烏海盆地內(nèi)末次冰期砂楔/冰楔鑄型的發(fā)現(xiàn)及古氣候意義

李大偉+李德文+沈曉明+孫昌斌+康艷蕊+張亞嬌

摘要：砂楔/冰楔鑄型等具有定量古環(huán)境意義的冰緣現(xiàn)象在中國北方已有多處報(bào)道，但多集中在末次冰期晚冰階。報(bào)道了首次發(fā)現(xiàn)于烏海盆地的冰緣現(xiàn)象，從楔體形態(tài)特征、填充物粒度特征和光釋光測年等方面對其成因和發(fā)育年代進(jìn)行了深入研究。楔體和填充物剖面穿插關(guān)系、物質(zhì)組成和形態(tài)特征分析等指示其形成過程大致可分為兩個(gè)階段：早期原生砂楔發(fā)育與楔壁近平行的充填-擠壓構(gòu)造；晚期冰楔鑄型（包括冰楔形成、融化和填充）在砂楔之上進(jìn)行疊加。冰楔切穿早期砂楔，導(dǎo)致楔壁物質(zhì)發(fā)生強(qiáng)烈擠壓變形，結(jié)構(gòu)擾動，楔體表現(xiàn)為彎曲的不規(guī)則形態(tài)。光釋光測年結(jié)果顯示，原生砂楔發(fā)育的年代主要集中在（62.69±6.81）～（66.45±7.08）ka B.P.，即末次冰期早冰階，對應(yīng)于MIS4階段，并可能部分延續(xù)至MIS3b階段；冰楔鑄型填充物年代為（5.95±0.61）～（6.62±073）ka B.P.，對應(yīng)于全新世中期。由于冰楔鑄型的填充晚于冰楔發(fā)育年代，推測冰楔發(fā)育年代可能為末次冰期晚冰階?；谏靶?冰楔鑄型的發(fā)育過程及對環(huán)境條件的要求，初步估算出砂楔和冰楔發(fā)育時(shí)期年均氣溫比現(xiàn)在低121 ℃～136 ℃，砂楔發(fā)育時(shí)期（即末次冰期早冰階）年降水量與現(xiàn)在相當(dāng)。烏海盆地砂楔/冰楔鑄型的發(fā)現(xiàn)為研究中國北方末次冰期尤其是末次冰期早冰階緯度多年凍土分布及古氣候環(huán)境提供了新的依據(jù)。

關(guān)鍵詞：冰緣現(xiàn)象；砂楔；冰楔鑄型；古氣候；末次冰期；光釋光測年；粒度分析；烏海盆地

中圖分類號：P931.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Abstract：The periglacial phenomena like sand wedge/ice wedge cast have been discovered with the paleoclimatic and paleoenvironmental significances in the northern China. But most of them are dated to the late stage of last glaciation. The periglacial phenomenon discovered firstly in Wuhai Basin was reported. Characteristics of morphology， grain size analysis of filler and OSL dating were applied to identify the origin and age， including that the early primary sand wedge encompasses a set of structures almost parallel with the wall around it， and the late ice wedge cast （including its formation， melt and fill） is superposed on the sand wedge. The ice wedge cuts through and damages the structure of the primary sand wedge， and the wedge is characterized with bend and irregular boundary as a whole. OSL dating results show that the primary sand wedge is formed during the early last glaciation （（6269±681）-（6645±708）ka B.P.， MIS4）， and

may go down to MIS3b； the filler of ice wedge cast is formed during the Middle Holocene （（595±061）-（662±073）ka B.P.）. Because the filling of ice wedge cast is later than the formation of ice wedge， it is probably that the formation of ice wedge is during the late last glaciation. Based on the formation process of sand wedge/ice wedge cast and their environmental requirement， it is estimated that the annual mean temperature has dropped 121 ℃-136 ℃ from the formation of sand and ice wedges to present， and the annual precipitation is of no significant difference from the formation of sand wedge （the early stage of last glaciation） to present. The discovery of sand wedge/ice wedge cast in Wuhai Basin could provide a basis for studying the distribution of permafrost and the paleoclimate during the last glaciation （especially the early stage） in the northern China.

Key words：periglacial phenomenon； sand wedge； ice wedge cast； paleoclimate； last glaciation； OSL dating； grain size analysis； Wuhai Basin

0 引 言

冰緣地貌現(xiàn)象種類繁雜，在眾多古冰緣現(xiàn)象中，多年凍土區(qū)的凍裂作用導(dǎo)致地面開裂形成熱收縮裂隙（Thermal Contraction Crack），地表水、砂和土周期性注入裂隙，在剖面上形成上寬下窄的楔形，在平面則多表現(xiàn)為多邊形[1-2]。根據(jù)其填充物種類和含量的不同，此類裂隙可分為冰楔（Ice Wedge）、砂楔（Sand Wedge）、土楔（Soil Wedge）及混合楔等。冰楔內(nèi)冰體融化后為外來物質(zhì)充填，形成冰楔鑄型（Ice Wedge Cast/Pseudomorph）。

砂楔與冰楔鑄型因具有定量的環(huán)境意義而備受關(guān)注。前人在大同盆地[3]、晉西北[4]、鄂爾多斯周邊[5]、騰格里沙漠東北緣[6]、寧夏中寧清水河[7]等中緯度地區(qū)已發(fā)現(xiàn)有砂楔、冰楔鑄型和冰卷泥等緯度凍土活動的地貌遺跡（圖1），其形成年代多集中在末次冰期晚冰階（11～32 ka B.P.），鮮有末次冰期早冰階冰緣活動的報(bào)道。本文報(bào)道了在鄂爾多斯高原西緣烏海盆地內(nèi)首次發(fā)現(xiàn)的砂楔與冰楔鑄型復(fù)合體，為研究末次冰期尤其是早冰階中國北方地區(qū)緯度多年凍土分布和古氣候環(huán)境提供新的依據(jù)。

1 區(qū)域背景與剖面描述

烏海盆地（烏達(dá)斷陷）位于鄂爾多斯高原西緣，以東側(cè)的桌子山西緣斷裂和西側(cè)的五虎山斷裂為限。盆地內(nèi)部海拔1 050～1 400 m，屬干旱大陸性氣候區(qū)、半干旱半荒漠氣候帶，年均氣溫9.6 ℃，四季溫差大，氣候干燥，年均降雨量約160 mm，年均蒸發(fā)量高達(dá)3 290 mm。黃河流經(jīng)烏海盆地并發(fā)育多級臺地。本文所報(bào)道的砂楔/冰楔鑄型（圖2）及小型砂脈見于盆地西界五虎山前，也見于內(nèi)蒙古自治區(qū)烏海市烏達(dá)區(qū)西南約8 km的巴升圖附近（屬于烏斯太鎮(zhèn)）的黃河左岸三級臺地頂部。剖面所在的三級臺地主要由兩套地層組成：下伏的半膠結(jié)紅褐色砂質(zhì)黏土和上覆的薄層灰白色砂層和砂礫石層。三級臺地高于現(xiàn)代黃河約220 m，經(jīng)緯度為（39.4°N，106.65°E），海拔約1 300 m。砂楔/冰楔鑄型復(fù)合體發(fā)育在更新統(tǒng)紅褐色砂質(zhì)黏土層和上覆灰白色砂層中（圖3），沿長約30 m的人工剖面多處重復(fù)出現(xiàn)。規(guī)模較大者上寬下窄，楔壁彎曲，與常見的“V”字形等典型形態(tài)略有不同。

本文選擇剖面中部較為典型的砂楔/冰楔鑄型復(fù)合體作為研究重點(diǎn)。該楔體高約2.4 m，楔口寬約0.8 m，寬深比約1∶3。根據(jù)楔體的形態(tài)和尺寸、填充物及側(cè)壁物質(zhì)特征，將楔體分3段（圖4）：A段、B段和C段。

A段為砂楔/冰楔鑄型的最上段，高約0.85 m，頂部楔口寬約0.80 m，底部寬約0.35 m。上部和中部填充物為灰色細(xì)砂，偶含礫石，結(jié)構(gòu)松散；下部填充物有弱成層現(xiàn)象，以灰色細(xì)砂為主，含少量礫石，并混有與側(cè)壁物質(zhì)成分相同的紅褐色砂質(zhì)黏土團(tuán)塊，指示側(cè)壁曾發(fā)生垮塌。在A段自上而下取光釋光樣品WH1201、WH1202。該段楔體側(cè)壁遭受長期風(fēng)化作用，砂質(zhì)黏土塊狀崩解強(qiáng)烈。野外觀察發(fā)現(xiàn)楔體右壁地層尤為破碎，且破裂面多為曲面，而遠(yuǎn)離楔壁的地層破裂面為平面。

B段為砂楔/冰楔鑄型的中段，高約0.65 m，底部寬約0.10 m。該段楔壁較陡，產(chǎn)狀與上部A段差別較大。楔壁形態(tài)相對簡單，兩壁地層相對完整，只在左壁上部發(fā)現(xiàn)一組與楔壁斜交的裂隙，破碎程度不及A段右壁。楔體以灰色細(xì)砂為主，可見少量礫石，砂體內(nèi)部發(fā)育與砂楔壁近平行的定向沉積-擠壓構(gòu)造。內(nèi)部填充物還存在顏色不同的縱向條帶[圖3（b）]，反映了不同期次的填充。在該段內(nèi)部填充物較為均一的部位自上而下取光釋光樣品WH1203、WH1204、WH1205。

C段為砂楔/冰楔鑄型的最下段，該段楔體強(qiáng)烈彎曲，呈反“S”形狀，高約0.9 m，楔體寬度較窄，大都在1～3 cm，僅在局部位置（兩處）突然展寬，寬度達(dá)10 cm，成分為灰黃色細(xì)砂。

砂楔/冰楔鑄型之上的活動層和上覆地層界線清晰，后者厚度09～10 m，分為兩層：下層為灰色洪積層，成分以細(xì)砂為主，含礫石，分選差，長軸方向近水平；上層為淺灰色含礫砂層，較松散，發(fā)育垂向裂隙。

整個(gè)剖面上還有多處小型砂脈（Sand Vein）出露，在更新統(tǒng)紅褐色砂質(zhì)黏土層中尤為明顯[圖3（c）]，向上延伸灰白色砂層則不易識別，中下部填充物為灰黃色細(xì)砂，易識別，可見少量粒徑2～5 mm的礫石。砂脈近直立，下部寬約3 cm，向上逐漸變窄（約為1 cm）。這些現(xiàn)象表明凍裂作用是普遍存在的。

2 年代測試

光釋光（OSL）測年是晚第四紀(jì)年代學(xué)研究中最重要的方法之一[11-12]，其主要優(yōu)勢是測年范圍比14C測年寬，測年材料容易獲取。盡管在測年精度上不如14C測年有效，但其樣品不易污染，在有機(jī)碳不容易保存的沖積扇地層年代學(xué)研究中具有尤為突出的地位[13]。本文根據(jù)砂楔/冰楔鑄型復(fù)合體的展布和內(nèi)部填充物特征，自上而下采集了5個(gè)光釋光樣品，其位置見圖4。具體采樣方法是：選擇好采樣點(diǎn)后，使用長約20 cm，直徑約5 cm的不銹鋼鋼管取樣，將一端用黑色塑料袋密封，另一端垂直打進(jìn)清理干凈的新鮮剖面取樣，并迅速用黑色塑料袋封口，然后將兩端再用黑色塑料袋及膠帶密封。樣品預(yù)處理和測定均在中國地震局地殼應(yīng)力研究所地殼動力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室光釋光年代學(xué)室完成。采用4～11 μm細(xì)顆粒石英礦物組分進(jìn)行測年。光釋光信號測量和β輻照均在Daybreak 2200型自動化光釋光測量儀上完成，等效劑量的測定采用簡單多片再生法（SMAR）。環(huán)境劑量測定時(shí)，K的含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）通過火焰光度計(jì)測量，U、Th及其衰變子體對樣品環(huán)境劑量的貢獻(xiàn)用經(jīng)標(biāo)定的Daybreak 583型低本底厚源α計(jì)數(shù)儀測定。樣品在運(yùn)輸或采集過程中損失水分，多數(shù)樣品較干，無法測其含水量（質(zhì)量比，下同），只能獲得個(gè)別樣品的實(shí)測含水量（5%左右）。考慮樣品的巖性、采集地點(diǎn)及野外現(xiàn)場出露情況，對所有樣品的含水量采用5%進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)考慮宇宙射線的影響。樣品前處理技術(shù)及等效劑量、環(huán)境劑量的計(jì)量方法見文獻(xiàn)[14]。各樣品測試結(jié)果見表1。

根據(jù)光釋光測年結(jié)果，B段（中段）填充物頂部和底部的埋藏年齡分別為（62.69±6.81）、（66.45±7.08）ka B.P.，反映其擠壓填充大致發(fā)生在末次冰期早冰階。一般來說，原生砂楔開裂與填充同步進(jìn)行，因此，B段的埋藏年齡可以確定為砂楔發(fā)育的年代，即末次冰期早冰階時(shí)期對應(yīng)于深海氧同位素MIS4階段。另外，該段中下部獲得光釋光年齡較剖面上、下部填充物年齡偏年輕，可能反映砂楔的發(fā)育、演化和填充在MIS3b階段仍在進(jìn)行，也可能是不同年齡填充物混合的結(jié)果。A段（上段）獲得的光釋光年齡顯示填充物埋藏年齡為（5.95±0.61）～（6.62±0.73）ka B.P.，大致相當(dāng)于全新世大暖期。由于冰楔鑄型的充填過程在冰楔融化之后，所以冰楔發(fā)育的形成年代通常早于主體填充物的年代，冰楔發(fā)育時(shí)間早于全新世中期。結(jié)合氣候變化資料，推測冰楔大致形成于末次冰期晚冰階，即深海氧同位素MIS2階段。

3 粒度分析

碎屑沉積物的粒度特征與物源、搬運(yùn)營力、搬運(yùn)介質(zhì)和堆積環(huán)境關(guān)系密切，是地表過程和環(huán)境研究的重要內(nèi)容之一[15]。對楔體內(nèi)不同段采集了兩組樣品：第一組3個(gè)樣品采自A段內(nèi)，自上而下分別為WST01、WST02、WST03；第二組2個(gè)樣品采自B段內(nèi)，自上而下分別為WST04、WST05。所有樣品用HELOS激光粒度儀，采用QUIXEL濕法進(jìn)樣單元。根據(jù)樣品測試結(jié)果計(jì)算獲得各樣品中值粒徑、標(biāo)準(zhǔn)偏差、偏度、峰度等參數(shù)（表2）。中值粒徑指示沉積物平均粒徑大小；標(biāo)準(zhǔn)偏差反映沉積物的分選程度；偏度反映分布的對稱情況；峰度反映粒度分布函數(shù)相對于正態(tài)分布的尖銳或平緩程度。對比結(jié)果表明：兩組樣品粒度上存在明顯差異，A段以極細(xì)砂為主，平均粒徑為3.75～3.85 Φ，B段以細(xì)砂—極細(xì)砂為主，平均粒徑為2.79～3.14 Φ。各樣品粒度頻率曲線（圖5）顯示所有樣品主體均為細(xì)砂—極細(xì)砂，推測以風(fēng)成沙來源為主。但對比兩組樣品也存在明顯差別，主要表現(xiàn)為B段樣品存在明顯的中—粗砂（-1～2 Φ）眾數(shù)，可能源于側(cè)壁物質(zhì)的混入。整體上看，填充物隨著深度的增加，粒度變粗，峰度趨于增大，標(biāo)準(zhǔn)偏差和偏度趨于減小。這些特征暗示不同段在填充過程中存在作用特征和物質(zhì)來源方面的不同。

4 討 論

4.1 成因分析

基于砂楔/冰楔鑄型內(nèi)部與側(cè)壁物質(zhì)特征識別、光釋光測年及粒度分析結(jié)果，可以大致還原砂楔/冰楔鑄型的發(fā)育過程（圖6）。

末次冰期早冰階，凍融作用周期性持續(xù)進(jìn)行，此處發(fā)育原生砂楔（A、B段），隨著楔體開裂，砂體不斷充填和擠壓，楔體內(nèi)發(fā)育與砂楔壁近平行的定向構(gòu)造。由于砂楔發(fā)育時(shí)期含冰量較少，砂楔壁及填充物質(zhì)因凍脹作用產(chǎn)生明顯的擠壓變形，定向特征得以部分保留。這個(gè)過程主要發(fā)生在MIS4階段，并有可能延續(xù)到MIS3b階段。隨著環(huán)境條件的改變，砂楔停止發(fā)育。

末次冰期晚冰階，在原生砂楔發(fā)育的部位再次發(fā)生凍裂作用，地表水周期性注入，發(fā)育冰楔。冰楔發(fā)育貫穿砂楔，把早期砂楔填充物擠向兩側(cè)的同時(shí)，砂楔上部（A段）物質(zhì)在與冰體融凍相伴隨的脹縮過程中向下運(yùn)移，可能導(dǎo)致A段早期填充物遭到破壞。上部填充物的混入可能是造成光釋光測年樣品WH1204測年結(jié)果偏年輕的原因。在砂楔底部，冰劈作用形成較窄的寒凍裂隙，即形成C段，此處可能是多年凍裂作用的下限。隨著氣候轉(zhuǎn)暖，冰楔發(fā)育停止，冰楔內(nèi)冰體不斷融化并被外來物質(zhì)逐漸填充，凍土層融化導(dǎo)致側(cè)壁物質(zhì)局部垮塌。以風(fēng)成沙為主的細(xì)砂填充物沿裂隙貫入，最終形成現(xiàn)今剖面所見的結(jié)構(gòu)特征。

B段部分保留原生砂楔發(fā)育時(shí)的形態(tài)特征，A段被后發(fā)育的冰楔完全破壞，在A段底部與垮落的砂楔壁混合堆積。剩余空間不斷接受外部碎屑物質(zhì)的填充，至全新世中期被完全填充，最終形成現(xiàn)在砂楔與冰楔鑄型疊加的特殊形態(tài)?？傮w上看，該處深達(dá)2.4 m的楔體至少是末次冰期內(nèi)兩次熱收縮破裂作用疊加的產(chǎn)物，末次冰期早冰階發(fā)育原生砂楔，晚冰階發(fā)育的冰楔切穿砂楔，并向下延伸至C段，破壞了砂楔的上部結(jié)構(gòu)（A段），使之后期被填充為冰楔鑄型。這種不同期次冰楔、砂楔的疊加在全球高緯度凍土區(qū)也是非常普遍的[5]。

4.2 古環(huán)境意義

4.2.1 古溫度

砂楔和冰楔指示了凍土的存在[16]，也是利用古冰緣地貌現(xiàn)象恢復(fù)古環(huán)境最為常用的信息載體之一[1-2]。冰楔、砂楔等熱收縮裂隙的發(fā)育是溫度（氣溫或地溫）、降水、積雪厚度、地貌、水文、植被、巖性特征等多種要素的函數(shù)[1-2]，其中溫度及巖性特征的影響具有普遍意義。

由于地貌和環(huán)境的差異，關(guān)于發(fā)育冰緣現(xiàn)象的溫度界限的認(rèn)識存在較大分歧。Black認(rèn)為美國威斯康辛州西南部古冰楔發(fā)育的界限年平均氣溫為-5 ℃[17]；Washburn在隨后的研究中提出了相同的界限溫度[18]；Pewe建立的-6 ℃～-8 ℃界限值[19]被廣泛引用。有學(xué)者認(rèn)為冰緣現(xiàn)象與溫度存在復(fù)雜關(guān)系：北美多年凍土南界年均氣溫為-2.5 ℃，已發(fā)現(xiàn)冰楔活動的南界年均氣溫為-100 ℃，表明冰緣現(xiàn)象發(fā)育的界限氣溫為-2.5 ℃～-100 ℃。在加拿大西海岸冰楔研究中，熱收縮裂隙的形成與冰楔的發(fā)育主要發(fā)生在降溫速率較大的早春季節(jié)，且溫度突變越快，熱收縮裂隙越可能出現(xiàn)。這表明冰楔與砂楔可能更多地與特定時(shí)段的溫度變率相關(guān)[1-2]，而不一定與年均氣溫直接相關(guān)。中國東北凍土區(qū)（北緯46°36′以北）年均氣溫為-50 ℃～-44 ℃，年均地溫為-35 ℃～-10 ℃[20]；青藏高原西部甜水海盆地凍土區(qū)年均氣溫為-63 ℃，年均地溫為-32 ℃[21]。這些地區(qū)的冰楔及原生砂楔已不再活動，且生長時(shí)的溫度更低[22]。關(guān)于不同物質(zhì)中冰緣過程的差異性，西伯利亞冰楔研究表明，砂質(zhì)黏土、沖積相細(xì)砂及粗砂礫石中發(fā)育冰楔的年均地溫上限分別在-4 ℃～-2 ℃、-6 ℃～-5 ℃和-8 ℃～-7 ℃區(qū)間，即粒度越粗的沉積物中，冰楔生長越困難[16]。由于不同地區(qū)環(huán)境差異較大且影響因素較多，要建立統(tǒng)一的冰楔或砂楔發(fā)育的溫度界限仍有困難。在研究區(qū)周邊，董光榮等對鄂爾多斯高原發(fā)育在黃土及砂礫石層中的砂楔研究認(rèn)為，砂楔發(fā)育的年均氣溫為-8 ℃～-6 ℃[8]；單鵬飛提出-4 ℃～-3 ℃區(qū)間是騰格里沙漠東北緣粉細(xì)砂地層中末次冰期冰楔發(fā)育的年均地溫上限[6]。根據(jù)氣象資料擬合的研究區(qū)地溫、氣溫溫差為15 ℃～20 ℃[23]。因此，結(jié)合研究區(qū)周邊地區(qū)的研究成果，年均地溫-2 ℃～-1 ℃區(qū)間、年均氣溫-40 ℃～-25 ℃區(qū)間可作為研究區(qū)內(nèi)砂質(zhì)黏土層中砂楔及冰楔發(fā)育的溫度上限。