北海南部中更新世地层的新年代学研究

《Quaternary Science Reviews》：New chronologies for the Middle Pleistocene formations within the southern North Sea

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  北海南部中更新世沉积物的年代学研究。
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  与海上工业岩土采样活动相结合的发光测年方案协议。
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  石英OSL和钾长石pIRIR发光测年的应用。
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  Sand Hole地层的底界年代为MIS 12/11，Egmond Ground地层的年代为MIS 10至8之间。
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  位于北海西南部的Brown-Bank地层，其年代可确定为MIS 5a/4。

引言

北海南部大部分地区的第四纪地质属于早至中更新世时期，反映了在浅水、远端和三角洲环境中的沉积作用（Cameron等人，1992年）。然而，该地区的大多数第四纪和考古研究，如BRITICE（Clark等人，2022年；Dove等人，2017年）以及北海古景观项目（Gaffney等人，2007年，2009年；Gaffney和Fitch，2022年），主要集中在与德文西亚（维斯瓦）冰期和海洋侵夺阶段相关的近海床、晚更新世至早全新世记录上。这些研究显著增加了我们对晚更新世和全新世事件时间的了解。然而，许多中更新世地层的年代仍然不明确，主要是基于生物地层学和现已过时的冰期-间冰期框架（例如，Mitchell等人，1973年），这些框架被Cameron等人（1992年）、Tappin等人（2011年）和Stoker等人（2011年）所采用。尽管在海上风电场开发过程中收集的数据有助于更新这一框架，但由于在海洋同位素阶段（MIS）2之前的沉积物缺乏绝对年龄约束（Dakin等人，2026年），这一努力仍然受到限制。

这种知识空白部分是由于两个因素造成的。首先是可获取性：这些沉积物通常位于海床深处（超出传统振动取芯器的 reach 范围），需要学术界在物流和资金上更具挑战性的沉积物采样技术；其次是用于这些沉积物测年的适当材料和技术的可用性。后者部分是由于常用的科学测年技术的适用时间范围有限。放射性碳测年的检测限约为55 ka（Reimer等人，2020年），而Duller（2025年）指出，石英的光释光（OSL）技术通常可以测年至100 ka，通常可达到200 ka，在最佳条件下甚至可以达到400至600 ka（例如，Pawley等人，2010年）。

OSL成为主导的科学测年技术，主要是因为石英发光信号中快速成分的快速漂白现象（Wintle和Murray，2006年），这降低了部分漂白的可能性，同时红外激发发光（IRSL）在长石中观察到的异常衰减现象不明显（Huntley和Lamothe，2001年）。OSL的广泛采用显著改善了晚更新世和中更新世序列（约300 ka以后）的年代测定。然而，除非在具有平均背景放射性的地区进行测定，否则石英的OSL信号在埋藏150 ka或更短时间内就会饱和（Mahan和DeWitt，2019年），使得这种技术对许多中更新世序列无效。

长石的IRSL在较高剂量下会饱和，从而有可能将测年范围提前到中更新世早期（例如，Buylaert等人，2007年；Gibbard等人，2021年）。与石英类似，长石广泛存在，并且可以在多种沉积环境中找到，与石英晶体不同，长石可以在红外激发下被选择性测量（Huntley和Lamothe，2001年）。IRSL信号在不同地区的变异性较小，富含钾的长石（“钾长石”）颗粒通常发出的发光信号比石英颗粒更亮（Duller等人，2003年）。然而，长石的IRSL测年受到IRSL信号异常衰减的影响，导致年龄低估。为了解决这个问题，在低温IR激发后以更高温度再次激励钾长石的pIRIR信号显示出可忽略的衰减率（Thomsen等人，2008年；Zhang和Li，2020年），从而实现了成功的测年应用。因此，pIRIR为测定超出OSL限制的中更新世沉积物提供了机会。结合石英OSL和钾长石pIRIR（称为“配对发光测年”）为通过多测年来获得可靠的科学年代提供了额外的优势（例如，Yoon等人，2022年；Roberts等人，2015年）。当测年结果一致时，可以提高对沉积物年龄的信心。当出现差异时，可以进一步考虑测年和样品保存情况。造成差异的可能原因包括：在沉积时钾长石成分未受到阳光漂白，因为pIRIR信号对光的敏感性低于OSL信号（例如，Roberts等人，2015年；Cheng等人，2022年；Zhang等人，2023年；Calarossi等人，2015年）；或者石英OSL信号已经饱和，因此只能提供一个下限（TAQ）。

全球海上风电能力的扩张，主要是出于能源转型的需求和实现净零目标的愿望，为更好地了解海洋区域的第四纪地质提供了许多机会。对于开发商而言，这主要是出于构建地面模型以指导场地设计和地质灾害评估的需要，这些模型是通过收集海洋地球物理和岩土数据集来实现的。这在北海南部尤为重要，新的场地调查提供了高分辨率的地下地质图谱，这得益于超高分辨率（UHR）地震调查的发展和应用（Caselitz等人，2025年）以及广泛的岩土场地调查。地面模型的开发揭示了比最初预期更复杂的第四纪地质（例如，Arlott等人，2023年；Cotterill等人，2017年）。这些数据集还有助于识别沉没的古景观，这些景观是英国海洋政策声明（2011年）中定义的历史环境的一部分，因此可能受到海上开发的影响（Firth，2013年；Jones和Salter，2017年；Sturt等人，2017年）。因此，由开发商主导的岩土场地调查提供了访问、特征描述和测年第四纪沉积物的宝贵机会，使得能够测试和完善现有的中更新世地层年代学。

在本文中，我们展示了为支持Hornsea Two海上风电场（HOW02）进行的场地调查结果，并展示了如何采用石英OSL和钾长石pIRIR测年技术与传统的生物地层学技术相结合，为出口电缆走廊（ECC）沿线遇到的中更新世地层提供了新的年代学依据。与HOW02 ECC平行的是Hornsea One海上风电场（HOW01）ECC。本文还考虑了为HOW01 ECC收集的数据集，包括对Inner Silver Pit地区地质考古调查结果的重新评估（Heamagi，2018年）。

部分摘要

研究区域

HOW01和HOW02位于北海南部的一组?rsted风电场项目中（图1）。HOW02场地位于英国海岸以东约90公里处，其风力涡轮机发电容量为1.32吉瓦（GW），于2022年8月开始运行，成为当时世界上最大的风电场。该风电场覆盖面积462平方公里（km2），与南面和东面的HOW01共享边界。

地球物理调查

ECC沿线的地球物理调查由Bibby Hydromap、Gardline Geosurvey和Fugro多次进行（见补充材料S1）。大多数调查使用了安装在船体上的Pinger设备，但也有一些使用Geo Source Cat Sparker设备收集数据。调查线通常与ECC平行排列，多次调查导致线间距非常密集，有时间隔仅为5-20米。

Inner Silver Pit穿越

通过与Triton Knoll海上风电场开发结果（约8公里以南；Gardline，2015年；Arlott等人，2023年）的比较，有助于解释地震地层学。第四纪地层在表1中进行了总结，并在下面进行了讨论，分为九个地层单元。图3显示了ISP的一个地震剖面示例。

一个底部的第四纪地震单元ISP-2包含高振幅的水平和倾斜反射层，覆盖在白垩表面之上。

Sand Hole地层

最古老的更新世序列是在EC-011-VC岩芯中采集的（单元ISP-3），与Sand Hole地层的开始相对应。Sand Hole地层的花粉记录由Ansari（1992年）基于BGS Borehole 81/52建立，该钻孔位于Triton Knoll西部边缘，距离EC-011-VC西南方向11.5公里。这为该地区提供了Hoxnian间冰期的记录，涵盖了前温带时期（Ho I）、早期温带时期（Ho II）、晚期温带时期（Ho III）和后温带时期（Ho IV）。

结论

在HOW02的岩土场地调查中实施的新岩芯处理程序，使得该地区中更新世地层的配对发光测年（石英OSL和钾长石pIRIR）成功应用成为可能。新的测年结果确认Sand Hole地层的底界年代为MIS 12至MIS 11，而Egmond Ground地层可能形成于MIS 10至8期间；这比目前采用的MIS 11的年龄要晚（Cameron等人，2022年）。

作者贡献

概念提出：M. Grant、S. Evans、P. Toms。正式分析：M. Grant、P. Toms、J. Wood、A. Smith、M. Law、T. Hill。资金获取：S. Evans。调查：M. Grant、P. Toms、J. Wood、A. Smith、M. Law、T. Hill。方法论：M. Grant、P. Toms、S. Evans、C. Walker。项目管理：S. Evans。写作——初稿：M. Grant、P. Toms、S. Evans。写作——审阅和编辑：M. Grant、P. Toms、S. Evans、J. Wood、A. Smith、M. Law、J. Dix、C. Walker、T. Hill、C. Heamagi。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

这项工作由?rsted委托并资助，作为Hornsea 2开发项目的一部分，特别感谢Natalia Lopez和Jennifer Brack对项目的推动，以及Jennifer Ford、Tobias Naylor、Paul Kirk、Dirk Wilyman和Sara McLean的支持。感谢?rsted和Fugro GB Marine Limited的全体员工在整个项目中的协助和支持。还要感谢Christopher Pater和Phillipa Naylor（Historic England海洋规划部门）在整个过程中的建议。

Michael J. Grant|Phillip Toms|Sally Evans|Jamie Wood|Alexander Smith|Matt Law|Justin K. Dix|Chris Walker|Tom Hill|Christin Heamagi