海平面变化与水深变化和沉积速率的关系

海平面变化与水深变化和沉积速率的关系

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地质科技情报G e l gia c e c n c n l g n o m a i n o o c lS i n e a d Te h o o y I￣ r to

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海平面变化与水深变化和沉积速率的关系—

徐桂荣——————一

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≯弓

(中国地质大学，攫)武

摘

要海平面变化的问题，尤其是测深与海平面变化的关景，学术界存在一些混乱的观念本

文在 Va等和 Cse等工作的基础上， i l i n讨论了海平面变化与水藏变化和沉积速率的关系，表明海 平面的变化同时与水深和沉积速率有关，不能简单地以水深的变化代替海平面变化关键词海平面变化水深变化沉积速率陆表海

地质历史上海平面变化的研究是近年来地学界的一个热门话题，主要因为现代海平面变化是威胁当今人类生存环境的重要因素之一，质历史上海平面变化的研究也许可以作为现地代海平面研究的借鉴 f并且地质历史上海平面变化的研究与地学中许多学科有关，如板块构造学、沉积岩石学、层学、地古生物学和石油地质学等。自从 P R V i等 ( 7￣从地震地层 .. a l 17 ) 9学角度研究全球海平面变化的文章发表后，这方面的研究有突破性进展。概念和方法上都有在一

系列新成果。震地层学可以较好地确定一级和二级长期的海平面变化，较小尺度的沉积地但

序列，如确定三级和四级甚至更短的变化就存在一定的困难。如 Va等 E所指出的：正 i l详细的测井或露头剖面上的较小尺度的沉积序列“在地震剖面上去识别是太小了”。而且由地震地层学所确定的一、级海平面变化还需要根据生物地层学作出修改。生物地层学角度研究海平二从

面变化的杰出代表是 CseJ L等]他自 1 7年以来发表了一系列文章论述生物群落的 i . . n, 98测深和海平面变化的定量研究。地震地层学、生物地层学、海洋学和沉积学等多学科的结合为海平面变化的研究发展了新的前景。

1海侵、海退和海平面变化许多学术论文中常把海侵和海退概念与海平面变化概念混为一谈，

a a 1 2 )”早 Grbu(9 4 E较

认识到它们的区别。海侵、海退和海平面变化的概念都是相对的， i把海平面相对变化定 Va E l 义为海平面相对于陆表的明显上升和下降，而海侵和海退是海岸线相对于陆表的移动。在海平面相对上升的情况下陆源物质供给的多少或沉积物的堆积速度不同，岸线的移动会显示不海同的方向。如在主要是陆源物质沉积的地区，较少的陆源物质供给时表现为海侵，有大量当若陆源物质供给时表现为海退，陆源物质的供给与海平面上升相平衡时表现为海岸线稳定，当 在碳酸盐岩地区沉积物的生成速度的快慢会出现类似的结果。地层学中鉴别一级或二级海平

面上升的标志是海岸线附近海相沉积层的上超，上超层位向陆推进为海侵，向海后退为海退。 3l

海平面变化与水深变化和沉积速率的关系

在没有不整合和上超层位的较连续海相沉积层中如何确认小规模的海侵、退和次级海平面海变化，需要作生物地层学和沉积学的深入工这作。

2海平面变化与水深变化的关系Cse等从地壳均衡的观点出发，出 i n提

了陆表海海平面变化与水深变化和沉积速率的数学表达式先，们定义海平面变化的量度首他是相对于陆壳厚度而言。平面所处的位置，海如位于陆表的高处其陆壳厚度必大，反陆壳的相

厚度必小，这是地壳均衡论的一般推论。 设在时间 t时，平面 L( ) .对应的。海。=0其陆壳厚度为 H ( )经时间 A— t一 t,平面 0; t 1。海上升到 L( ) A现在海平面对应的陆壳厚 1一 L,度为 H ()如图 1所示。考虑在时间 t时两个 1,。截面积为 l m假设柱，个长度为 H ( )柱一 o的

圉 l陆表海横切面示意图w代表水辣，为沉积牺的数量}△为陆壳厚度， △￡为海平面从时间’的变化增量 I ( ) o 0 0为时海平面所处的陆壳厚度 I () H 1为 {时辱平面所处的

砧壳厚度海平面的变化以它与砧壳厚度的关系为定义。a )时，海平面处于砧壳厚度为 H ( ) o的位置{b=时，平面上升到陆壳厚度为日 )位置 I -海的上

在陆表海

中海平面在 t时所处的位置，一个。另长度为 H ( )柱在陆上因这两柱在时间 t 1的。时处于均衡状态， H ( )度计它们的重量以 1长相等：pgH ( =￣ 1

述两种情况都假定无帆积作用发生 - ) c在接受沉积的情况下，=时，积了△的沉积物，{#沉 且辱平面上升到砧壳厚度为日 ( )位置 ( C se 1 8 )修改 ) 1的据 ia ( 9 4[

pg ( )+ P gE ()一日 ()一△L oH O M H 1 0]式中为陆壳密度，是地幔的密度， g为重力加速度。整理 ( ) 1式得

() 1

阳△ L一 ( P M一 0[ 1一日 ( ) o H( ) )。]这代表经时间后，平面上升与陆壳厚度的关系式。海

() 2

现在进一步考虑处于陆表海中相当于 H ( )度的任一柱子， t。这个柱子与日 1高在—t时 ()于均衡状态，。处因此有：( M— O ) ( ): ( M— p ) ( )+ (M— p ) p cH 0 p W。 p c^ ( ) 3

其中 ( )水深， 0是 h是陆表海下面的陆壳厚度，W为水的密度。当￡ p一时，平面上升△L,海 其均衡的关系为( M— o ) ( ): (M— p ( )+ ( M— P ) P cH 1 P W) 1 P c^■■■

() 4

其中 W () t 的水深。假设陆壳厚度变化可忽略不计， ( ) 1为=t时以 4式减 ( ) 3式后代入 ( ), 2式消去陆壳的重量得：△L一 ( M— p ( ( )一 P W) 1 ( ) 0 ) () 5

如时间接近零，5式变为海平面变化率与水深变化率 A=W ( ) () W 1一 ( )系式： 0关 d d L/t一[P (M— pr/ d/ t’ W d ) () 6因此海平面变化率与水深变化率为线性关系，个关系式的条件是：)底没有接受任何沉积这 1海

物})壳厚度变化可勿略不计；)平面和水探的变化十分缓慢， 2陆 3海始终处于均衡状态。 32

海平面变化与水深变化和沉积速率的关系

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3海平面变化与水深变化和沉积速率的关系假设时间 f_,着海平面上升△堆积的沉积物数量为厶其均衡关系为。吖随￡,,( M一 0 ) ( )一 ( M一 p cH 1 p ) ( )+ (

M— p ) 1 P s厶S+ ( M— p ) P c^ () 7

式中 p为沉积体的密度。假设陆壳厚度可忽略不计， ()减( ) . s以 7式 3式代入 (),: 2式得△￡一 (一 )△W一 ( 一 P) s△S: 0 () 8

若时间接近零，8式变为海平面变化率与水深变化率和沉积速率变化的基本关系式： ()

d/ t[P工 a一 (M— P )P]/f[阳一 P)P] s d W/M d d+ ( s/ M d/

() 9

这个关系式在下列条件下是有效的： ) 1海平面变化与沉积作用足够缓慢使之能保持均衡状态 2陆壳厚度变化可以忽略不计 -) ) 3沉积物的固结作用很快且压实作用可以忽略不计。

4海平面变化与水深和沉积速率关系的讨论从方程 ( )知海平面变化是水深变化和沉积速率变化的总和。沉积速率为零，S/= 9可若 d&

0则方程 (), 9变为 ( )若沉积速率不变，S d;A,为常数 )则海平面变化与水深的变化 6l d/f ,仍然是线性关系： d d L/t— A+[P (M一 )P]W/t/M d d若水深变化率为零，W/ 0则海平面变化与沉积速率成比例变化： d d, d/ t[P L d= (M一# )￣ JS/t w/ d a ( 1 1) ( O 1)

若 d/ t W/t则( ) S￣d d, 9式接近 (1式； ( O式中如 A>d/ t,出现 d/t a 1)在 1 ) Ld时可 W d负增长的情况。若水探变化率为常量 B,则海平面变化与沉积速率的变化也是线性关系：d d L/t— B+[一 P )P] s出 ( W/M d/ (2 1)进一步考虑如果海平面稳定， L￣ r 0.深变化与沉积速率成反比， dS/ t l a d一水即 d一

d/t随沉积厚度增大，深变浅。若海平面变化率为负值， a,水即海平面下降，在沉积速率为正值的条件下水探变浅，除非沉积速率为负，即发生海底剥蚀，且剥蚀速率大于海平面下降，在一

这条件下水探才能加深或稳定。 从上述讨论中我们可得出以下结论： 1在海底没有接受沉积或沉积速率不变 ( )限于 A< d d ) L/t的条件下，深的测定可以反映水

海平面的变化，即海水变探，明海平面相对上升，说海水变浅说明海平面相对下

降；但海平面变化的幅度，不能以深度代替，必须考虑它们之间的关系系数 . (0式}还如 1) 2水深变浅既可发生在海平面下降时， )也可发生在海平面保持稳定时 .甚至可能发生在海平面上升时{

3在沉积物堆积迅速， )其速率大于水探变化时，水探变化有不同的结果，平面虽上升但海水深不变， ( 1式} (2式的条件，可以是正值或负值， B是负值时，如 1)在 1 ) B在海平面上升的同时出现水深变浅的情况。

近年来有一些研究海平面变化的论文，以渊深代替海平面的变化，以深度代替海平面变化的幅度，没有证明沉积速率不变且 A< d d的前提下，种方法是不科学的。在地质历史在 L/r这上，大多数沉积盆地中沉积速率是经常变化的。以有必要讨论测定地层记录中海平面变化在所的较科学的方法，个问题将另撰文作进一步的讨论这 33

海平面变化与水深变化和沉积速率的关系

参 a文献 j[] V iP R . . th m J. n . h mpo S i c S rt rp yad G o a C a g s f e ee . a 1 a . . R M Mi u r a ds T o s n I j e mi t i a h n l l h n e a v1 P r l e s ag b oS L t2l Gl alCy ls 0 ltv ha ge e Le e -I# Pa o -C E. (d.) e i i t a i a hy a pl a in 0 ob ce fRea ie C n sofS a v l n ytn e,S m csr t gr p— p i to s t ch d o a b n e pl a i n,A P M e i y r c r o x or to A G mo r-1 7 9 7,V o .2 1 6-pp O 6 .5~ 1

[] V LP R. R M. uh m J.a dS T o s n I l e i i Srt rp yadGl a C a g s l a e e, a 2 a ., . Mi u r n . h mp o I S s c t i a h n o l h n e v l P r[: m ag b oS L e t3{Gl b lCyce fRea ie Ch ge fS a Le e -h yon,C.E.( d,S s cs r tgrphy p l ao n o o a ls o lty an s o v l e jFa t e .) eimi ta i a—a

p i t i at ch dz ar o xp o a i y￣c b n e l r t on,A P M e i A G mo r.1 7-V o . 6,P,6 97 I2 P 3~ 8L

[] V LP R。 . Mi h m J,adS Th mpo e m c ta g a h n lb l h n e f a ee, a 3 a . . R M. t u r n o s n I j S i i Sr t rp y d G o a C a g s v P r[ e s i a oS L l e t4IGl a lCy so ob de fRe a ieCh n e fSe v 1 I l l tv a g s0 a Le e. n Paao: n—C. E.( d,S imi e .) e s chy o a bo x l r to r d c r n e p o a i n,A P M e/ A G mo r-1 7-Vo . 6,PP 83 9 97 12 .~ 7

n] C s e】 L n a eR .j o n e r l l iga i ta ay￣ o fsa c m n i n t a p et a L n . _a R b 1 C e o or a o rd n n l d 3 e tn e s f oa o mu i sa d i p l al s i t e s i o ns r tg a y Lc h a-1 7 t a i r ph t ai 9 8-Vo1 11,P . 1 3 3 . P 34~ 6

[] CseJ L - F f n r n . . a e 5 i . . R. .G d e a d1 D R b#E e l sdm nai da a e e- y tei eo t t rp y L 4 m i 3 p ic e i e tt na vl sn h t e s ai a h, 一 r o n l c r g/ a.1 4.V o . 7,p t 7￣ 8 8 98 11 6 8

[] C ie . . n . . f n r a ue n o 6 h L a d F G d e Mes rme t f nJ R l j

l e c￣g ef a T e id d v i ng e— e l h e n p i e 8 h d l Oro i nt s r v ie i l m e c s r a s

s g n h r h M i e ntn n i n i t e No t d 0 i e t-Se— v lCh n s—An I t g a e Ap o c a Le e a ge n e r t d pr a h.SEPM,Spe i lPu ia i c a bl t n一1 8 eo 9 8, N o 42,P 2

1~ 22 . P一 7 5

[] G a u A W.1 r c ls fS r t r p y, e ok D G - 9 4 S r s1 P 1 5 7 mb . P i i e o t i a h N w Y r, . . 1 2, i . . 8 np ag e e

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Ke r s s a l v lc a g y wo d e -e e h n e,wa e e t h n e,s i n a i n r t trd

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