热带海滩脊作为极端事件与海平面变化的古环境档案

《Earth-Science Reviews》：Tropical beach ridges as paleoenvironmental archives of extreme events and sea-level change

　　

•热带海滩脊系统保存了高分辨率的古环境记录。•对前积系统进行系统研究有助于古环境重建。•前积系统内的下超点可约束过去相对海平面变化。•前积作用的停止导致古环境记录出现不连续性。引言海滩脊通常发育于前积（向海累积）海岸，并包含广泛的古环境信息，有助于理解海岸系统的演化（Tamura, 2012）。全球范围内，海滩脊研究可追溯至19世纪中叶（Redman, 1852），但关于海滩脊定义的争论至今仍在继续（如Hesp, 1984; Taylor和Stone, 1996; Hesp, 2006; Scheffers等, 2012a; Tamura, 2012; Brill等, 2015; Tamura等, 2018）。历史上对海滩脊的定义往往非常宽泛，将常见的海岸地貌如沙滩裙堤、前缘沙丘和砂质沙嘴作为特殊类别包括在内（如Delaney, 1963; King, 1972; Cook等, 1977; Armstrong Price, 1982; Wells, 1996; Sandweiss等, 1998; Otvos, 2000）（表1）。自20世纪80年代以来，区分各种海岸脊类型的尝试主要基于其形成过程。Bird和Jones（1988）将海滩脊描述为沙滩裙堤的一个特殊类别，发育于海滩面较高海拔处并随海岸前积而持续存在。与此相反，Hesp（2006）指出沙滩裙堤和海滩脊是独立的地貌。Hesp（2006）的研究还根据遗传过程区分了海滩脊、沙滩裙堤和前缘沙丘；海滩脊是持续存在的地貌，通常在较高海拔处作为纯粹波浪作用的产品而发育，沙滩裙堤是非持续的海岸地貌，而前缘沙丘则在后滨带由风力过程（主要是风成过程）引起的沉积物捕获所生成。Nott（2015）根据其岩相组合将海滩脊系统与砂质沙嘴平原区分开来；砂质沙嘴是主要由贝壳组成、沉积于泥质基底上的海岸脊。本研究将"海滩脊"定义为通过波浪、风力或联合海岸过程形成的任何残留海岸脊（Bird, 1960; Davies, 1968; Taylor和Stone, 1996; Otvos, 2000）。本综述论文讨论海滩脊系统，特别关注热带系统及其在重建海岸地区古环境历史方面的应用价值。海滩脊由海岸过程的组合形成，随后随着海岸线随时间向海推进（前积），被搁置在前积海岸上（Psuty, 1965）。局部构造运动、海平面波动和沉积物输入速率控制着海滩脊平原的范围和形态。Taylor和Stone（1996）讨论了早期学者提出的关于海滩脊起源和发育的不同假说。早期研究将海滩脊的起源与风暴事件（Redman, 1852; Ting, 1936）、低能涌浪条件（Johnson, 1919）或风暴与涌浪条件的综合效应（Davies, 1958）联系起来。其他学者将脊的发育与离岸沙坝的加积（Curray等, 1969; Bigarella, 1965）或主要归因于拍岸过程而无高能风暴浪贡献（Tanner和Stapor, 1971）联系起来。后来的研究（King, 1972; Bird和Jones, 1988）讨论了海滩脊在植被定植后转变为海岸沙丘的过程。对海滩脊形成过程缺乏共识导致了术语上的模糊和争议，如第1.1节所述。无论其起源如何，海岸搁浅平原（向海变年轻趋势）的形态地层学和沉积面（如海滩面岩相）的倾斜几何形态通过前积作用产生了一个广泛的回退系统，其中可能穿插着各种极端海岸事件。与具有水平沉积面的典型沉积层（如深海或湖盆岩相）不同，海岸搁浅平原的完整年代记录可以通过相对浅层的地表下方法获取。无论其形成过程如何，海滩脊系统由一系列直的到弧形的、平行到近平行的脊组成，这些脊随时间依次形成，并被相对平坦、低洼的脊间洼地所分隔（Otvos, 2000; Tamura, 2012）。海滩脊平原中单个脊的数量可以从数个到发育良好的脊平原中超过一百个不等（Scheffers等, 2012a; 图1）。Tanner（1988）讨论了形成过程在海滩脊系统发育中的重要性，将拍岸形成的脊平原与越浪形成的脊平原区分开来，后者以相对较少的单个脊、较宽的脊间洼地和平坦的脊顶脊为特征。海滩脊系统中的脊间洼地通常位于地形低洼处，其沉积物比相关脊更细。脊间洼地是低能环境，通常为水分饱和（淡水或盐水）环境，有利于植被生长和土壤形成。它们也较少受风成侵蚀过程影响。因此，脊间洼地为风暴和海啸产生的独特海洋越浪沉积物的保存提供了最佳条件（如Jankaew等, 2008; Atwater等, 2013; Gouramanis等, 2015; Monecke, 2020; Switzer等, 2020）。在某些情况下，脊间洼地可能受到潮汐或河流过程的一定程度影响，因为水流通过这些低洼区域并与潮汐水道相连。在海滩脊平原中，单个海滩脊的尺寸和两个连续海滩脊之间的间距通常由沉积物可用性和供给速率控制（Johnson, 1919; Davies, 1958; Bristow和Pucillo, 2006）。在没有构造事件或重大扰动的情况下，两个脊之间脊间洼地的宽度与沉积物稀缺的时间间隔成正比。因此，较高的沉积物输入速率导致更小、更紧密排列的海滩脊，因为单个海滩脊建造的时间窗口更短（Davies, 1958）。在此基础上，Psuty（1965）讨论了海滩脊发育所需的基本两个因素：足够的沉积物供给和重复性形成过程（如波浪或潮汐）。尽管对与海滩脊相关的形成过程存在不同观点，但大量研究（如Johnson, 1919; McKenzie, 1958; Davies, 1958; Nossin, 1964; Psuty, 1965; Hails, 1969; Wright, 1970; Carter, 1986; Taylor和Stone, 1996; Scheffers等, 2012a; Monecke, 2020）一致认同沉积物可用性和供给速率是海滩脊起源的关键因素。海滩脊平原的前积作用有利于沉积物供给充足阶段（Monecke, 2020），反映了沉积物沉积与海岸过程移除之间的平衡（Johnson, 1919）。沉积物输运路径的相对贡献仍有争议。Carter（1986）强调了垂直于岸和沿岸沉积物输运对海滩脊平原发育的重要性，而Tanner（1988）认为"平行于海滩的输运通常微不足道或可忽略不计"。与潮汐口相关的沉积物再分配提供了促进海滩脊前积的另一种机制。在合适的流体动力条件下，落潮三角洲沙坝的向陆迁移和与海岸线连接可以向相邻海滩供给沉积物，促进前积并可能有助于脊的发育。随后的风成改造也可能支持前缘沙丘的形成（Hesp, 1984）。美国中西部佛罗里达州的研究为这些相互作用提供了过程类比（如Stott和Davis, 2003; Beck和Wang, 2019）。在潮汐口影响明显的情况下，脊形态和前积的变化可能反映了局部沉积物再分配，因此在将这些变化归因于区域气候变化或海平面变化之前，应考虑这一因素。一旦单个海滩脊形成，它可能保存了形成期间环境条件的证据。随着前积作用将脊与活动海岸线分离，随后的风成或越浪过程可能修改这一记录。前积研究需要年代测定，通常使用海滩脊材料的放射性碳定年（如Curray等, 1969; Missimer, 1973）。尽管前积速率通常不是恒定的（如Brill等, 2015; Gouramanis等, 2020），但一些研究报告了相对均匀的速率（如Hayne和Chappell, 2001）。前积速率的变化主要由局部因素驱动，包括海平面变化、沉积物供给、波浪过程和调节空间（Taylor和Stone, 1996）。Bristow和Pucillo（2006）讨论了调节空间的重要性，指出即使在沉积物供给速率恒定的情况下，海岸前积速率也可能有显著变化。因此，利用海滩脊前积速率来推断沉积物供给变化时，需要考虑沉积物输运路径和可用于沉积物积累的调节空间。虽然大多数早期关于海滩脊形成的研究主要关注波浪特征和沉积物可用性，但极端事件的作用在很大程度上仅限于早期关于风暴可能有助于海滩脊生成的建议（如Redman, 1852; Ting, 1936）。Nott等（2013）在澳大利亚东北部海岸的砂质海滩脊系统中观察到多个沉积单元，并提出此类脊至少在一定程度上可能记录了多次热带气旋淹没事件。随后，Nott（2015）认为海滩脊序列可以保存风暴活动的记录，最古老的气旋信号记录在最内陆海滩脊的底部，而最近的气旋信号在最向海海滩脊的脊顶部分。风暴浪在砂质海滩脊的发育中可以充当建造者和破坏者（Tamura, 2012; Nott等, 2013; Tamura等, 2018; Monecke, 2020），其形态动力学行为受脊与海岸线之间的距离和风暴阶段（即上升或下降水位）控制。靠近海岸线的砂质海滩脊通常在风暴淹没事件中经历侵蚀阶段，特别是在初始风暴阶段的水位上升期间（Clemmensen等, 2014）。然而，由风暴事件产生的净侵蚀与净沉积之间的区别，受风暴浪能与沉积物类型（砂质或砾质）的相互作用控制，仍然缺乏约束（Tamura, 2012）。由于侵蚀性截断产生的连续海滩脊组之间的角度可能反映多种控制因素，特别是在漂移对齐系统中。Monecke（2020）讨论了极端事件在塑造海滩脊平原中的作用，强调其沉积和侵蚀特征受多种因素控制。这些因素包括极端事件的性质和强度、与海岸线的距离、海岸特征（如坡度和粒度）以及事件发生以来所经历的时间。海啸和风暴事件通过向岸和离岸重新分配沉积物来创造调节空间，这些沉积物在时间和正常天气条件下，主要通过典型海岸过程大部分被重新沉积到海岸上（Masaya等, 2020）。关于海滩脊作为热带地区过去风暴活动和海啸档案的进一步讨论可在第4.2节找到。上述内容适用于全球海滩脊系统，包括热带环境，因为控制其形成的基本海岸过程大体相似。近期的综述讨论了海滩脊系统研究的若干重要方法进展（如Tamura, 2012; Dougherty, 2018; Tamura等, 2018; Hein和Ashton, 2020; Monecke, 2020）。然而，仅有少量研究关注热带海滩脊系统（如Nott等, 2013; Ranasinghe等, 2013; Mallinson等, 2014; Brill等, 2015; May等, 2018; Gouramanis等, 2020; Kumar等, 2024; Ximenes Neto等, 2024; Buynevich等, 2025; Leknettip等, 2025），尽管它们作为低纬度海岸环境变化的档案具有重要价值。全球范围内，海滩脊系统发育于正沉积物收支、调节空间和波浪驱动的向岸沉积物输运允许海岸前积的区域（Isla等, 2023）。单个脊可能包含波浪建造的沙滩沉积物、风暴单元和风成帽层，植被促进脊形态的稳定和后续保存（Hesp, 1984; Otvos, 2000; Tamura, 2012）。在此框架内，TBR系统值得特别关注，因为它们发育于具有高太阳辐射、强烈化学风化和对低纬度气候驱动因素（如热带辐合带和热带气旋）敏感的环境背景中。与许多以硅质碎屑沉积物为主的中高纬度系统不同，热带系统通常含有混合碳酸盐-硅质碎屑岩相，由邻近的浅水"碳酸盐工厂"提供并出口生物碎屑物质到海岸（Adams和Kenter, 2014; Ximenes Neto等, 2024）。这些混合沉积物来源影响脊形态、胶结潜力、保存特征和沉积梯度。因此，TBR系统提供了研究热带气候变异性、海平面变化、沉积物供给和海岸形态动力学之间相互作用的机会。热带与非热带海滩脊系统之间的主要差异涉及流体动力学驱动因素、沉积物来源和沉积后过程的相对重要性（表2）。

这些差异反映了广泛的区域趋势，而非明确的气候边界，区域之间存在大量重叠，且每个区域内部存在相当大的变异性。单一控制因素的相对影响也随空间和时间而变化，反映了气候、局部地质构造、沉积物可用性、海岸形态和事件复发之间的相互作用。上述关于形成和保存的变异性使得将 TBR（热带海滩脊）用作古环境档案变得复杂，尽管它们广泛分布于热带海岸线，但仍未被充分利用。前述各节综合了关于海滩脊术语、形成、结构和推进的现有知识。尽管未解决的问题涉及海滩脊研究的许多方面，但本综述重点关注限制古环境重建的四个问题：(1) 对相对海平面（RSL）变化如何记录和保存以及极端事件如何记录和保存的理解有限；(2) 地貌学、沉积学、地球物理学、地层学和年代学的整合不足；(3) 缺乏标准化的方法来确定海滩脊相与海平面的关系（即其指示意义），用于 RSL 重建；(4) 在具有不同环境背景和沉积物组成的系统之间，解释的可移植性有限。

为解决这些问题，本综述按从脊分布和形成到形态、内部构造、调查方法和古环境解释的顺序组织现有知识。具体而言，本综合研究：(1) 通过纳入新识别的 TBR 更新了全球汇编；(2) 比较了不同热带环境下的脊分布模式，并区分了不同类型的硅质碎屑主导和生物碎屑主导系统；(3) 综合了使用 TBR 重建相对海平面变化和极端事件（包括海啸和热带气旋）的方法学进展和案例研究；(4) 提出了调查这些档案的集成方法框架；以及 (5) 评估了下超点作为潜在 RSL 参考基准面及其相关指示范围。共同而言，这些贡献提供了一个概念和方法框架，用于将 TBR 解释为集成沉积系统并评估其用于定量古环境重建的适用性。尽管汇编和比较分析侧重于热带环境，但方法学和解译贡献对热带以外的海滩脊系统具有更广泛的适用性。其应用需要评估局部沉积过程和保存条件，并结合拟建相对海平面指标的现场特定校准。

以下各节考察海滩脊系统，特别关注热带环境。我们考虑它们在揭示低纬度地区过去沿海环境变化方面的潜力，以及它们作为现代类似物来解释沉积记录中保存的沿海岩相的能力。

章节摘要

热带地区的海滩脊作为古环境档案

尽管早期作者对海滩脊形成和演化的定义和解释存在巨大差异，但大量文献认为海滩脊是破译全新世环境记录的重要形态特征（例如，Tanner, 1988; Tamura, 2012; Scheffers et al., 2012a; Nott et al., 2013; Clemmensen et al., 2014; Monecke, 2020）。这些研究强调，海滩脊保存了过去海平面波动的高分辨率记录，

常用于热带海滩脊系统的方法

自 19 世纪以来，对 TBR 的研究有了相当大的发展，当时研究最初侧重于了解这些沿海地貌的起源。在随后的几十年中，已经开发和改进了各种方法途径，大大提高了从这些沿海档案中获得的构造地貌和古环境数据的质量和分辨率（Tamura, 2012; Dougherty et al., 2019）。地球物理成像、沉积学分析的最新进展，

TBR 作为古环境变化的新型档案

全球海滩脊系统的大部分位于热带海岸（图 1，图 2；Scheffers et al., 2012a），系统研究这些 TBR 系统可以极大地增加我们对热带古环境变化的了解。最近的研究证明了 TBR 作为重建史前风暴潮记录档案的重要性（例如，Nott and Hayne, 2001; Nott, 2003; Nott et al., 2009; Forsyth et al., 2010; Nott et al., 2013; Ketthong et al., 2026

局限性与未来研究方向

TBR 是公认的古环境变化档案；然而，它们的效用受到几个地貌、沉积和保存相关局限性的影响。例如，TBR 系统的内部地层构造在各种地点可能很难一致地分辨。在某些系统中识别出的下超点等诊断特征在其他系统中可能不明显或缺失，即使使用相同的 GPR 频率也是如此。这种变异性源于

结论

尽管 TBR 系统具有提高我们对热带地区环境变化理解的潜力，但它们仍然研究不足。近期在应用 GPR 和 OSL 方面的方法学进步提高了海滩脊研究的分辨率和准确性，使研究人员能够从这些系统中提取更高质量的数据。

不同类型海滩脊（无论是碎屑质还是生物碎屑质）的形成受各种沿海过程（如局部环境、沉积物）的影响

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系可能会影响本论文中报告的工作。

致谢

本研究主要由 MOE-T2EP50125-0007 拨款“全新世海滩脊演化与现代沉积动力学：来自印度尼西亚廖内群岛的古环境见解”提供支持。额外资金来自东南亚海平面（SEA2）计划（MOE2019-T3-1-004）、新加坡教育部 RT16/21 学术研究基金以及授予 A.D.S. 的新加坡国家研究基金会奖学金计划（资助编号：NRF-RF2010-04）。

Rahul Kumar|Abang M.S. Nugraha|Nicole S. Khan|Alessio Rovere|Ilya V. Buynevich|Chris Gouramanis|Charles S. Bristow|Adam D. Switzer