中心成员陈中原、蒋辉、张卫国、王张华、李珍、陈庆强、孟翊、孙千里、陈静、年小美 中心简介沉积环境演变研究中心旨在探讨第四纪以来，特别是全新世以来大河三角洲和北极地区环境演变与人类活动的相互作用，为认识地球表层系统的演化和人类的可持续发展提供历史借鉴。中心由10名科研人员组成，分别从事地貌学、沉积学、海洋地质学、微体古生物学、环境磁学、地球化学、矿物学以及年代学等研究。中心一直致力于开展亚洲大河三角洲的全新世地貌发育过程及机理方面的研究，有关成果在Nature、PNAS、Geology、Quaternary Science Reviews、Journal of Geophysical Research、Quaternary Research、The Holocene和Marine Geology等国际著名刊物上发表。在国际地貌学会(IAG)、IGBP/LOICZ等国际学术组织框架体系中，本中心广泛参与合作研究，是国际地貌学会大河流域工作组、环境考古工作组主要负责人之一，在Geomorphology、Estuarine Coastal and Shelf Sciences、The Holocene、Earth Surface Processes and Landforms上组织了多期专辑。中心部分成果获得上海市自然科学一等奖（2011）。 研究进展近5年，围绕全新世长江三角洲地貌发育对陆、海环境变化的响应的主题，克服三角洲沉积环境复杂多变，难以获取连续沉积记录等困难，通过大量的地貌调查、钻探取芯和年代学分析（170多个钻孔、600多个14C测年数据），综合运用沉积学、孢粉学、环境磁学、环境考古学、地球化学等方法，将现代过程和地质过程、定性和定量研究相结合，取得了如下进展： 1．基于海平面标志物的方法学综合研究，重建了长江三角洲地区早-中全新世相对海平面曲线，分辨率提升至百年尺度，提升了海平面变化对长江三角洲初始地貌发育控制作用的认识。 海平面变化是控制全新世大河三角洲地貌演变的关键动力因素，但是，事实上并不存在一条适用于世界各地三角洲环境重建的标准海平面曲线。因此，建立一条有区域代表性、且有百年分辨率的全新世相对海平面曲线意义重大。 寻找并筛选合适的海平面变化指示物，对于准确重建海平面曲线至关重要。长江三角洲相比其他大河三角洲具有潮差大、入海泥沙丰富、基底泥炭发育不显著的特点，国际上利用基底泥炭重建相对海平面的方法在长江三角洲存在很大困难。针对这个难点，我们构建了盐沼沉积微相识别技术，并结合基底泥炭方法，在大量年代学测试的基础上，首次较系统地恢复了长江三角洲的早-中全新世相对海平面变化过程和速率（图1；Wang et al., 2012；2013）。研究揭示了9.5-8.0 cal. kyr BP期间的相对海平面快速上升期，其中8.5-8.3 cal. kyr BP期间速率可高达30 mm/yr， 8.3-8.0cal. kyr BP期间海平面上升速率虽有明显下降，但仍有10 mm/yr左右，7.0 cal. kyr BP左右，海平面才接近现今位置。这一研究将长江三角洲早-中全新世相对海平面曲线分辨率由千年尺度提升至百年尺度，不仅为探讨三角洲地貌演变提供了海洋动力依据，而且为开展全球相对海平面变化的对比研究，提供了基础资料。 图1 长江三角洲早-中全新世百年分辨率的相对海平面曲线，揭示了8.5-8.3 cal. kyr BP的快速海平面上升事件（Wang et al., 2012；2013） 为了进一步认识全新世海平面快速上升事件的区域特征，我们还对越南湄公河三角洲海平面变化开展了研究（Li et al., 2012）。利用热带地区海岸带红树林孢粉组合，揭示了低潮滩先锋种Sonneratia alba及Sonneratia caseolaris、中潮滩Rhizophora apiculata和Bruguiera spp.及高潮滩的Nypa和Barringtonia群落组合演替的特点，为该区海平面重建提供了新指标。研究发现湄公河三角洲8.2-8.1 cal. kyr BP也存在相对较快的海平面上升事件，这一成果深化了对东南亚三角洲地区全新世海平面变化过程的认识，对阐明该区三角洲地貌发育机制具有重要意义（图2）。
图2 湄公河三角洲顶部红树林群落反映出全新世的两次相对海平面快速上升期：8.2-8.1 cal. kyr BP和约7.5-7.0 cal. kyr BP（Li et al., 2012） 早-中全新世长江三角洲百年分辨率的相对海平面曲线的建立，为认识三角洲初始地貌发育对海平面变化的响应机制提供了坚实基础。我们对长江三角洲顶部（南京-镇江-扬州地区）系列钻孔的沉积学和高分辨率年代学分析表明：由于全新世早、中期海平面快速上升，大量流域来沙首先在古河谷洼地填充，三角洲的堆积速率尚不能抵消海平面上升速率，这导致海岸线向陆推进。约8.0 cal. kyr BP以来，海平面上升速率开始趋缓，泥沙堆积速率超过相对海平面上升速率，长江三角洲开始发育（图3）。随着时间的推移，河口堆积由早期的垂向加积向三角洲进积转化，其时间节点在5.5 cal. kyr BP左右。此外，我们的结果还显示，经典长江三角洲发育模式中的最早一期河口沙坝（红桥期）建造于6.0-5.0 cal. kyr BP期间，比前人的认识晚近千年（Song et al., 2013）。这一结果深化了海平面变化对三角洲初始发育控制机制的认识。
图3 长江三角洲顶部地区全新世地层演变，反映了河口湾向三角洲加积转变发生在8.0 cal. kyr BP左右，典型的进积三角洲出现在距今5.5 cal. kyr BP左右（Song et al., 2013） 2．系统阐述了三角洲新石器文化遗址的地貌学意义，丰富了对中-晚全新世地貌演变过程的认识，为三角洲环境研究开拓了新途径。 长江三角洲具有举世闻名的新石器文化，最早的马家浜文化出现在距今七千年前，这与全新世三角洲雏形形成的时间基本一致。此后包含崧泽文化和良渚文化在内的早期人类活动在三角洲平原上延续三千多年。值得注意的是，由于这段时间海平面波动幅度减小，海平面重建标志物不易获得，难以建立地貌发育与水文过程的关系，在这种情况下，对三角洲环境变化敏感的早期人类活动成为反演三角洲地貌环境演变的有力手段。 利用长江三角洲太湖平原大量新石器遗址的时空分布特征，结合区域地层和早-中全新世相对海平面曲线，揭示了太湖平原成陆过程（Wang et al., 2012）。6.0 cal. kyr BP前，由于早-中全新世海平面快速上升和泥沙供应不足，该区域以盐沼、潮滩环境为主，太湖平原缺乏明显的早期人类活动，此后出现大量的新石器遗址，这反映了该区由前期的潮滩、盐沼逐渐转变为淡水湖沼环境（图4）。
图4 全新世新石器遗址分布以及太湖三角洲平原地貌环境演变（Wang et al., 2012） 此外，在过去的长江三角洲地貌研究工作中，我们认识到最大潮差和风暴潮能够波及到的高度（平均海平面3-5米之上）是人类最安全的居住面，称为“最低居住面”。将该方法应用于三角洲杭嘉湖平原良渚古城区域的地貌演变研究，较为精确地刻画出了良渚时期岸线向海进积过程（图5；陈中原，2011）。我们还将这一方法拓展到长江中游洞庭湖的地貌演变研究中，揭示了洞庭湖水位波动过程（Liu et al., 2012）。这些成果深化了新石器遗址的地貌学意义，为全新世三角洲地貌学的研究开拓了新途径。
图5 基于“最低居住面”高程原理重建的中全新世古杭州湾三角洲平原岸线演变（陈中原，2011） 3．综合运用多种沉积物物源追踪指标，揭示了长江三角洲地貌演化对流域环境变化的响应过程；发展了三角洲千年尺度动力地貌模拟的数值方法，定量诠释了径潮流共同作用下的长江三角洲地貌发育动力机制。 通过现代过程的研究，追踪物源示踪指标在源-汇过程中的变化，是成功重建全新世三角洲物源变化的前提。我们揭示了沉积动力分选、盐沼成壤作用等因素对沉积物磁性特征的重要影响，阐明了基于粒级分离的磁学指标可有效用于物源追踪和沉积环境区分（图6；Liu et al., 2010; Zhang et al., 2012; Dong et al., 2014；Dong et al., 2014）。利用上述磁学指标，识别了长江三角洲泥沙的流域来源具有强磁性、低矫顽力特征，并指出晚全新世时，黄河物质参与了长江三角洲的建造（Liu et al., 2010; Zhang et al., 2012; Gu et al., 2014）。
图6 基于粒度分离的磁性特征指标，有效揭示了黄河物质向南输运及其对长江三角洲的影响（Zhang et al., 2012） 三角洲形成过程中，流域和海洋物质的相对贡献，随着流域气候-水文过程和海平面波动而变化。综合利用孢粉、地球化学等代用指标（Wang et al., 2010; Zhan et al., 2012），发现6.0 cal. kyr BP以来在海平面较为稳定的前提下，三角洲地区流域陆源有机质输入呈现下降趋势，这反映了逐渐减弱的东亚夏季风通过影响流域的水文过程，控制入海泥沙通量，进而影响三角洲的发育进程（图7）。 人类活动在晚全新世三角洲发育中具有重要作用。基于环境磁学和高分辨率年代学资料，发现人类活动对长江水下三角洲建造的显著作用体现在近1700年，尤其是近800年（Wang et al., 2011）。三角洲向海推进速率的显著加快与流域人口增加以及土地利用方式变化导致的入海泥沙量显著增多密切相关（图8）。上述工作为进一步认识全新世长江三角洲形成过程中陆海相互作用的特点奠定了基础。
图7海源和陆源有机质变化，揭示了三角洲陆海相互作用的历史演变（Zhan et al., 2012）
图8 长江水下三角洲晚全新世地层分布，揭示了近千年以来的快速建造（Wang et al., 2011） 长时间尺度地貌数值模拟是从机理上揭示三角洲环境演变机制的重要手段之一，也是国际难点之一。我们以长江河口三角洲区域为原型，发展了长时间尺度动力地貌数值模拟方法，在考虑全新世中期以来海平面相对稳定的条件下，系统模拟了不同大小径流量和不同分潮驱动作用下，三角洲动力地貌发育行为的差异及平衡趋势，重点对千年尺度不同径流量和径流季节性变化的敏感性做了系统模拟分析（Guo et al., 2014）。研究发现，在长时间尺度的三角洲地貌发育过程中，中等大小的径流量起控制作用。径潮流相互作用控制了河口泥沙净输运的大小和方向，其中径流的作用机制表现为：向河口供沙，增大落潮流优势，抑制潮汐作用，从而增大河口的落潮输沙能力（图9）。这一方法定量诠释了长江三角洲地貌发育过程中的径潮流相互作用的动力机制。
图9 构造了一维长尺度三角洲地貌模拟的数值方法，揭示了不同径流流量条件下三角洲平衡剖面的发育及其机制（Guo et al., 2014） |
