王照波，王江月，王全義，徐憲立，李寶杰

(1山東指南針礦產勘查有限公司，山東 臨沂 276006； 2. 沂蒙山國家地質公園管理局，山東 臨沂 273304； 3.國土資源部金礦成礦過程與資源利用重點實驗室，山東 濟南 250013； 4.曲阜師范大學地理與旅游學院，山東日照 276800； 5.河南省小秦嶺國家級自然保護區(qū)管理局，河南 靈寶 472500； 6.河南省有色金屬地質勘查局第六地質大隊，河南 鄭州 450016)

0 前言

我國第四紀冰川遺跡的研究，自1922年李四光先生提出太行山東麓存在冰川遺跡[1]，1933年提出廬山冰川遺跡[2]，就受到了部分學者的質疑，如黃培華[3]、施雅風[4-7]等曾先后撰文進行質疑，這一問題也成了我國科學界少有的持續(xù)了近一個世紀的學術爭論。施雅風等[5]認為中國東部海拔2000m以下的中低山，第四紀全過程都缺乏冰川發(fā)育條件，以往的論述都屬于誤解。

筆者等[8-12]近幾年對山東蒙山地區(qū)第四紀冰川遺跡進行了較為詳細的調查與研究，并引起學界關注[13-15]。在對山東蒙山、我國東部以及東亞地區(qū)的末次冰期的雪線高程進行重建的過程中，發(fā)現了一條縱貫東亞地區(qū)的槽狀雪線分布區(qū)，因此將這一槽狀雪線分布區(qū)命名為東亞冷槽[11]。在此后的學術交流過程中，發(fā)現楊懷仁先生等[16]在1980年也曾經提出過一個近似的概念，即“冷槽”，用以表述我國東部向南突出呈舌狀的低溫區(qū)。

為了進一步確認東亞冷槽西壁的海拔梯度與冰磧發(fā)育特征，在沿嵩山、崤山一線東西向進行考察的過程中，發(fā)現了河南省三門峽市甘山(34°27′41″，111°12′24″)套合式冰斗。由于甘山地區(qū)賦存巖石與海拔梯度的特殊性，導致了該冰斗具有獨特的套合式特征，而該套合式冰斗在研究該區(qū)域，乃至我國東部第四紀冰川各期次的雪線高程、冰蝕作用、氣候演化規(guī)律、冰川進退等方面，都具有無可比擬的意義。而進一步的研究發(fā)現，甘山冰斗系統與MIS演化階段之間存在著極強的耦合關系。對秦嶺地區(qū)的冰川遺跡，王桂增[17]、劉有民等[18]對東經110°30′以西的秦嶺山區(qū)的太白山、鰲山、華山，以及太白盆地、洛南盆地等進行了系統性的研究，獲得了翔實的研究成果，并確定出研究區(qū)的最低雪線高程1300～1500m。但對于豫西的崤山地區(qū)，尚沒有發(fā)現前人進行相關的冰川研究。

冰斗是冰川作用遺留下的重要遺跡形式，同時由于是冰川作用以山體為載體雕鑿而成的遺跡，因此也是諸多冰川遺跡中最難被磨滅的痕跡類型，這一不易消磨的“過程記錄”超強特性，在冰川作用研究中所具有的重要意義，尚未得到應有的重視。

1 甘山地區(qū)地質地貌特征

甘山位于河南省西部三門峽市陜州區(qū)與靈寶市的交界處，屬于崤山的主峰(圖1)，海拔1885m。隸屬于三門峽市陜州區(qū)甘山森林公園，距靈寶市22km。甘山山體形狀奇特，山頂部位展現為近似圓形的凹陷，向SW向呈現為一單向開口的“破火山口狀”。該開口自山頂向南西方向延伸過程中，顯示出明顯的“五環(huán)套合”的特征(圖2)。

圖1 崤山山系特征及甘山位置圖

圖2 甘山冰斗系統的衛(wèi)片及解譯圖

該區(qū)域在大地構造位置上位于華北板塊南緣，秦嶺構造帶北側東延部分。甘山主體由安山巖系列巖石組成，屬于元古界長城系熊耳群許山組，巖石類型主要為安山巖、氣孔狀安山巖等。安山巖呈褐色，局部夾安山玢巖，以氣孔、杏仁狀構造發(fā)育為特征，杏仁體呈橢圓球狀。巖石具有玻晶交織結構，基質主要是斜長石微晶，少量磁鐵礦。甘山山體巖石類型單一，硬度中等，山坡碎石、泥土發(fā)育，山谷中松散沉積物厚度為數米到十幾米。

在底部溝谷中發(fā)育有大量的冰磧沉積物，同時發(fā)現有漂礫、條痕石、冰槽磨光面等冰川遺跡。綜合分析，筆者將甘山套合式冰斗系統的形成方式稱之為“冰斗環(huán)退”，這種冰斗環(huán)退方式的發(fā)現，對于解釋冰蝕地貌演化規(guī)律有極其重要的意義。

2 甘山冰斗的特征

通過現場調查與衛(wèi)片解譯，該冰斗系統共由5期冰斗套合而成(圖2a)，自上而下，由C1～C5組成，實質上該冰斗系統為一“蓮花狀”的復式冰斗系統(圖2b)，研究發(fā)現，圖2a中冰斗環(huán)的直徑并不代表對應冰斗的直徑，圖2b中的冰斗環(huán)才真正代表相應冰斗的直徑。這種復式冰斗的形成，實質上是與歷史上的古冰斗疊加而成的結果，現今冰斗系統的表象下隱藏了曾經的冰斗，也即前冰斗。

對比發(fā)現，冰斗外緣的收縮特征，也基本上對應了冰斗的期次，這是由于冰斗形成過程中的“溫度控制”原因造成的?；诖耍刂废到y的外緣對冰斗進行冰斗環(huán)的期次劃分，C1～C13冰斗環(huán)展布特征如圖3所示。

圖3 甘山C1～C13冰斗環(huán)套合形式圖

C1～C5段冰斗的總體展布方向為44°，各期次冰斗遺跡清晰可辯，在冰斗出口處均遺留有冰磧構成的冰檻。由于冰斗的環(huán)形推進，在冰退過程中，冰斗的前弧保留較好，后弧則受到破壞，僅在側壁上有部分殘留，前弧與后弧一起，在側壁上形成三角脊(圖2)。經分析，所有冰斗的長寬比在0.93～1.69之間(表1)，與國內臺灣山脈、點蒼山、長白山、拱王山、螺髻山等山的冰斗長寬比較為一致[19]。同時，根據冰斗底部的冰檻海拔，可以較為有效地確定相應期次的雪線高程[19]。

3 甘山冰川槽谷與冰磧擦痕特征

3.1 甘山冰川槽谷及其遺跡特征

甘山冰川槽谷，分布在冰斗的底部，為歷次冰斗作用疊加而成，應當說，冰川槽谷的“U”特征，主要是由于冰斗作用的過程中形成的。但由于甘山的巖石為安山質巖石，硬度中等，且類型單一，在局部的槽谷壁上還是形成了布滿擦痕的磨光面(圖4a)。

該磨光面崖壁平整(34°26′30″，111°11′45″，海拔高度1254m)，磨光面長12m，高3～5m，擦痕具有標準的細密、平直，近似平行的特征(圖4b)。

3.2 冰磧特征

冰斗內分布有大量的冰磧沉積物，尤其在每一期的冰檻處，都有大量的冰磧堆積，這些冰磧沉積具有通常的混雜堆積的特征(圖4c)，即大小礫石與泥沙混雜在一起，不顯示層理。在該處的冰磧沉積的礫石上，可以見到明顯的擦痕(圖5d)，(34°28′47″，111°11′49″，海拔高度1313m)，擦痕寬2mm，長20cm，多條平行于礫石的長軸方向。礫石上的擦痕也具有細密、平直，近似平行的特征[20-21]。

表1 甘山C1～C5冰斗特征

經調查，甘山復合式冰斗中存在的無論是冰槽谷壁擦痕，還是冰磧礫石擦痕，其特征都具有細密的特征，擦痕寬度為1～2mm，長度多在2～3cm，最長為20cm左右。沒有發(fā)現大型擦痕，分析形成這種細密擦痕的原因，是由于該冰斗內的巖石類型較為單一，礫石的硬度基本一致，由于很難存在以硬刻軟的情況，從而導致難以形成大型擦痕。巖石類型單一，導致的巖石硬度一致，是難以形成大型冰川擦痕的重要原因。

圖4 甘山冰斗及其冰川遺跡

4 甘山冰斗系統與MIS之間耦合關系分析

20世紀50年代，利用同位素比率來反應溫度變化的思想被應用到深海鉆孔與冰川學等研究領域，Shackleton分析底棲有孔蟲的18O指出：18O的變化可反映大陸冰量的變化。根據底棲有孔蟲的18O的變化曲線并結合古地磁測年劃分了海洋氧同位素階段(Marine Oxygen Isotope Stage，簡稱MIS)[22]。此后，該曲線得到了進一步的完善[23]。

深海氧同位素階段(MIS)其代表氣溫的波動周期，正好符合了米蘭科維奇天文冰期理論(即歲差、偏心率和黃赤交角)。深海氧同位素具體指深海沉積物中底棲有孔蟲的δ18O含量變化多寡被用來表示第四紀期間的全球氣溫變化的高低，MIS曲線被認為是完整的記錄了第四紀全球氣候變化，其中，MIS曲線的偶數階段對應冰期，奇數階段對應間冰期[24]。深海沉積氣候記錄有較好的一致性與相互印證性：低值指示冷期，如MIS 2，4，6，12，16等偶數階段；高值指示暖期，如MIS 5，7，9，13等奇數階段。代表大陸冰量變化的MIS記錄曲線為冰期的研究樹立了標尺，人們自然在這個標尺中為歷次冰期尋找對應的位置[22]。圖5中部的MIS曲線，則是被廣泛引用的18O的演化曲線[24]。曲線中的高值代表了暖期，低值代表了冷期，其縱向波動的幅度，在一定程度上反映了當時氣溫的變化幅度，橫行上的寬度，則一定程度上代表了冷期或暖期的持續(xù)時間。

圖5 甘山冰斗環(huán)與MIS對比關系圖

基于MIS的偶數階段對應于冰期的演化，而冰斗則是冰川作用最為直接的產物，因此，將冰川作用形成的冰斗環(huán)與MIS的偶數階段進行對比分析，發(fā)現二者之間存在極強的耦合關系。

基于末次盛冰期(LGM)，也即MIS2階段，是第四紀冰期演化中的最后一期規(guī)模性的冰川作用，因此將冰斗環(huán)的最上一環(huán)C1與MIS2階段進行耦合性分析(圖5冰斗環(huán)值)，C2冰斗環(huán)對應于MIS4，以此類推。會發(fā)現C5冰斗環(huán)的面積明顯偏小，其對應的MIS10階段的冰期作用時間也明顯體現出較短的特征。而C6的冰斗環(huán)對應較強的MIS12階段，C10較小的冰斗環(huán)則對應于較弱的MIS20，這些對應性也都顯示了冰期演化的0.4Ma周期規(guī)律的特性。在C3與C4之間存在的微微顯示的冰斗環(huán)，則為MIS6與MIS7之間的氣溫波動在冰斗形成過程中的顯現。

5 甘山冰斗系統與冰進、冰退作用過程

研究顯示，甘山冰斗系統除了冰斗環(huán)退系統之外，還發(fā)現了冰斗環(huán)進系統。其不同的是，由于冰斗開口方向的前半圓位置的冰蝕作用強于后半圓，在冰斗的環(huán)退系統中可以較好地保留冰檻與前弧(圖6a、圖2、圖8a、圖8b)；但在冰斗環(huán)進系統中，其冰檻與后弧則會遭到較強的清理而很難保存下來(圖6b、圖8c)，但三角脊都會較好地保留。此外，在太白山東側冰斗系統中，還發(fā)現有在古老的冰斗中發(fā)育了新的冰斗系統的冰斗疊加現象，有可能暗示了在后期的冰退系統之前，曾經存在古老的前世冰斗。

圖6 冰斗的環(huán)進與環(huán)退過程示意圖

甘山冰斗系統共有4段組成，自上而下劃分為A，B，C，D四段(圖7)，A段由C1～C5冰斗環(huán)組成，延伸方向為44°，為冰退系統，對應MIS2-MIS10；B段由C6～C13冰斗環(huán)組成，延伸方向為77°，為冰退系統，對應于MIS12～MIS26；C段由C14～C27組成，延伸方向為102°，為冰退系統，對應MIS28～MIS54；D段由C28～C48冰斗環(huán)組成，延伸方向為229°，為冰進系統，對應MIS56～MIS96，但是根據研究發(fā)現，C48并非D段的最高冰斗環(huán)，在C3，C5，C11，C19的冰斗位置，疊加了前期的古冰斗，這些可能為C51，C50，C49等前冰斗等遺留的冰斗環(huán)的位置。

甘山冰斗系統自上而下的四段中，每一段都保持了較為穩(wěn)定的方向，但各段之間均表現出較大的轉向，且在各段的過渡位置，一般存在較大的高差，表明在各段的過渡時間段內，氣候環(huán)境曾經發(fā)生了較大的變化。此外，由A～D，其冰斗遺跡的清晰度逐漸減弱，顯示了形成時間的逐漸變老。D段的下游是否還有E段冰斗系統，因為年代久遠，風化嚴重，恢復極為困難，這需要進一步的研究工作予以確定。

各段對應的MIS年代值如下(圖5)，A段為0.01～0.40Ma，B段0.40～0.98Ma，C段為0.98～1.6Ma，D段為1.6～2.56Ma。根據冰斗殘余的后弧位置的判斷，A，B，C三段為冰斗環(huán)退系列，代表冰川由低海拔向高海拔方向逐漸退卻的冰退系列。D段為冰斗環(huán)進系列，代表冰川由高海拔向低海拔逐漸推進的冰進系列。冰進與冰退的拐點在距今1.60Ma的MIS56附近。海拔最低的冰斗環(huán)為C28，其海拔僅為750m，對應MIS56，即1.6Ma左右，這代表了我國目前所知的分布面積最大的冰期。

丁仲禮等[25]通過黃土分離出37次的黃土—古土壤組合，認為代表了2.5Ma以來氣候經歷的37次冷暖旋迥，也與通過冰斗環(huán)像遺跡分離出的51次冰期旋回，對應于2.56Ma前的冰期作用，在旋回的開啟時間上是吻合的。黃土反映出的氣候旋回次數少于冰斗環(huán)、MIS反映的氣候旋回次數的原因，筆者認為間冰期的雨水沖蝕作用，可能會消蝕掉部分較弱的黃土沉積，從而導致旋回次數的減少。

根據衛(wèi)片初步解譯，我國冰斗系統分布較為廣泛，如安徽天柱山(圖8d)、山東蒙山(圖8e)、內蒙古巴林左旗(圖8f)、海南島南端(圖8h)等地，都有較為典型的冰斗系統分布。

a—日本富士山南坡冰斗系統；b—珠峰南坡冰斗系統；c—太白山南坡冰斗系統；d—天柱山南坡冰斗系統；e—蒙山南坡冰斗系統；f—巴林左旗南冰斗系統；g—洛南東冰斗環(huán)進系統；h—海南島南端冰斗環(huán)進系統圖8 參考對比的冰斗系統

6 結論

(1)甘山冰斗系統及相應的槽谷磨光面、冰磧磨光面、擦痕等冰川遺跡的發(fā)現，說明在甘山地區(qū)發(fā)生過第四紀的冰川作用。同時根據冰斗系統的冰檻目前海拔高度，可估計當時雪線高程應在750～1700m之間，表明我國東部地區(qū)海拔2000m以下的山區(qū)存在第四紀冰川作用。

(2)根據甘山冰斗系統與MIS之間存在的密切耦合關系，可以追蹤到MIS100左右階段的冰斗遺跡，表明我國至少從2.56Ma就存在冰川作用。

(3)根據冰斗環(huán)退、環(huán)進及其與MIS階段的對比研究，C28冰斗環(huán)是目前所知海拔最低的冰斗，暗示了我國冰川覆蓋面積最大的冰期為C28冰斗環(huán)對應的MIS56階段，其時代為距今1.6Ma左右，推測C28環(huán)或許是我國東部冰期由冰進向冰退轉換的拐點。

由于冰斗作用對于山體強大的塑造作用，是其他陸上風化剝蝕等外作用所無法比擬的，因此推測我國東部山谷地貌的主要外力作用，應存在冰斗作用深刻的影響與痕跡，這一點以往被嚴重的忽視了。冰斗是以塑造山體為載體的冰川遺跡，也是冰川作用的眾多遺跡中最易保存的冰川遺跡，且冰斗環(huán)與MIS演化階段之間存在的耦合性，對其進行更加廣泛與深入的研究，對于認識我國第四紀冰川作用過程及氣候演化規(guī)律具有極其重要的意義。

致謝：本項研究得到了河南地礦職業(yè)學院張先教授、河南理工大學司榮軍教授、沂蒙山國家地質公園管理局趙然等學界同仁的大力支持與幫助，在此表示深深的謝意！

本文的研究僅是初步的，難免有不確之處，希望在今后的研究過程中不斷地完善，同時也希望業(yè)界同仁批評指正，推進研究。

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