山東中部典型冰川巖溶的發(fā)現(xiàn)及氣候意義

王照波，白偉明，李寶杰

1.自然資源部金礦成礦過(guò)程與資源利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東省金屬礦產(chǎn)成礦地質(zhì)過(guò)程與資源利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，濟(jì)南 250013

2.沂蒙山國(guó)家地質(zhì)公園管理局，臨沂 273304

3.山東指南針礦產(chǎn)勘查有限公司，臨沂 276006

4.青島海洋地質(zhì)研究所，青島 266071

5.青島海洋地質(zhì)工程勘察院，青島 266071

近年來(lái)國(guó)外學(xué)者對(duì)冰川巖溶進(jìn)行了全面而深入的研究，并取得了豐碩的成果[1-4]。國(guó)內(nèi)相關(guān)研究與報(bào)道極為稀少，目前只有趙松齡和徐興永[5]首次提出了中國(guó)東部多地廣布的灰?guī)r剝蝕面屬于冰川巖溶的觀點(diǎn)，并在專(zhuān)著中附錄了大量冰川巖溶圖片，雖未做更深入的研究，但對(duì)于推動(dòng)中國(guó)第四紀(jì)研究領(lǐng)域關(guān)注“冰川巖溶”這一現(xiàn)象起到積極的促進(jìn)作用。山東丘陵地區(qū)石灰?guī)r廣泛分布，但對(duì)于由石灰?guī)r組成的崮、長(zhǎng)垣等地貌的成因，以往研究者多從巖溶、風(fēng)化的角度去考慮，均未涉及冰川巖溶的內(nèi)容[6-14]。

研究中國(guó)東部中低山區(qū)的冰川巖溶問(wèn)題，這首先涉及到中國(guó)東部中低山區(qū)是否發(fā)育第四紀(jì)冰川問(wèn)題。李四光先生于1922年[15]、1933年[16]發(fā)現(xiàn)了太行山東麓、江西廬山的冰川遺跡，開(kāi)創(chuàng)了中國(guó)第四紀(jì)冰川研究的先河[17]。此后研究逐漸展開(kāi)，王曰倫和賈蘭坡先生從地貌演化角度論證了中國(guó)東部冰川的存在[18-19]，楊懷仁等[20]與楊達(dá)源[21]從氣候演化角度認(rèn)為中國(guó)東部存在第四紀(jì)冰川，同時(shí)也有研究者對(duì)東部冰川提出質(zhì)疑[22-25]。山東第四紀(jì)冰川研究開(kāi)始于1959年，德國(guó)學(xué)者A.舒勒（A.Schuller）對(duì)泰山進(jìn)行了研究[26]，作者將在泰山后石塢發(fā)現(xiàn)眾多冰川遺跡與德國(guó)中部冰川遺跡進(jìn)行對(duì)比分析得出結(jié)論：“泰山的冰川遺跡與德國(guó)中部山區(qū)相同，是由風(fēng)化程度高的滾圓物質(zhì)所組成，被細(xì)粒的膠結(jié)物膠結(jié)地很厚很結(jié)實(shí)，這種冰磧是很典型的，而且很容易辨別?！薄叭A中與華東第四紀(jì)冰川規(guī)模很大，這是沒(méi)有問(wèn)題的?！?此后，張建偉等[27-28]對(duì)泰山南坡冰磧層中的石英砂進(jìn)行掃描電鏡觀察并確認(rèn)屬于冰川成因。2003年李乃勝等[29]對(duì)嶗山冰川遺跡進(jìn)行了研究，初步建立了鮑魚(yú)島冰期、前風(fēng)庵冰期、流清河冰期和束住嶺冰期。徐興永等[30-33]對(duì)中國(guó)東部地區(qū)的冰川遺跡進(jìn)行研究，認(rèn)為在第四紀(jì)冰期時(shí)東部海拔高于 300 m 的山地都有可能出現(xiàn)規(guī)模不等的山地冰川。李培英等[34]對(duì)嶗山冰磧進(jìn)行了大量的測(cè)年研究，獲得了MIS6、MIS4、MIS3b諸階段的冰期年齡數(shù)值。趙松齡[35]在調(diào)查總結(jié)中國(guó)東部大量古冰川遺跡的同時(shí)，提出了第四紀(jì)冰期“北路寒潮”是中國(guó)東部冰川形成的氣候冷源路徑的重要認(rèn)識(shí)。

近年，王照波等[36-42]的研究表明，山東蒙山曾廣泛發(fā)育冰川作用，根據(jù)光釋光與宇生核素測(cè)年數(shù)據(jù)，確認(rèn)蒙山存在全新世冰川遺跡。王照波等[43-44]最近的地貌研究發(fā)現(xiàn)，蒙陰岱崮一帶的冰蝕三角脊鏈與喜馬拉雅山區(qū)的形態(tài)一致，確認(rèn)岱崮地貌屬于冰蝕地貌，并根據(jù)龍紋狀三角脊鏈的特征、冰斗邊界定律，確認(rèn)山東丘陵為冰蓋冰蝕地貌，其狹長(zhǎng)的長(zhǎng)垣狀灰?guī)r山脊為冰蓋侵蝕殘留[45]。野外調(diào)查過(guò)程中發(fā)現(xiàn)了典型的冰川巖溶——河曲狀冰水沖蝕槽。本文即是對(duì)新發(fā)現(xiàn)的冰川巖溶進(jìn)行的詳細(xì)解析，以期引起相關(guān)研究領(lǐng)域的重視。山東灰?guī)r丘陵區(qū)的巖溶過(guò)程復(fù)雜，既有非冰川巖溶，又伴生了冰川巖溶的過(guò)程，對(duì)典型冰川巖溶進(jìn)行詳細(xì)研究，也有利于理解中國(guó)東部冰川的演化過(guò)程。

1 歐洲冰川巖溶研究概況

由于歐洲大陸更新世斯堪的納維亞冰蓋廣泛覆蓋在石灰?guī)r上，形成了豐富的冰川巖溶遺跡，這為冰川巖溶的研究提供了豐富的先決條件。1880年始，戴維斯開(kāi)始研究英國(guó)著名的諾博爾（Norber）地區(qū)的冰川巖溶[4]。1917年，有“巖溶之父”之稱(chēng)的約萬(wàn)·克維吉奇（Jovan Cviji?）研究了巴爾干山脈的冰川巖溶，并創(chuàng)造使用了“karstic glaciers”（冰川巖溶）一詞[46]。在冰川巖溶方面，目前已經(jīng)形成了豐富的研究資料及完善的理論體系，2018年Dmitry和Jaroslav出版了《Glaciokarsts》，就冰川巖溶的類(lèi)型、特征、形成環(huán)境、形成機(jī)理進(jìn)行了全面的總結(jié)。圖1a為托特斯山脈倫高湖（Lahngang Lake）一帶的冰川巖溶槽，由于巖溶作用的影響，溝槽與隔壁變得渾圓[47]。圖1b為特拉格山峰（Tragl peak）下山谷中直立在巖壁上的冰川巖溶槽，為冰川融水順巖壁向下流動(dòng)形成[48]，在近似傾角的平整灰?guī)r面上可以形成這些類(lèi)似特征的溶蝕谷群[4]。圖1c為灰?guī)r面上典型冰水成因河曲狀巖溶槽，屬于具有較快流速[49]與連續(xù)穩(wěn)定流量的冰川融水長(zhǎng)期作用下的冰川巖溶[4]，具有明顯的凹岸、凸岸，其長(zhǎng)期沖蝕在凹岸上部形成懸壁[50]。盡管中國(guó)東部山區(qū)石灰?guī)r廣布，巖溶也廣泛發(fā)育，像圖1a與圖1b類(lèi)似特征的巖溶地貌，野外也多有分布，在歐洲研究中尚可作為冰川巖溶對(duì)待，但在山東灰?guī)r丘陵區(qū)作為冰川巖溶對(duì)待必將引起爭(zhēng)議。這就需要尋找如圖1c類(lèi)型的微型河曲狀冰水沖蝕槽，對(duì)于確定冰川巖溶作用的存在，理解冰水侵蝕的過(guò)程，都具有重要意義。圖1d是在費(fèi)縣小泉莊灰?guī)r面上發(fā)現(xiàn)的微型河曲狀沖蝕槽（俯視圖），該沖蝕槽的凹岸、凸岸，以及凹岸中發(fā)育的懸壁都極為典型，此微型河曲狀巖溶槽及其源頭冰臼的演化過(guò)程即本文研究的重點(diǎn)對(duì)象。

2 小泉莊動(dòng)態(tài)冰川巖溶的特征

野外調(diào)查過(guò)程中，在費(fèi)縣縣城西10 km處的小泉莊村與殷莊之間發(fā)現(xiàn)典型冰川巖溶（圖2a），周邊地勢(shì)平緩，無(wú)陡峻山體分布，可以確定與山谷冰川無(wú)關(guān)。小泉莊村與殷莊之間并無(wú)規(guī)模河流，僅朱田小河從東面流過(guò)。冰川巖溶分布在寬闊平緩的干谷北岸，干谷無(wú)常年性流水，北部為一片灰?guī)r出露區(qū)（圖2b），與河流相去甚遠(yuǎn)，與其沒(méi)有關(guān)聯(lián)性。根據(jù)周邊被黃土覆蓋的情況分析，該冰川巖溶曾被厚層黃土覆蓋，后期水土流失使灰?guī)r面露出地面。

冰川巖溶分布區(qū)的干谷長(zhǎng)1 km左右，谷底平緩，寬110 m，周?chē)饕雎逗浼o(jì)白云巖與灰?guī)r地層，出露標(biāo)高為138 m（圖2a）。河曲狀巖溶槽位于一處長(zhǎng)2 m、寬0.8 m的灰?guī)r原始風(fēng)化槽溝中（圖2b），雖然面積不足2 m2，但由清晰的注水坑穴（圖3a、b、c、d）與河曲狀巖溶槽組成一套完整的冰川巖溶體系（圖3a）。整個(gè)體系可以分為A、B、C 三個(gè)段（圖3a），下面按照自下而上的順序分析各段的特征。

A段（圖3a、4a）：位于系統(tǒng)最下游，為上游各冰水通道的共同流經(jīng)段，剖面呈規(guī)則的U型，上口寬5 cm左右。其原本為Ⅰ號(hào)冰臼第1注水中心流水沿著原來(lái)的V型槽的基礎(chǔ)上首先開(kāi)拓形成的河曲狀溝槽，并被后期歷次冰水通道所繼承，由于受到多期次冰水侵蝕，該段形成了典型的河曲狀溝槽特征，溝槽中凹岸、凸岸與懸壁特征極為明顯（圖1d、4a），這與阿爾卑斯山區(qū)冰水成因的河曲狀巖溶槽特征極為一致（圖4b）。能在狹小的堅(jiān)硬灰?guī)r面上侵蝕出河曲狀溝谷，水流應(yīng)具有一定的流速，并持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，短暫而緩慢的流水只能沿著原來(lái)槽底地勢(shì)順勢(shì)而流，而不能在巖石槽谷中侵蝕出彎曲的河曲，這與Dubljanszkij研究冰水巖溶河曲成因的結(jié)論一致[49]。

圖2 典型冰川巖溶發(fā)現(xiàn)位置及出露情況a.冰川巖溶出露位置，圖中紅虛線為流域范圍；b.河曲狀巖溶槽周?chē)h(huán)境特征（鏡頭向西），左側(cè)為平緩干谷，圖中黑虛線為河曲狀巖溶槽分布位置。Fig.2 Location of typical glaciokarst and outcrops

圖3 小泉莊冰川巖溶冰臼、溝槽系統(tǒng)圖a.冰川巖溶系統(tǒng)（圖例說(shuō)明：1-通道源頭，注水坑穴位置；2-冰臼分布位置及編號(hào)；3-第1條冰水通道及編號(hào)，箭頭示下游方向；4-第2條冰水通道及編號(hào)；5-第3條冰水通道及編號(hào)；6-第4條冰水通道及編號(hào)；7-第5條冰水通道及編號(hào)；8-第6條冰水通道及編號(hào)；9-多條冰水通道之間殘余隔墻；10-流域邊界）；b.Ⅰ號(hào)冰臼剖面；c.Ⅱ號(hào)冰臼剖面；d.Ⅲ號(hào)冰臼剖面。Fig.3 Glaciokarst system of potholes and grooves in Xiaoquanzhuang

B段（圖3a、5a）：該段包含Ⅰ號(hào)冰臼與Ⅱ號(hào)冰臼，由3個(gè)注水中心與對(duì)應(yīng)的3條冰水通道組成。Ⅰ號(hào)冰臼的第1注水中心形成第1條冰水通道（圖3a、5a藍(lán)線），由于注水中心的微量位移形成第2注水中心，位移量?jī)H5 cm，同時(shí)緊靠第1條冰水通道的右側(cè)開(kāi)辟了第2條冰水通道（圖3a、5a綠線），第2條冰水通道侵蝕出一弧形凹岸后，沿襲并匯入前期第1條冰水遺留的通道。在兩條冰水通道之間形成殘留的弧形凸起（圖5a藍(lán)線與綠線之間）。此后，注水中心發(fā)生了較大距離的位移，位移量為32 cm，形成系統(tǒng)內(nèi)第3個(gè)注水中心，第3注水中心維持時(shí)間較長(zhǎng)，形成了20 cm深度的Ⅱ號(hào)冰臼（圖3c）。第3注水中心形成第3條冰水通道（圖3a、5a紅線），由于在第3處凹岸的位置與第2條冰水通道遺留的第1處凹岸侵蝕方向相反，遂在第1條冰水通道的右岸開(kāi)辟了一條新冰水通道，兩條通道之間形成殘留的魚(yú)背鰭狀凸起（圖5a紅線與藍(lán)線之間）。根據(jù)冰水通道的侵蝕情況，以及第3條冰水通道低于第1、2條冰水通道槽底，可以判斷第3條冰水通道的形成時(shí)間晚于第1、2條冰水通道。

C段（圖3a、5b）：該段起始于Ⅲ號(hào)冰臼，結(jié)束于Ⅱ號(hào)冰臼，包含由于注水中心3次位移開(kāi)拓的3條冰水通道。注水點(diǎn)由Ⅱ號(hào)冰臼位移到Ⅲ號(hào)冰臼，位移量35 cm，形成系統(tǒng)內(nèi)第4個(gè)注水中心，開(kāi)辟了新的冰水通道，即第4條冰水通道（圖3a粉紅線、5b藍(lán)線），流經(jīng)Ⅱ號(hào)冰臼后匯入第3冰水通道。此后注水中心微量位移形成系統(tǒng)內(nèi)第5個(gè)注水中心，在第4冰水通道右側(cè)開(kāi)辟第5冰水通道（圖3a綠點(diǎn)線、5b綠線），在第4條冰水通道的右側(cè)，在第2個(gè)凹岸位置切割第4條冰水通道（圖5b藍(lán)線）形成新的通道，匯入Ⅱ號(hào)冰臼，在第5條冰水通道與第4條冰水通道之間形成菱形凸起。此后注水中心再次微量位移后形成系統(tǒng)內(nèi)第6處注水中心，在第5冰水通道右側(cè)開(kāi)辟了第6冰水通道（圖5b紅線），并在第5冰水通道的第三凹岸處沿襲第5冰水通道進(jìn)入Ⅱ號(hào)冰臼，沿襲下游已有通道流出冰川巖溶系統(tǒng)。第6冰水通道與第5冰水通道之間也殘留形成了菱形凸起。

圖4 小泉莊冰川巖溶系統(tǒng)A段特征與阿爾卑斯山冰水侵蝕河曲狀溝槽a.小泉莊村冰水侵蝕河曲狀巖溶槽（筆尾端指示下游方向），b.阿爾卑斯山冰水侵蝕河曲狀巖溶槽。Fig.4 Characteristics of section A of the glaciokarst system in Xiaoquanzhuang and the meandering channel eroded by melt ice water in Alps

3 討論

3.1 灰?guī)r中河曲狀沖蝕槽的成因

自然界中，蜿蜒曲折的河床稱(chēng)為河曲[51]。河曲現(xiàn)象存在于山間基巖中古老的河流或松散堆積體中的小型水系中，河曲現(xiàn)象的突出特征是形成明顯的凹岸與凸岸。小泉莊灰?guī)r面上發(fā)育的河曲狀沖蝕槽具備河曲的典型特征，盡管規(guī)模小，分布在不足2 m2的灰?guī)r面上，但顯然也屬于流水作用的產(chǎn)物。目前國(guó)內(nèi)尚未開(kāi)展就灰?guī)r中的微型河曲現(xiàn)象進(jìn)行相關(guān)研究，前文就英國(guó)及阿爾卑斯山區(qū)的冰川巖溶做了詳細(xì)的介紹，要在灰?guī)r中通過(guò)流水形成河曲，其水流必然具備3個(gè)條件：較快的流速、穩(wěn)定的流量與持久的時(shí)間。河曲狀沖蝕槽內(nèi)水流存在爬坡現(xiàn)象，也佐證了水流具有較高的流速。這些特征是短暫性的降雨或洪水分散流所不具備的，只有作為冰川巖溶的冰蓋融水可以滿(mǎn)足較高的流速、穩(wěn)定的流量、持久的時(shí)間等條件，由此分析小泉莊河曲狀沖蝕槽的形成屬于冰水沖蝕的產(chǎn)物。

3.2 冰臼的成因分析

冰臼，在國(guó)內(nèi)學(xué)術(shù)界爭(zhēng)議頗大[52-56]，由于巖石表面多有壺穴分布，如山脊壺穴、河道壺穴等，其成因本身就具有多樣性，如風(fēng)化成因、流水成因、風(fēng)沙成因等，而作為流水成因壺穴中，又分為河流流水成因的壺穴與冰水成因的冰臼。

本次調(diào)查發(fā)現(xiàn)的河曲巖狀沖蝕槽的源頭分布有3個(gè)獨(dú)立的壺穴，壺穴與河曲狀沖蝕槽之間供源關(guān)系清晰可辨。由于河曲狀沖蝕槽為穩(wěn)定束狀流長(zhǎng)期作用的結(jié)果，作為沖蝕槽源頭的壺穴則為穩(wěn)定束狀流的注水點(diǎn)，因此可以排除風(fēng)化作用的成因。根據(jù)巖溶槽的分布、動(dòng)態(tài)疊加與供源關(guān)系，以及沖蝕槽顯示出的動(dòng)態(tài)位移特征，且位移表現(xiàn)出快慢的節(jié)奏性特征，冰水注水點(diǎn)可分為穩(wěn)定期與位移期，穩(wěn)定期包含微量位移，代表一個(gè)壺穴的形成時(shí)間，位移期代表兩個(gè)壺穴之間的移動(dòng)時(shí)間。根據(jù)壺穴的剖面特征，以及在壺穴壁上沒(méi)有形成旋轉(zhuǎn)痕，分析水流來(lái)自近似垂直的上方穩(wěn)定束狀流，而非短期的降水或洪水等分散流所為，綜合分析，發(fā)現(xiàn)的小泉莊河曲狀沖蝕槽源頭的壺穴為冰水成因的冰臼。

3.3 冰川巖溶的氣候意義

綜合上述分析，只有冰蓋融水可以滿(mǎn)足較高的流速、穩(wěn)定流量的束狀流與持續(xù)的時(shí)間三項(xiàng)條件。冰蓋的融化可以提供長(zhǎng)期且穩(wěn)定流量的流水，滿(mǎn)足水源方向來(lái)自壺穴上方，上覆厚冰層為冰融水提供了較快的流速。冰蓋中的泄水通道提供了束狀流，冰蓋泄水通道冰體的融化導(dǎo)致注水點(diǎn)后退移位，季節(jié)變化在位移速度上得到反映，冰臼的形成（含內(nèi)部微量位移）是冬季完成，冰臼與冰臼之間的位移則在夏季完成。

圖5 小泉莊冰川巖溶系統(tǒng)B、C段注水中心及冰水通道的位移演化過(guò)程a.B段特征；b.C段特征。Fig.5 Water injection centres in sections B and C of the glaciokarst system in Xiaoquanzhuang and displacement of ice water channels

費(fèi)縣小泉莊冰川巖溶的發(fā)現(xiàn)，佐證了中國(guó)華北低海拔地區(qū)曾經(jīng)存在較為廣泛的冰蓋覆蓋，冰期降溫不僅形成山谷冰川，還可形成規(guī)模分布的冰蓋，這體現(xiàn)了中國(guó)東部曾經(jīng)存在大幅降溫的冰期氣候，冰期-間冰期循環(huán)是中國(guó)東部氣候的基本特征。

4 結(jié)論

（1）山東小泉莊灰?guī)r表面發(fā)現(xiàn)的河曲狀巖溶槽為冰水沖蝕形成，河曲狀巖溶沖蝕槽供水源頭的壺穴為冰蓋融水下注過(guò)程中形成的冰臼，兩者均屬于冰川巖溶，冰蓋融水提供了較快的流速、穩(wěn)定流量的束狀流與持續(xù)的時(shí)間。

（2）小泉莊冰臼表現(xiàn)出的節(jié)奏性位移現(xiàn)象，初步分析為季節(jié)變化所致，冰臼形成過(guò)程屬于低溫期（冬季），冰臼與冰臼之間表現(xiàn)出較大位移量的時(shí)段應(yīng)為溫暖期（夏季），冰臼位移速度與冰蓋中融水對(duì)于冰體中泄水通道的消融速度有關(guān)。根據(jù)小泉莊冰川巖溶冰臼間距存在的慢-快-慢的特征，其對(duì)應(yīng)于低溫-溫暖-低溫過(guò)程，分析該冰川巖溶系統(tǒng)的形成大約需要1～2年的時(shí)間完成，表現(xiàn)為冰川消退期的產(chǎn)物。

（3）典型冰川巖溶在山東中部丘陵區(qū)的發(fā)現(xiàn)，為中國(guó)冰川巖溶的研究提供了實(shí)物遺跡樣本，對(duì)于更為廣泛的其他類(lèi)型的巖溶冰川遺跡的研究與確認(rèn)，以及中國(guó)東部地貌過(guò)程、氣候演化等方面的研究都具有重要意義。

致謝：該項(xiàng)研究得到了自然資源部第一海洋研究所徐興永研究員、中科院海洋研究所趙松齡教授、中國(guó)石油大學(xué)呂洪波教授、南京師范大學(xué)黃家柱教授、南京大學(xué)楊達(dá)源教授、中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)所錢(qián)方教授、河南地礦職業(yè)學(xué)院張先教授的大力支持與幫助，在此表示由衷的謝意！