山東蒙山全新世冰川遺跡的發(fā)現(xiàn)及確認
——來自宇生核素年齡證據

王照波，王江月，馮金華，卞青

(1.山東指南針礦產勘查有限公司，山東 臨沂 276006；2.沂蒙山國家地質公園管理局，山東 臨沂 273304；3.國土資源部金礦成礦過程與資源利用重點實驗室，山東 濟南 250013；4.曲阜師范大學地理與旅游學院， 山東 日照 276800；5.臨沂第十三中學，山東 臨沂 276006；6.北京大學地球與空間科學學院，北京 100871)

0 引言

我國東部中低山區(qū)冰川的有無，一直是我國東部冰川研究的焦點，關于這個科學問題一個世紀以來，頗具爭議，百家爭鳴。自1922年李四光先生提出太行山東麓存在冰川遺跡[1]、1933年提出廬山冰川遺跡[2- 3]，便受到了冰川相關研究學者的認可和關注，也相繼在我國東部的魯山、蒙山、赤峰等地發(fā)現(xiàn)部分冰川遺跡[4- 10]，但也有部分研究學者對我國東部中低山區(qū)的冰川遺跡存在質疑[11- 15]，施雅風教授甚至直言李四光不懂冰川，是把廬山的泥石流誤認為了冰川沉積[14]。為了進一步解決這個頗具爭議的科學問題，近年來筆者一直致力于山東蒙山的冰川遺跡研究工作。

近幾年，在山東蒙山地區(qū)發(fā)現(xiàn)了第四紀冰川組合型遺跡[11- 12]，該冰川遺跡包括粒雪盆、冰斗、冰槽谷、側磧壟(圖1a)、條痕石(圖1b)、逆沖擦痕、新月形鑿口、顫痕、磨光面、擦痕(圖1c、1d)、漂礫等等，這些類型豐富、保存完好的第四紀冰川組合型遺跡的存在，確證了我國東部中低山區(qū)第四紀冰川作用的存在及李四光東部冰川理論的正確性。此后根據光釋光(Optic Stimulated Luminescence)測年研究，獲得了山東蒙山存在末次盛冰期(18.2～22.2ka)與全新世早期(8.2ka)兩個時間段的冰川作用期次，據此在蒙山地區(qū)建立了“蒙山冰期”與“攔馬冰期”[12]。光釋光測年盡管是一種較為可靠的測年手段[16- 18]，但為了獲得測年數據的交叉驗證，該次采用了宇生核素的方法對攔馬冰期的冰川遺跡進行了年代學研究，以期驗證蒙山地區(qū)全新世早期攔馬冰期發(fā)生時間的可靠性。

a—攔馬墻側磧壟，左側被冰川修整的較為陡直；b—攔馬墻側磧壟中條痕石上的擦痕；c—上游蘭溪峽谷中的大型冰川擦痕，長4.5m；d—蘭溪峽谷中崖壁上具有平行特征的密集擦痕圖1 蒙山全新世攔馬冰期冰川遺跡特征

1 研究區(qū)地質地貌特征

蒙山位于山東省的中南部，曲阜東80km，故也稱東山。主峰龜蒙頂海拔1156m，屬于中低山區(qū)。蒙山山體走向呈NWW向，走向延長80 km，南北寬15 km。區(qū)域地質屬于華北板塊魯西隆起區(qū)的蒙山凸起[19]，山體主要由英云閃長巖、花崗閃長巖組成，山勢陡峭，多為巖石裸露區(qū)。

蒙山多條山谷中都有冰川遺跡分布[11]，但以佛塔谷中冰川遺跡最為豐富與清晰。光釋光測年研究的采樣位置即位于佛塔谷中，為了便于對比，該次宇生核素年代學研究工作也選在了佛塔谷中攔馬冰期形成的冰磧壟及其上游的蘭溪峽谷中。

2 攔馬冰期冰磧壟分布特征

攔馬冰期冰磧壟分布在蘭溪峽谷的谷口位置(圖2)，由分布在河谷兩側的兩列冰磧壟組成，兩列冰磧壟分布在河流轉彎的外側。冰磧壟長300m左右，寬15～25m不等，總體沿280°方向展布。整個冰磧壟高出內側河床6～8m，高出外側地面3～5m，顯示出明顯的壟狀特征?？拷拥赖囊粋?，冰磧壟的邊界排列比較平整，顯示受到冰川移動的推擠、整理作用的影響(圖1a)。壟中板狀巨石多顯示出疊瓦狀特征，其傾向指向上游。冰磧壟的外側邊界呈鋸齒狀，凹凸不齊。構成冰磧壟的礫石表面新鮮，風化輕微，只有在下凹的擦痕中，由于雨水的積聚呈現(xiàn)出褐色特征。礫石之間的空隙內沒有泥質充填，缺少植被。在礫石表面較為普遍的存在磨光面與擦痕(圖1b)。因高高隆起如同一道墻，古人稱之為“攔馬墻”。

攔馬墻冰磧壟上游蘭溪峽谷中，兩側的崖壁上分布有大量的磨光面、顫痕、擦痕(圖1c、圖1d)等，單條擦痕的方向、寬度與深度具有穩(wěn)定延伸特征，多條擦痕之間顯示出較強的平行排列特征，這些均具有明顯的固體加持下的移動特征，是冰川作用存在的關鍵證據。

3 樣品的野外采集

該次測年研究，選擇了形成時間較新、保存較為完整且野外容易辨認的側磧壟(圖1a，圖2)，以往的研究中，曾在該冰磧壟獲得光釋光測年8.2ka的年齡值[12]，為了獲得更多測年數據信息，對于其上游峽谷中布滿擦痕的谷壁進行了采樣。同時，為了追蹤蒙山地區(qū)最高海拔賦存冰磧形成的時間，研究過程中也在情人谷上游清榮峽谷內，海拔752m處的冰磧壟中巨型漂礫的表面采集了一個宇生核素樣品，編號QR01。根據宇生核素樣品的測試要求，采集含有豐富石英的花崗閃長巖2cm厚度的表層巖石作為樣品，每件樣品的重量3kg。

1—側磧壟；2—小規(guī)模側磧壟分布位置；3—磨光面、擦痕分布區(qū)；4—顫痕位置；5—樣品采集位置及編號圖2 蒙山蘭溪峽谷冰川遺跡分布及宇生核素樣品位置圖

MS1、MS2樣品采集：

樣品選取在蘭溪峽谷內，位于蘭溪峽谷的南壁，在該處采集了2個樣品，編號分別為：MS1、MS2，中間坐標為35°33′25.812″，117°49′22.466″，高程485m，兩個樣品相距1m。樣品巖性為片麻狀花崗閃長巖。取樣位置帶有清晰的擦痕與磨光面，根據擦痕新鮮程度判斷，擦痕清晰可辯，表明樣品的風化程度微弱。圖3a為MS1、MS2在蘭溪峽谷中的位置，圖3c為MS1、MS2樣品的具體采集位置。

采樣位置位于峽谷的南壁，谷壁走向257°，傾向N，傾角22°。周邊屏蔽角測量情況如下：南62°，北36°，東23°，西12°。

MS3樣品采集：

該樣品在攔馬冰磧壟左側大壟的尾端大型漂礫的表面，編號為MS3，坐標為：35°33′25.288″，117°48′58.808″，高程484m。圖3b為采集MS3樣品的巨礫在冰磧壟中的位置，圖3d為MS3在巨礫中的位置。該樣位于巨型冰磧礫石的表面，該表面為一磨光面，上面分布有各種方向的擦痕，其中有的擦痕寬度為3cm，長度超過1.5m。樣品延續(xù)為片麻狀花崗閃長巖，采集地點的照片見圖3。根據擦痕新鮮程度判斷，擦痕表面新鮮，表明該樣品的風化程度極其微弱。

采樣位置位于谷中，巨礫表面傾向102°，傾角8°。周邊屏蔽角測量情況如下：南0°，北12°，東27°，西27°。

QR01樣品采集：

該樣品在清榮峽谷中的大型漂礫的表面，編號為QR01，坐標為：35°32′49.89″，117°50′45.32″，高程752m。該樣位于巨型冰磧礫石的表面，礫石表面有擦痕分布，表面平整。樣品巖性為片麻狀花崗閃長巖，局部含有較多的石英，采集表面2cm巖石為樣品。礫石多呈棱角狀，表面有苔蘚類植物，斷口處光鮮，巖石風化程度極其微弱。

周邊為山峰，且有樹木分布，起到一定的解蔽作用。周邊山峰的方位與坡角如下：295°∠32°，340°∠36°，30°∠40°，100°∠°42，180°∠°20，風化極為輕微。

4 樣品的處理與測試

該文所采用的方法為宇生核素暴露測年技術，其基本原理是：宇宙射線粒子(初始宇宙射線，主要包括質子、α粒子、重核)與大氣中的N，O等原子發(fā)生反應產生大量新粒子(次級宇宙射線，主要包括正負電子、μ介子、高能光子和中子等)；這些新的粒子不斷轟擊出露于地表的巖石，巖石中的某些目標原子與次級宇宙射線粒子以一定的方式發(fā)生核反應(散裂反應、熱中子捕獲、負介子捕獲、快介子反應)從而生成新的核素，稱為原地生宇宙成因核素(文中簡稱宇生核素)。巖石中生成的宇生核素濃度是巖石暴露時間與侵蝕速率的函數，暴露時間越長，生成的宇生核素濃度就越大，通過一些假設條件便可求得巖石(地貌面)的暴露時間。

a—MS1、MS2取樣位置遠景；b—MS3取樣位置遠景；c—MS1、MS2取樣位置近景；d—MS3取樣位置近景圖3 宇生核素樣品采集位置分布圖

將采集到的巖石樣品粉碎，篩選出0.5～0.9mm粒徑的顆粒。經過人工挑選與化學分離和純化，挑選出純凈石英。選取一定量的純凈石英，用40%的氫氟酸(HF)溶解掉30%左右的石英，目的是去除石英外層，以消除大氣成因10Be的影響。石英去表皮后添加一定量(約0.25～0.5 mg)的9Be載體，溶解入40%的純HF酸中，蒸干后再用HCl溶解。然后通過離子交換將元素Be和元素Al分離出來，隨后在含有Be元素的溶液中加入NH4OH使溶液pH值達到8左右，從而促使Be(OH)2的沉淀，反復多次以消除B元素的影響。最后，在1000℃高溫的電爐中，使Be(OH)2氧化形成BeO[20]，然后制靶并進行AMS測試。

該文樣品的前期處理是在南京師范大學宇生核素超凈實驗室完成，制靶和AMS測試是在中國科學院地球環(huán)境研究所西安加速器質譜中心完成，獲得的4個測年結果均位于全新世，分別為7.01ka、8.57ka、9.95ka、5.3ka。詳細測試數值見表1。鑒于采樣巖石表面擦痕清新，風化極其微弱，按照1mm進行風化速率校正。經校驗，測試數據可靠。

表1 山東蒙山攔馬冰期冰川遺跡宇生核素樣品測試數值

測試單位：中國科學院地球環(huán)境研究所西安加速器質譜中心。

5 全新世攔馬冰期宇生核素年代學的確認及其意義

攔馬冰期的冰磧壟發(fā)育在佛塔谷內諸列冰磧壟的上端(圖1)，且組成冰磧壟的礫石表面光鮮，磨光面與擦痕清晰可辨，礫石之間的空隙內缺少沙土充填，根據光釋光測年研究獲得了8.2ka的數據結果。該次通過宇生核素的測年研究，獲得了對應于全新世早期的年齡值，宇生核素年齡值與光釋光年齡值都指向全新世早期，共同表明蒙山地區(qū)這一期次的冰川遺跡的形成時間，為全新世早期。

全新世早期，存在全球范圍內的8.2ka降溫事件[21- 22]，這在格陵蘭冰芯與青藏高原冰芯研究中都得到了很好的反映，并且在西藏、新疆多地都發(fā)現(xiàn)了相關冰川沉積[23- 24]。我國東部，李四光先生曾重點對廬山第四紀冰川遺跡進行了廣泛而深入的研究，并確認廬山沒有發(fā)育大理冰期(LGM)的相關冰川遺跡[3，25]，加之近年施雅風等撰文否認我國東部中低山區(qū)存在冰川作用，從而使得我國東部中低山區(qū)全新世冰川作用的研究基本中斷，甚至被學術界忽略。Zhang Weichao[26]等對湖北神農架大九湖泥炭沉積物的元素地球化學、同位素地球化學及孢粉記錄進行研究，發(fā)現(xiàn)了我國東部存在明顯的8.2ka與9.2ka降溫事件，而9.2ka事件的降溫幅度遠遠超過了8.2ka事件。除此之外，還存在明顯的4.7～5.7ka降溫事件(圖4)，鑒于該時間段(5.3ka)在蒙山已經形成冰磧壟沉積，且由于該冰磧沉積最早發(fā)現(xiàn)于蒙山情人谷源頭的清榮峽谷內，因此將該時段的冰期定名為清榮冰期，其對應沉積地層為清榮組。這項研究成果顯示了我國東部全新世存在強烈的降溫事件，這與蒙山冰磧沉積物及冰川槽谷磨光面上獲得的測年數據具有極強的對應性，從而為全面認識我國東部中低山區(qū)的冰川作用及其發(fā)生時間，有了環(huán)境演化意義上對應的年代學約束。

圖4 全新世泥炭Tb/Rr地球化學元素氣候記錄與蒙山地區(qū)冰磧沉積關系對比圖

眾所周知，第四紀冰期、間冰期氣候演化具有全球統(tǒng)一性，因此，在全球處于冰期寒冷氣候的時間段內，蒙山、廬山等我國東部山區(qū)當然也毫無例外的處于寒冷的冰期環(huán)境控制之下，在蒙山發(fā)現(xiàn)的具有冰川作用特征的側磧壟、擦痕、磨光面等冰川作用的遺跡，其遺跡年齡數據的獲得，展現(xiàn)出了環(huán)境與數據之間的對應性。同時，年齡數據交叉驗證獲得的可靠性，也展現(xiàn)了年代學研究意義上與全球環(huán)境演化事件之間的吻合度，進而表明，獲得可靠的冰期年齡時段內的第四紀遺跡年代數據，本身就是研究區(qū)處于冰期環(huán)境的重要指示意義。

6 結論

經過該項研究，主要獲得以下幾點認識：

(1)前期研究中，在我國東部中低山區(qū)的蒙山冰磧物中首次獲得了全新世早期8.2ka光釋光測年數據。該項研究對同一冰磧壟及其上游冰川槽谷的磨光面進行了宇生核素年代學研究，也獲得了全新世早期的年齡值，兩種方法的測試年齡均對應于全新世早期，表明測試方法及獲得的測試結果具有較高的可信度。

(2)對應于在蒙山建立的攔馬冰期、清榮冰期，獲得了宇生核素測年結果的驗證，這些多方法、多手段獲得的測試數據，與野外的地質事實、巖石表面的風化程度等之間的統(tǒng)一性，表明全新世蒙山地區(qū)攔馬冰期、清榮冰期建立的依據是充分的，該冰期發(fā)生的年齡數據是可靠、可信的。

(3)我國東部全新世冰川遺跡的發(fā)現(xiàn)及確認，對于重新認識我國東部氣候演化與古人類發(fā)展與遷徙之間的內在關系，譬如攔馬冰期處于舊石器時代與新石器時代之間，清榮冰期處于大汶口文化與龍山文化之間的內在關聯(lián)性，據此初步推斷，華夏氏族的人文始祖太昊先生，也曾見到蒙山山頂終年不化的皚皚白雪。除此之外，對于我國東部未來氣候變化趨勢分析、預測下一次冰期產生的時間及其對我國東部居民生活的影響程度等，都有著重要的意義。

致謝：研究過程中，獲得了中科院海洋研究所趙松齡教授、南京大學楊達源教授、中國石油大學呂洪波教授的大力支持，在此表示深切的謝意！

可以想見，隨著研究工作的逐漸深入與測年數據的不斷積累，我國東部第四紀環(huán)境演化的真實特征將得到科學的重建與恢復。

歡迎國內外冰川研究領域的專家、學者來蒙山進行實地考察與研究。

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