河北秦皇島地區(qū)第四紀冰川遺跡研究

劉書燕，猶遵艷，劉連忠，崔貴云，邵先杰

1.河北柳江盆地地質(zhì)遺跡國家級自然保護區(qū)管理中心，河北 秦皇島 066001；2.燕山大學(xué) 石油工程系，河北 秦皇島 066004

0 引言

蘇格蘭地質(zhì)學(xué)家格克1894年出版《大冰期》一書，其中提到了旅行者威廉生在山東省北部和陜西省潼關(guān)附近發(fā)現(xiàn)的一些巨大漂礫，認為這些巨大漂礫為第四紀冰川作用所搬運的［1］.李四光先生1931年在廬山發(fā)現(xiàn)第四紀冰川遺跡，1937年完成《冰期之廬山》專著，之后拉開了我國第四紀冰期的研究熱潮，相繼發(fā)現(xiàn)了很多冰川證據(jù)［2-3］，出版了大量的研究成果，同時也引發(fā)了爭鳴和討論.我國著名的地理學(xué)家施雅風(fēng)院士，依據(jù)自己長期研究青藏高原現(xiàn)代冰川的經(jīng)驗，指出“李四光教授提出的第四紀廬山冰期冰磧不是冰磧，可能是稀性泥石流堆積”［4］.2006年施雅風(fēng)等出版了《中國第四紀冰川與環(huán)境變化》一書，觀點是：“我們明確無誤地認為，中國東部3 000～2 500 m以下的中低山在第四紀期間從未有過冰川活動”［1］.孫殿卿院士［5］依據(jù)對長江中下游地區(qū)和太行山地區(qū)冰川遺跡的研究成果，則認為中國東部中低山地是存在第四紀冰川遺跡的.

學(xué)者們之所以對第四紀冰川的研究和討論投入這么大的熱情，是因為冰期是地球演化過程中的突變事件，它關(guān)乎地球未來的演化和預(yù)測［6］.地質(zhì)學(xué)發(fā)展到今天不只是解決礦產(chǎn)資源問題，而且還要解決地球環(huán)境問題，更要關(guān)注地球未來環(huán)境的演化規(guī)律以及突發(fā)事件.第四紀地質(zhì)是預(yù)測未來地球演化的基礎(chǔ)［7］，故第四紀冰期的研究對人類賴以生存和可持續(xù)發(fā)展的環(huán)境具有重大意義［8］.

按照施雅風(fēng)院士的觀點［1］，第四紀冰期只有3 000 m以上的高山存在冰川，這樣，在中國東部地區(qū)就不可能存在冰川，說明氣候并沒有到極度寒冷期，這還能不能算是冰期，有待商榷.之所以有學(xué)者對目前在東部發(fā)現(xiàn)的大量冰川遺跡持否定的觀點，是因為大部分遺跡都是零散的、孤立的，具有多解性，沒有形成有效的證據(jù)群或證據(jù)鏈條，不足以支撐冰川存在的觀點.筆者對燕山山脈秦皇島段進行了深入細致的考察，發(fā)現(xiàn)了大量的、類型齊全的與冰川有關(guān)的遺跡，并且相互之間可以印證，為第四紀冰期的研究提供了可靠的資料.

1 區(qū)域背景

秦皇島地處河北省東北部（圖1），北緯40°附近，屬于暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候，春夏受東南海洋季風(fēng)影響，冬季除受東北寒流影響外還受海洋暖流調(diào)節(jié).總體趨勢是冬季較長偏暖，夏季涼爽，秋季較短，春季干旱多風(fēng)，四季分明.年平均氣溫10.1℃，歷史上最高氣溫36℃，最低氣溫－21℃；平均降水量744.7 mm/a，降水量的76%集中在6—8月份.

圖1 研究區(qū)地理位置圖Fig.1 Geographical location map of the study area

在地貌上，秦皇島北部為燕山山脈，南部瀕臨渤海，自北向南依次為山地—低山丘陵—小型山間盆地—沿海沖積平原—濱海沙灘.區(qū)內(nèi)最高的山峰是都山，位于青龍滿族自治縣縣城西北15 km處，海拔1 846.3 m.

秦皇島段的燕山山脈主要由中生代燕山運動一期侵入的閃長玢巖、正長斑巖和燕山運動二期侵入的花崗巖和火山噴發(fā)形成的安山巖、粗面巖組成.

在當(dāng)前氣候條件下，秦皇島結(jié)冰的時間在12月份到第二年的2月份，山區(qū)的冰雪厚度一般不會超過0.5 m，通常情況下不會形成現(xiàn)代的冰川.在前人研究的基礎(chǔ)上，筆者根據(jù)地質(zhì)考察，發(fā)現(xiàn)秦皇島祖山、板廠峪、鴨水河村西山、長壽山等地發(fā)育類型比較全的第四紀冰川遺跡，并且特征都十分明顯，特別是在祖山地區(qū)的冰川遺跡相互之間存在著聯(lián)系，構(gòu)成了證據(jù)鏈條.

祖山位于秦皇島市區(qū)北15 km處，面積大約150 km2，最高峰1428 m.山體主要是由中生代花崗巖組成，形成于燕山運動的晚期，為小型巖基，侵入于新太古代花崗片麻巖、早古生代寒武紀、奧陶紀以及晚古生代石炭紀地層中.經(jīng)過地質(zhì)歷史時期的構(gòu)造運動、風(fēng)化剝蝕以及新構(gòu)造運動，峰巒疊嶂，流水潺潺，植被發(fā)育，是4A景區(qū).

2 主要冰川遺跡及特征

2.1 冰川漂礫

從祖山景區(qū)東門，沿景區(qū)道路向深部進入，在山谷中可看到大片分布的巨石（圖2），巨石的直徑最大可達3 m，重量超過18 t，這些巨石與該地點兩側(cè)山峰的巖石不同.要分析這些巖石的母巖和來源地需要詳細論述一下祖山花崗巖的分帶性.

圖2 祖山山谷中大面積分布的巨型冰漂礫Fig.2 Photograph of widely-distributed giant glacial boulders in Zushan valley

祖山花崗巖具有一定的分帶性，可劃分為中心相、過渡相和邊緣相.

中心相為灰白色粗?；◢弾r，顆粒大小8～20 mm，斜長石含量60%，石英30%，角閃石5%，其他有少量的黑云母、褐鐵礦.礦物晶型完好，粗粒、不等粒結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造.

過渡相為肉紅色、淺肉紅色中細?；◢弾r，正長石含量55%，石英含量22%，斜長石含量15%，其他為黑云母和角閃石等礦物.顆粒大小2～5 mm，中細粒結(jié)構(gòu)、似斑狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，在某些地段縱向節(jié)理發(fā)育.

邊緣相分布在巖基與圍巖接觸帶附近，主要為棕色正長斑巖，斑狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造.斑晶大小1～2 mm，斑晶含量30%.斑晶主要為正長石，含量超過80%，另有少量的石英及其他礦物.

溝谷中這些巨石為灰白色粗?；◢弾r，與中心相巖石類型一致，因此判斷其來源于中心相，而該處是位于過渡相，兩側(cè)山體上的巖石為淺肉紅色中?；◢弾r，距中心相的距離仍有1 500 m，實際上在祖山山口處（巖體的邊緣相）也能見到直徑達1.5 m的中心相的灰白色粗?；◢弾r，距中心相的距離達4 500 m.水流是無法推動這些巨石的，因此，分析認為這些巨石是冰川搬運過來，屬于巨型冰漂礫.

2.2 冰磧

在祖山山谷中，多處發(fā)育有冰磧堆積，大小礫石混雜堆積（圖3），個體最大的可達1 m×1 m，小的只有幾厘米.堆積層的厚度一般0.5～2 m，分布寬度10～30 m，表面已經(jīng)被風(fēng)化的土壤層覆蓋，土壤層厚度0.1～0.3 m，植被發(fā)育.

圖3 祖山山谷中的冰磧Fig.3 Photograph of moraines in Zushan valley

分析認為，這些不是泥石流形成的，因為泥石流堆積具有分帶性，即平面上可以根據(jù)礫石的大小和含量劃分出扇根、扇中、扇端相，同時，巖石也會出現(xiàn)一定的定向排列，不明顯的平行層理.在縱向上會因為不同期次出現(xiàn)明顯的界限和粒序的變化.在祖山的這些雜亂堆積的個別巖石面上還可以看到有冰擦痕，凍裂痕，因此根據(jù)其特征，綜合分析認為該山谷多處堆積物為冰磧.

2.3 石海

在祖山西側(cè)的冰糖峪半山腰處發(fā)育了一片石海（圖4），面積15 m×20 m，由大小不等的巖塊堆積而成，堆積厚度1 m左右.巖石呈棱角狀，雜亂堆積，最大的巖塊可達0.5 m×1.5 m，小的只有十多厘米.這些巖塊都是山坡高處的山體經(jīng)過冰的刨蝕，脫離山體崩塌下來的.當(dāng)然，這些巖塊中也有現(xiàn)代風(fēng)化滾落下來的，現(xiàn)代風(fēng)化滾落下來的巖石與冰刨蝕下來的不完全一樣，冰刨蝕下來的巖塊其棱角明顯［9］，其他風(fēng)化形式脫落的巖石其表面風(fēng)化比較嚴重.像這樣比較大規(guī)模的石海在板廠峪也有分布.

圖4 冰劈作用形成的石海Fig.4 Rock sea formed by frost splitting

2.4 冰臼

冰臼被公認是冰川作用的結(jié)果，是冰川遺跡的重要證據(jù)［10］.在祖山和鴨水河村西山多處發(fā)現(xiàn)有冰臼的存在，最為典型的是在祖山山頂（圖5a）.兩個冰臼相連，單個直徑大小15～20 cm，深度8～10 cm.后期又經(jīng)過風(fēng)、雨水的改造，其中一個成箕狀，一側(cè)深度大，一側(cè)深度淺，并有一個出水口.另外在長壽山也見到了成群分布的冰臼（圖5b），在不到100 m2的范圍內(nèi)分布著大大小小的冰臼20多個，個體最大的直徑可達1.5 m，深度0.8 m，小的冰臼直徑不足10 cm，深度只有5 cm左右.

圖5 祖山冰臼與長壽山冰臼群Fig.5 Photographs of moulin in Zushan Mountain and moulin groups in Changshou Mountain

2.5 冰斗、冰坎和冰蝕槽

鴨水河村西山的巖石主要由新太古界花崗片麻巖和中生代侵入的輝綠巖構(gòu)成，巖石表面風(fēng)化比較嚴重.在靠近山頂?shù)囊惶幮逼律铣雎读艘淮笃鶐r，基巖上面可見小型冰斗、冰坎、冰臼和冰蝕槽.

小型冰斗發(fā)育在輝綠巖之上（圖6），長1.5 m，寬0.3 m，深0.18 m，延伸方向58°，傾角30°.三面陡壁，一面開口，呈簸箕狀，內(nèi)部可見條形擦痕.

圖6 鴨水河村西山上的冰斗Fig.6 Photograph of glacial cirque on the west hill in Yashuihe village

冰坎發(fā)育在花崗片麻巖之上（圖7），陡坎寬15～35 cm，各陡坎之間的高差10～25 cm，在5 m長度的斜坡上連續(xù)出現(xiàn)了5個階梯狀冰坎，并在陡坎上可見順斜坡方向的擦痕.

圖7 鴨水河村西山的冰坎Fig.7 Photograph of glacial threshold on the west hill in Yashuihe village

階梯狀的陡坎是由于冰川遷移時磨蝕基巖，而基巖存在抗磨蝕的差異性，相對軟的部位磨蝕程度高，成為凹坑，堅硬抗磨蝕的部位成為了陡坎.

在裸露的花崗片麻巖的表面見到5條大型的冰蝕槽（圖8），槽寬10～30 cm，槽深3～8 cm，延伸長度4.7 m，延伸方向75°.槽內(nèi)見擦痕和垂直擦痕方向的顫痕.

圖8 鴨水河村西山上的冰蝕槽Fig.8 Photograph of glacial trough on the west hill in Yashuihe village

2.6 羊背石與冰擦痕

在祖山峽谷的山坡上有一巨大的羊背石，頂部呈穹狀，可見寬度20 cm、長度60 cm、深度5～10 cm的擦痕凹坑，擦痕條帶清晰，朝向山坡的下傾方向（圖9）.

圖9 祖山的羊背石及上面的冰擦痕Fig.9 Photograph of sheepback rock with glacial striation in Zushan Mountain

通過分析，首先不是斷層擦痕，因為斷層擦痕不會形成如此深的凹坑；第二也不是雨水侵蝕形成的凹坑，雨水侵蝕的凹坑里面是光滑的，不會有擦痕，因此確定是冰擦痕.在溝谷兩側(cè)的斜坡上多處見到這類冰擦痕.

2.7 冰川拖曳脊?fàn)钅ノg痕

在祖山峽谷的山坡上有一些巨石的底部見脊?fàn)钅ノg痕跡（圖10），頂部呈穹狀的羊背石.這類巖石首先不是從山頂滾落下來的，也不是泥石流攜帶下來的，因為底部存在明顯的脊?fàn)钅ノg擦痕，并且磨蝕的厚度、深度和痕跡十分明顯.如果是山頂滾落下來的話，只會有撞擊的痕跡，棱角分明，不會形成穩(wěn)定的磨蝕；如果是泥石流形成的巨石，是在漂浮狀態(tài)下搬運來的，也不會有磨蝕痕，頂面也不會呈穹狀.因此，認為這類巨石是在冰川的拖曳下向前推進，并不斷地與基底摩擦，導(dǎo)致底面呈脊?fàn)钅ノg痕［11］，頂部又被冰川磨蝕呈穹狀.

圖10 巨石底部脊?fàn)钅ノg痕Fig.10 Photograph of ridge abrasion mark at the bottom of boulder

2.8 角峰和U形谷

角峰和U形谷在祖山十分常見，圖11是其中的一處.角峰和U形谷的相對高差一般10～50 m，角峰的傾角一般40～65°.角峰多表現(xiàn)為山的一側(cè)刨蝕嚴重，另一側(cè)刨蝕相對較弱，這可能與當(dāng)時面對的是陽面或是陰面有關(guān)，因此刨蝕后的角峰多呈“單面山”.U形谷多和角峰伴生，并在谷壁上可見冰斗和擦痕.

圖11 角峰及U形谷Fig.11 Photograph of pyramidal peak and U-shaped valley

3 討論

根據(jù)近幾十年學(xué)者們討論的情況來看，普遍承認存在第四紀冰期［12］，但也有一些學(xué)者認為，東部的冰磧礫石是泥石流成因，并以青藏高原的雪線研究成果對東部進行推演，斷論中國東部低于2500 m以下的中低山區(qū)不存在冰川［13］.他們認為目前發(fā)現(xiàn)的冰川遺跡證據(jù)沒有說服力.根據(jù)施雅風(fēng)院士的的估算［14］，第四紀冰期的溫度比現(xiàn)在的溫度低12～13℃，據(jù)此推算，冰期時的秦皇島年平均溫度應(yīng)該在－2℃以下，冬季極端低溫度會在－30℃以下，祖山海拔比市區(qū)高500 m左右，溫度應(yīng)該比市區(qū)統(tǒng)計溫度還要低3～5℃，這樣的話，在第四紀冰期時祖山的年平均氣溫應(yīng)該在－5℃以下，冬季極端低溫應(yīng)該在－33℃以下.這樣的氣溫條件已經(jīng)比現(xiàn)在新疆天山、青藏高原冰川區(qū)的氣溫還要低7～10℃［15-16］.因此，無論是理論估算，還是豐富的、多類型的冰川遺跡證據(jù)都足以證明秦皇島北部的燕山山脈在第四紀冰期曾經(jīng)廣泛地被冰雪覆蓋，冰川十分發(fā)育.

4 結(jié)束語

關(guān)于中國東部中低山區(qū)第四紀冰期是否存在冰川、冰川發(fā)育的范圍、冰期雪線的高度等已經(jīng)爭鳴了近一個世紀，要解開這一地質(zhì)和古氣候演化的科學(xué)問題，關(guān)鍵還是要有充分的證據(jù).

秦皇島燕山山脈發(fā)現(xiàn)的第四紀冰川遺跡類型豐富，保存完好，特別是祖山發(fā)育的冰川遺跡分布規(guī)律明顯，在山頂處發(fā)育冰臼、角峰和U形谷，在山腰發(fā)育羊背石、冰擦痕和石海，在山坡的下部發(fā)育冰磧，在山谷和山谷的出口處見冰漂礫，相互之間構(gòu)成了完整的證據(jù)鏈條，為研究第四紀冰期提供了可靠的資料.無論從理論上推算，還是依據(jù)大量分布的冰川遺跡分析，或者是與現(xiàn)代冰川的比較有很多的相似性［17-18］，這些都證明秦皇島地區(qū)在第四紀冰河期大面積的被冰雪覆蓋，冰川普遍發(fā)育.

第四紀冰期的研究對于研究現(xiàn)代地球氣候的演化十分重要，而目前的研究基本上是依據(jù)冰川遺跡來作為證據(jù)，在準確確定時間、劃分冰川期次等方面還不夠精確，因此下一步需要開展光釋光測年、微體古生物等研究［19-20］，豐富第四紀冰期的證據(jù).