寧夏清水河中上游發(fā)現(xiàn)末次冰期最盛期冰緣遺跡群

董曉朋，李振宏*，崔加偉，黃 婷，馬兆穎,3，寇琳琳

(1. 中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所,北京 100081; 2. 自然資源部古地磁與古構(gòu)造重建重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081; 3. 中國地質(zhì)大學(xué)(北京) 地球科學(xué)與資源學(xué)院，北京 100083)

0 引 言

冰緣遺跡是古寒冷氣候環(huán)境的重要指示標(biāo)志，所蘊(yùn)含的氣候地層信息對地貌演化過程具有重要的指示意義，在重建一定區(qū)域和時間段的氣候狀況以及劃定多年凍土邊界等方面有不可替代的作用。在中國北方中緯度的華北地區(qū)、鄂爾多斯高原及周緣、河西走廊地區(qū)和巴丹吉林沙漠，以及中高緯度的內(nèi)蒙古呼倫貝爾地區(qū)和東北地區(qū)，保留了大量末次冰期與多年凍土有關(guān)的冰緣遺跡現(xiàn)象，如砂楔、古冰楔、寒凍裂隙和融凍褶皺等，記錄了晚更新世末的寒冷氣候信息。

基于中國北方中高緯度地區(qū)大面積冰緣遺跡群的統(tǒng)計研究，崔之久等提出中國北方20 ka以來中高緯度多年凍土南界的東段沿38°N～40°N延伸，西段沿37°N～39°N延伸。而金會軍等則認(rèn)為末次冰期最盛期凍土南界東段沿41°N～42°N延伸，西段則由鄂爾多斯高原南部的靖邊、鹽池進(jìn)入隴東，到達(dá)37°N～38°N以南。其中，張珂等在寧夏清水河流域下游谷地發(fā)現(xiàn)的晚更新世末融凍褶皺，是末次冰期最盛期凍土南界西段劃分的重要證據(jù)。課題組在寧夏清水河流域中上游谷地發(fā)現(xiàn)了末次冰期最盛期發(fā)育的冰緣遺跡群(包括融凍褶皺和古冰楔等)，本文通過C測年和光釋光測年對冰緣遺跡群的形成時代進(jìn)行了精確限定，并且深入分析了成因機(jī)制，探討了其對古氣候和末次冰期中國北方多年凍土南界劃分的指示意義。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

青藏高原東北緣弧形構(gòu)造帶由弧形展布的海原斷裂帶、香山—天景山斷裂帶、煙筒山斷裂帶和牛首山—羅山斷裂帶以及相間分布的山間盆地組成(圖1)。清水河起源于海原斷裂帶以南的六盤山構(gòu)造帶，流經(jīng)香山—天景山斷裂帶和煙筒山斷裂帶之間近SN向展布的狹長谷地，在寧夏中衛(wèi)地區(qū)匯入黃河。

F1為海原斷裂帶；F2為香山—天景山斷裂帶；F3為煙筒山斷裂帶；F4為牛首山—羅山斷裂帶 圖1 寧夏清水河中上游區(qū)域地質(zhì)簡圖Fig.1 Geological Sketch of the Middle to Upper Reaches of Qingshuihe River, Ningxia

中晚更新世時期，六盤山構(gòu)造帶南段經(jīng)歷了快速地幕式抬升過程，發(fā)育約541、約477、約279和約60 ka B.P.多期河流階地。受晚更新世末以來青藏高原東北緣快速的構(gòu)造抬升和側(cè)向擠出影響，不僅六盤山構(gòu)造帶發(fā)生頻繁的斷裂活動和快速的走滑變形，而且清水河流域發(fā)育了四級河流階地(T1—T4，約147.5 ka B.P.以來)。清水河流域在1.8～1.1 Ma冰期、間冰期氣候差異不大，基本處于干冷氣候狀態(tài)，而在約0.8 Ma B.P.以來，氣候變化整體呈現(xiàn)高頻振蕩特征，冰期、間冰期氣候兩極分化，冰期更干冷，間冰期更溫暖。

2 冰緣遺跡群分布及特征

在清水河中上游寧夏回族自治區(qū)海原縣三營鎮(zhèn)唐堡村剖面(經(jīng)緯度為(36°22′5″N，106°8′25″E),海拔為1 399 m)發(fā)現(xiàn)多處古冰楔(圖2～4)；在唐堡村剖面北側(cè)7 km處的三岔河剖面(經(jīng)緯度為(36°25′53″N，106°8′34″E),海拔為1 378 m)發(fā)現(xiàn)多處融凍褶皺(圖5、6)。該冰緣遺跡群的發(fā)現(xiàn)位置在清水河流域下游冰卷泥構(gòu)造發(fā)現(xiàn)位置南側(cè)約52′，徑向上距離相差約97 km。

圖2 唐堡村剖面楔狀體-1野外照片及其素描Fig.2 Field Outcrop and Sketch of Ice Wedge Pseudomorph-1 in the Tangbaocun Section

2.1 唐堡村剖面

在唐堡村剖面[圖2(a)]中，層(1)，0～330 cm，灰白色厚層塊狀黏土質(zhì)粉砂，無明顯層理，較堅硬；層(2)，330～375 cm，棕紅色粉砂夾薄層深棕紅色黏土質(zhì)粉砂，與下伏層(1)不整合接觸；層(3)，375～482 cm，灰白色薄層黏土質(zhì)粉砂與淺棕紅色粉砂質(zhì)黏土互層，其中黏土質(zhì)粉砂單層厚8～10 cm，粉砂質(zhì)黏土單層厚3～5 cm；層(4)，482～507 cm，淺棕紅色細(xì)砂層；層(5)，現(xiàn)代耕植土。

楔狀體-1(圖2)發(fā)育于層(1)灰白色厚層塊狀黏土質(zhì)粉砂層中，深度大于285 cm，寬56～102 cm；出露地表的部分呈楔形，上寬下窄，楔壁不平直，凹凸不平。同時，楔體中充填有周圍地層的碎塊和棕紅色粉砂，無明顯層理。楔壁凹凸不平可能是形成發(fā)育過程中受凍脹作用影響，周圍地層破碎塌陷造成的。周圍地層崩塌的碎屑充填于楔體中。在臨近兩側(cè)楔壁的周圍地層中還發(fā)育裂隙，自上而下逐漸尖滅[圖2(b)]。這些裂隙的頂部與層(1)、層(2)間的不整合面近乎垂直，向下逐漸向楔壁彎曲，但均未與楔壁相交[圖2(b)]。裂隙中還充填有與上覆地層相同的粉砂[圖2(a)]。這些裂隙與自下而上發(fā)育的活動斷層和與主干斷層相交的伴生斷層不同。由于古冰楔是脈冰融化后充填而形成，并且楔體中常充填周圍地層塌落的塊體，所以這些裂隙可能是周圍地層向楔體內(nèi)塌落前形成的。綜合判斷該楔體為古冰楔。

在圖2中，楔狀體-1北東側(cè)(53°方向)約18 m處新開挖的田地旁發(fā)現(xiàn)3處楔狀體(楔狀體-2～4)，相互間隔1.8～5.0 m。該處地層序列為[圖3(a)]：層(1)，0～110 cm，灰白色厚層塊狀黏土質(zhì)粉砂，層理不清，未見底，并且頂部被水流沖刷，發(fā)育侵蝕面；層(2)，110～160 cm，棕紅色、淺棕紅色細(xì)砂與棕紅色黏土互層，細(xì)砂單層厚3～15 cm，棕紅色黏土單層厚3～5 cm，發(fā)育平行層理、斜層理和透鏡狀層理；層(3)，160～350 cm，灰白色粉砂夾多層薄層狀棕紅色細(xì)砂，其中粉砂單層厚15～18 cm，而細(xì)砂單層厚約2 cm；層(4)，350～365 cm，紫紅色細(xì)砂，偶夾細(xì)礫，發(fā)育平行層理和斜層理；層(5)，365～545 cm，棕紅色厚層塊狀黏土質(zhì)粉砂，夾灰白色薄層或透鏡狀細(xì)砂或粉砂；層(6)，545～635 cm，灰白色粉砂與棕紅色黏土質(zhì)粉砂互層，其中灰白色粉砂單層厚5～8 cm，棕紅色黏土質(zhì)粉砂單層厚10～15 cm；層(7)，635～785 cm，棕紅色厚層塊狀粉砂質(zhì)黏土，夾透鏡狀細(xì)砂；層(8)，785～825 cm，淺棕紅色黏土質(zhì)粉砂；層(9)，825～855 cm，棕紅色黏土，發(fā)育少量石膏晶體；層(10)，855～875 cm，青灰色黏土層，發(fā)育大量石膏晶體；層(11)，875～955 cm，棕紅色粉砂質(zhì)黏土與黏土質(zhì)粉砂互層，其中粉砂質(zhì)黏土單層厚8～10 cm，而黏土質(zhì)粉砂單層厚5～8 cm。

圖3 唐堡村剖面楔狀體-2～4野外照片F(xiàn)ig.3 Field Outcrops of Ice Wedge Pseudomorph-2-4 in the Tangbaocun Section

從地層序列和巖性特征來看，楔狀體-2～4與楔狀體-1所在剖面的層(1)均為灰白色厚層塊狀黏土質(zhì)粉砂，頂部均發(fā)育侵蝕面(圖2、3)，層(2)均為棕紅色細(xì)砂或粉砂與黏土質(zhì)粉砂或黏土互層，頂部均發(fā)育含大量石膏的青灰色黏土層。因此，其地層序列可以對比，區(qū)別在于地層厚度不一致。

楔狀體-2～4[圖3(b)～(d)]均發(fā)育在侵蝕面之下的層(1)，楔體內(nèi)均被棕紅色粉砂、棕紅色黏土質(zhì)粉砂或粉砂質(zhì)黏土充填。楔狀體-2上寬下窄，楔體頂部寬約5 cm，深度約90 cm；楔壁平直、整齊，周圍地層未發(fā)生明顯變形[圖4(b)]；楔體中無周圍地層碎塊。楔狀體-3也呈現(xiàn)上寬下窄的形態(tài)特征，但是楔壁形態(tài)不規(guī)則[圖4(c)]；楔體頂部寬約13 cm，深度約30 cm；楔壁相對整齊平滑，楔體內(nèi)充填棕紅色細(xì)砂和棕紅色黏土。楔狀體-4形態(tài)不規(guī)則，總體來看也呈現(xiàn)上寬下窄的形態(tài)特征，頂部寬約15 cm，向下稍變寬后立即變窄，深約78 cm[圖4(d)]；楔體內(nèi)充填有棕紅色細(xì)砂，含少量周圍地層碎塊。

圖4 唐堡村剖面楔狀體-2～4素描Fig.4 Sketches of Ice Wedge Pseudomorph-2-4 in the Tangbaocun Section

楔狀體-3和楔狀體-4的楔壁形態(tài)不規(guī)則，楔壁凹凸不平，周圍地層中層理發(fā)生明顯變形[圖4(c)、(d)]。這可能是在古冰楔發(fā)育過程中受脈冰擠壓和凍脹作用影響，周圍地層發(fā)生變形造成的。在靠近楔狀體-3和楔狀體-4的周圍地層中還發(fā)育少量裂隙，充填有少量與上覆地層相同的棕紅色細(xì)砂或黏土。裂隙僅發(fā)育在層(1)中，未穿入層(2)，形態(tài)不規(guī)則，但均未與楔壁相交，自下而上逐漸尖滅[圖4(c)、(d)]。因此，這些裂隙與楔狀體-1兩側(cè)周圍地層中的裂隙成因一致，是周圍地層向楔體內(nèi)塌落前形成的。

楔狀體-2～4內(nèi)，充填有棕紅色細(xì)砂夾棕紅色黏土，其層理與楔壁近于平行或斜交。這說明楔體先形成，在多年凍土的消融過程中，沉積物沿楔體內(nèi)脈冰與楔壁之間空隙多次充填，形成與楔壁近于平行或斜交的層理[圖4(b)～(d)]。

根據(jù)以上特征綜合判斷，楔狀體-1～4為古冰楔。受熱脹冷縮作用影響，在極端寒冷干燥的氣候條件下，地表多年凍土收縮形成裂隙，并且裂隙中的脈冰不斷生長擠壓周圍地層，造成楔壁凹凸不平，而在氣候條件逐漸變暖之后，多年凍土逐漸消融，楔體被沉積物充填。

2.2 三岔河剖面

三岔河剖面[圖5(a)、6(a)]中，層(1)，0～74 cm，灰白色粉砂夾薄層棕紅色黏土，發(fā)育平行層理；層(2)，74～122 cm，淺棕紅色粉砂，夾薄層棕紅色黏土；層(3)，122～187 cm，淺褐黃色粉砂，夾薄層淺棕紅色黏土；層(4)，187～247 cm，灰白色粉砂與淺棕紅色黏土互層，其中粉砂單層厚20～30 cm，黏土單層厚5 cm；層(5)，247～279 cm，淺棕紅色黏土層；層(6)，279～359 cm，灰白色粉砂，夾薄層淺棕紅色黏土；層(7)，359～439 cm，青灰色石膏質(zhì)黏土層，與層(6)不整合接觸；層(8)，439～484 cm，棕紅色石膏質(zhì)黏土層；層(9)，484～544 cm，青灰色粉砂層，含大量石膏；層(10)，544～569 cm，棕紅色石膏質(zhì)黏土層；層(11)，569～639 cm，淺棕紅色粉砂層，夾薄層棕紅色黏土層。其中，層(6)與層(7)之間發(fā)育侵蝕面，褶皺發(fā)育在層(2)和層(3)中。

褶皺層距侵蝕面172～230 cm，距地表約280 cm。層(2)中褶皺層水平延伸連續(xù)，但褶皺大小不一，形態(tài)各異，有對稱的波浪狀或丘狀[圖5(d)、6(d)]，也有不對稱的舌狀[圖5(b)、6(b)]，褶皺軸面傾向多變；褶皺間距30～120 cm不等，高30～50 cm，寬40～110 cm。層(3)中褶皺層水平延伸連續(xù)，褶皺規(guī)模普遍比層(2)中大，形態(tài)以波浪狀或丘狀，多對稱[圖5(c)、6(c)]；褶皺間距40～100 cm不等，高30～50 cm，寬40～120 cm。層(2)和層(3)褶皺軸面傾向產(chǎn)狀雜亂，無統(tǒng)一指向；軸部無明顯加厚或減薄，翼部未發(fā)生層間滑動；褶皺層頂部未發(fā)育截切現(xiàn)象，層間褶皺未發(fā)育層間逆沖或正斷裂，符合凍融作用形成的褶曲變形特征，而與典型滑塌褶皺有明顯區(qū)別。根據(jù)以上特征綜合判斷，層(2)和層(3)中褶皺層為融凍褶皺。

3 冰緣遺跡群形成時代

唐堡村剖面(圖2)中，在層(1)底部和頂部采集光釋光測年樣品TB-Qp-1和TB-Qp-2，測年結(jié)果分別為(15.98±1.88)和(14.06±1.08)ka B.P.；在層(2)采集光釋光測年樣品TB-OSL-1，測年結(jié)果為(10.76±1.04)ka B.P.；在楔體中采集光釋光樣品TB-OSL-7和TB-OSL-8，測年結(jié)果分別為(11.27±1.10)和(11.45±1.32)ka B.P.(表1)。

表1 唐堡村剖面光釋光測年樣品信息及測年結(jié)果Table 1 OSL Dating Results of Samples Collected from the Tangbaocun Section

三岔河剖面 [圖5(a)、6(a)]中，在層(3)、層(6)和層(7)底部分別采集C測年樣品SCH-C1、SCH-C6和SCH-C2，測年結(jié)果分別為(14 210±40)、(13 500±40)和(11 570±40)a B.P.(表2)。

表2 三岔河剖面14C測年樣品信息及測年結(jié)果Table 2 AMS 14C Dating Results of Samples Collected from the Sanchahe Section

古冰楔和融凍褶皺作為冰緣遺跡現(xiàn)象，無法直接測定其形成時代，而只能通過地層以及填充物質(zhì)的年齡來限定其上限和下限年齡。對于古冰楔，其形成時代應(yīng)是楔體內(nèi)開始充填之前的某一段時間，而融凍褶皺的形成時代則只能根據(jù)褶皺層的上下地層及特殊界面來推測。唐堡村剖面中發(fā)育古冰楔的層(1)頂界年齡約為14.06 ka B.P.，層(2)年齡約為10.76 ka B.P.，而楔體內(nèi)填充地層的年齡為11.45～11.27 ka B.P.。據(jù)此可推斷古冰楔的形成時限為14.06～11.45 ka B.P.。三岔河剖面中[圖5(a)、6(a)]發(fā)育融凍褶皺的層(3)年齡約為14 210 a B.P.，侵蝕面之下層(6)的年齡約為13 500 a B.P.，侵蝕面之上層(7)底界的年齡約為11 570 a B.P.。融凍褶皺發(fā)育在多年凍土上限以上活動層內(nèi)，發(fā)育位置距地表一般不會超過2～3 m范圍。三岔河剖面中融凍褶皺層距現(xiàn)今地表約452 cm，距層(6)與層(7)間侵蝕面約172 cm。故推斷該侵蝕面可能是融凍褶皺發(fā)育時期的古地面。根據(jù)融凍褶皺層[層(3)]和侵蝕面之上沉積底界[層(7)]年齡，可以推斷融凍褶皺的形成時限為13 500～11 570 a B.P.。

圖5 三岔河剖面融凍褶皺野外照片F(xiàn)ig.5 Field Outcrops of Cryoturbations in the Sanchahe Section

圖6 三岔河剖面融凍褶皺素描Fig.6 Sketches of the Cryoturbations in the Sanchahe Section

4 古氣候指示意義

寧夏清水河流域中上游發(fā)現(xiàn)的冰緣遺跡群主要包括古冰楔和融凍褶皺，形成于河流相沉積地層中。根據(jù)光釋光測年和C測年結(jié)果，古冰楔的形成時限為14.06～11.45 ka B.P.，融凍褶皺的形成時限為13 500～11 570 a B.P.。新仙女木事件(Younger Dryas)為末次冰期最盛期后晚冰階內(nèi)發(fā)生的最后一個極冷事件，此階段持續(xù)時間為12.9～11.7 ka B.P.，降溫幅度較大。通過對比本研究測年結(jié)果與新仙女木事件持續(xù)時間可發(fā)現(xiàn)，不僅發(fā)育古冰楔的地層沉積時代(早于約14.06 ka B.P.)和發(fā)育融凍褶皺的地層沉積時代(早于約13 500 a B.P.)均早于新仙女木事件的開始時間(約12.9 ka B.P.)，而且不整合面之上地層沉積時代(晚于約11 570 a B.P.)或楔體內(nèi)的填充地層沉積時代(晚于約11.45 ka B.P.)又晚于新仙女木事件的結(jié)束時間(約11.7 ka B.P.)。據(jù)此可推斷，受到新仙女木事件的影響，清水河流域在末次冰期晚冰階仍然發(fā)育大面積的多年凍土。根據(jù)冰緣遺跡類型與圍巖巖性、古溫度環(huán)境的關(guān)系綜合判斷，古冰楔發(fā)育時古地溫不超過-5 ℃～-4 ℃，以地氣溫差2.5 ℃～3.0 ℃推算，冷事件期間古氣溫為-8.0 ℃～-6.5 ℃。

5 對中國北方末次冰期多年凍土南界劃分的指示意義

目前，晚更新世末末次冰期最盛期中國北方中緯度多年凍土南界的西段，在鄂爾多斯地區(qū)向南凸出至陜西省榆林市、靖邊縣(37°N)附近(內(nèi)蒙古自治區(qū)烏審旗縣城南15 km)，在河西走廊地區(qū)由寧夏回族自治區(qū)中衛(wèi)市(37°14′N)進(jìn)入甘肅省酒泉市、敦煌市和內(nèi)蒙古自治區(qū)阿拉善盟(39°N～40°N)。金會軍等認(rèn)為在25～13 ka B.P.鄂爾多斯高原及周緣氣溫達(dá)到最低，多年凍土范圍可向南擴(kuò)展至37°N～38°N以南。其中，在寧夏清水河流域下游(37°14′N)發(fā)現(xiàn)的晚更新世末融凍褶皺為末次冰期最盛期多年凍土南界的劃分提供了重要依據(jù)。而本次研究中，在清水河流域中上游(36°22′5″N～36°25′53″N)發(fā)現(xiàn)的末次冰期最盛期冰緣遺跡群為中國北方中緯度多年凍土南界西段的劃分提供了新的證據(jù)。清水河流域中上游冰緣遺跡群的發(fā)現(xiàn)位置在寧夏中衛(wèi)地區(qū)融凍褶皺發(fā)現(xiàn)位置(37°14′N)以南，緯度上相差約52′，徑向上距離相差約97 km。因此，末次冰期最盛期清水河流域中上游發(fā)育大面積的多年凍土，并且分布范圍至少到達(dá)36°22′5″N以南。

6 結(jié) 語

(1)寧夏清水河流域中上游發(fā)育末次冰期最盛期冰緣遺跡群，包括古冰楔和融凍褶皺等，形成時代分別為14.06～11.45 ka B.P.和13 500～11 570 a B.P.。本次冰緣遺跡群的發(fā)現(xiàn)表明在新仙女木事件的影響下清水河流域在末次冰期最盛期發(fā)育大面積的多年凍土。

(2)末次冰期最盛期清水河流域中上游發(fā)育的多年凍土分布范圍至少到達(dá)36°22′5″N以南。末次冰期最盛期中國北方中緯度約20 ka以來凍土南界西段可以向南推移至少約52′(徑向上距離約97 km)。

恰逢西安地質(zhì)調(diào)查中心組建六十周年，謹(jǐn)以此文表示衷心祝賀！自“特殊地區(qū)地質(zhì)填圖工程”實(shí)施以來，中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所長期在西北地區(qū)開展基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查和地質(zhì)填圖工作，與西安地質(zhì)調(diào)查中心在地質(zhì)填圖、地球科學(xué)研究和人才培養(yǎng)等方面開展了很多富有成效的深入合作，得到了西安地質(zhì)調(diào)查中心李榮社教授級高工、王永和教授級高工等多位同行的大力支持和幫助。衷心祝愿西安地質(zhì)調(diào)查中心在西北地區(qū)地質(zhì)調(diào)查與科技創(chuàng)新中取得更大的成績！