松遼冰蓋與松遼分水嶺翹板遷移間的動(dòng)力關(guān)系探討

王照波，王江月，李寶杰

(1.自然資源部金礦成礦過(guò)程與資源利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東省金屬礦產(chǎn)成礦地質(zhì)過(guò)程與資源利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250013；2.沂蒙山國(guó)家地質(zhì)公園管理局，山東 臨沂 273304；3.山東指南針礦產(chǎn)勘查有限公司，山東 臨沂 276006；4.曲阜師范大學(xué)地理與旅游學(xué)院，山東 日照 276800)

0 引言

松遼平原上廣泛分布有醒目的巨型弧形沙壟，關(guān)于這些巨型沙壟的成因頗具爭(zhēng)議。如裘善文(1989)[1]、秦小光等(2010)[2]認(rèn)為是風(fēng)沙成因，但X. Ke and J.Dale(2004)[3]認(rèn)為屬于蒙古冰蓋的一部分，是冰川成因。嚴(yán)欽尚先生(1951)[4]曾根據(jù)大興安嶺與松遼平原冰磧物的分布情況的研究，認(rèn)為第四次大冰期時(shí)(大理冰期)，大興安嶺山區(qū)確實(shí)存在冰川發(fā)生,松遼平原則沒(méi)有厚冰層的存在。第三次大冰期時(shí)(廬山冰期)，大興安嶺山區(qū)與松遼平原共同受到冰的覆蓋而成為大陸冰川。筆者等(2020)[5]對(duì)于松遼平原上的巨型沙壟進(jìn)行遙感影像解譯后，認(rèn)為屬于冰川成因,并首次提出了“松遼冰蓋”(Songliao Ice Sheet)的概念。

關(guān)于冰蓋成因的巨型線理構(gòu)造的特征及形成機(jī)理，目前國(guó)內(nèi)尚沒(méi)有人進(jìn)行相關(guān)的介紹與研究，但有較多的國(guó)外學(xué)者借助北美的勞倫泰德冰蓋與歐洲的斯堪的納維亞冰蓋為基礎(chǔ)進(jìn)行了較為廣泛與深入的研究[6]。

巨型冰川流線(Mega-Scale -Glacial Lineations，簡(jiǎn)稱MSGL)，因廣布于北美勞倫泰德冰蓋與西歐斯堪的納維亞冰蓋而得到深入的研究[7-9]。巨型冰川流線經(jīng)過(guò)進(jìn)一步的變形后形成的地貌為羅根冰磧(Rogen moraine)地貌，“羅根冰磧”一詞來(lái)源于瑞典羅根湖(Rogen Lake)周圍獨(dú)特的冰磧地貌(圖1b，62°21′16″N，12°24′06″E)[10]，位置見(jiàn)圖1a。在北美勞倫泰德冰蓋分布區(qū)，這些特征的冰蓋地貌通常被稱為棱紋冰磧或棱紋地形(圖1c，53°32′10″N，88°10′51″W)[6]，位置見(jiàn)圖1a。不同期次冰蓋流線的變形機(jī)制得到了深入研究，圖1d展示了形變過(guò)程，巨型冰川線理形成后，受到不同流動(dòng)方向冰蓋冰川作用的改造，會(huì)發(fā)生變形，并最終形成鼓丘群[11]。上述研究成果對(duì)于冰川流線地貌的確認(rèn)、演化過(guò)程的分析具有重要的參考意義。

a—研究區(qū)位置，圖中黃色區(qū)域示陸地分布范圍、深藍(lán)色區(qū)域示海洋分布范圍、淺藍(lán)色區(qū)域示冰蓋冰川分布范圍、紅色虛線示冷槽分布范圍；b—瑞典羅根湖周圍的冰川流線構(gòu)造[10]；c—加拿大勞倫泰德冰蓋的巨型冰川線理[6]；d—巨型冰川線理的形變過(guò)程，圖中：Ⅰ—初始的巨型冰川線理；Ⅱ，Ⅲ—弱變形的羅根冰磧；Ⅳ—強(qiáng)變形的羅根冰磧；Ⅴ—鼓丘群[11]圖1 研究區(qū)位置、巨型冰川流線構(gòu)造的特征及形變機(jī)理

冰蓋，又稱大陸冰川，一般是指大面積的覆蓋有巨厚的冰層的陸地區(qū)域[12]。就我國(guó)北方是否存在冰蓋問(wèn)題，李邦良等(1999)[13]根據(jù)衛(wèi)星圖像、赤峰一帶的冰臼分布、大興安嶺兩側(cè)的冰蝕地貌等，認(rèn)為內(nèi)蒙古東部存在大陸冰川。呂洪波等(2006)[14]根據(jù)赤峰等地的巖臼、冰蝕地貌的特征論述了我國(guó)東部存在大陸冰川，并認(rèn)為“華北東部地區(qū)曾發(fā)育過(guò)第四紀(jì)大陸冰川，其范圍可達(dá)山東的泰山以南。”X.Ke.等(2004)[3]通過(guò)眾多的地貌調(diào)查與研究，提出了“蒙古冰蓋”的概念，并將松遼盆地巨型弧形沙壟與北美冰蓋沙壟進(jìn)行了特征對(duì)比分析，認(rèn)為屬于蒙古冰蓋的一部分，為冰蓋冰流成因，但并未就其形成機(jī)理進(jìn)行分析與討論。筆者等基于山東蒙山第四紀(jì)冰川遺跡與雪線的研究[15-18]，提出并建立了“東亞冷槽”的概念(圖1a)[19]，由于東亞冷槽低溫區(qū)的存在，導(dǎo)致我國(guó)及東亞地區(qū)形成了槽狀的雪線低洼區(qū)，也即“東亞雪槽”。根據(jù)東亞雪槽中雪線的展布與地勢(shì)特征，筆者等提出在沈陽(yáng)以北的區(qū)域存在冰蓋分布的可能[19-20]。近期，筆者等對(duì)松遼平原東側(cè)長(zhǎng)白山區(qū)，西側(cè)的大興安嶺山區(qū)的冰川遺跡進(jìn)行的研究顯示，存在“興安冰帽群”及各類多期次的冰川遺跡[5，21-22]。

該文以巨型冰川流線構(gòu)造的特征與形變機(jī)理為基礎(chǔ)[6-10]，對(duì)分布于松遼平原的巨型弧形沙壟的分布特征、形變機(jī)理、軟基形變、荷載構(gòu)造、地形升降等進(jìn)行分析，以期獲得松遼平原巨型弧形沙壟的成因認(rèn)識(shí)。

1—冰蓋范圍；2—巨型冰川線理構(gòu)造；3—圖3c位置；4—圖3a位置；5—圖3e位置；6—圖4a位置；7—圖4b位置；8—圖4c位置；9—現(xiàn)在松遼分水嶺位置；10—古分水嶺位置圖2 松遼冰蓋線理構(gòu)造展布特征及分布范圍

1 松遼平原巨型沙壟的特征

松遼平原中的巨型沙壟分布在大興安嶺東側(cè)，南北近500km，東西寬300km的范圍內(nèi)。這些流線構(gòu)造尤以科爾沁沙地最為顯著，在衛(wèi)片中反映的非常清晰(圖2)。沙壟呈條帶狀，近平行排列，顯示出弧形展布的特征。壟脊寬度2000～5000m，溝谷寬度500～1000m，高差5～20m，沙壟主要由松散的中細(xì)砂組成，有時(shí)可見(jiàn)直徑2～20cm不等的礫石。在溝谷低洼區(qū)積水形成湖泡，沙壟與湖泡相間分布，構(gòu)成典型流線地貌。巨大的沙壟呈現(xiàn)出顯著的弧形特征(圖2)，弧形跨過(guò)松遼分水嶺，向哈爾濱方向聚攏，流線展布不受分水嶺地勢(shì)的影響。

研究選取了松遼平原中3處流線構(gòu)造進(jìn)行詳細(xì)解讀(圖3)。圖3a(解譯圖為3b，圖2②處)位于通榆縣城南西40km左右，海拔155～168m，沙壟呈SE(130°)方向展布，沙壟寬大平直，寬度可達(dá)5km，僅顯示一組主流線構(gòu)造，沙壟上分布有后期風(fēng)沙作用形成的波紋狀沙丘鏈，展布方向?yàn)?0°左右，對(duì)130°展布的主流線構(gòu)造未產(chǎn)生明顯影響。該處流線構(gòu)造位于大興安嶺山麓地帶不遠(yuǎn)，并與大興安嶺山谷內(nèi)的流線構(gòu)造具有延續(xù)性特征，由于距離冰蓋補(bǔ)給源區(qū)較近，顯示出規(guī)則的特征。圖3c(解譯圖為3d，圖2①處)位于通遼市南東50km處，海拔180～192m，該處沙壟由于處于弧形轉(zhuǎn)彎的位置而呈NEE向。沙壟表現(xiàn)為2組流線方向，其主流線方向?yàn)?0°左右，次流線方向?yàn)?5°左右，主流線上顯示出斜列的鋸齒狀特征，其斜列構(gòu)成了次流線。沙壟上局部展現(xiàn)出活動(dòng)沙丘，沙丘鏈的展布方向在70°左右，沙丘只是改造了巨型沙壟的表面特征，對(duì)規(guī)模宏大的流線構(gòu)造不產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性的改變。該處流線構(gòu)造顯示出一定的羅根冰磧特征，根據(jù)羅根冰磧的形變機(jī)理理論分析，由于該處流線構(gòu)造已經(jīng)遠(yuǎn)離了冰蓋補(bǔ)給區(qū)，且由于受到地勢(shì)的影響已經(jīng)向北轉(zhuǎn)彎，其上的次級(jí)流線構(gòu)造應(yīng)與冰蓋冰川的NE向滑移有關(guān)。圖3e(解譯圖為3f，圖2③處)位于松原市南西60km處，海拔135～148m，該處突出的特征表現(xiàn)為星羅棋布的湖泡，通過(guò)圖3f可見(jiàn)，湖泡分布呈現(xiàn)出2個(gè)明顯的優(yōu)勢(shì)方向，東側(cè)一組呈NNE向(26°)，西側(cè)一組呈NWW向(290°)，這些積水而成的湖泡，實(shí)則反應(yīng)了沙壟的展布情況，為2組沙壟交匯后共同制約而成。該處流線構(gòu)造距離冰蓋供給源區(qū)最遠(yuǎn)，且由于多向交匯，其流線構(gòu)造的特征則衰減的極為模糊。

通過(guò)上述可見(jiàn)，這些巨型流線構(gòu)造伴隨著與冰蓋供給源區(qū)距離的遠(yuǎn)近而顯示出不同的特征，而風(fēng)沙作用只是在巨型沙壟的表面形成沙丘鏈，不能改變流線構(gòu)造的本質(zhì)，且展布方向與流線構(gòu)造不相一致，由此初步分析這些巨型流線構(gòu)造并非風(fēng)沙成因。

a—巨型流線構(gòu)造；b—a對(duì)應(yīng)解譯圖；c—羅根冰磧地貌，d—c對(duì)應(yīng)解譯圖；e—湖泡地貌，f—e對(duì)應(yīng)解譯圖圖3 松遼平原上的巨型流線構(gòu)造及解譯特征

2 討論

關(guān)于這些巨型沙壟的成因，一直是有爭(zhēng)議的問(wèn)題。裘善文(1989)[1]認(rèn)為是冰期氣候下強(qiáng)大的反氣旋風(fēng)作用下，強(qiáng)大的風(fēng)沙流與塵暴堆積而成。秦小光等(2010)[2]在排除了水成的可能性后，也認(rèn)為這些巨型沙壟為風(fēng)力作用所為。X. Ke與J.Dale(2004)[3]通過(guò)與北美壟泡(巨型冰川流線)地貌進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)具有特征上的一致性，提出冰蓋成因的解釋，但并未就這些巨型流線構(gòu)造的特征進(jìn)行詳細(xì)的分析。

2.1 流線構(gòu)造的延伸與地勢(shì)的控制作用

冰蓋的運(yùn)移方向受地勢(shì)高低的控制，因此流線會(huì)表現(xiàn)出受地勢(shì)控制的特征。松遼平原的巨型流線構(gòu)造在大興安嶺東側(cè)山麓地帶表現(xiàn)為NW向，是受大興安嶺東坡山谷多為NW走向所致，此后漸漸轉(zhuǎn)向?yàn)镹E向，形成巨大的弧形。松遼平原西側(cè)大興安嶺山區(qū)發(fā)育豐富的冰川遺跡[4-5，13-14，23-29]，其山谷冰川作用是松遼冰蓋冰川的物質(zhì)供源區(qū)，巨型冰川流線都表現(xiàn)出向盆地的出口處，也即哈爾濱一帶匯聚的特征。巨型流線構(gòu)造從大興安嶺的山麓一帶向下，其特征逐漸復(fù)雜，在盆地的沉降中心——查干湖一帶，局部表現(xiàn)為2個(gè)方向的冰流交匯的特征，這些都展示了地勢(shì)對(duì)于巨型流線構(gòu)造的控制作用。

2.2 松遼分水嶺的南北遷移與冰蓋消融導(dǎo)致的陸地失壓反彈間的關(guān)系

冰蓋流線構(gòu)造的延伸受地勢(shì)控制，因此松遼分水嶺南側(cè)的流線構(gòu)造應(yīng)該順地勢(shì)，與現(xiàn)代遼河一樣向南流向渤海，但實(shí)際上流線構(gòu)造卻反常的表現(xiàn)出向北越過(guò)分水嶺，與其他的流線構(gòu)造一致向哈爾濱方向匯聚(圖2)。王慶(1994)[30]在現(xiàn)代松遼分水嶺的南側(cè)發(fā)現(xiàn)了由南向北的古河道，因此提出晚更新世晚期曾存在松遼分水嶺向北遷移的認(rèn)識(shí)(圖2)。根據(jù)巨型流線構(gòu)造并沒(méi)有受到分水嶺控制的特征，表明流線構(gòu)造形成于分水嶺的北遷之前。又由于分水嶺南側(cè)流線構(gòu)造沒(méi)有受到北側(cè)松花江水系的侵蝕特征，顯示流線構(gòu)造形成之后即發(fā)生了分水嶺北遷事件。關(guān)于松遼分水嶺北遷的動(dòng)力學(xué)原因，筆者認(rèn)為與冰蓋消融導(dǎo)致的盆地失壓反彈有關(guān)，冰期時(shí)冰蓋產(chǎn)生的巨大壓力導(dǎo)致松嫩盆地下沉，促使松遼分水嶺南遷，進(jìn)而致使遼河冰流流向北方。間冰期冰蓋消融使松嫩盆地失壓反彈產(chǎn)生隆升，導(dǎo)致分水嶺北遷，使遼河水流流向南部渤海。由于松遼平原近似蹺蹺板的升降機(jī)制導(dǎo)致的分水嶺南北擺動(dòng)遷移，可能在冰期-間冰期的循環(huán)下存在多次的往復(fù)。關(guān)于冰蓋消融導(dǎo)致的陸地失壓反彈隆升，目前國(guó)外學(xué)界進(jìn)行了較多的探索研究[31-33]，國(guó)內(nèi)尚未有相關(guān)研究。

2.3 軟基墊面的變形與冰蓋壓力

冰蓋具有數(shù)十米，乃至數(shù)百米厚的冰層，冰層的巨大壓力勢(shì)必導(dǎo)致底墊面的軟基沉積層發(fā)生形變，形成荷載構(gòu)造[6]。裴文中(1956)[34]最早發(fā)現(xiàn)報(bào)道了松遼平原發(fā)育的荷載構(gòu)造，詳細(xì)描述扎賚諾爾煤礦11號(hào)井附近的荷載構(gòu)造，其下伏沙層受壓變形呈袋狀，袋內(nèi)為圓滑的礫石，其與Douglas I. Benn[6]所展示的荷載構(gòu)造特征一致。孫建中[35]對(duì)松遼平原的荷載構(gòu)造進(jìn)了調(diào)查與總結(jié)，重點(diǎn)介紹了榆樹東崗、白城平安鎮(zhèn)(圖4a，圖2④處)、白城五戶、哈爾濱荒山(圖4b，圖2⑤處)、前郭噶扎布、前郭縣王府等地的荷載構(gòu)造。孫建中[35]提出這些荷載構(gòu)造屬于冰緣構(gòu)造，認(rèn)為“難以用‘荷載變形’來(lái)解釋的，因?yàn)樗鼈兩厦娌o(wú)很厚的沉積物覆蓋?！爆F(xiàn)在看來(lái)，這個(gè)上面“很厚的沉積物覆蓋”，應(yīng)該就是已經(jīng)融化消失的“松遼冰蓋”。

a—白城平安鎮(zhèn)平臺(tái)組中呈囊狀的紅色沙礫[29]；b—哈爾濱荒山一帶的荷載構(gòu)造[29]；c—響水河兩岸的巨型流線構(gòu)造，圖中①為4d位置；d—響水河?xùn)|岸砂層中的褶皺構(gòu)造圖4 松遼平原巨型流線下的沙層中荷載構(gòu)造與褶皺構(gòu)造

此外，筆者考察了翁牛特旗響水河一帶的巨型流線構(gòu)造(圖4c，圖2⑥處)，該處巨型流線構(gòu)造位于松遼冰蓋的南部，流線構(gòu)造垂直穿過(guò)響水河河谷并穩(wěn)定延伸，顯示出河谷對(duì)流線構(gòu)造的形成并未起到影響作用。河谷兩側(cè)由中細(xì)砂組成，局部含有礫石，東岸的沙壁上，發(fā)現(xiàn)沙層中存在寬緩的褶皺(圖4d，圖4c①處)，褶皺軸線走向與巨型流線構(gòu)造的延伸方向一致，流線構(gòu)造的溝谷(圖4c中的黑色條帶)與砂層褶皺的向斜位置相對(duì)應(yīng)，這顯示出沙層褶皺與表層流線構(gòu)造存在承生關(guān)系。

2.4 松遼冰蓋的形成時(shí)間

關(guān)于松遼冰蓋的形成時(shí)間，根據(jù)巨型冰川流線構(gòu)造與松遼分水嶺位置的變遷之間的時(shí)間關(guān)系[30]，可以初步推斷松遼冰蓋最后一次發(fā)生時(shí)間為晚更新世晚期之前，也即蒙山冰期(MIS2)之前發(fā)生。冰蓋發(fā)育時(shí)間應(yīng)在變形砂層的沉積之后，孫建中(1981)[35]在發(fā)生變形的東崗組上界地層沉積物中獲得熱釋光年齡為140.00±0.715ka，東崗組的荷載變形必然在其沉積之后，其后最近的冰期為晚更新世早期的MIS4階段，由此可以初步推斷最新一期冰蓋發(fā)生在7.5萬(wàn)年左右的東山冰期。

3 結(jié)論

經(jīng)過(guò)調(diào)查研究與綜合分析，可以得到以下幾項(xiàng)新的認(rèn)識(shí)：

(1)松遼平原上分布的巨型沙壟為冰蓋作用遺跡，與典型冰蓋成因的巨型冰川流線構(gòu)造具有特征上的一致性。流線構(gòu)造中巨大弧形是由于冰蓋移動(dòng)時(shí)受地勢(shì)控制所致。松遼平原軟基砂層中發(fā)育的大量“冰滑構(gòu)造”“冰卷泥”等構(gòu)造，是冰蓋重壓作用下形成的荷載構(gòu)造。

(2)松遼冰蓋的最后一次發(fā)生的時(shí)間為東山冰期(MIS4)。松遼冰蓋形成時(shí)發(fā)生松遼分水嶺南遷，使遼河冰流北流。冰蓋消融后發(fā)生分水嶺北遷，使遼河水流南流。導(dǎo)致松遼分水嶺南北遷移的原因，認(rèn)為與松遼冰蓋消融導(dǎo)致的失壓反彈隆升有關(guān)。

(3)松遼冰蓋的存在是由于東亞冷槽的寒潮致冷所致，是東亞雪槽的體現(xiàn)。同時(shí)，在冰期冷暖氣候的交鋒疊加帶上，也即東亞雪槽的西壁地區(qū)，還形成了渾善達(dá)克冰蓋、毛烏素冰蓋與騰格里冰蓋，這些冰蓋同樣具有大規(guī)模的巨型冰川流線構(gòu)造。相比于西部青藏高原因高海拔致冷冰川而言，東亞冷槽的存在對(duì)于我國(guó)第四紀(jì)環(huán)境演化的影響力更大，也更加深遠(yuǎn)。

致謝：該項(xiàng)研究得到了中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所蘇德辰研究員、中國(guó)石油大學(xué)呂洪波教授、中國(guó)科學(xué)院南京湖泊研究所于革教授、南京師范大學(xué)黃家柱教授、中科院海洋研究所趙松齡教授、南京大學(xué)楊達(dá)源教授、自然資源部第一海洋研究所徐興永研究員、中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)所錢方教授的幫助與支持，在此表示深切的謝意！