大興安嶺冰帽群的發(fā)現(xiàn)及初步研究

王照波， 王江月， 田曉明， 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 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.平邑縣自然資源與規(guī)劃局，山東 平邑 273304；4.山東指南針礦產(chǎn)勘查有限公司，山東 臨沂 276006；5.曲阜師范大學(xué) 地理與旅游學(xué)院，山東 日照 276800)

大陸冰川又稱“冰蓋”，其表面大致平緩、中部略厚，呈盾形，規(guī)模比山岳冰川大。較小的大陸冰蓋常被稱作冰帽(王數(shù)，2015)，總的形狀為平凸形，外形接近于大陸冰川，但覆蓋面積較大陸冰川小，其穹形也不及大陸冰川平緩(地質(zhì)礦產(chǎn)部地質(zhì)辭典辦公室，2005)。

大興安嶺地區(qū)的第四紀(jì)冰川，前人也進(jìn)行過(guò)多項(xiàng)研究，多限于山谷冰川，并認(rèn)為存在第四紀(jì)冰川作用(嚴(yán)欽尚，1952；楊懷仁，1955；俞建章等，1964；遼寧省地質(zhì)局水文地質(zhì)大隊(duì)，1983；孫建中，1982；孫廣友等，2012)。王照波等(2020)對(duì)長(zhǎng)白山天池火山冰川遺跡的研究，也證實(shí)了我國(guó)東北地區(qū)曾發(fā)生過(guò)第四紀(jì)冰川作用。但施雅風(fēng)等(1989)認(rèn)為大興安嶺地區(qū)不存在形成第四紀(jì)冰川的環(huán)境。對(duì)于蒙古高原地區(qū)第四紀(jì)冰蓋，前人從衛(wèi)星遙感、地貌侵蝕特征、羊背石等原地流線型巖石山體、“冰臼”分布等進(jìn)行了多方面的論證(李邦良等，1999；呂洪波等，2006)，認(rèn)為存在“蒙古冰蓋”。研究者們從不同的角度為認(rèn)識(shí)內(nèi)蒙古及東北地區(qū)的冰川作用提供了較為豐富的資料，但沒(méi)有注意到冰蓋存在的更為直接證據(jù)——冰蓋流線構(gòu)造。筆者最近在內(nèi)蒙古克什克騰旗青山一帶的野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)該區(qū)存在冰蓋流線構(gòu)造，這些廣泛發(fā)育在山脊與山坡上由礫石構(gòu)成的流線構(gòu)造顯示了青山一帶的山頂?shù)貐^(qū)曾經(jīng)存在規(guī)模較小的冰蓋——冰帽，筆者將其命名為“青山冰帽”，青山冰帽與其他冰帽一起構(gòu)成興安冰帽群。

巖臼是克什克騰旗青山地區(qū)最為著名的地貌類型，也是研究較深入且廣為爭(zhēng)議的。對(duì)于這些巖臼的成因，眾說(shuō)紛紜，有認(rèn)為是冰川成因(韓同林，2004，2010；韓同林等，1998，1999a，1999b；呂洪波等，2008，2010)，有認(rèn)為是流水侵蝕而成(吳忱，2007)，也有認(rèn)為是風(fēng)蝕、風(fēng)化等非冰川成因(崔之久等，1999；章雨旭，2005；章雨旭等，2011；施雅風(fēng)，2010)。田飛(2013)對(duì)青山巖臼進(jìn)行了較為詳細(xì)的調(diào)查研究，獲得了較多的研究數(shù)據(jù)，認(rèn)為是長(zhǎng)期風(fēng)化-風(fēng)蝕綜合作用的結(jié)果。筆者經(jīng)初步調(diào)查后認(rèn)為，該區(qū)壺穴應(yīng)是巖石中的晶洞等先期成巖凹坑，主要經(jīng)后期的積水、凍脹剝離作用下的產(chǎn)物，與冰川作用關(guān)聯(lián)性不強(qiáng)。

關(guān)于冰蓋流線構(gòu)造的特征及其形成機(jī)理，國(guó)內(nèi)尚沒(méi)有研究者對(duì)其進(jìn)行研究，國(guó)外冰川學(xué)界則進(jìn)行了較多的探索。Drewry(1986)研究了冰蓋流線構(gòu)造的特征及其運(yùn)移過(guò)程中的流動(dòng)軌跡，展示了冰蓋冰流在山脊與山谷不同部位表現(xiàn)出的分叉與匯合的流動(dòng)軌跡(圖1a)。Chorley等(1984)報(bào)道，阻塞冰流的基巖障礙物的迎冰面由于受到冰流強(qiáng)烈侵蝕而趨于平緩，背冰面則會(huì)顯得陡峭，形成近似羊背石的巖體特征(圖1b)。Ottesen等(2009)則對(duì)冰流結(jié)束端的終磧條帶特征及其形成機(jī)理進(jìn)行了較為深入的研究，圖1c顯示了冰蓋邊緣終磧條帶具有曲折的弧形特征，且往往存在多條終磧條帶組合。上述研究對(duì)于理解冰蓋流線構(gòu)造的特征及形成機(jī)理具有重要的參考意義。

圖1 冰蓋流線構(gòu)造與終磧條帶的特征及運(yùn)行軌跡Fig.1 Characteristics and running track of ice cap streamline structures and terminal moraine bandsa.冰蓋流線構(gòu)造成因及平面分布特征(Drewry，1986);b.冰蓋之下基巖阻塞體(羊背石基巖山體)成因及剖面特征(Chorley et al.，1984);c.終磧條帶特征及成因示意圖(Ottesen et al., 2009)

1 青山冰帽分布位置及流線構(gòu)造特征

1.1 青山冰帽的位置及范圍

青山位于赤峰市北西方向150 km(圖2a)，克什克騰旗駐地經(jīng)棚鎮(zhèn)的東部15 km(圖2b)，西拉木倫河的北岸，屬于大興安嶺的南段。青山冰帽由三個(gè)相對(duì)獨(dú)立的小冰帽構(gòu)成(圖2b，c)，分別編號(hào)為①、②、③。冰帽①東西長(zhǎng)3.9 km，南北寬2.0 km，面積約4.3 km2，分布在海拔1 526～1 863 m；冰帽②東西寬5.8 km，南北寬4.2 km，面積約15.3 km2，分布在海拔1 511～1 787 m；冰帽③南北長(zhǎng)6.2 km，東西寬2.8 km，面積約13.1 km2，分布在海拔1 551～1 974 m。

圖2 青山冰帽分布范圍及流線構(gòu)造、終磧條帶、冰磧扇分布位置圖Fig.2 Distribution range of Qingshan ice cap, and location of streamline structures, terminal moraine bands and moraine fansa.青山冰帽在大興安嶺的分布位置圖；b.青山冰帽衛(wèi)片中的分布特征；c.青山冰帽流線構(gòu)造、終磧條帶與冰磧扇分布位置；圖中①②③為冰帽編號(hào)

1.2 流線構(gòu)造的分布及特征

在冰帽范圍內(nèi)，分布了大量的冰蓋流線構(gòu)造(圖2c)，特征明顯，在衛(wèi)星相片中均可以識(shí)別。流線構(gòu)造主要分布在山脊及兩側(cè)的山坡上，由棱角狀的巖塊組成。由于流線構(gòu)造受到冰蓋冰流方向、路徑的控制，因此位于山脊兩側(cè)山坡上的流線構(gòu)造，在山脊處表現(xiàn)為分叉特征(圖3a)，在兩條山脊之間則表現(xiàn)為匯合特征(圖3b)。流線構(gòu)造由棱角狀粗斑花崗巖組成，呈長(zhǎng)長(zhǎng)的窄壟，壟的長(zhǎng)度多為300～400 m，寬度1～3 m，流線冰磧壟的間距多為15～20 m，具有近似平行延伸的特征。該區(qū)山體巖性單一，主要由粗粒黑云二長(zhǎng)花崗巖組成(田飛，2013)。由于供源單一，組成流線冰磧壟的巖石巖性也較為單一。由于搬運(yùn)距離較近，僅為數(shù)十米或幾百米的距離，巖石主要表現(xiàn)為棱角狀，不顯示磨圓特征。流線冰磧壟上條石的長(zhǎng)軸顯示出明顯的定向性，其長(zhǎng)軸展布方向與流線構(gòu)造的展布方向一致(圖3c)。有些由片狀礫石構(gòu)成的流線冰磧壟，其片狀板石相互疊置掩蓋，呈現(xiàn)出魚骨狀特征(圖3d)，展示了冰蓋流動(dòng)對(duì)于片狀巖塊的擠壓調(diào)整，由于搬運(yùn)距離較近，巖塊多呈棱角狀，表面并未發(fā)現(xiàn)明顯的擦痕。該類平直的流線構(gòu)造為冰蓋沿著山坡流動(dòng)過(guò)程中形成，其流線方向展示了冰蓋冰流的方向。流線構(gòu)造的分叉及匯合現(xiàn)象與Drewry(1986)研究獲得的冰蓋流線構(gòu)造的運(yùn)行軌跡相符合(圖1a)，這與冰蓋流處于山脊兩側(cè)還是處于溝谷內(nèi)側(cè)的位置有關(guān)。青山冰帽的流線構(gòu)造總體顯示了由冰蓋中心的高處向四周低洼處流動(dòng)的特征，這與冰蓋的流動(dòng)特征一致(圖2c)。

圖3 青山冰帽的流線構(gòu)造、終磧條帶與礫石排列特征Fig.3 Characteristics of streamline structures, terminal moraine bands and gravel arrangement in Qingshan ice capa.流線構(gòu)造的分叉現(xiàn)象；b.流線構(gòu)造的匯合現(xiàn)象；c.流線構(gòu)造中礫石長(zhǎng)軸與流線構(gòu)造的延伸方向一致；d.流線構(gòu)造中的礫石具有“魚骨狀”疊壓排列特征；e.冰蓋邊緣的終磧條帶，具弧形展布特征；f.終磧條帶中的礫石混雜，局部顯示垂直冰流方向；g.冰磧礫石扇(圖中紅色箭頭表示冰流方向)

1.3 終磧條帶構(gòu)造、冰磧礫石扇的分布及特征

在前述流線構(gòu)造的結(jié)束端，有些地段往往分布有由終磧組成的終磧條帶，呈現(xiàn)出連續(xù)的弧形彎曲特征(圖3d)，該類構(gòu)造長(zhǎng)度綿延可達(dá)1 km，寬窄不定，寬的可達(dá)40 m，窄的僅為1 m左右。尤其在乃林溝溝頭位置的終磧條帶構(gòu)造最為清晰(圖3e)。礫石呈棱角狀，排列方向雜亂，局部長(zhǎng)條狀的礫石表現(xiàn)出長(zhǎng)軸隨著條帶彎曲而順彎排列的特征(圖3f)，受坡面巖石類型種類的多寡控制，成分相對(duì)復(fù)雜。這類終磧條帶一般由3～5列組成，沿等高線展布。該類終磧構(gòu)造分布在冰蓋的邊緣地帶，為冰蓋退縮過(guò)程中，其邊緣停留時(shí)導(dǎo)致的終磧堆積而成，多條并列的原因是冰蓋多次停頓造成的。其出現(xiàn)弧形彎曲的原因是由于冰蓋邊緣參差不齊造成的。終磧條帶的水平延伸方向垂直于冰流方向。經(jīng)測(cè)量，冰蓋流線構(gòu)造分布的山坡坡面傾角一般為15°～30°，有些平緩的地方，其坡角甚至小于10°，且均勻分布在坡面上，這是洪水沖擊、巖石滾落等因素所不能形成的。青山冰帽的終磧條帶所顯示的特征與Ottesen等(2009)展示的冰蓋邊緣冰磧條帶的特征一致(圖1c)，青山終磧條帶的典型特征，反映了冰蓋邊緣堆積的動(dòng)力學(xué)過(guò)程。有些山脊前端放射狀分布的流線構(gòu)造與多列終磧一起組成典型的冰磧礫石扇(圖3g，位置見圖2c)。

1.4 羊背石狀山脊的分布及特征

在冰蓋流線構(gòu)造分叉的山脊上，往往存在基巖阻塞體，構(gòu)成典型的羊背石狀山脊(圖4a，b)，在圖4a的迎冰面處，流線構(gòu)造在山脊兩側(cè)表現(xiàn)出分叉特征，圖4c為上述羊背石狀山脊的側(cè)面，上游迎冰面由于受到冰蓋夷平作用影響表現(xiàn)出明顯的平緩特征，下游背冰面由于未受到冰蓋剝蝕夷平作用的影響而表現(xiàn)為陡直的特征，且分布有疊石。這些特征符合Chorley等(1984)就冰蓋對(duì)于基巖阻塞體作用過(guò)程與作用特征的認(rèn)識(shí)(圖1b)。這種具有羊背石特征的基巖體分布在冰蓋邊緣一帶，而冰蓋核心區(qū)域由三角脊、殘弧組成的冰斗系統(tǒng)則被冰蓋夷平，其刃脊與角峰消失殆盡。

圖4 青山冰帽及周邊各類冰蝕地貌Fig.4 Qinshan ice cap and surrounding glacial erosion landforma.羊背石狀山脊迎冰面，流線構(gòu)造在迎冰面出現(xiàn)分叉現(xiàn)象；b.羊背石狀山脊側(cè)面特征，可見迎冰面平緩，背冰面陡峭，并出現(xiàn)疊石現(xiàn)象；c.未經(jīng)冰蓋夷平的山脊，發(fā)育刃脊與冰石河；d.阿斯哈圖經(jīng)歷了冰蓋夷平后遺留的殘弧(紅色箭頭表示冰流方向)

1.5 海拔高程對(duì)冰帽區(qū)地貌特征的影響

冰蓋是氣候控制下的產(chǎn)物，其分布受海拔控制，即溫度的控制。青山冰帽基本分布在海拔1 500 m以上區(qū)域，表明了冰期時(shí)冰蓋的最大覆蓋范圍。青山冰帽覆蓋范圍內(nèi)的山體由于受到冰蓋強(qiáng)大的夷平作用影響而變得平緩光滑，而冰帽周邊則顯示出尖銳的角峰、刃脊。這些流線構(gòu)造的冰磧石來(lái)源于被夷平的角峰、刃脊，而在角峰、刃脊發(fā)育的地區(qū)卻沒(méi)有流線構(gòu)造分布，只是在其溝谷低洼處，存在著片狀分布的冰石河(圖4c)。圖4c近處為海拔1 700 m左右分布的流線構(gòu)造，其下溝谷對(duì)面為海拔1 500 m左右分布的冰斗系統(tǒng)。在冰斗系統(tǒng)內(nèi)部可以見到有明顯的冰石河存在。根據(jù)調(diào)查，該區(qū)域的平頂山(孫洪艷等，2005)、佛爺山等冰斗群均分布于海拔1 500 m以下的范圍內(nèi)，由于沒(méi)有受到冰蓋夷平作用的影響而保存了完整的冰斗地貌。

除了青山冰帽之外，該區(qū)域還存在黃崗梁、北大山等冰帽，共同組成興安冰帽群。阿斯哈圖石林位于北大山冰帽之中，冰川作用形成了眾多的刃脊、角峰(錢方等，2000；趙志中等，2007)，組成典型的冰斗系統(tǒng)(王照波等，2018a，2018b)，現(xiàn)存的阿斯哈圖石林則是北大山冰帽對(duì)于前期冰斗系統(tǒng)夷平作用后遺留的三角脊與殘弧(圖4d)。同時(shí)，在黃崗梁、阿斯哈圖石林周邊也分布著大量的冰蓋流線構(gòu)造。

2 討論

2.1 關(guān)于流線構(gòu)造的成因

流水、崩塌，有時(shí)也可以在山坡或山谷局部地方形成一定的礫石堆積。如流水形成的礫石堆積體沿著河谷分布，其動(dòng)力來(lái)自于流水。崩塌形成的礫石堆積體，也只能限于散落在巖石陡壁之下，具有明確的崩塌物源，其動(dòng)力為坡面重力。因其分布局限，形單影只，也沒(méi)有人將其稱為流線構(gòu)造。而大興安嶺這些廣布于山脊、山坡上的流線構(gòu)造，其分叉(圖3a)、匯合(圖3b)、終磧條帶(圖3e、f)、基巖阻塞體(圖4a、b)，無(wú)論在特征還是形成機(jī)理上，都展示了與國(guó)外冰蓋流線構(gòu)造研究成果(圖1a)的一致性。單就流線構(gòu)造礫石壟的特征來(lái)講，也顯示出明顯的a軸順流線方向(圖3c)、片石疊壓(圖3d)等特征，也非滾落動(dòng)力下的礫石堆積特征。此外，流線構(gòu)造的分布嚴(yán)格受到海拔1 500 m的控制，低于該海拔則不存在。高程控制的本質(zhì)是溫度控制，表明動(dòng)力來(lái)源與低溫有關(guān)，分兩種情況，受溫度控制的山谷堆積則為冰川作用，受溫度控制的山坡堆積則為冰蓋作用。種種跡象表明，這些流線構(gòu)造為冰帽所為，可以排除崩塌、流水作用的可能。

2.2 興安冰帽群的形成時(shí)間

目前尚未有關(guān)于興安冰帽群發(fā)生時(shí)間的測(cè)年研究。野外調(diào)查時(shí)發(fā)現(xiàn)組成流線構(gòu)造的冰磧石礫石棱角分明，表面風(fēng)化極其輕微，且局部可見灰黑色亞黏土覆蓋其上。據(jù)楊思忠等(2010)對(duì)大興安嶺伊圖里河附近地層的測(cè)年研究，大興安嶺地區(qū)此層灰黑色亞黏土的形成時(shí)間為(5 557±38) a。由此大致得出冰帽群屬于全新世，其后形成的黏土層經(jīng)歷了全新世大暖期的改造而呈現(xiàn)灰黑色。結(jié)合山東蒙山全新世的冰期研究，綜合分析青山冰帽的形成時(shí)間初步推測(cè)為距今8.2 ka左右的攔馬冰期(王照波等，2017a，2017b，2017c，2018c,2019a,2019b,2019c；Wang et al.,2020)。在乃林溝山谷中，調(diào)查發(fā)現(xiàn)冰帽之下存在多期次的冰磧堆積，冰磧巨石的表面保存有良好的冰川擦痕，表明在大興安嶺地區(qū)曾經(jīng)發(fā)育了較為完整的第四紀(jì)冰川作用。對(duì)于興安冰帽群的形成的具體時(shí)間，還需要采用多種測(cè)年手段來(lái)約束。

3 結(jié)論

大興安嶺腹地青山一帶流線構(gòu)造的存在，明確指示了青山冰帽的存在，這些眾多的冰帽共同構(gòu)成了興安冰帽群。終磧條帶的發(fā)現(xiàn)，指示了冰帽發(fā)生時(shí)的邊緣位置，流線構(gòu)造與終磧條帶顯示了冰帽的分布范圍及面積。

根據(jù)流線構(gòu)造冰磧礫石的風(fēng)化程度，結(jié)合大興安嶺第四紀(jì)沉積地層的測(cè)年數(shù)據(jù)，初步認(rèn)為興安冰帽群的發(fā)生時(shí)間可能為全新世的攔馬冰期(8.2 ka)，但尚需進(jìn)一步的測(cè)年研究。

致謝：本項(xiàng)研究得到了中國(guó)石油大學(xué)呂洪波教授、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、國(guó)家海洋局徐興永研究員、中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)所錢方教授、中國(guó)科學(xué)院南京湖泊研究所于革教授、中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所蘇德辰研究員的幫助與支持，在此表示深切的謝意！