄河贯通形成、长江向南迁移，同时黄海-渤海海侵事件大规模发生[79]。然而，对黄河上游下切过程的研究显示，气候在黄河贯通事件中起了更重要的作用[236]：黄河的贯通始于气候驱动下高原湖面的扩张，湖水的溢出使黄河沿线各盆地相互贯通，最终形成现代意义上的黄河。同时，黄海-渤海钻孔沉积物也记录到了中更新世气候转型事件(mid-Pleistocene transition, MPT)及其对这一地区的影响，气候变化使黄海-渤海地区中更新世发生了物源变化[93]，局部地区沉积速率也有所降低[75]。渤海中部地区BH08钻孔则记录了1 Ma以来米兰科维奇季风气候旋回对地层沉积物的控制，该孔中的色度a*值记录的40 ka和100 ka旋回可以与深海氧同位素记录进行对比[217]。对末次冰消期黄河入淮事件的研究认为，其可能是末次冰期向全新世过渡的气候转型的结果[168]。而最新的研究则揭示，上新世—更新世大规模的海平面变化可能是导致黄河贯通的驱动因素[94]。因此，区分构造或者气候作用非常重要，也就是在充分肯定青藏高原隆升扩展作用背景下，要特别注意和研究确定气候作用对黄淮海平原晚新生代重大地质事件的影响和制约。就渤海中部海域地层而言，构造作用控制下的区域持续沉降，提供了盆地沉积物的容纳沉积空间，之后的沉积作用受到了冰期-间冰期气候驱动下海平面变化的控制[75]。但在黄淮海平原内部，由于高质量钻孔岩心材料和相关研究的缺乏，平原地层记录的构造-气候作用的信息仍然缺乏；陆相沉积的不连续性也给识别这一作用带来了困难。如沧县隆起的天津市区南部BZ2孔[206]、静海县东南部CGZ5孔、黄骅坳陷西斜坡上大港区TPZ1孔，磁性地层的主要界线高于黄骅坳陷钻孔所见[237]。但晚新生代以来长时间尺度大区域范围内，河流行为对于气候事件和构造行为如何响应，仍缺乏研究，对于黄淮海平原晚新生代地质事件发生的构造-气候背景及成因机制需要进一步深入研究。
2.2 晚新生代黄淮海平原地貌的动态演化
晚新生代黄淮海平原的地貌、沉积环境、地表景观、植被覆盖等情况，在构造-气候和人类作用影响下发生了很大变化。随着中国大陆地形倒转，黄河由内流转为贯通、外流，河道增长、水量增加，同时侵蚀基准面发生变化，使得河流下切速率、侵蚀能力及搬运能力增强。黄河贯通之后的河流行为发生改变，带来了上下游地表过程及源-汇过程的变化。而随着晚第四纪黄淮海平原基本地貌成型，受新构造控制和地形影响，在全球海面变化影响下，沿海普遍发生了不同期次和强度的海侵事件。然而，对于这些事件导致的不同时间尺度的地貌和沉积演变过程，目前仍有许多争议。比如针对黄河对下游的影响的分析多基于历史时期资料，对上溯至黄河冲积扇贯通以来的推进更长时间尺度的历史，仍缺乏详细了解。黄河冲积扇的叠加复合关系、河道带的分布叠置、扇体的三维特征及详细的沉积序列等信息，仍然需要更多的研究去揭露[89, 107]。如何评价黄河对黄淮海平原及入海三角洲的贡献，以及平原地形和三角洲岸线的动态演变，也是需要关注的方向。这种背景下的海侵-海退过程需要更谨慎和精细的讨论。而在海侵事件发生过程中，东部陆架的沉降与黄淮海平原海侵事件的大规模发生之间，存在明显的时间差，可能需要对东部陆架之上的海侵过程进行更系统、更精细的研究。
上述疑问指向的是一个更重要的问题，即对黄淮海平原晚新生代地貌的动态演化的重建。过去几十年对黄淮海平原的研究已经积累了大量的基础资料，近年随着观测、定年和数字模拟技术的发展，积累了更多高精度的地貌和地质数据，也为古地貌的动态演化模拟提供了便利条件。利用现有的高分辨率地貌和沉积数据，重建黄淮海平原地貌的动态演化过程，建立在不同时间和空间尺度上构造和气候共同发生作用的模型是很有必要的。既可以阐明黄淮海平原不同时空尺度上的演化过程，也可以更有效地为各个重大地质事件过程，如黄河贯通引发的地貌变化、海陆相互作用导致的环境改变，以及更大尺度的盆地形成演化和周缘山地剥蚀过程做出解答。但必须指出的是，更多长尺度和高分辨率的材料仍然是非常必要的。
2.3 晚新生代黄淮海平原重大事件的年代学研究
近年，测年方法的进步，为构建晚新生代重大事件的时间序列提供了便利的条件，同时其与先前研究的矛盾也带来了更多的争议。在海侵事件的研究中，传统的方式是根据古地磁方法结合14C测年方法确定海相层的时间，进而确认海侵事件的时代，但其弊端在于用于古地磁极性对比的地磁极性漂移的不确定性，以及14C方法的测年范围有限(约50 ka)，后期研究虽引入光释光测年方法，但MIS5期的海侵事件仍然超过了石英光释光测年的理论范围(约150 ka)，而钾长石红外释光测年方法的测年范围可达300 ka，覆盖了晚第四纪3次海侵的时间。采用该方法对渤海湾北部海相层的研究，将原认为的MIS5期海侵改写为MIS7期海侵，并推断先前研究认为的MIS3期海侵时间也存在疑问[226]。考虑到早期研究中测年手段的单一性，同时并未对测年结果进行有效的分析，传统模式中认为的晚第四纪MIS1、MIS3和MIS5的3次海侵模式，有必要在更大范围利用多种测年方法进行交叉验证。
宇宙成因核素测年因其测年范围较大(10Be/26Al方法上限约为5 Ma)，为较古老的地质事件测年提供了便利。在黄河贯通事件的研究中，Kong等[83]采用宇宙核素方法对三门峡地区阶地沉积物测年，提出在1.3~1.4 Ma黄河便贯通了三门峡。但在黄河下游平原钻孔中，尚未见到利用宇宙成因核素方法进行研究的报道，事实上黄河冲积扇之上的钻孔资料目前较有限。与之相比，近年沿海地区及边缘海中施工了诸多钻孔(G2、G3、CK3、BH08、NHH01、CSDP-1等)，研究者利用了磁性地层学和物源分析方法，识别出了黄河沉积物，并提出了关于黄河贯通时代的多种方案[79, 97-98]。未来进行钻孔研究时，仅依靠磁性地层学方法是不够的，尤其是在缺少古生物资料及火山灰夹层的情况下，宇宙成因核素方法提供了一个潜在的绝对年龄的限制，同时结合多种物源分析方法(如地球化学物源示踪、粘土矿物成分)，可以得出更可靠的结论。
3. 研究展望
目前研究已注意到青藏高原的隆升在黄淮海平原形成、演化过程中扮演着重要角色。高原隆升导致了中国东部三级阶梯地貌的形成，以及晚新生代以来的气候区变化[238]；而晚第四纪东部陆架的沉降与高原的快速隆升相对应，维持了高原与日本-琉球岛弧之间的应力平衡[6]，并为东部大规模海侵的发生提供了空间。随着黄河贯通，由青藏高原至边缘海的统一水系形成，引发了黄淮海平原地表过程、平原水系，以及源-汇过程的巨变。在沿海地区，晚第四纪大规模的海侵事件，在改变沉积环境的同时，与河流碰撞产生的强烈海陆、陆海相互作用，也出现了海域数度扩张和极端气候条件下的下切河谷特殊景观。
中新世及晚第四纪，是黄淮海平原演化过程中的2个重要时间节点。①中新世之前，华北山地表现为稳定剥蚀，形成甸子梁面；而中新世之后，太行山快速隆升，并于第四纪定型；盆地在中新世之后则由裂陷进入坳陷阶段，大量河湖相沉积物将先前的盆-岭地貌迅速填平，奠定了现今黄淮海平原的雏形。之后，虽在上新世与更新世之交山地发育唐县期夷平面，且盆地中发育不整合面，但黄淮海平原的基本面貌没有改变，对应的华北山地的唐县期夷平面也以低山丘陵和山麓面为主。②晚第四纪黄淮海平原的面貌发生巨变。黄河的贯通不仅使水系发生改变，同时携带的中上游的大量泥沙也改变了黄淮海平原的地貌及源-汇过程；东部陆架的沉降也发生于该时期，加之全球海面变化的影响，导致沿海大规模海侵的发生，使黄淮海平原的海陆格局，以及沿海地区的沉积环境和地貌景观都发生了明显变化。
目前，对于黄淮海平原晚新生代地质事件的研究，几十年来已经引入了一些先进的理论和工作方法。如20世纪80年代末，古季风理论引入中国第四纪地质界，结合中国气象界物候学研究，向更长地质时代推进，使黄土-古土壤序列研究与晚新生代风成堆积的认识得到提高，东部沿海晚更新世以来海侵事件也纳入全球海洋氧同位素分期范畴。在年代地层学难以突破的情况下，北京山前冲积平原钻孔浅部地层还原性沉积层段，与天津滨海海侵层位的对比，同样基于古季风理论[239]，也符合岩石地层的原则。90年代末，地表系统巨变与“源到汇”理论在第四纪地质界的应用，进一步推动了对中国东、西部地形倒转及其环境效应的评价。2010年，渤海BH08孔以色度曲线进行天文调谐，配合以微体古生物鉴定与海侵期次的建立，更使我们看到地球系统科学思想的进展，且已成为地学的前沿领域[240-242]。
黄淮海平原是在青藏高原隆升，河流贯通携带大量沉积物进入中国地貌最低一级台阶而堆积形成的，其巨厚的沉积物记录了岩石圈、水圈、大气圈、生物圈等多圈层的信息和相互作用，具有揭示高原隆升剥蚀、大江大河演化、物质运移、人类活动等多学科信息的潜力。晚新生代发生于该地区的诸多重大事件——平原形成、海陆格局的奠定、黄河贯通及海侵事件等，反映中国东部地貌和自然环境的强烈变迁，是对青藏高原隆升和东亚季风演变等具有跨圈层影响的地质事件的集中响应。因此，在未来的研究中，有必要加强在多圈层多学科的研究，将黄淮海平原视为一个系统进行多学科的研究[243]，才能跳出以往单一学科研究的桎梏，为地球系统科学研究提供新的素材和范例。同时，进行全球尺度的对比，对于理解黄淮海平原的系统演化也非常重要。
黄淮海平原实际上是中国东部山脉前缘到宽阔的伸展断陷区域内，在海洋和河流共同作用下形成的一个巨大冲积扇体，晚新生代黄河在黄海入海之后，又与长江共同塑造了一个现代巨型三角洲——古扬子大三角洲[244]。事实上，随青藏高原的隆升与河流重组，水系呈放射状注入周边海洋，在亚洲大陆东部和南部形成了一系列的三角洲和冲积平原，如红河三角洲、恒河三角洲、恒河海底扇、印度河海底扇等，并且这些扇体在形成时代上似乎表现出逆时针年轻的规律，以黄河冲积扇形成时代最晚，这一现象可能反映了高原隆升的某种规律性。黄淮海平原可以与这些三角洲和冲积平原进行较好的对比，从而在全球尺度上阐明高原隆升的系统性影响。
近年来，地表过程研究领域的4个前沿的研究方向是[8]：①构造-气候作用与环境之间的相互作用；②地质历史时期地表过程的动态演化；③生态系统与地表过程的协同演化；④人类活动对地表过程的影响。黄淮海平原及周缘山系是进行地表过程研究的良好区域。应从以下方面理解中国东部黄淮海平原所记录的晚新生代重大构造、沉积及古气候事件：①如何从地球过去历史中预测未来变化，在全球变暖、人类活动剧烈改变地球的大背景下，关注人与自然关系，研究黄淮海平原发展演化过程中矿产和能源资源、水土资源、环境变化的相关问题，认识未来生态系统与气候环境变化趋势，从观测到模拟和仿真的综合集成，揭示多圈层相互作用，预测地球系统未来变化；②地表景观的出现及其发展过程，在三大构造域形成演化动力学背景框架下，如何认识东部山系和黄淮海构造地貌形成过程，以及对资源环境的制约；③地表过程如何影响和记录构造-气候历史，生物地球化学反映如何影响和塑造地表景观，以及地表演化的物质运移规律、生态系统与地表景观的协同演化、地表景观的弹性变化、人类世的地表演化等；④明确地球科学家如何为可持续发展的地表做出贡献，作为中国人口最稠密的地区之一，人类活动对平原表层系统有着深刻影响，平原沉积物记录了早期人类对平原的探索、适应、改造和破坏过程，以及黄河泛滥和沿海地区海侵事件对人类活动的影响，开展相关的研究可以为缓解黄淮海地区紧张的人地关系，高效合理地利用土地资源提供科学建议。
致谢
审稿专家为本文提出了诸多修改意见，在文章修改过程中予以大力协助，谨致谢意。海侵事件部分资料来自河北省地质调查院，在此表示感谢。
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表 1 线性回归方差分析结果
Table 1. Result of variance analysis of linear regression
方差来源 偏差平方和 自由度 方差 F值 显著性 回归 14700.97 1 14700.97 31.12 高度显著 剩余 31654.02 67 472.448 总和 46354.99 68
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