日本北海道第四纪石狩河冲刷谷中，以三角洲为主的侵入性沉积序列

《Quaternary International》：Bayhead delta-dominated transgressive succession in the Quaternary Ishikari incised valley, Hokkaido, Japan

厚湾头三角洲在石狩冲积谷地快速海平面上升（13-9 ka）期间的发育机制研究。通过岩芯重分析和工程钻孔数据，识别出四个回步式沉积序列段（PS-1至PS-4），揭示局部可容纳性增加（FS-2）与全球海平面上升（FS-1、FS-3、FS-4）的复合作用，以及多支流沉积供应和构造限制对持续湾头三角洲堆积的调控。

　　

川上玄太郎 | 木村克美 | 樱山司

北海道研究机构（HRO）能源、环境与地质研究所，日本北海道札幌市北区北19丁目西12，060-0819

摘要

在快速冰后期海侵期间，侵蚀型河谷中很少形成厚层的海湾头三角洲沉积序列，因为沉积空间的形成速度通常超过了沉积物的供应速度。在这种条件下，河谷前沿往往发展成海岸线，而不是厚层的三角洲沉积物。然而，通过对三个沉积岩芯的重新分析，在日本北海道的石狩侵蚀河谷中发现了一个异常厚的（约30米）以海湾头三角洲为主的沉积序列。通过层序地层学分析并结合工程钻孔数据，该序列被划分为四个后退式次序列（PS-1至PS-4，按地层顺序递增），每个次序列都由一个洪水面（FS-1至FS-4）界定。虽然FS-1、FS-3和FS-4对应于全球或区域性的海平面上升事件，但FS-2可能反映了由于河谷阶地边缘形态导致的局部沉积空间增加。每个次序列由多层河口沙坝组成，这些沙坝很可能是在盐度逐渐增加的时期形成的，这一点从硅藻组合和生物扰动强度可以得到证实。这表明海湾头三角洲的堆积是随着盆地逐渐加深而发生的。尽管在每个洪水面期间侵蚀系统都有短暂的内陆退缩，但海湾头三角洲的沉积作用在整个海侵过程中持续存在。这种持续性反映了沉积物供应与沉积空间形成之间的持续平衡，这可能是由多条支流的沉积输入所维持的。此外，由于河谷几何形状的限制以及河口早期形成的海岸屏障，沉积物的滞留作用得到了增强，从而促进了沉积物的有效捕获。石狩河谷的案例，以及其他来自构造活跃地区的类似例子表明，即使在相对快速的海平面上升情况下，具有附近沉积物来源的小到中型侵蚀河谷也能够维持厚层的三角洲堆积。

引言

了解河口海岸如何应对快速的海平面上升不仅对于解释古环境至关重要，而且对于预测与未来海岸管理相关的沉积响应也非常重要。在这方面，末次冰盛期（LGM）之后形成的侵蚀型河谷系统是研究沉积物对突发性基准面变化的响应的天然实验室，使其成为进行层序地层学和相分析的理想对象（例如，Dalrymple, 2006; Boyd等人, 2006）。

根据广泛接受的以波浪作用为主的侵蚀河谷层序地层模型，侵蚀系统通常包括侵蚀性河流沉积、海湾头三角洲和中央盆地沉积（Zaitlin等人, 1994; Boyd等人, 2006; Boyd, 2010）。当河流沉积物的供应超过沉积空间的形成速度时，海湾头三角洲就会发育；然而，末次冰盛期之后的快速全球海平面上升抑制了许多侵蚀河谷中海湾头三角洲的发育。相反，在那个时期，以沼泽或潮滩沉积为主的海湾前沿更为常见（Simms等人, 2018）。因此，大多数记录在案的第四纪海湾头三角洲形成于8000年前后海平面上升放缓的时期，或者是在后来的海平面高位期（参见Simms等人, 2018中的表1）。尽管有几项研究发现了末次冰盛期之后形成的海湾头三角洲（Amorosi等人, 2005, 2009; Omura等人, 2006; Anderson等人, 2008; Milli等人, 2013, 2016），但由于沉积岩芯的稀缺，许多这些沉积物的详细信息仍然有限（例如，Hijma和Cohen, 2011）。因此，我们对海湾头三角洲相和沉积构造的理解主要依赖于海平面高位期的类似情况（例如，Donaldson等人, 1970; Kanes, 1970; Wellner等人, 2005）。

本研究旨在重新分析位于日本北部北海道的石狩侵蚀河谷内的一个沉积序列（图1）。该沉积序列厚度可达30米，形成于末次冰盛期之后的海侵时期（13-9000年前）（Kawakami等人, 2012a）（图2）。此前该序列被解释为由侵蚀性河流沉积和潮汐-河流沉积物组成，上面覆盖着中央盆地的泥质沉积（Kawakami等人, 2012a, 2012b, 2012c）。然而，我们根据最近关于河流主导三角洲（包括海湾头三角洲）的沉积学模型的进展，将其重新解释为海湾头三角洲沉积。我们的相分析结果结合了现有的硅藻组合数据（Sagayama等人, 2015）和放射性碳年龄数据（Kawakami等人, 2012a, 2012b, 2012c, 2012d, 2024; Kawakami, 2024）。此外，基于与地下钻孔数据的地层对比，我们重建了快速海平面上升期间海湾头三角洲的演化过程，并评估了控制其发育的关键因素。

章节摘录

石狩侵蚀河谷系统

石狩侵蚀河谷是在末次冰盛期由现今的石狩海岸平原、砂川低地和石狩湾地区形成的，由古老的石狩河及其支流侵蚀而成（Ohshima等人, 1978; Matsushita, 1979; Oka, 2006）（图1）。该河谷深切到了未固结至半固结的更新世沉积物中，这些沉积物之下是新近纪的沉积岩和火山碎屑岩（Oka, 2006; Ozaki和Komatsubara, 2014）。河谷轴线深度超过66米

方法和数据集

为了重建该沉积序列的地层演化过程，我们重新分析了三个未受干扰且完整回收的沉积岩芯（GS-HIS、GS-HTF和GS-HTB；Kawakami等人, 2012a, 2012b, 2012c）。GS-HIS位于当前海岸线内陆1.6公里处，而GS-HTF和GS-HTB分别位于内陆约10公里和14公里处（图1）。沉积相的特征通过（1）存档的分割岩芯和（2）100厘米厚的剥离表面标本进行了重新描述和解释

相组合与解释

在描述和解释沉积相时，我们采用了为现代封闭型海湾头三角洲提出的亚环境分类（Donaldson等人, 1970），并进行了少量修改。海湾头三角洲通常包含与其他三角洲（特别是河流主导的三角洲）相似的沉积亚环境和相（Simms等人, 2018）。Donaldson等人（1970）确定了四个主要的亚环境，即（i）三角洲平原（分流河道）

PS-1（约13000–11500年前）

次序列1由初始海侵面和FS-1界定。初始海侵面可能形成于约13000年前，对应于第一次融水脉冲（Meltwater Pulse 1A）之后的加速全球海平面上升（例如，Lambeck等人, 2014）。在此阶段之后，狭窄的河谷轴线（海拔-50至-40米）被下部的河间湾和裂缝次三角洲沉积物（FA3、FA4）填充，而内部则形成了侵蚀性河流河道沉积物（FA1）（图9，图11）

结论

• (1)
  在末次冰盛期之后的快速海平面上升期间，石狩侵蚀河谷中形成了以厚层海湾头三角洲沉积为主的独特沉积序列。该侵蚀系统包括四个后退式次序列（PS-1至PS-4，按地层顺序递增），每个次序列都由一个洪水面（FS-1至FS-4）界定。虽然FS-1、FS-3和FS-4对应于主要的海平面上升事件，但FS-2可能反映了由于河谷阶地边缘形态导致的局部沉积空间增加

作者贡献声明

川上玄太郎：撰写——初稿，研究。木村克美：撰写——审阅与编辑，监督，项目管理。樱山司：研究。

写作过程中使用生成式AI和AI辅助技术的声明

作者使用了ChatGPT来提高手稿的可读性和语言表达。使用该服务后，作者根据需要审阅和编辑了内容，并对发表文章的内容负全责。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

两位匿名审稿人的建设性评论显著改进了手稿的质量。我们还要感谢Nishina Kenji、Hirose Wataru、Ohtsu Sunao、Komatsubara Junko、Nakashima Rei和Funabiki Ayako的宝贵讨论和技术支持。本研究未获得任何公共、商业或非营利部门的资助。