天山夏特河流域晚第四紀(jì)冰川沉積序列與地貌演化

劉瑞連， 趙井東， 殷秀峰

（1.中國科學(xué)院 西北生態(tài)環(huán)境資源研究院冰凍圈科學(xué)國家重點實驗室，甘肅蘭州 730000；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

0 引言

山地冰川對氣候變化（溫度/降水）響應(yīng)靈敏，享有“大陸溫度計”之美譽［1］。冰川對氣候變化的響應(yīng)直接影響到冰川地貌的形成過程、冰磧物的搬運沉積和高寒地區(qū)的景觀演變，在地球上，大量豐富且形態(tài)獨特的冰川侵蝕與沉積地形保存在現(xiàn)代及古冰川作用區(qū)［2-6］。這些地形包含著豐富的古氣候變化信息，對它們進行研究可獲得冰凍圈演化重建與模擬不可或缺的基本信息。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，可靠年代學(xué)框架的建立已成為古冰川研究的重要內(nèi)容之一，同時也是古氣候環(huán)境重建的基礎(chǔ)。隨著多種可對冰川地形進行直接定年的測年技術(shù)，如光釋光法（optically stimulated luminescence，OSL）、原地宇宙成因核素法（terrestrialinsitucosmogenic nuclides，TCN）、電子自旋共振法（electron spin resonance，ESR）等測年方法的發(fā)展與應(yīng)用，促進了第四紀(jì)冰川可靠年代學(xué)框架的建立，這使人們對第四紀(jì)冰川時空演化有了更深刻的理解［4-8］。

天山是中亞地區(qū)最大，也是構(gòu)造最活躍的山系，整個山系大致呈東西走向，由多條近似平行的次一級山脈及介于其間的山間盆地組成。它西起吉爾吉斯斯坦西部邊界，向東延伸至接近中蒙邊境處，全長2 500 km，其中1 700 km橫亙于新疆維吾爾自治區(qū)，將新疆分為南疆與北疆。天山有多座海拔超過5 000 m山峰，其中托木爾峰是其最高峰，海拔7 435 m［5］。在第四紀(jì)期間，因山體抬升與全球性冰期與間冰期氣候的耦合，依托高大山體發(fā)育的冰川均發(fā)生了數(shù)次規(guī)模較大的進退，豐富且形態(tài)獨特的冰蝕與冰磧地形及相應(yīng)的冰水沉積地形保存在山谷、山間盆地與山麓帶。在過去20年間，中外學(xué)者對天山東、中、西段不同流域或區(qū)域的第四紀(jì)冰川進行了廣泛研究，應(yīng)用ESR［9-15］、OSL［15-18］與TCN［19-28］等測年技術(shù)涌現(xiàn)出許多新的研究成果。這些研究工作使得天山地區(qū)第四紀(jì)冰川時空演化規(guī)律漸趨明晰，也為中亞地區(qū)古氣候環(huán)境重建提供了新的重要的基礎(chǔ)信息。

夏特河與托木爾—汗騰格里峰的東南坡的木扎爾特河南北呼應(yīng)，故又稱為北木扎爾特河。流域內(nèi)保存有較為完整的古冰川沉積序列、發(fā)育較好的“U”形谷和成群的冰斗等冰川地形，這些地形均包含著重要的古氣候環(huán)境信息，因缺乏數(shù)值年齡的約束，使人們對該流域的第四紀(jì)冰川進退歷史及地貌演化的認(rèn)知仍停留在相對年齡劃分層面上，該情況也不利于本區(qū)古氣候環(huán)境的重建。在本研究中，采用遙感技術(shù)、實地考察、OSL測年相結(jié)合的方式來重建研究區(qū)的第四紀(jì)冰川演化史，旨在對夏特河流域晚第四紀(jì)冰川波動與古氣候環(huán)境變化提供新的認(rèn)知。此外，有些研究表明，晚第四紀(jì)季風(fēng)環(huán)流控制下的青藏高原及周邊山地的冰川演化與全球冰量變化呈現(xiàn)出異步性，如末次冰盛期和早全新世等。受中緯度西風(fēng)環(huán)流控制的天山地區(qū)晚第四紀(jì)冰川的演化規(guī)律如何呢？本研究可為此科學(xué)問題的解決提供一些參考。

1 研究區(qū)概況

夏特河全長約60 km，流域面積約1 228 km2［29］，是特克斯河的一級支流，伊犁河的二級支流，水流最終注入哈薩克斯坦境內(nèi)的巴爾喀什湖。在氣候上，天山主要受中緯度西風(fēng)環(huán)流的控制及局部大氣環(huán)流的影響，冬季強大的西伯利亞冷高壓對天山地區(qū)施加了較大的影響。伊犁盆地屬溫帶大陸性半干旱氣候，年平均氣溫2.6～10.4℃，年平均降水量257～512 mm［30］。由氣象觀測資料可知，該區(qū)域的山區(qū)氣候寒冷，屬于半濕潤氣候，伊犁盆地現(xiàn)代冰川平衡線高度處（equilibrium-line altitude，ELA）年平均降水量在800～1 000 mm，年平均氣溫約9.7℃［29］。這些數(shù)據(jù)與南坡臺蘭河流域［31］和阿特奧依納克河流域［12］ELA處的觀測資料相接近。

流域內(nèi)山脊線的海拔為3 000～5 000 m，有5座海拔超過5 000 m的山峰，現(xiàn)代冰川的ELA為3 800～3 900 m。較大的冰川作用正差加之來自大西洋和北冰洋的含水氣流帶來的較為豐富的降水使得該流域的冰川較為發(fā)育。河源區(qū)共發(fā)育了包括懸冰川、冰斗冰川、單一山谷冰川和復(fù)式山谷冰川在內(nèi)的113條現(xiàn)代冰川，總面積207.46 km2，冰量17.77 km3［29］。流域內(nèi)最大冰川為阿爾恰勒特爾冰川（冰川編號：5X046K-33），長約13.8 km，面積48.60 km2，冰量7.7274 km3。阿爾恰勒特爾冰川是復(fù)式山谷冰川，從海拔約3 960 m的ELA下伸至海拔2 720 m處，垂直高差超過了1 200 m。

2 冰川地貌

夏特河流域四套保存較好的冰川沉積以及發(fā)育較好的“U”形谷和成群的冰斗共同記錄了該流域晚第四紀(jì)以來的古冰川演化史（圖1）。

2.1 冰川侵蝕地貌

“U”形谷是夏特河流域最明顯的冰蝕地貌。從阿爾恰勒特爾冰川末端延伸到海拔約1 945 m的河口就是一個發(fā)育較好的冰川槽谷，全長約38 km。在主槽谷兩側(cè)還有數(shù)量眾多與其呈不同角度相交匯的懸谷。冰川地貌組合表明，在過去某次冰川作用期，該流域曾被規(guī)模宏大的復(fù)式山谷冰川所占據(jù)。冰斗是另一個形態(tài)顯著的冰蝕地貌，大多數(shù)沿著山脊兩側(cè)分布，不同期次的冰斗分布從海拔4 100 m降至3 000 m。

2.2 冰川沉積序列

在全球變暖背景下，夏特河流域的現(xiàn)代冰川正經(jīng)歷著以退縮為主要特征的變化，強烈的消融已在冰川末端和兩側(cè)留下了新鮮的冰川退縮印記。對照航拍照片、地形圖和衛(wèi)星遙感影像可以得知1963—2012年阿爾恰勒特爾冰川后退了約700 m（圖2）。在冰川退縮新鮮痕跡的外圍，距冰川末端不同遠(yuǎn)近的河谷至河口段共保存有四套膠結(jié)風(fēng)化程度不同的冰磧。

第一套冰磧分布在阿爾恰勒特爾冰川末端以外0.7～2.2 km范圍內(nèi)，由形態(tài)較為完整的三列終側(cè)磧壟組成（圖2）。最內(nèi)一列距阿爾恰勒特爾冰川末端約1.2 km，寬60～150 m，高5～10 m。中間一列與最外列貼的很近，最外列的一部分被其覆蓋。規(guī)模最大的為最外列終側(cè)磧壟，寬200～300 m，高20～30 m。這些特征顯示該套冰磧與東天山烏魯木齊河源的三列形態(tài)完整的小冰期LIA（Little Ice Age）冰磧地形相似［5-6，32］。雖然最外列終側(cè)磧壟的部分冰磧物已顯示出初步風(fēng)化之跡象，但這套冰磧尚無土壤發(fā)育。與在沉積序列上處于同期的烏魯木齊河源區(qū)［5-6，11］、博格達峰地區(qū)［15］、哈爾里克山地區(qū)［25］冰磧地形不同的是，這套冰磧上已生長有零星的灌木和胸徑較小的針葉樹，這可能與伊犁河谷較為優(yōu)越的生態(tài)環(huán)境關(guān)系密切。

圖2 阿爾恰勒特爾冰川末端以外現(xiàn)代及LIA冰川地貌Fig.2 Modern and LIA glacial landforms beyond the terminus of the Arqialeter Glacier

第二套冰磧主體由距阿爾恰勒特爾冰川末端約8 km，分布在海拔約2 550 m處的一高大終磧壟組成（圖1）。該冰磧壟寬約400～700 m，拔河高度30～50 m。冰磧物已有一定程度的風(fēng)化，冰磧壟上散布著直徑3～5 m的花崗巖漂礫。覆蓋在壟上的土壤層呈棕黑色，茂盛且胸徑粗大的針葉樹生長其上。

第三套冰磧由數(shù)列凸向西北方向的弧形終磧壟組成，在河谷中延伸約2 km。在出露的天然及人工剖面中未發(fā)現(xiàn)推磧壟特征或冰磧層的擠壓構(gòu)造，表明這些冰磧壟為冰退型冰磧壟。這套冰磧拔河20～40 m，其上發(fā)育有較好的土壤層和植被。與第二套冰磧壟表面散布的漂礫相比，這套冰磧表面的漂礫要小一些，直徑僅為0.5～1 m且已呈球狀風(fēng)化。與這套冰磧相對應(yīng)的沉積地形還見于夏特河的兩條較大支流，敦都果勒河的河谷中以及阿登布拉克河匯入主河谷的匯合口處（圖1）。

圖1 夏特河流域地貌圖Fig.1 Geomorphological map of the Xiate River valley

以冰水沉積為主的第四套沉積分布在夏特河河口處?，F(xiàn)代河流從這套沉積中穿行而過，沿河可見數(shù)米至15～20 m的剖面。從剖面中可見沉積物具有一定分選性，主要為直徑10～20 cm且磨圓度較好的礫石組成，在其底部不時可見分選性與磨圓度較差，呈次棱角狀的冰磧層。這套沉積表面土層較厚，鮮見有直徑超過1 m的漂礫。因海拔較低，漸趨與伊犁盆地半干旱氣候［30］相一致，表面生長有稀疏的灌木和牧草。河口向上至第三套冰磧之間寬大的槽谷等共同表明該套沉積形成于一次更老的冰川作用。

因這四套冰川沉積物的源區(qū)巖性變化不大使得它們的沉積物巖性相似，包括花崗巖、片麻巖、大理巖和砂巖碎屑，其中大理巖的含量隨山谷距離的增加而減少。

3 研究方法及結(jié)果

基于野外考察及OSL測年樣品的采集規(guī)范，在第三套冰磧自然出露或人工開挖剖面中找到厚層的冰水砂夾層，剝除表面已經(jīng)曝光的部分，用錘頭將金屬管打進剖面采集樣品。共計采集5個OSL樣品（圖3）。密閉金屬管兩端后帶回中國科學(xué)院青海鹽湖研究所的OSL年代學(xué)實驗室完成樣品的預(yù)處理與測定分析。

圖3 第三套冰磧壟中冰水砂透鏡體及OSL年齡Fig.3 Well-exposed glacial sediment sections of the third moraine complex and OSL ages

在實驗室安全紅光下將樣品分為兩部分。金屬管兩端2～3 cm的樣品掏出后用于含水量與放射性元素含量等的測定以備用年劑量率的推算；中間部分經(jīng)化學(xué)處理后篩取粒徑38～63μm組分，然后根據(jù)文獻［15，18，33-35］描述的流程進行處理。用35%的H2SiF6蝕刻所選樣品2周，以蝕去石英顆粒的表層及溶蝕樣品中的長石，隨后用10%的HCl清洗去除顆粒表面沉淀的氟化物。處理后的樣品用紅外釋光（infrared stimulated luminescence，IRSL）進行檢測，對于有明顯紅外釋光信號殘存的樣品使用H2SiF6進行再處理，以避免年齡被低估［36］。最終獲得的樣品顆粒用硅油將其粘在直徑10 mm的不銹鋼圓盤中心以備等效劑量測定之用。樣品所在環(huán)境中的U和Th的濃度及K的百分含量在北京原子能研究院應(yīng)用中子活化法測得。

應(yīng)用Murray等［37］于2000年改進的單片再生劑量測定技術(shù)（single aliquot regenerative dose，SAR），在Ris?TL/OSL-DA-20釋光儀上進行了樣品等效劑量的測定［圖4（a）］?；谙惹氨?冰水沉積研究中的預(yù)熱坪試驗的成功經(jīng)驗［15，18，33-35］，本研究在進行SAR測量時也將預(yù)熱溫度選定為260℃，持續(xù)10 s。使用波長為（470±20）nm的藍(lán)光在130℃下持續(xù)激發(fā)40 s。OSL信號使用9235QA光電倍增管通過7.5 mm厚的Hoya U-340檢測濾波器探測得到。

圖4 樣品MZRT-O-3-0單片再生劑量生長曲線（a）及樣品的OSL信號衰減曲線（b）Fig.4 Growth curve of single-aliquot regenerativedose for sample MZRT-O-3-0（a），and OSL decay curves of the sample（b）

圖4（b）展示了樣品MZRT-O-3-0在自然劑量（N）、檢測劑量（TD=36.7 Gy）以及再生劑量為0 Gy和100 Gy條件下的OSL信號衰減曲線。曲線顯示，OSL信號在藍(lán)光激發(fā)的第1秒內(nèi)衰減很快，這表明OSL信號主要由快組分組成。對于大多數(shù)測片，劑量恢復(fù)多在10%的可接受范圍內(nèi)［38-39］，表明夏特河流域的冰水沉積樣品可使用SAR測量的相關(guān)參數(shù)進行測定。對于部分測片，0 Gy再生劑量的衰減曲線上顯示出一個較小的熱轉(zhuǎn)移信號。先前的研究認(rèn)為該現(xiàn)象是由于冰川沉積物搬運距離較近，樣品敏感性較低所致［40］。熱轉(zhuǎn)移信號影響利用0 Gy（L0/T0）循環(huán)比對自然劑量（LN/TN）循環(huán)比的校正。本研究中絕大多數(shù)測片的（L0/T0）/（LN/TN）比值低于被舍棄的判別標(biāo)準(zhǔn)［38，41-42］，即對樣品的絕大多數(shù)測片而言，熱轉(zhuǎn)移信號對De的影響均在可以接受的范圍內(nèi)。

De采取SAR測試技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)生長曲線（standardized growth curve，SGC）相 結(jié) 合 的 方 法 測得［43-45］。對于每個樣品，準(zhǔn)備了25～30個測片。應(yīng)用SAR測試技術(shù)測定其中的6個，基于SAR的測定數(shù)據(jù)建立SGC。16～18個測片在SAR測定相同的流程下利用已建立的SGC測定LN/TN值進而獲得SGCDes。本研究表明，使用SGC獲得的De和SAR測試技術(shù)測得的De基本一致。剔除異常值外，樣品最終的De值取SAR-Des和SGC-Des的平均值。

年劑量率（D）是由測得的U與Th元素濃度和K元素的百分含量、樣品的含水量以及根據(jù)樣品的地理位置（緯度、經(jīng)度和海拔）和埋藏深度推算出的宇宙射線貢獻率［46］一并計算獲得。OSL年齡使用以下公式計算。

式中：De為樣品的等效劑量；D為年劑量率。

采樣地點、測年結(jié)果及相關(guān)參數(shù)見表1。

表1 OSL年代測定結(jié)果及其相關(guān)參數(shù)Table 1 OSL dating results and the correlated parameters

4 討論

4.1 冰水沉積物里石英顆粒中OSL測年信號歸零

OSL測年的一個重要前提是被測礦物中的測年信號在最后一次形成或沉積過程中歸零。對于冰川沉積物，已有的研究表明冰水沉積的OSL測年信號比冰磧更容易歸零［47-49］，夾在冰磧層中的砂質(zhì)透鏡體（冰水沉積）比冰磧更適合應(yīng)用OSL測年技術(shù)進行定年［15，18，50］，在一些研究區(qū)，冰磧中的OSL測年信號也可被陽光曬退而獲得可靠的測定結(jié)果［33］。頻率直方圖常被用于沉積物信號歸零與否或程度的判別，通常，信號完全歸零沉積物的頻率直方圖窄且符合正態(tài)分布，而信號部分或沒有歸零沉積物的頻率直方圖分布較寬且形狀異常［51-52］。在本研究中，樣品的De頻率直方圖具有窄且?guī)缀鯇ΨQ的形狀（圖5），這表明采自第三套冰磧夾層中的冰水沉積物測年信號已歸零，滿足測年的前提要求且是可信的。

圖5 樣品MZRT-O-3-0的D e值直方分布圖Fig.5 D es histogram of the sample MZRT-O-3-0

4.2 夏特河流域晚第四紀(jì)冰川作用及地貌演化

夏特河流域的冰川地貌為了解本區(qū)的古氣候環(huán)境變化提供了契機，依據(jù)地貌地層學(xué)原理及相鄰流域的冰川地貌及沉積序列可初步獲得夏特河流域晚第四紀(jì)冰川作用及地貌演化。年代學(xué)框架的建立是約束夏特河流域冰川進退和地貌演化的第一步。此外，基于海洋氧同位素記錄劃分的奇偶階段與全球性冰期間冰期旋回具有較好的對應(yīng)關(guān)系，故可結(jié)合海洋氧同位素階段（marine oxygen isotope stage，MIS）與測定的絕對數(shù)值年代來探討本區(qū)的第四紀(jì)冰川演化史。

第一套與第二套冰川沉積與天山其他流域的已有研究結(jié)果展示了全新世較為一致冰川波動及其演化模式［5-6，11-15，18，21-28，32］。由三列新鮮終側(cè)磧壟組成的第一套冰川沉積地形與已獲得地衣［32］、CRN10Be［26］與AMS14C［53］等多種測年結(jié)果的烏魯木齊河源現(xiàn)代冰磧外圍新鮮的三列終側(cè)磧壟組成的小冰期地形在諸多特征上具有一致性，據(jù)此推測該套冰磧沉積于LIA（主要指16世紀(jì)以來寒冷氣候?qū)е碌谋M）。距阿爾恰勒特爾冰川末端約8 km，與南木扎爾特河流域第二套同由一列高大終磧壟組成的吐蓋別里齊終磧壟形似［13］，結(jié)合第三套冰磧的OSL測年結(jié)果，將其形成時間定為新冰期（距今3～4 ka期間的冰進）是合理的。

采自第三套冰磧壟夾層中的5個冰水砂透鏡體樣品的OSL年齡為（13.3±0.8）～（20.1±1.3）ka。該測年結(jié)果與本流域的冰川沉積序列、冰磧物的風(fēng)化膠結(jié)程度及接觸關(guān)系等相一致。OSL年齡及這套冰磧的相關(guān)特征共同表明，該冰磧形成于末次冰期晚期，這些弧狀冰磧壟的形成時間從末次冰期最盛期（Last Glacial Maximum，LGM）持續(xù)到末次冰消期，可與MIS 2相對應(yīng)（圖6）。LGM時，該流域的古冰川為樹枝狀的復(fù)合型山谷冰川，從阿爾恰勒特爾冰川末端算起，古冰川沿山谷延伸了約21 km。

圖6 夏特河流域冰川演化（a）與臺蘭河流域［14］（b）、木扎爾特河流域［13］（c）、阿特奧依納克河流域［12］（d）、MIS（e）、古里雅冰芯δ18O記錄［54］（f）以及全球57條海洋δ18O記錄［55］（g）對比Fig.6 A comparison of Quaternary glacial chronology in Xiate River valley（a）with Tailan River valley［14］（b），Muzart River valley［13］（c），Ateaoyinake River valley［12］（d），marine oxygen isotope stage（MIS）（e），δ18Orecord of the Guliya ice core［54］（f），andδ18O record of the 57 globally distributed benthic sediments［55］（g）

分布在夏特河河口的第四套以冰水沉積為主的冰川沉積以及河口至第三套冰磧間發(fā)育較好的“U”形谷表明，該流域至少還存在一次規(guī)模更大的冰川作用。在托木爾—汗騰格里峰南坡阿特奧依納克河流域山麓帶的第五套冰川沉積［12］，木扎特河流域山麓帶的克孜布拉克冰期［13］、臺蘭河流域山麓帶的臺蘭冰期［14］等共同指示，整個托木爾—汗騰格里峰地區(qū)，現(xiàn)存的MIS 6冰川作用遺跡是最大，其時古冰川為壯觀的山麓冰川。據(jù)此，將第四套冰川沉積形成時間對應(yīng)于MIS 6是可以接受的（圖6）?；谔焐綎|、中、西段新近的研究成果與中國西部（105°E以西）第四紀(jì)冰川演化的相關(guān)資料［5-6，56］也可得出，整個天山的古冰川變化與中國西部地區(qū)基本一致，在倒數(shù)第二次冰川作用之后以漸趨縮小的模式演化。

5 結(jié)論

應(yīng)用OSL測年技術(shù)對夏特河流域第三套冰磧中的砂質(zhì)透鏡體（冰水沉積）進行定年，測年結(jié)果符合該流域的冰川沉積序列與冰川沉積特征，與地質(zhì)背景和野外調(diào)查結(jié)果相一致。結(jié)合托木爾—汗騰格里峰南坡與東南坡的阿特奧依納克河流域、臺蘭河流域和木扎爾特河流域的第四紀(jì)冰川演化序列以及整個天山地區(qū)的新近研究成果可得出：第一套和第二套冰川沉積形成于全新世期間的冰川波動，可分別對應(yīng)于16世紀(jì)以來冷期導(dǎo)致冰川前進的LIA與距今3～4 ka冷期導(dǎo)致冰川前進的新冰期；第三套冰磧的OSL測年結(jié)果表明它沉積于LGM及其后的末次冰消期，時間上可對應(yīng)于MIS 2；河口處以冰水沉積為主的第四套冰川沉積及發(fā)育完好的“U”形谷形成時間可對應(yīng)于MIS 6的倒數(shù)第二次冰期。夏特河流域晚第四紀(jì)冰川地貌及其演化與天山其他流域相一致，古冰川自MIS 6冰川作用后呈現(xiàn)出漸趨縮小的模式。

謹(jǐn)以此文，紀(jì)念李吉均先生！

致謝：中國科學(xué)院青海鹽湖研究所賴忠平研究員和王懿萱博士在OSL樣品測試分析中提供了支持與幫助，2012年野外考察得到了夏特河流域及景區(qū)管理部門的支持，在此一并表示感謝。