豫西甘山第四紀(jì)冰斗系統(tǒng)的發(fā)現(xiàn)及其與MIS的耦合關(guān)系分析

王照波，王江月，王全義，徐憲立，李寶杰

(1山東指南針礦產(chǎn)勘查有限公司，山東 臨沂 276006； 2. 沂蒙山國家地質(zhì)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250013； 4.曲阜師范大學(xué)地理與旅游學(xué)院，山東日照 276800； 5.河南省小秦嶺國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)管理局，河南 靈寶 472500； 6.河南省有色金屬地質(zhì)勘查局第六地質(zhì)大隊(duì)，河南 鄭州 450016)

0 前言

我國第四紀(jì)冰川遺跡的研究，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]，就受到了部分學(xué)者的質(zhì)疑，如黃培華[3]、施雅風(fēng)[4-7]等曾先后撰文進(jìn)行質(zhì)疑，這一問題也成了我國科學(xué)界少有的持續(xù)了近一個(gè)世紀(jì)的學(xué)術(shù)爭論。施雅風(fēng)等[5]認(rèn)為中國東部海拔2000m以下的中低山，第四紀(jì)全過程都缺乏冰川發(fā)育條件，以往的論述都屬于誤解。

筆者等[8-12]近幾年對(duì)山東蒙山地區(qū)第四紀(jì)冰川遺跡進(jìn)行了較為詳細(xì)的調(diào)查與研究，并引起學(xué)界關(guān)注[13-15]。在對(duì)山東蒙山、我國東部以及東亞地區(qū)的末次冰期的雪線高程進(jìn)行重建的過程中，發(fā)現(xiàn)了一條縱貫東亞地區(qū)的槽狀雪線分布區(qū)，因此將這一槽狀雪線分布區(qū)命名為東亞冷槽[11]。在此后的學(xué)術(shù)交流過程中，發(fā)現(xiàn)楊懷仁先生等[16]在1980年也曾經(jīng)提出過一個(gè)近似的概念，即“冷槽”，用以表述我國東部向南突出呈舌狀的低溫區(qū)。

為了進(jìn)一步確認(rèn)東亞冷槽西壁的海拔梯度與冰磧發(fā)育特征，在沿嵩山、崤山一線東西向進(jìn)行考察的過程中，發(fā)現(xiàn)了河南省三門峽市甘山(34°27′41″，111°12′24″)套合式冰斗。由于甘山地區(qū)賦存巖石與海拔梯度的特殊性，導(dǎo)致了該冰斗具有獨(dú)特的套合式特征，而該套合式冰斗在研究該區(qū)域，乃至我國東部第四紀(jì)冰川各期次的雪線高程、冰蝕作用、氣候演化規(guī)律、冰川進(jìn)退等方面，都具有無可比擬的意義。而進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，甘山冰斗系統(tǒng)與MIS演化階段之間存在著極強(qiáng)的耦合關(guān)系。對(duì)秦嶺地區(qū)的冰川遺跡，王桂增[17]、劉有民等[18]對(duì)東經(jīng)110°30′以西的秦嶺山區(qū)的太白山、鰲山、華山，以及太白盆地、洛南盆地等進(jìn)行了系統(tǒng)性的研究，獲得了翔實(shí)的研究成果，并確定出研究區(qū)的最低雪線高程1300～1500m。但對(duì)于豫西的崤山地區(qū)，尚沒有發(fā)現(xiàn)前人進(jìn)行相關(guān)的冰川研究。

冰斗是冰川作用遺留下的重要遺跡形式，同時(shí)由于是冰川作用以山體為載體雕鑿而成的遺跡，因此也是諸多冰川遺跡中最難被磨滅的痕跡類型，這一不易消磨的“過程記錄”超強(qiáng)特性，在冰川作用研究中所具有的重要意義，尚未得到應(yīng)有的重視。

1 甘山地區(qū)地質(zhì)地貌特征

甘山位于河南省西部三門峽市陜州區(qū)與靈寶市的交界處，屬于崤山的主峰(圖1)，海拔1885m。隸屬于三門峽市陜州區(qū)甘山森林公園，距靈寶市22km。甘山山體形狀奇特，山頂部位展現(xiàn)為近似圓形的凹陷，向SW向呈現(xiàn)為一單向開口的“破火山口狀”。該開口自山頂向南西方向延伸過程中，顯示出明顯的“五環(huán)套合”的特征(圖2)。

圖1 崤山山系特征及甘山位置圖

圖2 甘山冰斗系統(tǒng)的衛(wèi)片及解譯圖

該區(qū)域在大地構(gòu)造位置上位于華北板塊南緣，秦嶺構(gòu)造帶北側(cè)東延部分。甘山主體由安山巖系列巖石組成，屬于元古界長城系熊耳群許山組，巖石類型主要為安山巖、氣孔狀安山巖等。安山巖呈褐色，局部夾安山玢巖，以氣孔、杏仁狀構(gòu)造發(fā)育為特征，杏仁體呈橢圓球狀。巖石具有玻晶交織結(jié)構(gòu)，基質(zhì)主要是斜長石微晶，少量磁鐵礦。甘山山體巖石類型單一，硬度中等，山坡碎石、泥土發(fā)育，山谷中松散沉積物厚度為數(shù)米到十幾米。

在底部溝谷中發(fā)育有大量的冰磧沉積物，同時(shí)發(fā)現(xiàn)有漂礫、條痕石、冰槽磨光面等冰川遺跡。綜合分析，筆者將甘山套合式冰斗系統(tǒng)的形成方式稱之為“冰斗環(huán)退”，這種冰斗環(huán)退方式的發(fā)現(xiàn)，對(duì)于解釋冰蝕地貌演化規(guī)律有極其重要的意義。

2 甘山冰斗的特征

通過現(xiàn)場調(diào)查與衛(wèi)片解譯，該冰斗系統(tǒng)共由5期冰斗套合而成(圖2a)，自上而下，由C1～C5組成，實(shí)質(zhì)上該冰斗系統(tǒng)為一“蓮花狀”的復(fù)式冰斗系統(tǒng)(圖2b)，研究發(fā)現(xiàn)，圖2a中冰斗環(huán)的直徑并不代表對(duì)應(yīng)冰斗的直徑，圖2b中的冰斗環(huán)才真正代表相應(yīng)冰斗的直徑。這種復(fù)式冰斗的形成，實(shí)質(zhì)上是與歷史上的古冰斗疊加而成的結(jié)果，現(xiàn)今冰斗系統(tǒng)的表象下隱藏了曾經(jīng)的冰斗，也即前冰斗。

對(duì)比發(fā)現(xiàn)，冰斗外緣的收縮特征，也基本上對(duì)應(yīng)了冰斗的期次，這是由于冰斗形成過程中的“溫度控制”原因造成的?；诖?，沿著冰斗系統(tǒng)的外緣對(duì)冰斗進(jìn)行冰斗環(huán)的期次劃分，C1～C13冰斗環(huán)展布特征如圖3所示。

圖3 甘山C1～C13冰斗環(huán)套合形式圖

C1～C5段冰斗的總體展布方向?yàn)?4°，各期次冰斗遺跡清晰可辯，在冰斗出口處均遺留有冰磧構(gòu)成的冰檻。由于冰斗的環(huán)形推進(jìn)，在冰退過程中，冰斗的前弧保留較好，后弧則受到破壞，僅在側(cè)壁上有部分殘留，前弧與后弧一起，在側(cè)壁上形成三角脊(圖2)。經(jīng)分析，所有冰斗的長寬比在0.93～1.69之間(表1)，與國內(nèi)臺(tái)灣山脈、點(diǎn)蒼山、長白山、拱王山、螺髻山等山的冰斗長寬比較為一致[19]。同時(shí)，根據(jù)冰斗底部的冰檻海拔，可以較為有效地確定相應(yīng)期次的雪線高程[19]。

3 甘山冰川槽谷與冰磧擦痕特征

3.1 甘山冰川槽谷及其遺跡特征

甘山冰川槽谷，分布在冰斗的底部，為歷次冰斗作用疊加而成，應(yīng)當(dāng)說，冰川槽谷的“U”特征，主要是由于冰斗作用的過程中形成的。但由于甘山的巖石為安山質(zhì)巖石，硬度中等，且類型單一，在局部的槽谷壁上還是形成了布滿擦痕的磨光面(圖4a)。

該磨光面崖壁平整(34°26′30″，111°11′45″，海拔高度1254m)，磨光面長12m，高3～5m，擦痕具有標(biāo)準(zhǔn)的細(xì)密、平直，近似平行的特征(圖4b)。

3.2 冰磧特征

冰斗內(nèi)分布有大量的冰磧沉積物，尤其在每一期的冰檻處，都有大量的冰磧堆積，這些冰磧沉積具有通常的混雜堆積的特征(圖4c)，即大小礫石與泥沙混雜在一起，不顯示層理。在該處的冰磧沉積的礫石上，可以見到明顯的擦痕(圖5d)，(34°28′47″，111°11′49″，海拔高度1313m)，擦痕寬2mm，長20cm，多條平行于礫石的長軸方向。礫石上的擦痕也具有細(xì)密、平直，近似平行的特征[20-21]。

表1 甘山C1～C5冰斗特征

經(jīng)調(diào)查，甘山復(fù)合式冰斗中存在的無論是冰槽谷壁擦痕，還是冰磧礫石擦痕，其特征都具有細(xì)密的特征，擦痕寬度為1～2mm，長度多在2～3cm，最長為20cm左右。沒有發(fā)現(xiàn)大型擦痕，分析形成這種細(xì)密擦痕的原因，是由于該冰斗內(nèi)的巖石類型較為單一，礫石的硬度基本一致，由于很難存在以硬刻軟的情況，從而導(dǎo)致難以形成大型擦痕。巖石類型單一，導(dǎo)致的巖石硬度一致，是難以形成大型冰川擦痕的重要原因。

圖4 甘山冰斗及其冰川遺跡

4 甘山冰斗系統(tǒng)與MIS之間耦合關(guān)系分析

20世紀(jì)50年代，利用同位素比率來反應(yīng)溫度變化的思想被應(yīng)用到深海鉆孔與冰川學(xué)等研究領(lǐng)域，Shackleton分析底棲有孔蟲的18O指出：18O的變化可反映大陸冰量的變化。根據(jù)底棲有孔蟲的18O的變化曲線并結(jié)合古地磁測年劃分了海洋氧同位素階段(Marine Oxygen Isotope Stage，簡稱MIS)[22]。此后，該曲線得到了進(jìn)一步的完善[23]。

深海氧同位素階段(MIS)其代表氣溫的波動(dòng)周期，正好符合了米蘭科維奇天文冰期理論(即歲差、偏心率和黃赤交角)。深海氧同位素具體指深海沉積物中底棲有孔蟲的δ18O含量變化多寡被用來表示第四紀(jì)期間的全球氣溫變化的高低，MIS曲線被認(rèn)為是完整的記錄了第四紀(jì)全球氣候變化，其中，MIS曲線的偶數(shù)階段對(duì)應(yīng)冰期，奇數(shù)階段對(duì)應(yīng)間冰期[24]。深海沉積氣候記錄有較好的一致性與相互印證性：低值指示冷期，如MIS 2，4，6，12，16等偶數(shù)階段；高值指示暖期，如MIS 5，7，9，13等奇數(shù)階段。代表大陸冰量變化的MIS記錄曲線為冰期的研究樹立了標(biāo)尺，人們自然在這個(gè)標(biāo)尺中為歷次冰期尋找對(duì)應(yīng)的位置[22]。圖5中部的MIS曲線，則是被廣泛引用的18O的演化曲線[24]。曲線中的高值代表了暖期，低值代表了冷期，其縱向波動(dòng)的幅度，在一定程度上反映了當(dāng)時(shí)氣溫的變化幅度，橫行上的寬度，則一定程度上代表了冷期或暖期的持續(xù)時(shí)間。

圖5 甘山冰斗環(huán)與MIS對(duì)比關(guān)系圖

基于MIS的偶數(shù)階段對(duì)應(yīng)于冰期的演化，而冰斗則是冰川作用最為直接的產(chǎn)物，因此，將冰川作用形成的冰斗環(huán)與MIS的偶數(shù)階段進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)二者之間存在極強(qiáng)的耦合關(guān)系。

基于末次盛冰期(LGM)，也即MIS2階段，是第四紀(jì)冰期演化中的最后一期規(guī)模性的冰川作用，因此將冰斗環(huán)的最上一環(huán)C1與MIS2階段進(jìn)行耦合性分析(圖5冰斗環(huán)值)，C2冰斗環(huán)對(duì)應(yīng)于MIS4，以此類推。會(huì)發(fā)現(xiàn)C5冰斗環(huán)的面積明顯偏小，其對(duì)應(yīng)的MIS10階段的冰期作用時(shí)間也明顯體現(xiàn)出較短的特征。而C6的冰斗環(huán)對(duì)應(yīng)較強(qiáng)的MIS12階段，C10較小的冰斗環(huán)則對(duì)應(yīng)于較弱的MIS20，這些對(duì)應(yīng)性也都顯示了冰期演化的0.4Ma周期規(guī)律的特性。在C3與C4之間存在的微微顯示的冰斗環(huán)，則為MIS6與MIS7之間的氣溫波動(dòng)在冰斗形成過程中的顯現(xiàn)。

5 甘山冰斗系統(tǒng)與冰進(jìn)、冰退作用過程

研究顯示，甘山冰斗系統(tǒng)除了冰斗環(huán)退系統(tǒng)之外，還發(fā)現(xiàn)了冰斗環(huán)進(jìn)系統(tǒng)。其不同的是，由于冰斗開口方向的前半圓位置的冰蝕作用強(qiáng)于后半圓，在冰斗的環(huán)退系統(tǒng)中可以較好地保留冰檻與前弧(圖6a、圖2、圖8a、圖8b)；但在冰斗環(huán)進(jìn)系統(tǒng)中，其冰檻與后弧則會(huì)遭到較強(qiáng)的清理而很難保存下來(圖6b、圖8c)，但三角脊都會(huì)較好地保留。此外，在太白山東側(cè)冰斗系統(tǒng)中，還發(fā)現(xiàn)有在古老的冰斗中發(fā)育了新的冰斗系統(tǒng)的冰斗疊加現(xiàn)象，有可能暗示了在后期的冰退系統(tǒng)之前，曾經(jīng)存在古老的前世冰斗。

圖6 冰斗的環(huán)進(jìn)與環(huán)退過程示意圖

甘山冰斗系統(tǒng)共有4段組成，自上而下劃分為A，B，C，D四段(圖7)，A段由C1～C5冰斗環(huán)組成，延伸方向?yàn)?4°，為冰退系統(tǒng)，對(duì)應(yīng)MIS2-MIS10；B段由C6～C13冰斗環(huán)組成，延伸方向?yàn)?7°，為冰退系統(tǒng)，對(duì)應(yīng)于MIS12～MIS26；C段由C14～C27組成，延伸方向?yàn)?02°，為冰退系統(tǒng)，對(duì)應(yīng)MIS28～MIS54；D段由C28～C48冰斗環(huán)組成，延伸方向?yàn)?29°，為冰進(jìn)系統(tǒng)，對(duì)應(yīng)MIS56～MIS96，但是根據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，C48并非D段的最高冰斗環(huán)，在C3，C5，C11，C19的冰斗位置，疊加了前期的古冰斗，這些可能為C51，C50，C49等前冰斗等遺留的冰斗環(huán)的位置。

甘山冰斗系統(tǒng)自上而下的四段中，每一段都保持了較為穩(wěn)定的方向，但各段之間均表現(xiàn)出較大的轉(zhuǎn)向，且在各段的過渡位置，一般存在較大的高差，表明在各段的過渡時(shí)間段內(nèi)，氣候環(huán)境曾經(jīng)發(fā)生了較大的變化。此外，由A～D，其冰斗遺跡的清晰度逐漸減弱，顯示了形成時(shí)間的逐漸變老。D段的下游是否還有E段冰斗系統(tǒng)，因?yàn)槟甏眠h(yuǎn)，風(fēng)化嚴(yán)重，恢復(fù)極為困難，這需要進(jìn)一步的研究工作予以確定。

各段對(duì)應(yīng)的MIS年代值如下(圖5)，A段為0.01～0.40Ma，B段0.40～0.98Ma，C段為0.98～1.6Ma，D段為1.6～2.56Ma。根據(jù)冰斗殘余的后弧位置的判斷，A，B，C三段為冰斗環(huán)退系列，代表冰川由低海拔向高海拔方向逐漸退卻的冰退系列。D段為冰斗環(huán)進(jìn)系列，代表冰川由高海拔向低海拔逐漸推進(jìn)的冰進(jìn)系列。冰進(jìn)與冰退的拐點(diǎn)在距今1.60Ma的MIS56附近。海拔最低的冰斗環(huán)為C28，其海拔僅為750m，對(duì)應(yīng)MIS56，即1.6Ma左右，這代表了我國目前所知的分布面積最大的冰期。

丁仲禮等[25]通過黃土分離出37次的黃土—古土壤組合，認(rèn)為代表了2.5Ma以來氣候經(jīng)歷的37次冷暖旋迥，也與通過冰斗環(huán)像遺跡分離出的51次冰期旋回，對(duì)應(yīng)于2.56Ma前的冰期作用，在旋回的開啟時(shí)間上是吻合的。黃土反映出的氣候旋回次數(shù)少于冰斗環(huán)、MIS反映的氣候旋回次數(shù)的原因，筆者認(rèn)為間冰期的雨水沖蝕作用，可能會(huì)消蝕掉部分較弱的黃土沉積，從而導(dǎo)致旋回次數(shù)的減少。

根據(jù)衛(wèi)片初步解譯，我國冰斗系統(tǒng)分布較為廣泛，如安徽天柱山(圖8d)、山東蒙山(圖8e)、內(nèi)蒙古巴林左旗(圖8f)、海南島南端(圖8h)等地，都有較為典型的冰斗系統(tǒng)分布。

a—日本富士山南坡冰斗系統(tǒng)；b—珠峰南坡冰斗系統(tǒng)；c—太白山南坡冰斗系統(tǒng)；d—天柱山南坡冰斗系統(tǒng)；e—蒙山南坡冰斗系統(tǒng)；f—巴林左旗南冰斗系統(tǒng)；g—洛南東冰斗環(huán)進(jìn)系統(tǒng)；h—海南島南端冰斗環(huán)進(jìn)系統(tǒng)圖8 參考對(duì)比的冰斗系統(tǒng)

6 結(jié)論

(1)甘山冰斗系統(tǒng)及相應(yīng)的槽谷磨光面、冰磧磨光面、擦痕等冰川遺跡的發(fā)現(xiàn)，說明在甘山地區(qū)發(fā)生過第四紀(jì)的冰川作用。同時(shí)根據(jù)冰斗系統(tǒng)的冰檻目前海拔高度，可估計(jì)當(dāng)時(shí)雪線高程應(yīng)在750～1700m之間，表明我國東部地區(qū)海拔2000m以下的山區(qū)存在第四紀(jì)冰川作用。

(2)根據(jù)甘山冰斗系統(tǒng)與MIS之間存在的密切耦合關(guān)系，可以追蹤到MIS100左右階段的冰斗遺跡，表明我國至少從2.56Ma就存在冰川作用。

(3)根據(jù)冰斗環(huán)退、環(huán)進(jìn)及其與MIS階段的對(duì)比研究，C28冰斗環(huán)是目前所知海拔最低的冰斗，暗示了我國冰川覆蓋面積最大的冰期為C28冰斗環(huán)對(duì)應(yīng)的MIS56階段，其時(shí)代為距今1.6Ma左右，推測C28環(huán)或許是我國東部冰期由冰進(jìn)向冰退轉(zhuǎn)換的拐點(diǎn)。

由于冰斗作用對(duì)于山體強(qiáng)大的塑造作用，是其他陸上風(fēng)化剝蝕等外作用所無法比擬的，因此推測我國東部山谷地貌的主要外力作用，應(yīng)存在冰斗作用深刻的影響與痕跡，這一點(diǎn)以往被嚴(yán)重的忽視了。冰斗是以塑造山體為載體的冰川遺跡，也是冰川作用的眾多遺跡中最易保存的冰川遺跡，且冰斗環(huán)與MIS演化階段之間存在的耦合性，對(duì)其進(jìn)行更加廣泛與深入的研究，對(duì)于認(rèn)識(shí)我國第四紀(jì)冰川作用過程及氣候演化規(guī)律具有極其重要的意義。

致謝：本項(xiàng)研究得到了河南地礦職業(yè)學(xué)院張先教授、河南理工大學(xué)司榮軍教授、沂蒙山國家地質(zhì)公園管理局趙然等學(xué)界同仁的大力支持與幫助，在此表示深深的謝意！

本文的研究僅是初步的，難免有不確之處，希望在今后的研究過程中不斷地完善，同時(shí)也希望業(yè)界同仁批評(píng)指正，推進(jìn)研究。

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