劉 廣, 李俊錄, 程海峰, 段先樂, 薛鵬遠, 趙麒寓, 曾普勝

1)河北省區(qū)域地質(zhì)調(diào)查院, 河北廊坊 065000;2)自然資源部生態(tài)地球化學(xué)重點實驗室, 國家地質(zhì)實驗測試中心, 北京 100037

第四紀(jì)環(huán)境及其演化的研究與人類活動關(guān)系尤為密切, 一直備受關(guān)注, 而第四紀(jì)冰川的研究作為一項重要內(nèi)容更是研究的熱點。1933年, 李四光先生以廬山為中心創(chuàng)立的四次“冰期”, 開啟了中國的第四紀(jì)冰川研究, 自此關(guān)于中國東部(105°E以東)中低山區(qū)是否存在第四紀(jì)冰川就成為了地學(xué)界長期爭論的焦點, 這一爭論已持續(xù)近一個世紀(jì), 并形成兩種截然相反的觀點: 反對者多從西部高原現(xiàn)代冰川的研究入手, 認(rèn)為東部的冰磧礫石為泥石流成因,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2000 m以下的中低山區(qū)第四紀(jì)時氣溫、雪線及冰川積累區(qū)面積比率(AAR)等指標(biāo)都不具備發(fā)育冰川的條件(施雅風(fēng), 2010a, b; 趙井東等, 2011;施雅風(fēng)等, 2011; 王乃昂等, 2019); 支持者多從中國東部中低山區(qū)發(fā)現(xiàn)的冰川遺跡入手進行推論, 從宏觀地貌學(xué)、運動學(xué)、微觀顯微學(xué)、古生物學(xué)、年代學(xué)等方面提供了中國東部中低山區(qū)存在第四紀(jì)冰川的有力證據(jù)(呂洪波等, 2012; 韓同林, 2010; 王照波等, 2017, 2018)。筆者認(rèn)為, 尋找確鑿且易識別的野外證據(jù), 結(jié)合多學(xué)科、多手段的交叉研究, 才會推進我國東部中低山區(qū)第四紀(jì)冰川的研究。

前人在張家口壩上地區(qū)塔拉囫圇一帶發(fā)現(xiàn)了第四紀(jì)冰川遺跡(閆永福, 1997), 本次研究在壩緣一帶首次發(fā)現(xiàn)了第四紀(jì)晚更新世冰川遺跡, 印證了張家口地區(qū)存在第四紀(jì)冰川且范圍更大。本文通過對研究區(qū)內(nèi)深大斷裂控制的火山活動, 以及火山口-火山高地與冰川的內(nèi)在聯(lián)系、冰川遺跡的地貌特征、沉積物特征、孢粉特征和年代學(xué)特征開展綜合研究, 結(jié)合第四紀(jì)冰期對比和海平面變化, 為中國東部中低山區(qū)第四紀(jì)冰川的存在提供了強有力的證據(jù), 對研究本區(qū)及我國東部大陸氣候特征和第四紀(jì)環(huán)境變化具有重要意義。

1 地質(zhì)背景

研究區(qū)位于河北省西北部張家口地區(qū)境內(nèi), 屬華北克拉通中部造山帶北緣(圖 1a), 地貌分區(qū)南北向橫跨內(nèi)蒙古高原區(qū)和華北中低山區(qū)兩個二級地貌單元, 二者以壩緣為界, 高差 100～200 m, 基本與尚義—隆化大斷裂重合(河北省區(qū)域地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查研究所, 2017)。

尚義—隆化深大斷裂位于冀北地區(qū)尚義—崇禮—赤誠—豐寧—隆化一帶, 前人根據(jù)疊加改造與區(qū)域變質(zhì)作用的活動方式及其與區(qū)域構(gòu)造運動主應(yīng)力的對應(yīng)關(guān)系, 將該深大斷裂分為2個構(gòu)造階段、9個構(gòu)造活動期。始新世—第四紀(jì)屬于中元古代—新生代繼承性活動與疊加改造階段的第9期, 該斷裂以伸展拉張型脆、韌性變形與正斷層活動為特征, 活動于 NW—SE向拉張構(gòu)造環(huán)境(馬超等, 2020)。與NE向的汾渭地塹在新生代呈區(qū)域上的共軛伸展斷裂(圖1a)。

圖1 華北北部新生代構(gòu)造-火山活動簡圖(a, 據(jù)樊祺誠等, 2015; Zhao et al., 2001)和研究區(qū)區(qū)域地質(zhì)簡圖(b)Fig.1 Cenozoic tectonic-volcanic activity diagram in the northern part of north China(a, after FAN et al., 2015;Zhao et al., 2001) and regional geological map of the study area (b)

汾渭地塹系是我國重要的一條張性斷裂帶,主要由 NNE、NE向斷裂帶組成, 總體呈 NE–SW向“S”形展布, 由一系列的張性斷陷盆地組成, 由北向南依次發(fā)育張家口—懷安、延慶—懷來、大同、忻定、太原、臨汾和運城盆地(吳奇等, 2013)。

研究區(qū)位于汾渭地塹北端張家口—懷安盆地北界, 除發(fā)育尚義—隆化斷裂外還有張家口—萬全斷裂(圖 1b), 該斷裂是張家口—北京—蓬萊斷裂帶西部的主斷裂, 與汾渭地塹的北界交匯, 是控制張家口地區(qū)新生代玄武巖的深源斷裂(馬超等, 2020)。

中新世, 強烈的漢諾壩組玄武巖噴發(fā)事件沿尚義—隆化斷裂、張家口—大同斷裂和康?！獓鷪鰯嗔褟娏一顒? 集寧—尚義—張北一帶漢諾壩玄武巖基本分布于尚義—隆化斷裂以北, 以及尚義—隆化斷裂與張家口—大同斷裂交匯處, 呈近東西向展布(圖1a), 堆積厚度自南向北變薄趨勢明顯,壩緣最厚處可達454 m; 圍場—赤峰一帶漢諾壩玄武巖基本分布于康?！獓鷪鰯嗔岩员? 最大噴發(fā)堆積區(qū)位于響水林場—老牛槽山尖一帶, 呈近東西向帶狀展布, 厚度一般在 300～450 m, 最大厚度可達500 m左右。與此同時張家口—萬全斷裂同期復(fù)活, 并沿斷裂噴發(fā)基性巖漿, 形成小面積漢諾壩玄武巖巖株。

新近紀(jì)以來, 張家口—萬全斷裂持續(xù)強烈活動, 研究區(qū)內(nèi)表現(xiàn)為南傾高角度正斷層, 斷裂帶北東側(cè)持續(xù)抬升, 南西側(cè)持續(xù)下降, 形成張家口盆地; 上新世至中更新世, 漢諾壩火山臺地初步形成, 尚義—隆化斷裂活動明顯, 構(gòu)造面仍向南陡傾, 發(fā)生多次垂直升降運動, 造成壩上地區(qū)的持續(xù)抬升, 形成了壩上、壩下的地貌分區(qū); 晚更新世以來, 壩上地區(qū)整體上升緩慢, 剝蝕、堆積作用占主導(dǎo)地位。

火山噴發(fā)堆積作用和深部地質(zhì)作用對地形地貌塑造有重要意義(曾普勝, 2021a, b)。漢諾壩玄武巖的噴發(fā)堆積使壩緣地區(qū)原始地貌的海拔升高了約450 m, 尚義—隆化斷裂和張家口—萬全斷裂的垂直升降活動使壩緣地區(qū)海拔增加了100～200 m,相當(dāng)于中更新世研究區(qū)內(nèi)發(fā)生冰川事件時深部地質(zhì)作用使海拔高度較漢諾壩玄武巖形成前升高了550～650 m。海拔的升高使氣候環(huán)境變得寒冷, 易形成冰川; 火山噴發(fā)后形成的火山口高地, 是冰川形成的最佳位置, 如新河口村西北火山口; 垂直升降活動形成的壩緣陡坎, 有利于冰川的滑動。

研究區(qū)自西向東調(diào)查發(fā)現(xiàn)發(fā)育三個火山口,分別為新河口村西北火山口(高程 1531.20 m)、水溝臺村西火山口(高程 1508.30 m)、菜山溝村北火山口(高程 1421.70 m)(圖 2a)。新河口村西北火山口與新河口冰川遺跡關(guān)系密切, 位于尚義—隆化斷裂與張家口—萬全斷裂的交匯處, 東西長1300 m,南北寬 520 m, 深 100余 m, 由于后期破壞, 該火山口僅保留北半部分, 地貌上形成“馬蹄坑”(圖 3a, 350°)。

2 冰川遺跡及活動時代確定

張家口西北壩緣一帶首次發(fā)現(xiàn)的冰川遺跡有兩處, 其中新河口一帶的冰川遺跡出露面積1.51 km2, 馮家窯一帶的冰川遺跡出露面積0.17 km2。

2.1 地貌特征

新河口冰川遺跡: 位于新河口村西低緩丘陵區(qū), 冰川地貌發(fā)育較全, 由北西向南東依次可見冰斗、“U”形谷、側(cè)磧堤和冰阜階地(圖2a)。冰斗背靠漢諾壩組玄武巖陡峭巖壁(新河口村西北火山口殘留部分), 整體呈不規(guī)則勺狀, 地勢中間低兩側(cè)高, 北側(cè)坡度較陡, 可達 50°～60°, 高差100～150 m, 南側(cè)坡度較緩, 一般 10°～20°, 高差25～40 m, 斗底可見冰川湖, (圖 3b, 250°); “U”形谷位于冰斗南東, 谷底開闊、平坦, 谷坡較陡, 谷寬 280 m, 長 900 m, 走向南東, 但大部分被現(xiàn)代溝谷破壞, 垂向高差為80～120 m; 側(cè)磧堤呈壟狀北西向帶狀展布, 北西高南東低, 垂向高差為40～80 m, 分布于狼山溝兩側(cè): 南側(cè)側(cè)磧堤長約1.5 km, 寬 100～300 m(圖 3c, 130°); 北側(cè)側(cè)磧堤長約 1.6 km, 寬 100～250 m, 末端被全新世沖積物所破壞; 冰阜階地緊鄰狼山溝北側(cè)側(cè)磧堤, 呈北西向長條狀展布, 上游被現(xiàn)代沖溝所改造, 中部保存良好, 下部被全新世沖積物所破壞, 長約500 m, 寬約 150 m, 高差40～60 m。

馮家窯冰川遺跡: 位于馮家窯村南約 1.3 km處, 地貌形態(tài)為冰礫阜(圖2a, 3d, 200°), 整體呈近南北向橢圓狀, 長約 650 m, 寬約 280 m, 中間高四周低, 高差約20 m。

2.2 沉積物宏觀特征

新河口冰水沉積物+冰磧物: 因后期改造及地表植被覆蓋, 冰磧物露頭普遍較差, 僅冰阜階地外側(cè)可見良好斷面。冰斗地表多為大小不一的玄武巖冰川漂礫, 呈棱角狀, 礫徑多大于 0.5 m, 部分礫石可見冰川擦痕, 擦痕窄而深, 數(shù)量多間距小,形態(tài)基本呈直線型(圖 3e, 140°), 指示長期受冰川穩(wěn)定作用力所致; “U”形谷多被現(xiàn)代河谷破壞, 谷底出露南天門組砂巖夾礫巖, 谷肩可見少量熨斗石(圖3f, 70°), 熨斗石長軸方向與“U”形谷長軸方向一致, 表面可見平行于長軸方向的冰川擦痕;側(cè)磧堤沉積物主體為冰磧礫石, 礫石間充填少量砂和泥, 整體呈無序混合堆積, 礫石多呈棱角狀,大小略小于冰斗處漂礫, 成分以漢諾壩組玄武巖為主, 南天門組內(nèi)砂巖、礫巖次之; 冰阜階地整體為一套雜色礫石、砂、黏土的混合堆積, 自下而上依次為深灰色粗礫石層、黃灰色細(xì)礫石層夾黃色細(xì)砂、黏土, 灰色、深灰色粗礫石層, 出露厚度約35 m, 地層層序見萬全區(qū)新河口村西晚更新世冰川遺跡剖面圖(P69)(圖2b)。

圖2 研究區(qū)火山口及冰川遺跡分布圖(a)、P69冰川遺跡剖面圖(b)和P68冰川遺跡剖面圖(c)Fig.2 Distribution of craters and glaciers in the study area (a), P69 profile of glaciers (b), and P68 profile of glaciers (c)

礫石層中玄武巖礫石普遍發(fā)生磨圓, 呈次棱角狀-次圓狀, 部分礫石發(fā)育鈣質(zhì)薄膜, 流紋巖礫石多成次圓狀—渾圓狀, 繼承于南天門組礫巖中礫石原始形態(tài), 細(xì)砂夾黏土夾層內(nèi)發(fā)育微弱平行層理, 細(xì)礫石層內(nèi)發(fā)育斜層理(圖3g, 285°), 層理產(chǎn)狀為 195°∠21°, 上述特征指示該套沉積物為冰水沉積環(huán)境, 且物質(zhì)來源于北部漢諾壩玄武巖和南天門碎屑巖。冰磧物和冰水沉積物不整合覆蓋于南天門組碎屑巖和漢諾壩組玄武巖之上。

馮家窯冰水沉積物+冰磧物: 因修路可見良好人工斷面, 其地層層序見萬全區(qū)馮家窯村南晚更新世冰川遺跡剖面圖(P68)(圖2b)。

冰水沉積物組合為磚紅色黏土、灰白色砂、灰白色細(xì)礫和深灰色玄武巖的混合堆積, 具有明顯的水流型層理, 但這些層理因冰川擠壓而發(fā)生褶皺(圖3h, 290°)。沉積物內(nèi)部見有大量冰磧泥礫透鏡體, 泥礫大小不一, 形狀各異, 成分復(fù)雜, 包括玄武巖、砂巖、泥巖和礫巖, 指示冰水沉積物的物質(zhì)來源于沉積物北側(cè)的漢諾壩組和下伏的南天門組(圖3i, j, 290°)。冰水沉積物頂部發(fā)育一套以玄武巖為主的冰磧物, 冰磧礫石表面可見冰蝕擦痕和碾磨壓坑(圖 3k, 200°), 冰蝕擦痕平滑均一、窄而深、形態(tài)呈直線型, 碾磨壓坑形態(tài)為圓形, 深度可達0.5～1 cm, 二者均為冰川作用長時間穩(wěn)定作用力所致, 而非其它快速堆積不穩(wěn)定受力成因(王斯文, 2015)。冰磧物內(nèi)局部可見冰磧玄武巖羊背石,其宏觀展布方面近南北, 北面坡度較陡, 可達40°～50°, 南面坡度較緩, 為 10°～20°(圖 3l, 200°),指示冰川運動方向自北向南, 冰川主體位于北部壩上地區(qū)。沉積物特征與我國西部冰川沉積物特征相同(朱大崗等, 2006), 其出露厚度約22 m, 不整合覆蓋于南天門組礫質(zhì)粗砂巖和漢諾壩組玄武巖之上。

2.3 沉積物微觀特征

石英顆粒表面的形態(tài)對其沉積環(huán)境及其演變歷史具有鑒定意義(尹雪斌等, 2003; 石磊等, 2010;陳安東等, 2016), 為進一步研究沉積物的成因, 我們在冰水沉積物中采取了4件電鏡掃描樣品(圖2b,c), 在河北省區(qū)域地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查研究所實驗室運用JSM-IT300掃描電子顯微鏡對樣品進行了掃描鑒定, 4件樣品結(jié)果基本一致。樣品中石英砂外形以棱角和尖棱角狀顆粒占絕對優(yōu)勢, 部分石英砂呈次棱角狀(圖 3m), 石英砂邊緣多為次棱脊形狀,部分顆粒邊緣出現(xiàn)棱脊磨損, 少部分為尖棱脊形狀, 機械磨圓較差。除見有貝殼狀斷口外, 石英砂表面可見冰川作用所特有冰蝕擦痕(圖3n)、碾磨壓坑(圖 3o)和平行解理面(圖 3p): 冰蝕擦痕, 位于石英砂顆粒平整的或者凸起的表面上, 在形態(tài)上與宏觀冰川擦痕無異, 擦痕的一端可以觀察到明顯的切入點, 隨著往另一端的延伸, 擦痕變得越來越淺, 長度為 20～25 μm; 碾磨壓坑, 表現(xiàn)為圓形深坑, 坑口直徑約為 30 μm, 深度可達 10～15 μm,坑底及坑壁可見明顯的擠壓研磨特征, 與宏觀冰川碾磨壓坑特征基本一致; 平行解理面, 系由石英砂在冰川外力作用擠壓下破碎所致, 延展性好,平整光滑。石英砂粒的棱角狀形態(tài)是因為機械碰撞、壓碎等作用造成的, 證明區(qū)內(nèi)的沉積環(huán)境為水動力成因而非風(fēng)動力成因; 石英砂粒表面的冰蝕擦痕和碾磨壓坑是因為較長時間固定在某一點上擠壓研磨造成的, 證明區(qū)內(nèi)的沉積環(huán)境為冰川成因而非泥石流成因(謝又予和崔之久, 1981)。將其表面結(jié)構(gòu)與石英砂表面結(jié)構(gòu)模式圖集(王穎和迪納瑞爾, 1985)相對照, 也證明沉積環(huán)境屬冰川成因。

圖3 冰川遺跡宏觀和微觀證據(jù)特征Fig.3 Macroscopic and microscopic evidence characteristics of glacial remains

2.4 孢粉及時代

植物孢子花粉外壁由有機化合物和近似角質(zhì)纖維素組成, 300℃不分解, 高壓不變形, 強酸強堿中不溶解, 保存廣、數(shù)量多, 所以植物的孢子花粉化石廣泛用于第四紀(jì)古氣候研究(曹伯勛,1995)。為進一步驗證研究區(qū)內(nèi)冰川遺跡形成的古氣候環(huán)境與冰川作用是否匹配, 我們在冰水沉積物中采取了5件孢粉樣品(圖2b, c), 樣品送至國土資源部地下水礦泉水及環(huán)境監(jiān)測中心鑒定。鑒定結(jié)果(表 1)顯示孢粉組合中草本植物花粉(49.76%～94.12%, 平均 76.68%)占絕對優(yōu)勢, 其中以耐干旱的蒿屬(15.64%～50.00%, 平均 34.97%)和喜冷干藜科(19.87%～41.57%, 平均 30.49%)為主, 還可見葎草屬(1.99%～3.70%, 平均 3.08%)、旋花科(0～6.62%, 平均3.35%)、白刺屬、禾本科、菊科、蒲公英屬、毛茛科、唐松草屬、蓼科、十字花科、豆科、亞麻科等; 木本植物花粉(5.88%～43.30%,平均 19.65%)以針葉林松屬(5.88%～38.86%, 平均16.98%)為主, 還有零星的樺屬、櫟屬、榆屬、榛屬、麻黃屬等; 蕨類孢子(0～6.64%, 平均 3.67%)中可見卷柏屬(1.99%～3.93%, 平均 3.08%)和水龍骨科(0～6.16%, 平均 3.57%)。通過對孢粉種屬及其所占比例進行統(tǒng)計, 反映寒冷、干燥條件的孢粉比例(蒿屬34.97%、藜科30.49%和松屬16.98%)達到了 82.44%, 表明當(dāng)時植被類型屬森林草原型,主體為干冷草原型, 符合第四紀(jì)冰川的發(fā)育環(huán)境(許清海等, 2005; 李月叢等, 2005; 劉德梅等,2016)。

表1 孢粉種屬統(tǒng)計表Table 1 Statistics of spores

2.5 冰磧物光釋光年代

河北省山區(qū)第四紀(jì)冰川遺跡較多, 但有同位素年齡支撐的極少, 絕大多數(shù)依靠化石、古氣候、海平面變化的類比歸屬時代, 僅壩上張北縣塔拉囫圇一帶冰磧物獲得了(142.3±0.12) ka的光釋光年齡(河北省區(qū)域地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查研究所, 2017)。為了準(zhǔn)確判定研究區(qū)內(nèi)冰川遺跡的形成時代, 在馮家窯冰水沉積物中的灰白色細(xì)砂和新河口冰水沉積物中的黃色細(xì)砂內(nèi)各采取了一件光釋光樣品, 樣品編號分別為 P68OSL1和 P69OSL1(圖 2b, c)。

樣品采集: 采樣時先剝離剖面表層物質(zhì), 將鋼管一側(cè)用黑色塑料袋束緊, 將鋼管另一側(cè)砸入新鮮剖面中, 取出鋼管時用黑色塑料紙束緊兩頭。在暗室內(nèi)將樣品從鋼管中取出, 并去除兩端有可能曝光部分樣品, 將剩余樣品裝入厚層黑色不透光塑料袋中用于實驗測試。

樣品的前處理: 在實驗室弱紅光條件下, 取約100 g未曝光樣品放置于1000 mL的燒杯中, 用蒸餾水浸泡; 先用 30%的雙氧水去除有機質(zhì), 再用30%的鹽酸去除碳酸鹽類礦物, 然后用蒸餾水將懸濁液洗至中性, 根據(jù)Stokes定理, 分離出4～11 μm的細(xì)顆?；旌系V物, 再將它們浸泡在氟硅酸中3天,提純細(xì)顆粒石英, 最后用乙醇將提純的細(xì)顆粒石英樣品均勻沉淀在直徑為 9.7 mm的不銹鋼片上, 供測量使用。

樣品測試: 北京光釋光實驗室科技有限公司使用丹麥Ris?實驗室生產(chǎn)的Ris? TL/OSL-DA-20光釋光儀器對樣品進行了測試, 每個樣品的測試包括預(yù)熱、輻照和激發(fā)等步驟。預(yù)熱溫度(preheat)選擇200～260℃ , 時間為 10 s, 實驗劑量的預(yù)熱溫度(cut-heat)為 160 ℃, 10 s。輻照源為(90Sr/90Y)β 源。激發(fā)光源選擇強度為 90%的藍光發(fā)光二極管(λ=(470±20) nm)。樣品在 130 ℃溫度條件下用藍光激發(fā) 60 s, 激發(fā)后的光信號經(jīng)由厚 7.5 mm 的Hoya U-340濾光片進入9235QA光電倍增管進行記錄。根據(jù)不同的劑量產(chǎn)生不同的OSL信號強度, 經(jīng)過test dose對其感量變化進行校正, 使用各輻照劑量校正后 OSL信號強度建立起一條劑量生長曲線,然后將校正后的天然 OSL信號強度投影到該生長曲線上, 經(jīng)過反推計算出相應(yīng)的等效劑量。首先每個樣品準(zhǔn)備10個天然測片, 即在直徑為0.97 cm的不銹鋼片上均勻涂一層硅油, 將樣品均勻粘附在測片上。為減小光激發(fā)和輻照對相鄰樣片的影響,測片間隔放置, 即樣品盤上有48個位置, 間隔放置10個測片。

通過單片再生劑量法在馮家窯冰川遺跡和新河口冰川遺跡分別獲得了(121.22±6.54) ka和(81.13±4.48) ka的光釋光年齡(表2), 其形成時代限定為晚更新世早期和中期, 對應(yīng)于河北省第四紀(jì)冰期的第五冰期和第六冰期(河北省區(qū)域地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查研究所, 2017)。

表2 光釋光年齡結(jié)果表Table 2 OSL dating results

3 討論

3.1 深部地質(zhì)作用與冰川遺跡的關(guān)系

深大斷裂的強烈活動, 為火山噴發(fā)提供了重要的巖漿通道, 本區(qū)火山噴發(fā)前深部地質(zhì)作用導(dǎo)致地殼隆升了 100～200 m, 火山噴發(fā)后形成的火山口、火山熔巖的垂向堆積厚度可達 450 m, 累計增加的高度可達 550～650 m, 為之后的冰川形成、保存和滑動提供了有力的地形條件和氣候條件。冀西北張家口壩緣一帶發(fā)現(xiàn)了第四紀(jì)冰川遺跡, 為相似地質(zhì)條件和相近地理緯度的內(nèi)蒙古集寧一帶和承德塞罕壩林場一帶的漢諾壩玄武巖分布區(qū)可能存在第四紀(jì)冰川遺跡打開思路, 值得深入探究。這對于確定冀北—蒙南的第四紀(jì)冰川規(guī)模, 有著實際的古氣候和古環(huán)境意義。

3.2 冰川遺跡對判斷第四紀(jì)冰川存在的作用

中國東部中低山區(qū)是否存在第四紀(jì)冰川, 在我國已經(jīng)持續(xù)了近一個世紀(jì)的學(xué)術(shù)之爭: 支持者多從東部山區(qū)發(fā)現(xiàn)的冰川遺跡入手進行推論, 反對者多從西部高原現(xiàn)代冰川的研究入手, 認(rèn)為東部中低山區(qū)出現(xiàn)的冰磧物、擦痕、碾磨壓坑等冰川遺跡為泥石流成因而非冰川成因。王斯文研究認(rèn)為冰川擦痕因受力相對穩(wěn)定而平滑均一、窄而深、形態(tài)呈直線型, 數(shù)量多間距小, 擦痕方向能指示冰川的運動方向; 而泥石流擦痕因受力方向多變而粗糙不平, 形態(tài)不一還可能出現(xiàn)轉(zhuǎn)折, 數(shù)量少間距大, 擦痕方向不能指示泥石流運動方向。謝又予等從掃描電鏡下石英砂的表面特征研究認(rèn)為冰川作用下的石英砂粒與泥石流作用下的石英砂粒雖然在外形與貝殼狀斷口等特征有一定的相似性, 但放大幾千倍后延展性差、平直的冰蝕擦痕, 形態(tài)規(guī)整有一定深度的圓形碾磨壓坑和平整解理面則是冰川作用所特有的產(chǎn)物,能夠有效判別其形成環(huán)境為冰川沉積或泥石流沉積。研究區(qū)內(nèi)冰川飄礫上發(fā)現(xiàn)的擦痕形態(tài)穩(wěn)定, 呈窄而深的直線型; 掃描電鏡下的石英砂表面可見與冰川飄礫擦痕特征相同的冰蝕擦痕以及冰川外力作用下產(chǎn)生的碾磨壓坑和平行解理面。所以無論是宏觀上, 還是微觀上, 冰川遺跡都能判斷研究區(qū)內(nèi)第四紀(jì)冰川的存在。

3.3 冰水沉積物中的孢粉來源

第四紀(jì)冰川的發(fā)育環(huán)境為寒冷干燥的氣候環(huán)境, 植被類型為干冷草原型(曹伯勛, 1995)。研究區(qū)內(nèi)冰水沉積物中孢粉統(tǒng)計結(jié)果顯示耐干旱的蒿屬、喜冷干藜科和耐寒冷松屬所占比例分別為34.97%、30.49%和 16.98%(表 1), 那么以干冷草原型為主的植被類型怎么會出現(xiàn)高含量的松屬花粉呢。許清海等(2007)研究認(rèn)為松屬花粉與植被蓋度間有一定的相關(guān)性, 為超代表性類型,只有松屬花粉含量高于30%(遠高于區(qū)內(nèi)的 16.98%)以上時, 周圍才有可能有松林存在, 說明區(qū)內(nèi)松屬花粉為遠距離搬運產(chǎn)物。閆永福(1997)在研究區(qū)東北側(cè)塔拉囫圇一帶發(fā)現(xiàn)的中更新世晚期冰川遺跡中采集的孢粉樣品結(jié)果顯示, 木本植物花粉占 30.7%, 其中以 Pinus(松)72.7%、Cupressus(柏)14.5%為主, 次為 Betula(樺)、Picea(云杉)等, 松屬花粉比例(22.3%)大于本區(qū)內(nèi)的16.98%, 但仍然小于 30%, 顯示自研究區(qū)向塔拉囫圇冰川遺跡松屬花粉比例有增加趨勢。綜合考慮,筆者認(rèn)為研究區(qū)內(nèi)松屬花粉可能來源于塔拉囫圇冰川遺跡東北方向的異地搬運, 而研究區(qū)內(nèi)冰川遺跡的植被類型為干冷草原型。

3.4 冰川遺跡與第四紀(jì)冰期的對應(yīng)關(guān)系

通過第四紀(jì)冰期對比, 張家口壩緣一帶馮家窯冰川遺跡的形成時代與阿爾卑斯地區(qū)的里斯冰期、中國東部的廬山冰期、北京西山碧云寺冰期、河北省第四紀(jì)第五冰期相對應(yīng), 具有全球范圍內(nèi)的冰期對比性。而新河口冰川遺跡的形成時代僅與河北省第四紀(jì)第六冰期相對應(yīng), 顯示有限區(qū)域性對比特征,而在全球范圍內(nèi)卻對應(yīng)于阿爾卑斯地區(qū)的里斯—玉木間冰期、中國東部的廬山—大理間冰期、北京西山的馬蘭間冰期。但新河口冰川遺跡與北京西山冰川遺跡和中國東部冰川遺跡在氣候條件、地貌條件和海平面變化上都極為相似, 僅是緯度略有偏差,筆者認(rèn)為在同一時間段三者不可能存在兩種截然相反的氣候環(huán)境。因此新河口冰川遺跡形成時, 北京西山和中國東部同樣處于極寒干燥環(huán)境, 曾發(fā)育第四紀(jì)冰川, 只是當(dāng)下未發(fā)現(xiàn)相應(yīng)的具有年齡數(shù)據(jù)的冰川證據(jù), 即在廬山—大理間冰期和馬蘭間冰期內(nèi)存在大冰期或小冰期, 只是目前沒有發(fā)現(xiàn)而已。新河口一帶與阿爾卑斯地區(qū)在地理位置、自然條件和地形地貌條件都存在著千差萬別, 故新河口冰川遺跡的形成時代可能與里斯—玉木間冰期內(nèi)小冰期對應(yīng)。

3.5 冰期與海平面變化

氣候的冷暖影響著海平面的升降, 海平面的變化又反演了氣溫的波動。冰期時氣候干冷, 海水蒸發(fā)轉(zhuǎn)移到大陸, 形成冰川凝固在大陸上, 使海平面下降(低海平面、海退); 間冰期時氣候濕熱, 冰川融化成水匯入海津, 使海平面上升(高海平面、海進),第四紀(jì)多次冰期、間冰期交替, 使海平面發(fā)生多次升降, 導(dǎo)致沿海和島嶼環(huán)境多變。中國東部沿海地區(qū)12.8萬年來已發(fā)現(xiàn)有5次高海面時期, 年代距今分別為 1.5～2.5 ka、7.5 ka、11 ka、5～7 ka、89～108 ka, 本區(qū)(121.22±6.54) ka和(81.13±4.48) ka均恰逢低海面時期, 海平面變化分別與黃驊海退和大城海退相對應(yīng), 冰期與河北省第四紀(jì)冰期內(nèi)第五冰期和第六冰期相對應(yīng)(河北省區(qū)域地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查研究所, 2017), 當(dāng)屬寒冷氣候, 符合第四紀(jì)冰川的發(fā)育環(huán)境。

3.6 人類工業(yè)活動與地球冷暖氣候周期性變化的關(guān)系

全球變暖是當(dāng)今最受關(guān)注的熱門課題, 有關(guān)其成因的爭議也一直存在。有的學(xué)者認(rèn)為, 工業(yè)革命以來人類活動所釋放的溫室氣體是造成近百年地球升溫的最主要原因(Richard et al., 1998); 而另一些學(xué)者認(rèn)為全球氣候冷暖變化主要是自然驅(qū)動力的結(jié)果(Haigh, 1996; Courtillot et al., 2006; Matthews et al., 2009; 鐘萃相, 2021), 全球變暖主要受太陽的照射、地球軌道的變動、磁場的強度、月球和極地冰川的極渦活動等影響。中國區(qū)域地質(zhì)志·河北志將河北省第四紀(jì)時期劃分為7個冰期(2500 ka、2000 ka、1300 ka、750 ka、128～108 ka、89～70 ka、50～11 ka)、6 個間冰期(2200 ka、1800 ka、900 ka、69～128 ka、108～89 ka、70～50 ka)和一個冰后期(11 ka至今), 共經(jīng)歷12個冷→暖變化周期, 寒冷期對應(yīng)海退事件, 溫暖期對應(yīng)海進事件, 研究區(qū)內(nèi)兩處冰川遺跡的形成時間((121.22±6.54) ka和(81.13±4.48) ka)分別與第五冰期和第六冰期相對應(yīng)。說明在沒有人類工業(yè)活動排放大量溫室氣體的前提下, 完全依靠自然驅(qū)動力研究區(qū)內(nèi)至少發(fā)生了兩次周期性冷→熱環(huán)境變化, 也就是說人類工業(yè)活動的碳排放對氣候冷暖變化的作用微乎其微。

4 結(jié)論及意義

(1)深大斷裂的強烈活動為火山噴發(fā)提供了重要的巖漿通道, 火山噴發(fā)后形成的火山口、火山熔巖的垂向堆積及深部地質(zhì)作用導(dǎo)致的地殼抬升, 為冰川形成、保存和滑動提供了有利的地形條件好和氣候條件, 晚更新世冰川遺跡的存在正是當(dāng)時冰期環(huán)境與早期構(gòu)造-巖漿活動-地殼抬升共同作用的產(chǎn)物。

(2)對張家口壩緣一帶首次發(fā)現(xiàn)的第四紀(jì)晚更新世冰川遺跡, 經(jīng)構(gòu)造學(xué)、地貌學(xué)、沉積學(xué)、電子顯微學(xué)、孢粉學(xué)、古氣候?qū)W、海平面變化、光釋光年代學(xué)等方面證實了該冰川遺跡的存在, 為我國東部中低山區(qū)第四紀(jì)冰川的存在提供了有力的證據(jù)。

(3)馮家窯和新河口冰水沉積物中獲得了(121.22±6.54) ka和(81.13±4.48) ka的冰期光釋光測年數(shù)據(jù), 證明了張家口壩緣一帶在晚更新世早中期經(jīng)歷了兩期冰川作用, 對應(yīng)于河北地區(qū)的第五冰期和第六冰期。

致謝: 感謝河北省區(qū)域地質(zhì)調(diào)查院胡醒民教授級高級工程師和河北地質(zhì)大學(xué)張振利教授對本文提出的寶貴意見; 感謝河北省萬全項目組在研究過程中給予的支持和幫助; 感謝河北省區(qū)域地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查研究所實驗室在電鏡掃描測試過程中提供的幫助,感謝自然資源部地下水礦泉水及環(huán)境監(jiān)測中心在孢粉鑒定過程中提供的幫助, 感謝北京光釋光實驗室科技有限公司實驗室在光釋光樣品測試過程中給予的鼎力相助; 感謝審稿專家和編輯部老師建設(shè)性的修改意見。

Acknowledgements:

This study was supported by Department of Natural Resources of Hebei Province (No.4540401YBNVVG), China Geological Survey (No.DD20160060), Central Public-interest Scientific Institution Basal Research Fund (No.JYYWF20180101),and National Natural Science Foundation of China (No.41072073).