障壁岛—潟湖沉积特征及模式：以美国普拉姆岛上更新统—全新统为例*

李伟茹 李志华 李胜利 李顺利 邵家澍

1廊坊师范学院电子信息工程学院，河北 廊坊 065000

2廊坊师范学院教育学院，河北 廊坊 065000

3中国地质大学（北京）能源学院，北京 100083

4华北科技学院矿山安全学院，河北 廊坊 065201

障壁岛—潟湖是一种常见的滨岸沉积环境。在地质历史中，障壁岛—潟湖受地壳运动、海平面升降和海侵、海退直接影响，蕴藏着丰富的煤炭、油气、碳酸盐等，是重要的资源勘探领域（李从先等，1982；沙雪梅和梁苏娟，2021），其主要基于大陆海滩、沿岸沙坝、废弃三角洲、生物礁或海底高地等沉积背景上演化形成（于兴河，2008）。

国内学者对障壁岛—潟湖沉积体系的研究实例并不太多，李从先等（1982，1991）、李从先和庄振业（1983）把中国砂坝—潟湖体系划分为海侵、海退、稳定和局部海侵4种模式；严隽猷（1985）把障壁岛划分为6个组成部分；朱筱敏等（1997）在塔里木盆地东河塘石炭系识别出障壁岛后冲溢扇并建立了其沉积模式；程林等（2020）根据滦河口障壁岛近40多年来的演化规律，探讨其主控因素的影响。对冰后期障壁岛—潟湖沉积特征，由于实例与资料的限制，国内研究人员还缺乏深入的认识。

美国障壁岛占全球障壁海岸线总长度30.5%（Stutz and Pilkey，2001），其中北大西洋沿岸和北太平洋沿岸在末次冰盛期被劳伦斯蒂德冰盖所覆盖，在冰后期冰盖又消融，发育冰川地貌，后演化为障壁海岸。普拉姆岛作为新英格兰地区最长的障壁岛—潟湖海岸，不少国外学者对其进行过研究，Jones和Cameron（1987）把普拉姆岛沼泽演化过程分为3个阶段，分析不同种类有孔虫在3个演化阶段的分布规律；Hein等（2016）根据普拉姆岛北部潮汐水道的地震相识别，建立了潮汐水道迁移模式；Langston等（2020）记录全球海平面变化及趋势，预测未来100年普拉姆岛沼泽和植被覆盖率。但是对普拉姆岛冰川地貌经海岸改造后的沉积物特征及沉积模式，迄今还缺少整体系统研究。

作者以普拉姆岛上更新统—全新统为例，根据钻孔取样沉积物的描述与解释，结合现今地貌，明确了其为障壁岛—潟湖沉积环境，划分沉积微相，对比微相在空间上的叠置样式和分布规律，并最终建立了普拉姆岛上更新统—全新统冰后期障壁岛—潟湖沉积演化模式。

1 区域地质概况

普拉姆障壁岛—潟湖位于美国东北部，范围从新罕布什尔州南端到马萨诸塞州安岬角（Cape Ann），距离波士顿65 km，其中研究区面积约50 km2（图1）。它是美国新英格兰地区典型的经历末次冰期和冰后期演化形成的障壁海岸，也是缅因湾最长的障壁海岸。

图1 美国普拉姆岛研究区位置及地质单元划分Fig.1 Geological unit division and study area location of Plum island，USA

研究区东部向海一侧是障壁岛，是一条狭长的沙坝体，南北向长约13 km，东西向宽0.8～1.2 km，面积约14.4 km2（Farron et al.，2020）；向陆一侧为潟湖和沼泽，潟湖主要位于普拉姆海峡（Plum Island Sound）和梅里马克河（Merrimack River）河口内，水体环境安静，通过南北2个潮汐水道与大西洋相连。潟湖与障壁岛和大陆之间部分为沼泽区。研究区内从北到南有4条河流，依次为梅里马克河（Merrimack River）、帕克河（Parker River）、罗利河（Rowley River）和伊普斯维奇河（Ipswich River），也是演化过程中沉积物的搬运通道。

第四纪晚更新世末次冰盛期和全新世冰后期，全球海平面发生变化，平均海平面海拔高度最低达到约-130 m（Pico et al.，2017）；劳伦斯蒂德冰盖从MIS5d阶段开始发育，到24 ka BP时范围最大，在17 ka BP时向北消融退出研究区范围（Andrews and Dyke，2013），地层在冰盖重力负载消失后整体回弹抬升（McIntire and Morgan，1962），加上沉积物供给变化，研究区在整个演化阶段相对海平面变化范围为-50～33 m（Oldale et al.，1993），沉积物主要为深灰色和蓝色泥质，浅灰色砂砾沉积，夹有泥炭及有机质残留物；更新世末（12 ka），相对海平面下降到最低点，研究区整体处于风化与剥蚀环境中，在蓝色冰川泥顶部发育一套棕黑色薄层砂砾岩，砂砾岩层之上偶尔沉积一套泥炭层，这被认为是更新统和全新统界限的地层标志（McCormick，1969）。研究区地层总体厚度为10～50 m，向海方向渐厚（图2）。

图2 美国新英格兰地区普拉姆岛上更新统—全新统综合柱状图（据McCormick，1969，修改）Fig.2 Integrated stratigraphic column of the Upper Pleistocene-Holocene in Plum island，New England，USA（modified from McCormick，1969）

2 障壁岛—潟湖体系沉积特征

2.1 沉积物类型

研究区基岩为前寒武纪至古生代的火成岩和变质岩，沉积地层是晚更新世以后的冰川沉积和海岸沉积，沉积物分布具有一定的规律性。

研究区上更新统—全新统沉积的研究主要依据钻孔取样、地震剖面等资料。地震剖面来自美国地质调查局（USGS）2005年在西北大西洋所采集的地震数据；钻孔主要采用震动取心器（vibracorer）和旋转取心器（rotary corer）2种工具进行取样，震动取心器采用重力原理，钻取深度约10 m，旋转取心器利用钻头套管取心，深度可达50 m。研究区现共有160个钻孔数据（表1），选取2个长度较大的PID02（36.9 m）和PIG11（17.4 m）钻孔进行精细岩心描述，通过沉积物的颜色、粒度特征分析，识别出8种沉积物：泥炭、冰川黏土、黏土、粉砂、细砂、中粗砂、砾和坠石（图3）。

表1 美国新英格兰地区普拉姆岛上更新统—全新统钻孔统计Table 1 Cores of the Upper Pleistocene-Holocene in Plum island，New England，USA

1）泥炭（peat）：由植物残体经不完全分解堆积而成。含有大量水、植物残留物、腐殖质以及部分矿物质，是一种煤化程度最低的有机物质。

2）冰川黏土（glacial clay）：随着冰川运动，冰川堆积体岩石空隙中间充填大量黏土，冰融化以后，黏土堆积下来而成，多呈蓝色。

3）黏土（clay）：水动力较弱的环境或者静水中，沉积物慢慢沉降形成，呈块状，多暗色。

4）粉砂（silt）：在水动力弱的环境，经能量小的潮汐、河流作用搬运、筛选沉积形成。

5）细砂（fine sand）：在水动力较弱的环境，经过水体能量小的波浪、河流搬运、筛选沉积形成，可分布在多种沉积环境中。

6）中粗砂（medium-coarse sand）：经过能量大的波浪、潮汐、河流的搬运、筛选，砂体内部层理类型多样。

7）砾（gravel）：多形成在冰川作用时堆积的砾石堆，或者强波浪、潮汐、河流作用搬运筛选下来的砾石，呈不规则杂乱状。在河道、潮汐水道可见。

8）坠石（dropstone）：冰川作用的标志物，在冰川冰盖沉积中常见，多为冰川消融后外来碎屑坠落在沉积物（多为泥质）中，和沉积物不是同一水动力条件。PIG11钻孔在13.80 m泥岩层可见坠石，粒径1.2 cm，磨圆度好，长轴呈垂直向。坠石的长轴方向、和周围沉积物粒度、层理构造差异等特点都不能用正常牵引流或重力流的沉积分异作用解释，而是冰盖中碎砾石垂直快速卸载的产物（王德英等，1996；纪占胜等，2005；秦松等，2015）。

此外，有一些沉积构造也可以反映沉积环境变化，如沉积突变面（litholigical variation interface）说明了水动力的突然变化。钻孔岩心的砂泥沉积突变接触或者冲刷面多是河道或者潮汐水道底部滞留沉积（图3-I）。

图3 美国新英格兰地区普拉姆岛上更新统—全新统典型沉积物类型Fig.3 Sediments types of the Upper Pleistocene-Holocene strata in Plum island，New England，USA

2.2 钻孔沉积特征描述

基于8种沉积物类型，结合研究区钻孔分布位置，优选PIE、PR-B、PID02、Mc-45、H-D共5个钻孔，针对沉积构造、特殊矿物等方面进行单个钻孔沉积物特征描述（图4）。

钻孔PIE位于障壁岛南端，钻深30.5 m，补心海拔3.7 m；上部为中粗砂，多低角度板状、槽状交错层理，分选好，含石英颗粒；在5.2～10.7 m深度处，有石榴石重矿物；10.7～12 m处为薄层砾石，下伏蓝色冰川黏土，中间夹有粉砂和细砂层（图4-A）。

钻孔PID02位于障壁岛中部，钻深36.9 m，补心海拔2.2 m；顶部中粗砂，含植物根系；上部中粗砂多低角度板状、槽状交错层理，分选中等；在7.0～7.5 m深度处有重矿物；7.5～8.0 m处有碎屑泥块和铁锰包裹体；中部为厚层细砂，下部为一套20 m厚的冰川黏土，夹粉砂层（图4-B）。

钻孔PR-B位于中部沼泽区，在帕克河流北岸，钻深7.0 m，补心海拔3.1 m；顶部为厚层泥碳层，夹粉砂层，无层理构造；下部为细砂层，水平层理；底部为薄层粗砂，底端为冰川黏土（图4-C）。

钻孔H-D位于北端沼泽区，钻深3.9 m，补心海拔1.5 m；顶部为厚层泥碳层，多见互米花草等植被腐殖物；下部为粉砂层，无层理构造（图4-D）。

钻孔Mc-45位于西部沼泽区，钻深6.6 m，补心海拔2.4 m；顶部为厚层泥碳层；中部为正粒序的粉砂—细砂层，细砂层平行层理发育；底部为冰川黏土层（图4-E）。

图4 美国新英格兰地区普拉姆岛上更新统—全新统典型钻孔分布位置及沉积物特征Fig.4 Cores distribution and sediments characteristics of the Upper Pleistocene-Holocene in Plum island，New England，USA

总体上，位于障壁岛上的钻孔，上部多为中粗砂分布，部分夹有砾石层，多板状、槽状交错层理，下部为稳定的厚层冰川黏土，夹有薄层粉砂、细砂。位于沼泽区的钻孔钻深较小，顶部多泥碳层，中部多粉砂、细砂层，底部为冰川黏土层。

2.3 沉积微相特征

沉积模式是对特定的沉积环境中沉积物、沉积过程的概括，沉积微相的刻画是沉积模式建立的关键步骤（李胜利等，2004）。

2.3.1 沉积微相划分

通过对研究区钻孔的沉积物类型和沉积构造特征描述，结合沉积物沉积环境判定和不同沉积物特征组合特点，普拉姆岛晚第四纪障壁岛—潟湖沉积划分出8种沉积微相：障壁沙丘、沼泽、河道、潮汐水道、滨岸沙、水下临滨沙、潮坪、潟湖（图5）。

PIE、PID02、PID08、PIG11等钻孔多位于障壁岛上（图5-A，5-B，5-C，5-D），沉积微相上部多为障壁沙丘和滨岸沙，中部多河道、潮汐水道、潟湖沉积，夹有潮坪和沼泽沉积，底部为冰川期的冰川泥沉积。PIH孔位于障壁岛南端（图5-E），障壁沙丘遭受剥蚀，中部为水下临滨沙，底为冰川期的鼓丘沉积。PR-B、Mc-45、H-D孔分布在沼泽区（图5-F，5-G，5-H），多沼泽和潟湖沉积。

图5 美国新英格兰地区普拉姆岛上更新统—全新统钻孔沉积微相柱状图Fig.5 Sedimentary microfacies columnar sections of the Upper Pleistocene-Holocene of Plum island，New England，USA

1）障壁沙丘（dune）：平行海岸分布，最大风暴高潮线以上，沉积物主要是分选良好的中粗砂，厚度不均，范围1～10 m，表层多被草或灌木类所覆盖。沙丘向陆侧发育潟湖和沼泽沉积，向海侧下伏滨岸沉积。

2）沼泽（salt marsh）：分布在障壁沙丘向陆侧，水体能量较弱。沉积物多为细砂、粉砂和黏土互层，厚度为1～6 m，偶尔伴有细粒有机质，纤维状泥炭；沼泽多上覆潟湖沉积。

3）河道（fluvial channel）：主要是研究区4条河流的河道充填沉积，沉积物为分选好的中粗砂和粗砂，多槽状交错层理，局部富集砾石；河道沉积物厚为1～3 m。

4）潮汐水道（tidal inlet channel）：连接外海和潟湖的通道。沉积物为薄层中粗砂与粗砂，多交错层理。底部多由粗砂和砾石组成，中间夹有中细砂、有机质互层和重矿物。

5）滨岸沙（beachface deposits）：沿海岸线沉积，位于平均低潮位（MLW）和沙丘坡脚之间，经波浪和海流筛选改造形成，沉积物为中等分选的细砂至粗砂，结构差异性大，厚度通常小于5 m。

6）水下临滨沙（offshore sand sheet deposits）：位于冰期后低位海岸线和平均低潮位（MLW）之间，分选较好，沉积物为细砂，含少量泥和砾，厚度范围一般为1～10 m；在广海更深远处，它可能会受到高能风暴影响。

7）潮坪（tidal flat）：主要分布在障壁后，沉积物主要受潮汐作用控制，可分为泥质潮坪和沙质潮坪。潮坪含有泥砾和生物介壳，多双向羽状交错层理，部分为小型流水沙纹层理。

8）潟湖（lagoon）：主要发育在古代和现代河口外、障壁后的半封闭水域，处于低能环境，波浪、潮汐作用影响小。研究区潟湖多覆盖在冰川黏土沉积物之上，厚度高达20 m。沉积物为粉细砂和黏土，呈块状，局部含有白云母以及微量有机物。

研究区还残留有冰期冰川作用生成的冰碛沉积物，厚度不等，冰碛丘陵厚度通常约10～15 m，沉积物多为未分选砂岩、砾岩，排列松散至紧密，夹杂少量黏土和泥。鼓丘是在冰川运移过程中，大块砾石直接堆积上覆于基岩形成，厚度通常5～10 m，最大鼓丘厚度为20～30 m，沉积物为未分选砂、卵石和巨砾。冰川泥是在冰川运移过程中，冰架空隙充填的冰川黏土、细砂在冰架搁浅消融后沉积形成，经机械压实上覆基岩之上，夹有坠石，厚度1～25 m，无分选层理。

2.3.2 沉积微相剖面展布

由于研究区钻孔深度均较小，很少达到基岩，需要根据海上地震剖面基岩地层的深度来约束陆上基岩深度范围。以地震剖面L80f1为例（图1，图6），研究区外海基岩地层海拔呈西高东低态势，和陆上地貌海拔趋势一致，近滨海处基岩地层海拔约-45～-20 m左右，结合研究区西部基岩露头，大致判断陆上地表下基岩顶海拔高度约在-45 m之上。

根据钻孔位置分布，优选研究区中部横剖面A-A’（图1，图7），向海方向和地震剖面L80f1相连（图1，图6），剖面B-B’（图1，图8）南北向穿过普拉姆障壁岛；基于单个钻孔沉积微相识别基础上，进而刻画剖面的沉积微相分布。

图6 美国新英格兰地区普拉姆岛以东海上地震剖面（L80f1）及地层划分（剖面位置见图1）Fig.6 Offshore seismic profile and stratigraphy on the east of Plum island，New England，USA（Profile location is shown in Fig.1）

1）东西横向剖面A-A’。位于帕克河北岸，东西向横穿普拉姆障壁岛—潟湖区，东至滨海岸，长度约7 km，共13个钻孔，地势呈西高东低。剖面西部地层大部分为前寒武系—古生界基岩，部分剥蚀露于地表；基岩上覆厚层冰川泥层；再向上依次为潟湖沉积和沼泽沉积层，中间有河道冲刷充填；东部海岸表层沉积为障壁沙丘，下伏滨岸沙和水下临滨席状沙沉积（图7）。

图7 美国新英格兰地区普拉姆岛上更新统—全新统横向A-A’剖面沉积微相（剖面位置见图1）Fig.7 Cross sedimentary microfacies of the Upper Pleistocene-Holocene of A-A’section in Plum island，New England，USA（Profile location is shown in Fig.1）

2）南北纵向剖面B-B’。剖面位于障壁岛上，南北向，从北部穿过梅里马克河，南至岛南端，长度约16 km，分布38个钻孔，其中PID02、PIA、PIB、PIE孔深度最大30 m，厚层冰川泥从北到南连续分布，尖灭于南端鼓丘处；上覆潟湖沉积；顶层为障壁沙丘、滨岸沙沉积层，地层较薄。北部梅里马克河通往广海的潮汐水道沉积叠置充填，宽度约2 km，厚度3～12 m。中部有潮汐冲刷水道，叠置充填（选取PID06和PID02孔处的剖面C-C’进行精细沉积微相刻画）。南部鼓丘出露地表约12 m，南端为滨岸沙和水下临滨沙沉积（图8）。

图8 美国新英格兰地区普拉姆岛上更新统—全新统纵向B-B’剖面沉积微相（剖面位置见图1）Fig.8 Vertical sedimentary microfacies of the Upper Pleistocene-Holocene of B-B’section in Plum island，New England，USA（Profile location is shown in Fig.1）

3）剖面C-C’。位于B-B’剖面中部，沿湖东北岸线分布，有19口钻孔，比较密集，利于进行沉积相 对 比（图9）。其 中PID02、PID05、PIG11、PID01和PID03等钻孔深度较大，PID04、PIG11、PID01、PID03、PID05、PID06和PID02共7个钻孔岩心有冰川泥段层，PID03、PID04和PIG11钻孔的冰川泥顶部有薄层砾岩，被认为是更新统和全新统界限的地层标志；PIG11钻孔沉积物主要以中粗砂岩为主，多槽状交错层理；PIG10、PIG12和PID03孔上部以中粗砂岩为主，多槽状交错层理；PID05、PIG04、PID04和PID06孔中下部以大段细砂和粉砂为主，沉积环境为潟湖；PID02上部为滨岸沙和障壁沙丘，中部为潟湖，下部为冰川泥沉积。

图9 美国新英格兰地区普拉姆岛上更新统—全新统纵向C-C’剖面沉积微相Fig.9 Vertical sedimentary microfacies of the Upper Pleistocene-Holocene of C-C’section in Plum island，New England，USA

依据A-A’、B-B’、C-C’剖面沉积微相刻画总结出研究区更新统和全新统演化过程：更新世冰盖发育形成大量冰川泥，全新世发育2期障壁岛—潟湖沉积，后期障壁岛上覆沉积于先期潟湖之上，潮汐水道朝南向迁移，叠置连通成片。随着障壁岛的发育，潮汐水道废弃，上覆新的滨岸沙和障壁沙丘。

2.3.3 沉积微相平面分布

根据普拉姆岛钻孔沉积物特征及沉积微相划分，结合3条沉积微相剖面及现代地貌，刻画了研究区的现代平面沉积微相分布（图10）。

图10 美国新英格兰地区普拉姆岛研究区现代沉积微相展布Fig.10 Sedimentary microfacies plane distribution of the modern sedimentation of Plum island，New England，USA

研究区平面沉积微相整体呈南北条带状展布，东部为障壁岛沉积区，主要发育3个沉积微相区带：由广海向陆地依次为水下临滨沙、障壁滨岸沙和障壁沙丘沉积，分隔界限为平均低潮线和最大高潮线。障壁沙丘上多植被，南北两端发育有潮汐水道。障壁岛向陆侧大部分为潟湖和沼泽，潮坪也发育。西北部和西南部多为冰碛丘陵，海拔不超过100 m；鼓丘主要分布南部，成群出现，长轴方向指示了冰川运移方向为北西—南东向。冰川泥在西部部分露头可见。

3 障壁岛—潟湖沉积模式

研究区由更新世冰川沉积演化到全新世障壁岛—潟湖沉积（图11）过程中无构造运动发生；海岸冰川地貌对后期沉积演化过程中特别是障壁砂体形成有一定的影响，研究区至今还普遍存在冰碛物、鼓丘、冰川泥等冰川遗迹。

第四纪，北半球中高纬度大陆冰盖周期性大规模扩张、退缩，引发了一系列全球性平均海平面和区域性相对海平面高度发生变化（图2）。劳伦斯蒂德冰盖24 ka时在北美大陆范围达到最大，在约17 ka时，冰盖慢慢退出新英格兰地区，全球平均海平面约-118 m，因为冰盖负载，研究区相对海平面高度约30 m，地层整体位于海面之下（图11-A）；在约17～7 ka期间，随着冰盖的消失，全球平均海平面持续上升，研究区地层因重力负载消失而反弹抬升，到7 ka时，抬升至最大位置（McIntire and Morgan，1962），全球平均海平面约-13 m，研究区相对海平面高度与全球平均海平面基本一致，研究区以外东部鼓丘群处开始形成障壁沙丘，研究区内则发育潟湖（图11-B）；随着研究区相对海平面继续上升至现今0 m处，研究区内的鼓丘群处，在前期潟湖沉积地层之上发育障壁沙丘，最终演化为现今沉积地貌（图11-C）。

图11 美国新英格兰地区普拉姆岛晚第四纪“冰川地貌海岸”障壁岛—潟湖沉积演化模式Fig.11 Late Quaternary sedimentary model of barrier island-lagoon in Plum island，New England，USA

与经典障壁岛—潟湖沉积体系相比较，如严隽猷（1985）总结的障壁岛体系，普拉姆障壁岛—潟湖在演化过程中有新的沉积特点。

1）沉积背景。研究区晚更新世被冰盖覆盖，后由冰川沉积演化到障壁岛—潟湖沉积，现今的沉积环境中仍有冰川地貌遗迹及沉积物保存，如鼓丘、冰碛沉积和冰川泥（图10）。

2）沉积地层。发育2期障壁岛—潟湖沉积，17～7 ka期间，在研究区外海发育有障壁岛，研究区内主要地层为潟湖，随着相对海平面上升，在潟湖沉积层之上发育新一期障壁岛—潟湖沉积（图7，图8，图9）。

3）冰川沉积形成的鼓丘地貌，影响沉积物筛选分布（图11-B，11-C）。全新世2期障壁岛—潟湖沉积演化过程中，随着相对海平面的变化，当其高度位于鼓丘处时，鼓丘分布范围和高度均影响砂体运移，沉积物在其附近沉降下来，慢慢演化为障壁岛沙坝。

4 结论

1）依据沉积物特征属性，美国新英格兰地区普拉姆岛研究区晚第四纪沉积物识别出8种类型沉积物：泥炭、冰川黏土、黏土、粉砂、细砂、中粗砂、砾、坠石。

2）根据普拉姆岛研究区钻孔沉积物类型划分及沉积物特征组合特点，结合沉积环境，划分出8种沉积微相：障壁沙丘、沼泽、河道、潮汐水道、滨岸沙、水下临滨沙、潮坪和潟湖。

3）第四纪更新世末次冰盛期（MIS2）以来，劳伦斯蒂德冰盖在研究区扩张消融过程中，冰川沉积广泛发育，后随着相对海平面的变化，在鼓丘处演化形成障壁岛，障壁后半封闭水域发育潟湖、沼泽和潮坪沉积，通过潮汐水道连通大西洋。

致谢美国波士顿大学邓肯教授团队在文章撰写阶段提供了宝贵意见，在此表示衷心感谢。