伯利兹堡礁的形态特征作为末次冰期大西洋海平面变化的重要指标

《Marine Geology》：Morphology of the Belize barrier reef as indicator for Atlantic sea-level changes during the last glacial cycle

　　西罗·L·霍斯曼|斯特凡诺·C·法布里|弗拉维奥·S·安塞尔梅蒂|埃伯哈德·吉施勒 伯尔尼大学地质科学研究所及厄施格气候变化研究中心，瑞士伯尔尼市巴尔策街1号及3号，邮编CH-3012 摘要：像伯利兹堡礁这样的碳酸盐-碎屑岩混合边缘地带，是冰川-海平面变化的重要记录载体，因为珊瑚礁的堆积、侵蚀以及沉积物供应会直接响应海平面波动。本研究利用高分辨率多波束测深技术，对伯利兹堡礁沿岸100多公里范围内的相对海平面变化所留下的地貌印记进行了分析。新的测深数据为了解珊瑚礁边缘的地形特征提供了更深入的视角，并识别出了反映古海平面变化的构造性和侵蚀性指标。通过研究十个沿岸区域的脊顶线状结构与珊瑚礁壁的凹陷特征，可以得出具有横向一致性的海拔分布特征，这些特征对应着不同的古海平面位置。脊顶线状结构在约20米水深处出现集中现象，这可能意味着早全新世的海平面上升速度较慢，甚至可能存在第五次冰期间的海平面停滞期；而在约80–85米以及约100–105米深度处则存在广泛的凹陷层，这些凹陷层反映了末次冰盛期之前及临近时期的长期海平面停滞状况。各区域之间不存在系统的垂直位移，说明该海岸线附近几乎没有新构造变形。研究结果表明，珊瑚礁边缘的地形特征更倾向于保存海平面变化缓慢或稳定的时期，而快速的海平面上升阶段则留下的地貌印记较为有限。因此，高分辨率测深技术为从陡峭的碳酸盐岩海岸线重建海平面历史提供了有力工具，同时也将伯利兹堡礁视为研究晚第四纪海平面变化的关键参考地。引言：碳酸盐-碎屑岩混合边缘地带是研究沉积物供应、生物生产力、环境与气候变化以及海平面波动之间相互作用的重要场所。在这些系统中，来自大陆风化的陆源物质被输送到近海，与此同时，造礁生物也会产生大量碳酸盐沉积物，从而形成对气候和海平面变化极为敏感的地层记录（C. S. Rogers和Ramos-Scharrón，2022；Ye等人，2025）。这类复合沉积环境在地质记录中十分常见，包括现代重要的珊瑚礁群，如大堡礁（Hopley等人，2007）、新喀里多尼亚堡礁（Le Roy等人，2019）以及伯利兹堡礁（Gischler，2011）。由于珊瑚礁的生长和碎屑岩的输入都会直接受到海平面变化和气候的影响，它们在空间上的相互叠加以及垂直层序为环境变化提供了高分辨率的记录，而这些记录可通过取芯、地震勘探、相分析以及地形分析等方法进行重建（Camoin和Webster，2015）。自末次冰盛期以来的海平面变化反映了大陆冰盖对冰消期气候变化的综合响应，其变化表现为阶段性上升而非平滑的海平面上升过程。远距离的珊瑚礁记录表明，大约14600年前发生的第一次融水脉冲事件导致了全球海平面在百年时间尺度内的急剧上升，这一现象反映出冰盖加速融化与崩解的过程（Abdul等人，2016；Deschamps等人，2012；Lambeck等人，2014）。澳大利亚大堡礁的类似记录也证实，冰消期的海平面上升是以离散的脉冲形式出现的，这些脉冲之间伴随着速度较慢的阶段，在这些阶段中，珊瑚礁的堆积速度暂时能够跟上海洋空间扩张的速度（Webster等人，2018；Yokoyama等人，2018）。在這種海平面变化的基础上，冰川均衡调整还导致了海洋质量的重新分布，使得尽管全球冰量变化趋势一致，但不同地区的相对海平面仍存在差异（Milne等人，2005）。目前，来自大西洋西部的唯一一条基于珊瑚礁的冰后期海平面曲线来自巴巴多斯，该曲线涵盖了从末次冰盛期到早全新世的时段（Abdul等人，2016；Bard等人，1990a；Bard等人，1990a；Fairbanks，1989；Peltier和Fairbanks，2006）。然而，由于尚未对核心样本的沉积学和古生态学特征进行严格分析，因此该地区是否存在第二次融水脉冲的证据仍不明确（Bard等人，2010；Camoin等人，2012；Deschamps等人，2012；Webster等人，2018）。Blanchon等人（2021）指出，飓风带来的珊瑚碎屑所引入的埋藏学偏差，系统性地扭曲了加勒比海地区基于核心样本的海平面重建结果，降低了对融水脉冲发生时间和深度的估算精度（Blanchon等人，2021）。此外，巴巴多斯海平面曲线的上部与大西洋西部的全新世海平面重建结果并不一致，其中包括伯利兹地区的海平面曲线（Gischler，2006；Gischler和Hudson，2004）。最新的全新世海平面数据与模型预测大体相符，其中ANU_HR_71p230冰地球模型（Lambeck等人，2014）的预测结果最为准确（Gischler等人，2023）。除了年龄测定和珊瑚礁测深方面的固有不确定性之外，造成这些差异的原因还包括埋藏学效应以及由构造运动和冰川均衡调整所导致的相对海平面空间变化（Blanchon等人，2021）。作为中间场区域，北加勒比海域的特点是地壳下沉，这一现象与北美冰盖的融化以及前凸体的崩解有关（Fleming等人，1998；Milne等人，2005）。因此，加勒比地区的全新世海平面曲线呈现出持续上升的趋势，不过局部也存在明显偏差，这些偏差反映了构造作用和均衡调整作用的差异，Khan等人（2017）以及Milne和Peros（2013）的研究对此进行了详细阐述。在这种背景下，伯利兹海岸线（图1）为研究上一个冰期周期中加勒比海/大西洋西部的海平面变化提供了重要的研究案例。此前已有多项研究通过钻孔和取芯来探讨该地区的地层结构，但目前尚未有研究对伯利兹堡礁沿岸的珊瑚礁边缘详细地形特征以及地貌要素的空间连续性进行系统记录。因此，本研究的目的是利用高分辨率多波束测深技术，对伯利兹堡礁沿岸100多公里范围内的地形特征进行首次连续的、米级精度的描述。具体而言，本研究旨在以前所未有的空间分辨率记录并分类珊瑚礁边缘的地形特征，量化那些可能反映古海平面位置的深度分布特征，同时分析这些特征沿岸的变异情况，以此评估当地地形和构造因素的影响。通过这种方法，本研究期望进一步明确热带珊瑚礁边缘所记录的冰后期海平面变化历史，并为其他碳酸盐平台地区的类似研究建立方法论框架。伯利兹堡礁是大西洋中最大的珊瑚礁系统，仅次于澳大利亚大堡礁和新喀里多尼亚堡礁系统，位居世界第三大珊瑚礁系统之列（Gischler，2011）。它位于尤卡坦半岛东部大陆架沿线，与伯利兹近海的孤立珊瑚礁平台一起，构成了一个历史悠久的碳酸盐岩系统。自晚新生代以来，该系统的发育一直受到构造作用、海平面变化以及气候变化的强烈影响（Droxler和Jorry，2013；Purdy和Gischler，2003）。伯利兹堡礁沿着伯利兹海岸线延伸250公里，属于中美洲珊瑚礁群的一部分，其下覆盖着厚度约为100米的晚第四纪碳酸盐岩沉积层，这些沉积层记录了珊瑚礁的多次生长、暴露、淹没以及重新形成的过程（Droxler和Jorry，2013；Gischler，2010；Gischler等人，2000；Gischler等人，2010；Mazzullo，2006）。现有的地质和地貌研究大多基于地表观测、潜水观察、取芯、地震数据以及空间分辨率较低的测深数据。而且，这些测深数据通常只针对垂直于珊瑚礁线的狭窄区域进行采集（Burke，1982；James和Ginsburg，1979）。伯利兹海岸线是一个研究较为透彻的被动边缘系统示例，其结构框架由早新生代形成的北北东走向断层构成，这些断层构成了堡礁及相邻环礁的基础，而这些珊瑚礁平台早在渐新世时期就已经形成（James和Ginsburg，1979；Purdy等人，2003）。相比之下，在玛雅山脉中则出露有晚古生代的碎屑岩沉积岩和火成岩，这些岩石自晚中新世以来逐渐暴露出来，成为该地区中部和南部海岸线上的主要陆源沉积物来源。在北部低地，则以白垩纪至新生代的碳酸盐岩为主，那里的堡礁逐渐过渡为边缘礁，而在钻孔中则不存在碎屑岩（Mazzullo，2006；Mazzullo等人，1992；Purdy等人，2003）。伯利兹堡礁形成了宽度可达6公里的连续结构，局部地区则有深度达10米的沟渠切割。其中，英吉利湾通道是一条十分显著的蜿蜒状沟谷，部分区域已被填充，其宽度超过1公里，从西端的不到20米深度逐渐加深，到靠近堡礁的出海口处深度可达60–70米。这条通道起到了地貌走廊的作用，将碎屑岩物质从内陆架输送到海岸线附近，进而促进海底三角洲的沉积作用（Droxler和Jorry，2013；Ferro等人，1999）。在丹格里加以北的堡礁与碎屑岩海岸线之间的浅水架潟湖中，地震数据揭示出一系列向北逐渐加深的埋藏沟谷，这些沟谷大多与堡礁平行，形成了一个完善的排水系统，最终汇入英吉利湾通道的西端。在海平面下降和低潮期，当堡礁暴露在外，内陆架潟湖转变为河流平原时，英吉利湾通道就成为了碎屑岩沉积物的通道，其在出海口处形成了发育良好的架缘三角洲（Droxler和Jorry，2013；Ferro等人，1999）。现代地表沉积物显示出明显的环境分区特征，从外陆架上的以碳酸盐为主的沉积相，到沿海地区的碎屑岩丰富的沉积层，中间地带则存在含有软体动物的泥灰岩层（Purdy和Gischler，2003）。第四纪期间的海平面波动主要受冰川-海平面循环的影响，这种波动对珊瑚礁的堆积和垂直生长起着决定性作用。在间冰期的海平面较高阶段，造礁珊瑚会迅速堆积，形成以石珊瑚和珊瑚藻为主的厚层珊瑚礁结构（Gischler等人，2010；Gischler和Hudson，1998；Gischler和Hudson，2004；Purdy和Gischler，2003）。相反，在冰期海平面较低阶段，伯利兹大陆架的大片区域会被暴露出来，从而导致陆地侵蚀、喀斯特作用以及硬底地的形成，而这些硬底地如今已成为钻孔中珊瑚礁地层的重要标志。地层证据表明，现存的堡礁系统形成于海洋同位素阶段11的漫长温暖期，当时持续的高海平面条件有利于热带伯利兹海岸线地区的珊瑚礁碳酸盐沉积作用（Droxler等人，2003）。后续的钻探工作发现了多个与间冰期高海平面阶段相对应的珊瑚礁层，如海洋同位素阶段1、5、7、9和11时期的珊瑚礁层（Mazzullo，2006），这些珊瑚礁层共同构成了厚度可达130米的复合地层，这一厚度与区域勘探线得到的地震解释结果一致（Ferro等人，1999；Purdy等人，2003）。来自南部大陆架的取芯记录还显示，晚更新世的珊瑚礁丰富碳酸盐岩层位于较老的以碎屑岩为主的地层以及基底碳酸盐岩层之上（Gischler等人，2010），这表明珊瑚礁的生成与海平面和气候变化相关，两者之间存在长期的交替变化。全新世的珊瑚礁生长始于最后一次冰消期后的海平面上升放缓之后，堡礁地区的珊瑚礁生长开始时间约为8300年前，相邻环礁地区的珊瑚礁生长开始时间约为7800年前，平均垂直堆积速率约为3米/千年（Gischler等人，2000；Gischler和Hudson，1998；Gischler和Hudson，2004）。珊瑚礁的厚度沿岸向方向存在系统性变化，总体上向南逐渐增加，这一变化趋势与地壳下沉梯度相对应（Gischler等人，2000）。这些地层以珊瑚丰富的沉积相、粗粒骨骼砾岩、粗面岩以及局部形成的微生物壳为主（Gischler，2008；Heindel等人，2012）。下伏的更新世珊瑚礁石灰岩的年代通常可追溯到海洋同位素阶段5e的高海平面时期，但也记录了更早和更晚的珊瑚礁形成阶段（海洋同位素阶段5a、7），这表明在连续的间冰期海平面停滞期间，珊瑚礁曾多次形成（Gischler等人，2000；Gischler和Hudson，2004；Van Ee，2013）。总而言之，伯利兹堡礁保存了极为宝贵的冰期和间冰期环境变化的地层记录，其中地壳下沉、珊瑚礁地形、碎屑岩供应以及生物产生的碳酸盐物质相互交织，共同作用于晚第四纪强烈的海平面变化作用下。正是由于本地因素和全球因素的相互作用，伯利兹海岸线成为理解珊瑚礁在冰期周期中如何响应海平面变化幅度和速度的关键参考区域。段落摘录：测深数据获取：为了制作高分辨率的测深地图，我们在2022年5月开展了为期三周的野外作业，使用了Kongsberg EM2040型多波束回声测深仪，该设备安装在一艘长12米、配备外置发动机的快艇上。测深仪的波束宽度为1°×1°，工作频率为300kHz，而船只的运动情况则通过Seatex MRU5+运动传感器和Trimble SPS361航向传感器进行记录。在GPS定位方面，采用了徕卡GX1230 GNSS接收器，以确保较高的水平和垂直精度。地貌要素的分类及其在古海平面重建中的应用：伯利兹中部堡礁长达100多公里的高分辨率观测数据（图4）为了解该堡礁边缘的地形特征提供了前所未有的详细信息。在整个数据范围内，该边缘地带以平均高度约60米、近乎垂直的堡礁墙为特征，局部区域则呈现悬垂状（图5），从而将深水区的碎石坡和上坡与浅水区的现代前堡礁区域分隔开来。这一明显的地形分界反映了……统计分析：海平面指标为了确定这些地质特征所记录的过去海平面位置，对其深度分布进行了统计分析。为评估沿边缘地带的差异性以及差异沉降或构造运动可能带来的影响，将该堡礁边缘从北到南划分为10个宽度为10公里的区域。对于每个区域，深度直方图展示了脊线（深蓝色）和侵蚀凹口（浅蓝色，图8）的分布情况。分析结果表明……不存在新构造活动对脊线和侵蚀凹口的统计分析还考虑了伯利兹堡礁边缘可能存在的新构造变形情况。当相邻的边缘段之间存在系统性偏移时，那些横向持续存在的地貌标记的深度分布变化可能表明存在差异性的垂直运动，比如构造抬升或沉降。在所分析的10个区域内，脊线和……结论伯利兹堡礁边缘的地貌结构表明，堡礁边缘的演化主要受海平面变化速率的影响，包括海平面的停滞和逆转，而非单纯的绝对海平面位置。通过对构造性脊线和侵蚀性堡礁墙凹口的综合分析可知，海平面变化缓慢或稳定的时期更有可能作为独特的地貌标志被保留下来，而快速变化的时期则……所用生成式AI及AI辅助技术声明在撰写本手稿的过程中，使用了ChatGPT来优化文本表达和语言多样性。使用该工具后，所有作者都对内容进行了仔细审阅和编辑，我们对此篇发表文章的内容负全责。所有的数据分析、解释和讨论均由共同作者完成，未使用任何人工智能技术。CRediT作者贡献说明Siro L. Hosmann：写作——审阅与编辑，写作——初稿撰写，可视化，方法论，正式分析，数据整理。Stefano C. Fabbri：写作——审阅与编辑，软件应用，数据整理。Flavio S. Anselmetti：写作——审阅与编辑，监督，项目管理，概念设计。Eberhard Gischler：写作——审阅与编辑，监督，项目管理，概念设计。未引用参考文献Bard等人，1990b利益冲突声明作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响到本文所述的研究工作。致谢我们感谢德国研究基金会（DFG）通过SPP 527项目中的Gi 222/38课题为野外工作提供资助。Norlan Lamb在调查期间担任可靠的船长。伯利兹城的渔业部门以及贝尔莫潘的地质与石油部门为我们的研究颁发了许可。经纪人Bert Bradley协助解决了设备临时进出口的相关问题。此外，我们还要感谢两位审稿人和编辑提出的建设性意见，这些意见提升了本文的质量。