基于10Be暴露年代的北美洲晚第四紀(jì)冰川演化序列研究

劉 亮，翟羿杰，張 威，初智豪

（遼寧師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，遼寧大連 116029）

0 引言

第四紀(jì)氣候演變以冷暖交替為特征，導(dǎo)致了冰川的不斷進(jìn)退［1-3］，也造就了豐富的冰川遺跡。晚第四紀(jì)時(shí)期，北美洲受當(dāng)時(shí)氣候的影響在中高緯度形成了橫跨大陸的北美冰蓋復(fù)合體（North American Ice Sheet Complex，NAISC），作為北半球最大的冰蓋，NAISC對(duì)氣候、海平面、大氣環(huán)流和人類的遷移都有著深刻的影響［4-5］。而在中低緯度的美國(guó)西部地區(qū)形成了對(duì)氣候變化更為敏感的山岳冰川。豐富的冰川遺跡讓人們能夠更加了解古氣候的變化特征，利用冰川沉積物年代構(gòu)建的冰川演化序列，有助于了解冰川對(duì)全球氣候強(qiáng)迫和反饋的敏感性。精確的冰川作用定年對(duì)于了解第四紀(jì)冰期、冰川演化過(guò)程和全球氣候變化至關(guān)重要。其中，宇宙成因核素測(cè)年法應(yīng)用于冰川年代學(xué)已經(jīng)幾十年［6］，積累了大量的測(cè)年數(shù)據(jù)集。此方法通過(guò)測(cè)定巖石表面的同位素核素濃度就可以計(jì)算其暴露年代，從而獲得冰川消退的確切時(shí)間［7-10］。

目前，全球第四紀(jì)冰期序列研究的熱點(diǎn)區(qū)域之一，即青藏高原及周邊山地。如趙井東等［11］基于多種測(cè)年技術(shù)把中國(guó)（以青藏高原為主體）近百萬(wàn)年冰川演化序列劃分為15個(gè)特征時(shí)段。Murari等［12］、Dortch等［13］、Owen等［14］基于10Be暴露年代對(duì)青藏高原地區(qū)的冰期序列進(jìn)行了重新總結(jié)，將青藏高原分為喜馬拉雅-西藏季風(fēng)區(qū)和西喜馬拉雅-西藏半干旱區(qū)，其中喜馬拉雅-西藏季風(fēng)區(qū)可以識(shí)別出27個(gè)區(qū)域冰川階段，而西喜馬拉雅-西藏半干旱區(qū)可以劃分為19個(gè)區(qū)域冰川階段。同樣是基于10Be暴露年代，Heyman［15］、Blomdin等［16］則采用更加嚴(yán)苛和穩(wěn)健的方法來(lái)剔除數(shù)據(jù)中的異常值，其研究表明青藏高原主要冰進(jìn)峰值在10～30 ka之間，而天山地區(qū)只有一個(gè)區(qū)域冰期是可靠的，即冰川擴(kuò)張發(fā)生在15～28 ka之間。雖然青藏高原和天山地區(qū)存在大量早于MIS 2的年代證據(jù)，但漂礫組暴露年代的分散性妨礙了冰川年代學(xué)的準(zhǔn)確定義。與青藏高原一樣，近年來(lái)，北美洲第四紀(jì)冰川序列研究也如火如荼，如Dyke［17］基于14C測(cè)年數(shù)據(jù)集對(duì)勞倫泰德冰蓋末次冰消期的范圍進(jìn)行了高精度的重建，成為了勞倫泰德冰蓋末次冰消期期間冰消等時(shí)線的權(quán)威數(shù)據(jù)。Laabs等［18］基于宇宙成因核素暴露測(cè)年法對(duì)美國(guó)西部高山進(jìn)行的冰期序列重新總結(jié)，表明在MIS 6，美國(guó)西部高山地區(qū)冰期與全球冰量最大值同步發(fā)生，末次冰期終磧的平均年代為（19.5±2.3）ka，對(duì)應(yīng)于LGM的后期。盡管在近期大量第四紀(jì)冰川測(cè)年工作的背景下，以整個(gè)北美洲為研究對(duì)象去總結(jié)、歸納第四紀(jì)冰川演化序列的研究卻寥寥無(wú)幾，所以此項(xiàng)研究對(duì)于了解北美洲晚第四紀(jì)冰川演化序列具有重要意義。

本 文 利 用Heyman［15］、Blomdin等［16］的 方 法，以10Be暴露年代數(shù)據(jù)為統(tǒng)一標(biāo)尺對(duì)北美洲各區(qū)域冰川演化序列進(jìn)行了構(gòu)建，并在原有方法基礎(chǔ)上，將概率密度曲線峰值年代與高分辨率氣候事件進(jìn)行對(duì)比。具體研究目標(biāo)為：①對(duì)10Be暴露年代的聚集程度進(jìn)行等級(jí)劃分，使用其中可信度較高和中等的漂礫組年代構(gòu)建北美洲各區(qū)域的冰川演化序列；②利用概率密度曲線峰值年代，與HS事件、B-A事件、YD事件甚至更高分辨率的Bond事件進(jìn)行對(duì)比；③探討北美洲各區(qū)域冰期序列演化階段性特征。

1 研究區(qū)概況

根據(jù)冰川形態(tài)、規(guī)模和所處地形條件將北美洲分為四個(gè)大區(qū)，分別為以山岳冰川為主的美國(guó)西部，以大陸冰蓋為主的勞倫泰德冰蓋覆蓋區(qū)和相對(duì)獨(dú)立于美洲大陸的格陵蘭冰蓋覆蓋區(qū)，以及兩種類型兼具的加拿大西部和美國(guó)阿拉斯加（圖1）。

圖1 北美洲第四紀(jì)冰川區(qū)10Be暴露年代采樣點(diǎn)分布Fig.1 Map of10Be exposure ages deposit in the Quaternary glacier region of North America（Existing glacier data is from Randolph Glacier Inventory 6.0，and the Greenland region only shows periphery glaciers）

加拿大西部和美國(guó)阿拉斯加地區(qū)（圖1），是全球高緯度冰期記錄保存較好的地區(qū)之一，為高緯度冰川古氣候重建提供了詳實(shí)的年代學(xué)框架［19］。由于布魯克斯嶺以山地冰川為主的特點(diǎn)獨(dú)立存在于科迪勒拉冰蓋以北地區(qū)，故將其分為兩個(gè)次級(jí)區(qū)域。此外，當(dāng)前科迪勒拉冰蓋對(duì)氣候突變的響應(yīng)研究，也對(duì)未來(lái)格陵蘭冰蓋的模擬演化提供可借鑒的研究基礎(chǔ)［20］。

美國(guó)西部地區(qū)依據(jù)Laabs等［18］的劃分標(biāo)準(zhǔn)，按照不同山地冰川中心進(jìn)一步劃分為喀斯喀特山脈地區(qū)、哥倫比亞高原地區(qū)、盆嶺地區(qū)、內(nèi)華達(dá)山地區(qū)、橫向山脈地區(qū)、大黃石地區(qū)、溫德河地區(qū)、尤因塔地區(qū)和科羅拉多地區(qū)，這些地區(qū)全都保留有豐富的冰川遺跡，可以為過(guò)去的氣候變化提供有價(jià)值的信息［21］（圖1）。

隨著研究的深入，東部的勞倫泰德冰蓋，其最大范圍的重建從單一的、穩(wěn)定的系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)槎啾?、相?duì)動(dòng)態(tài)的系統(tǒng)，整個(gè)冰蓋包括拉布拉多冰穹、基韋廷冰穹和巴芬冰穹，分別位于哈德遜灣的東部、西部和北部［22］（圖1），故按照此將本大區(qū)進(jìn)一步劃分為三個(gè)次級(jí)區(qū)域。它在晚更新世對(duì)海平面上升的影響最大［23］，并且在末次冰消期期間極大地?cái)_亂了海洋大氣系統(tǒng)［24-26］。所以勞倫泰德冰蓋冰川演化序列的重建，對(duì)于深入理解勞倫泰德冰蓋對(duì)氣候系統(tǒng)的影響具有重要意義。

最東端的格陵蘭冰蓋是北極地區(qū)現(xiàn)有的最大冰蓋（圖1），包含相當(dāng)于全球海平面約7 m的水量。數(shù)值模擬表明，到2100年，格陵蘭冰蓋的融化量可能會(huì)使全球海平面上升0.5 m［27］。格陵蘭冰蓋將來(lái)產(chǎn)生的大量冰山和融水會(huì)對(duì)海洋環(huán)流、生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生重大影響，并最終反作用于氣候［28］。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

北美洲冰川10Be暴露年代數(shù)據(jù)來(lái)源于Ex?page［29］（www.expage.github.io/，version expage-202103）。該數(shù)據(jù)庫(kù)根據(jù)10Be產(chǎn)率的變化定期更新，匯編了來(lái)自全球各地已發(fā)布的10Be和26Al冰川暴露年代數(shù)據(jù)，其目的是允許輕松訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)，進(jìn)而方便獲取重新計(jì)算的暴露年代或?qū)δ甏鷶?shù)據(jù)進(jìn)行新的深入研究。

2.2 暴露年代匯編

北美洲所有10Be暴露年代數(shù)據(jù)均使用Heyman等［29］基于CRONUS計(jì)算器［30］和LSDn［31］產(chǎn)率模型開(kāi)發(fā)的暴露年代計(jì)算器（http：//expage.github.io/data/calculator/zip/expage-201912.zip）重新計(jì)算獲得。其中，全球10Be平均產(chǎn)率參考值為（3.98±0.22）at?oms·g-1·a-1，由Heyman對(duì)全球26個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)匯總處理獲得（http：//expage.github.io，2009—2019年）。

由于無(wú)法確定每個(gè)研究區(qū)的侵蝕速率，本文的暴露年代計(jì)算都是基于零侵蝕的假設(shè)下，因此，采用的年代被認(rèn)為是最小暴露年代。這種方法有利于將不同研究區(qū)的暴露年代進(jìn)行橫向?qū)Ρ?，而不利在于，這種假設(shè)的在現(xiàn)實(shí)中幾乎不可能存在，尤其對(duì)于不同時(shí)間尺度暴露年代，如假設(shè)侵蝕速率為0.5、1以及2 mm·ka-1的樣品，1×104a尺度的樣品暴露年代可能低估約0.5%、1%、2%；10×104a尺度的樣品可能低估約5%、7%、20%；50×104a尺度的樣品可能低估約40%、70%，甚至100%以上［32］。除侵蝕速率之外，核素生成速率對(duì)較老年代而言不確定性也是非常之大。所以僅就目前研究的現(xiàn)狀和進(jìn)展，本文暫且按照零侵蝕計(jì)算暴露年代，以便于區(qū)域之間的對(duì)比。

所有暴露年代均按數(shù)據(jù)庫(kù)，即原始文獻(xiàn)所劃分的分組進(jìn)行計(jì)算。由于樣品受到地質(zhì)作用變化的不確定性，通常會(huì)導(dǎo)致同一組的樣品年代比較分散［33］。為了使得每個(gè)組的暴露年代具有更高的可信度，本文首先采用皮爾斯準(zhǔn)則［34-37］從數(shù)據(jù)集中剔除異常值。隨后使用Heyman［15］和Blomdin等［16］改進(jìn)之后的方法對(duì)年代聚集程度的置信等級(jí)進(jìn)行劃分，在此分析中，僅考慮樣品數(shù)n≥3的暴露年代組，并將其歸類為A、B、C三個(gè)置信等級(jí)：

（1）A級(jí)（較好聚集）

（2）B級(jí)（中等聚集）

（3）C級(jí)（較差聚集）

經(jīng)過(guò)年代置信等級(jí)劃分之后，可以省略對(duì)所有研究點(diǎn)冰川地貌的深入認(rèn)識(shí)，通過(guò)一致的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行客觀分析，從而避免了主觀臆斷造成的誤差［38］。本文通過(guò)上述方法對(duì)171篇北美洲10Be冰川年代學(xué)的文章進(jìn)行計(jì)算和分析（附表略），共包含10Be暴露年代4 357個(gè)，總計(jì)1 314組，去除C級(jí)聚集組和異常值后，符合要求的10Be暴露年代1 956個(gè)，共計(jì)424組，其中A級(jí)聚集組215個(gè)，占比50.5%，B級(jí)聚集組209個(gè)，占比49.5%。

2.3 冰期構(gòu)建原則

當(dāng)兩組或多組樣品暴露年代在誤差范圍內(nèi)重疊時(shí)，將其年代的并集定義為一個(gè)區(qū)域冰期［16，39］，而僅有一組樣品年代時(shí)則被定義為一個(gè)局地冰期。在使用A+B聚集組的數(shù)據(jù)進(jìn)行冰川演化序列的整體構(gòu)建時(shí)，大量的數(shù)據(jù)重疊可能導(dǎo)致最后的冰期范圍更加寬泛［16，39］，同樣這種方法也難以體現(xiàn)區(qū)域冰期中冰川消退開(kāi)始的時(shí)間。針對(duì)可能出現(xiàn)這種情況，嘗試對(duì)每個(gè)區(qū)域和局地冰期進(jìn)行概率密度曲線擬合，確定出峰值年代，將這些峰值年代與氣候事件進(jìn)行對(duì)比，嘗試找尋冰川演化對(duì)氣候的高分辨率響應(yīng)關(guān)系。

3 北美洲各區(qū)域冰期序列

3.1 加拿大西部和阿拉斯加

本大區(qū)包含兩個(gè)地區(qū)，冰期序列和峰值年代見(jiàn)表1和圖2A.1。3個(gè)2.0 ka以來(lái)和1個(gè)橫跨MIS 4/3的局地冰期46.78～61.62 ka均分布在科迪勒拉地區(qū)，剩余的新冰期（2.16～3.14 ka）和區(qū)域冰期（9.19～28.36 ka）在兩個(gè)地區(qū)具有同步性。與北半球高分辨率氣候事件進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，本大區(qū)對(duì)LGM以來(lái)的YD、HS1、B-A事件均有較好的對(duì)應(yīng)，而較老HS事件的對(duì)應(yīng)則不顯著。對(duì)于LGM之前的冰進(jìn)，局地冰期46.78～61.62 ka的峰值年代分別為53.5 ka和59.2 ka，更有可能對(duì)應(yīng)MIS 4晚期或MIS 3早期。

表1 北美洲分區(qū)域冰期序列和峰值年代匯總表Table 1 Summary table of subregional glaciation sequences and peak ages in North America

3.1.1布魯克斯嶺地區(qū)

布魯克斯嶺地區(qū)的冰期劃分和峰值年代見(jiàn)表1和圖2A.2。冰川在約20.6 ka從LGM的最大范圍開(kāi)始冰退，全新世新冰期的冰進(jìn)破壞了YD事件與B-A事件的冰川記錄，故僅保留有HS1事件的對(duì)應(yīng)記錄［40］。14.10～15.56 ka的局地冰期，是布魯克斯山脈西部冰川在Itkillik II晚期重新冰進(jìn)之后迅速退縮的局地響應(yīng)，并在大約15.0 ka穩(wěn)定［40］，中部地區(qū)的冰退早于西部，且東部同時(shí)期的冰川僅保留有冰進(jìn)記錄，故未與西部冰退記錄重合。2.16～2.78 ka的局地冰期，與地衣年表的轉(zhuǎn)化曲線進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)［41-42］，此局地冰期與地衣年表重疊［43］，說(shuō)明新冰期期間，布魯克斯嶺中部冰川曾有過(guò)令人信服的冰進(jìn)。

3.1.2 科迪勒拉地區(qū)

科迪勒拉地區(qū)的冰期劃分和峰值年代見(jiàn)表1和圖2A.3。本區(qū)西北部的冰川在MIS 4/3有顯著冰進(jìn)，這也是北美洲在MIS 4/3時(shí)期唯一可靠的冰進(jìn)記錄。在約23.8 ka，科克賴恩斯丘陵的冰川最先自LGM的最大范圍開(kāi)始冰退，而阿拉斯加山脈的冰川在約19.8 ka冰退，這種不同步很可能與當(dāng)時(shí)有限的水分供應(yīng)有關(guān)［44］。隨后的末次冰消期，冰川整體是退縮的，但在約16.2 ka持續(xù)近千年的快速冰退突然停止，阿拉斯加和東北太平洋深海沉積物對(duì)此現(xiàn)象有所記錄［45］，本文選取的U1419沉積記錄也體現(xiàn)了16.2 ka的氣候突變（圖2g）。冰川的快速消退導(dǎo)致大量冰川融水流向周邊低海拔地區(qū)，在約15.3 ka造成了東南部的洪水事件。B-A時(shí)期冰川整體退縮速度加快，科迪勒拉冰蓋于13.9 ka快速解體［20］，而冰川的消退在約13.4 ka被小型冰進(jìn)所打斷，一些高山冰川在此時(shí)期重新冰進(jìn)［46］。12.2～10.9 ka四個(gè)密集的峰值年代是對(duì)YD事件的直接響應(yīng)，YD冰川規(guī)模在其早中期冰進(jìn)比較顯著，隨后持續(xù)退縮至結(jié)束。

由于科迪勒拉冰蓋邊緣被局限在阿拉斯加山北坡，使其保有較完整的冰川遺跡，因此保留有0.14～0.31 ka與0.44～0.70 ka的局地小冰期記錄?；樘丶{山脈1.33～1.79 ka的局地冰期比較復(fù)雜，其采樣地貌部位為中磧壟上的碎屑帶，碎屑帶的物質(zhì)來(lái)源為山谷的巖崩碎屑，由冰川帶到中磧壟沉積，特殊的沉積物運(yùn)輸過(guò)程導(dǎo)致這些沉積物可能攜帶有額外的宇宙成因核素，故此冰期仍需要通過(guò)進(jìn)一步的校正［47］。Tiedemann冰川在2.44～3.14 ka局地冰期期間達(dá)到了全新世最大范圍，這與北美西部的大多數(shù)冰川不同，可能與巖崩導(dǎo)致冰川變厚和前進(jìn)相關(guān)［48］。

3.2 美國(guó)西部

本大區(qū)包含九個(gè)地區(qū)，冰期序列和峰值年代見(jiàn)表1和圖2B.1。北美洲基于10Be暴露年代可靠的最老冰期MIS 6冰進(jìn)只保留在美國(guó)西部地區(qū)，且存在多區(qū)響應(yīng)。盆嶺（117.89～150.47 ka）、內(nèi)華達(dá)山（116.07～151.11 ka）、大黃石（114.32～135.88 ka）、尤因塔（136.64～140.89 ka）以及科羅拉多地區(qū)（110.32～122.71 ka）的這些局地冰期共同組成了跨越MIS 6/5的區(qū)域大冰期。除此之外，溫德河地區(qū)屬于傳統(tǒng)暖期MIS 5c的局地冰期90.00～99.46 ka，也被Fabel等［49］劃分到當(dāng)?shù)氐苟冢磁c上述區(qū)域大冰期同期。Marcott等［50］基于冰斗冰川的地貌關(guān)系和年齡精度，分辨出美國(guó)西部地區(qū)晚更新世6個(gè)冰期階段。但基于本文的分析方法，這些數(shù)據(jù)在盆嶺、溫德河、尤因塔地區(qū)僅造成了局地冰期，概率峰值對(duì)應(yīng)于前文六個(gè)階段中的15.1～14.1 ka、14.1～13.5 ka以及11.8～11.2 ka，且大區(qū)域同步性仍然存在。與北半球高分辨率氣候事件進(jìn)行對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，美國(guó)西部地區(qū)對(duì)LGM以來(lái)的HS1、B-A事件有較好的對(duì)應(yīng)情況，而對(duì)其他HS事件的對(duì)應(yīng)不顯著。值得一提的是，很多分區(qū)對(duì)YD事件存在明顯的響應(yīng)，但美國(guó)西部地區(qū)數(shù)據(jù)擬合的峰值卻沒(méi)有對(duì)應(yīng)YD事件。

3.2.1 喀斯喀特山脈地區(qū)

喀斯喀特山脈僅有一組B級(jí)局地冰期，即11.70～12.31 ka（表1和圖2B.2），將這組采于冰斗湖盆地中的測(cè)年數(shù)據(jù)與美國(guó)西部其他地區(qū)同時(shí)期的測(cè)年數(shù)據(jù)對(duì)比［50］，結(jié)果表明末次冰消期，冰川迅速退縮到冰斗附近，僅在YD期間經(jīng)歷了小的波動(dòng)，全新世冰川活動(dòng)基本被限制在YD冰川的范圍之內(nèi)。

3.2.2 哥倫比亞高原地區(qū)

哥倫比亞高原地區(qū)冰期劃分和峰值年代見(jiàn)表1和圖2B.3。本區(qū)冰川在24.4 ka達(dá)到LGM最大范圍，冰川規(guī)模保持至19.8 ka，隨后冰川演化情況尚不明確，但在11.4 ka已經(jīng)退縮到冰斗附近［51］。由于本區(qū)僅有瓦洛厄河谷的暴露測(cè)年數(shù)據(jù)，因此對(duì)于瓦洛厄冰帽整體的冰川演化序列研究還需更多的數(shù)據(jù)支撐。

3.2.3盆嶺地區(qū)

盆嶺地區(qū)冰期劃分和峰值年代見(jiàn)表1和圖2B.4。本區(qū)包括寬廣的山谷與南北走向的斷層山，后者僅高出中間山谷300～1 500 m［52］。本區(qū)跨越MIS 5/6的局地冰期，峰值年代為134.2 ka，對(duì)應(yīng)MIS 6的晚期。本區(qū)特殊的地形條件，再加上大面積洪積湖的潛在影響，冰川在約21.9 ka到達(dá)最大位置，在約18.3 ka洪積湖到達(dá)最高水位并從湖侵階段進(jìn)入溢流階段后［53］，冰川也開(kāi)始冰退，最后在約13.6 ka退縮到冰斗附近。通過(guò)與圖2d的邦尼維爾湖湖面高度的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，冰川峰值年代與湖面高度的階段性變化均對(duì)應(yīng)顯著。

3.2.4 內(nèi)華達(dá)山地區(qū)

內(nèi)華達(dá)山地區(qū)冰期劃分和峰值年代見(jiàn)表1和圖2B.5。本區(qū)冰川在約30 ka開(kāi)始穩(wěn)步冰進(jìn)，之后保持在穩(wěn)定狀態(tài)，于21.6 ka左右，推覆了前期遺跡，達(dá)到末次冰期的最大范圍［54］。之后在約17.1 ka快速撤退，在B-A事件之前退縮到冰斗范圍附近［55］，故沒(méi)有明確的證據(jù)表明B-A與YD期間存在冰進(jìn)。塔特爾山谷7.64～9.02 ka局地冰期的采樣點(diǎn)地貌形態(tài)復(fù)雜，其冰磧壟內(nèi)保留有分選良好的卵石群，這表明在沉積后受到流水侵蝕。Benn等［56］結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)工作認(rèn)為，冰磧壟沉積形態(tài)的改變可能與上游山谷堰塞湖崩塌造成的洪水有關(guān)，故此局地冰期可能記錄的并不是冰川活動(dòng)。

3.2.5 橫向山脈地區(qū)

橫向山脈地區(qū)冰期劃分和峰值年代見(jiàn)表1和圖2B.6。圣戈?duì)柛昴釆W山東部保存完好的冰磧物為晚第四紀(jì)期間的冰川演化提供了證據(jù)，也標(biāo)志著北美西部科迪勒拉山脈冰川作用的最西南界限。Owen等［57］劃分出四次冰期（18～20 ka、15～16 ka、12～13 ka、5～9 ka），本文對(duì)YD事件與全新世冰進(jìn)暴露年代進(jìn)行聚集等級(jí)劃分，只得到C級(jí)聚集組，故僅保守的接受該地區(qū)LGM與HS1的冰進(jìn)事實(shí)。另外劃分出的MIS 3a局地冰期（36.33～38.03 ka），Owen等［57］沒(méi)有對(duì)SG1-5、SG28暴露年代歷史進(jìn)行解釋，甚至將其劃分在StageⅡ（15～16 ka），對(duì)于這些數(shù)據(jù)仍需深入研究。

3.2.6 大黃石地區(qū)

大黃石地區(qū)冰期劃分和峰值年代見(jiàn)表1和圖2B.7。本區(qū)在晚第四紀(jì)發(fā)育有20 000 km2的冰川復(fù)合系統(tǒng)，其演化模式與山谷冰川有很大區(qū)別，尤其在末次冰消期，大黃石冰川主體向水分來(lái)源地移動(dòng)的過(guò)程，更加類似于大陸冰蓋的演化模式［58］。MIS 6和MIS 2兩次冰期的演化規(guī)模也不盡相同，在MIS 6時(shí)期，其南部（48 km）、西南部（23 km）、西部（22 km）均比MIS 2時(shí)期冰川規(guī)模大，而在北部和東部則比MIS 2時(shí)期小，Licciardi等［59］認(rèn)為可能與黃石新月型山地的抬升變化有關(guān)。在暴露年代豐富的LGM，本區(qū)冰川到達(dá)其最大規(guī)模時(shí)間較晚，冰川在北部和東部冰進(jìn)最大規(guī)模的時(shí)間約為18.8 ka，隨后在約16.3 ka，北部和南部山地的冰川不斷加厚，并向西部較平坦的黃石高原拓展，最后在約13.7 ka，冰川不斷向水分來(lái)源的西南部冰進(jìn)，與此同時(shí)，北部的冰川由于降水的減少不斷退縮，直到穩(wěn)定在冰斗附近。

3.2.7 溫德河地區(qū)

溫德河地區(qū)冰期劃分和峰值年代見(jiàn)表1和圖2B.8。Dahms等［60］在溫德河南部采到一組MIS 16時(shí)期的暴露年代，并用形態(tài)地層學(xué)的方法確定了其存在明顯的冰進(jìn)［61］，這是本文數(shù)據(jù)中最久遠(yuǎn)的一組，但該組數(shù)據(jù)聚集等級(jí)劃分結(jié)果較差，故未采納。Dahms等［60］認(rèn)為本區(qū)在約22.5 ka達(dá)到其LGM的最大范圍，但本文擬合出的峰值年代20.2 ka僅對(duì)應(yīng)于LGM的退縮時(shí)間。HS1時(shí)期，冰川在約16.4 ka重新冰進(jìn)隨后又持續(xù)冰消［54］，在約14.0 ka時(shí)退到冰斗附近，之后在YD時(shí)期又重新冰進(jìn)［50］。雖然Dahms等［60］提出溫德河南部早至中全新世冰川事件的證據(jù)可能已經(jīng)不存在，但是在隨后Marcott等［50］的研究中，發(fā)現(xiàn)了本區(qū)南部全新世早期冰川仍活動(dòng)在冰斗附近的暴露年代證據(jù)。

3.2.8 尤因塔地區(qū)

尤因塔地區(qū)冰期劃分和峰值年代見(jiàn)表1和圖2B.9。受到盆嶺地區(qū)洪積湖的影響［62］，尤因塔地區(qū)在末次冰消期的冰川演化中出現(xiàn)空間不同步現(xiàn)象。尤因塔山脈東部首先出現(xiàn)冰退（約20.8 ka），隨后南部和西部峽谷分別在約18.6 ka和17.4 ka開(kāi)始冰退，距離邦納維爾湖最近的沃薩奇嶺則在約15.1 ka開(kāi)始快速冰退［62］，之后冰川持續(xù)退縮，在約11.4 ka尤因塔山脈冰川已經(jīng)退縮到冰斗后壁之上［50］。

3.2.9 科羅拉多地區(qū)

科羅拉多地區(qū)冰期劃分和峰值年代見(jiàn)表1和圖2B.10。Leonard等［63］使用冰磧物廢棄年齡和河谷側(cè)壁磨光基巖暴露年齡的組合來(lái)推斷威洛克里克山谷的冰川消退序列，此前Gosse等［64］的研究中也曾使用過(guò)這種方法，但Ward等［65］在研究中則指出使用這種方法，在一些冰川磨蝕的基巖樣品中發(fā)現(xiàn)了遺傳的核素濃度，26.54～33.97 ka局地冰期可能是由于這樣的原因造成的。本區(qū)冰川在約22.1 ka達(dá)到LGM的最大范圍，隨后在約21.4 ka向后退縮［54］，在約16.3 ka時(shí)中斷了冰川的整體退縮，這與Ward等［65］認(rèn)為的時(shí)期相同。之后本區(qū)所有的冰川都持續(xù)消退，在約14.1 ka冰川消退達(dá)到頂峰，直到約13 ka時(shí)已消失殆盡［63］。但在約12.4 ka時(shí)部分冰川在冰斗范圍內(nèi)又發(fā)生了顯著的冰進(jìn)［50］，可能是對(duì)YD事件的響應(yīng)。之后僅有個(gè)別冰川在全新世早期存在活動(dòng)跡象。

3.3 勞倫泰德冰蓋地區(qū)

本大區(qū)包含三個(gè)地區(qū)，冰期序列和峰值年代見(jiàn)表1和圖2C.1。勞倫泰德冰蓋對(duì)LGM以來(lái)的HS1、B-A事件有較好的對(duì)應(yīng)情況，但對(duì)其他HS事件對(duì)應(yīng)不顯著。在巴芬地區(qū)11.0 ka左右的峰值，可能是對(duì)YD事件的響應(yīng)。

3.3.1 基韋廷地區(qū)

基韋廷地區(qū)冰期劃分和峰值年代見(jiàn)表1和圖2C.2。受到冰蓋動(dòng)力學(xué)的影響，保守推斷勞倫泰德冰蓋西南邊緣在HS1時(shí)期依舊維持在LGM最大位置附近，區(qū)域冰期（13.36～19.05 ka）與峰值年代（16.7 ka）均對(duì)此有所印證，Dyke等［66］冰蓋范圍重建的研究也與此結(jié)果相吻合。

3.3.2 巴芬地區(qū)

巴芬地區(qū)冰期劃分和峰值年代見(jiàn)表1和圖2C.3。Dyke等［66］認(rèn)為勞倫泰德冰蓋各區(qū)域達(dá)到LGM最大范圍的時(shí)間是不同的，西北、東北和南緣可能較早的到達(dá)最大范圍（28～27 ka），本文構(gòu)建的26.9 ka冰期峰值也能對(duì)其進(jìn)行佐證。末次冰消期期間，巴芬地區(qū)的冰川活動(dòng)是較為緩慢的，直到Y(jié)D事件隨著全球夏季日照增加和二氧化碳水平增加［67］，導(dǎo)致本區(qū)冰川開(kāi)始加速消退，但早全新世多次突然的冷逆轉(zhuǎn)使得冰川在百年尺度上存在多次冰停或重新冰進(jìn)，7.36～19.93 ka冰期的峰值對(duì)應(yīng)這些百年尺度的冷逆轉(zhuǎn)事件時(shí)期。Young等［68］認(rèn)為，全新世早期冰蓋的解體開(kāi)啟了一種負(fù)反饋機(jī)制，勞倫泰德冰蓋的融水排放可能削弱了大西洋經(jīng)向翻轉(zhuǎn)環(huán)流（Atlantic meridional overturning circulation，AMOC），進(jìn)而降低了區(qū)域溫度，觸發(fā)了勞倫泰德冰蓋、格陵蘭冰蓋西南緣和區(qū)域高山冰川反復(fù)的退縮暫?；蛟俅伪M(jìn)。全新世中期的冰期峰值由于缺乏相關(guān)演化歷史的研究，暫無(wú)法解釋。在中世紀(jì)暖期期間，巴芬地區(qū)的氣候展現(xiàn)了與歐洲地區(qū)相反的情況［69］，使得在約0.7 ka的冰川范圍接近約0.4 ka小冰期的冰進(jìn)最大范圍［70］。

3.3.3 拉布拉多地區(qū)

拉布拉多地區(qū)冰期劃分和峰值年代見(jiàn)表1和圖2C.4。本區(qū)冰川在約27.0 ka達(dá)到LGM的最大范圍，與巴芬地區(qū)同步。在隨后的21.9 ka，本區(qū)冰川較先啟動(dòng)冰消，這主要是由軌道強(qiáng)迫所驅(qū)動(dòng)的［71］。在約19.6 ka冰川開(kāi)始穩(wěn)定消退，這可能是對(duì)北半球夏季日曬加速上升和溫室氣體增加的響應(yīng)，這種質(zhì)量損失的增加與全球平均海平面上升同時(shí)發(fā)生（圖2e）［71］。由于緬因?yàn)潮艿娜诨捅澜饧觿∫约癆MOC減弱造成的部分海域溫度上升［72］，在HS1事件的末期約15.4 ka，勞倫泰德冰蓋東南緣開(kāi)始由穩(wěn)定退縮轉(zhuǎn)化為快速崩解。最后，在7.9 ka和7.4 ka的冰期峰值可能記錄了勞倫泰德冰蓋對(duì)8.2 ka冷事件的響應(yīng)［73］，并且支持了在此事件之后冰蓋迅速消亡的證據(jù)［74］。

3.4 格陵蘭

格陵蘭地區(qū)冰期劃分和峰值年代見(jiàn)表1和圖2D。本區(qū)LGM前的冰川演化證據(jù)僅保留三組且仍存有爭(zhēng)議，將其放在下文討論。LGM由于冰蓋向大陸架的拓展，使得本區(qū)的陸上證據(jù)極為有限，且有可能受到繼承核素濃度的影響，故約24.0 ka的冰期峰值無(wú)法準(zhǔn)確代表本區(qū)在LGM的演化情況，但N?rgaard-Pedersen等［75］的研究表明格陵蘭北部地區(qū)冰蓋的最大冰進(jìn)時(shí)間在20～25 ka。格陵蘭地區(qū)在末次冰消期的冰川活動(dòng)類似于巴芬地區(qū)較為緩慢，冰蓋整體從其大陸架上LGM位置開(kāi)始退縮，持續(xù)時(shí)段約為17～11.5 ka，各部分冰退時(shí)間各有差別，在約12.1 ka的峰值可能記錄了YD期間本區(qū)唯一的冰進(jìn)［76］。隨后的全新世早期，冰川受到百年尺度的冷事件影響，在冰進(jìn)與冰退間循回，直到全新世大暖期期間，冰川退縮到現(xiàn)在的冰緣范圍之內(nèi)，最后新冰期或小冰期的冰進(jìn)破壞了大暖期期間的冰川演化記錄［77］，Young等［78］認(rèn)為格陵蘭冰蓋在約2 ka時(shí)達(dá)到全新世最大規(guī)模，這與本文構(gòu)建出1.75～1.85 ka冰期不謀而合。

圖2 北美洲分區(qū)A+B暴露年代概率密度圖Fig.2 Probability density plots of the class A and B10Be exposure ages for each of the eighteen regions（The left figure includes data of western United States，and the glaciation sequence spans MIS 6～1，and the right figure includes data of western Canada and Alaska，the Laurentide Ice Sheet region and Greenland，and the glaciation sequence spans MIS 5～1，and the left and right figures are combined into one figure，but the time series of the right figure is shorter than that of the left figure；In the upper part of the figure，pink bars represent YD event（11.7～12.9 ka，the division refers to Reference［79］），yellow bars represent B-A event（12.9～14.6 ka，the division refers to Reference［79］），green bars represent HS events（HS1：14.6～17.5 ka，the division refers to Reference［80-81］），blue bars represent the LGM（19.0～26.5 ka，the division refers to Reference［71］），and marine isotope stages division refers to Reference［2］；Paleoclimate proxy records contains：a.summer insolation at 30°N［82］，b.EPICA Dome C ice core［83］，c.LR04 series of marine δ18O in benthic foraminifers［2］，d.Lake Bonneville altitudes［53］，e.global sea level reconstruction［84］，f.North Atlantic ice-rafted debris stack［85］，g.Alaska deep-sea sediment core U1419［86］，h.North Atlantic deep-sea sediment core OCE326-GGC5［87］，i.summer insolation at 65°N［82］，j.GISP2 ice core［88］）

4 北美洲冰期序列演化階段性特征

4.1 LGM之前階段

通過(guò)數(shù)據(jù)分析，LGM之前的北美洲10Be暴露年代集中保存在阿拉斯加地區(qū)、美國(guó)西部地區(qū)、拉布拉多地區(qū)、巴芬地區(qū)和格陵蘭地區(qū)（圖3），但這些地區(qū)的冰川演化序列不盡相同。美國(guó)西部地區(qū)的冰期峰值集中對(duì)應(yīng)于MIS 6晚期以及MIS 5早期，這與Laabs等［18］的觀點(diǎn)相同，而阿拉斯加地區(qū)則對(duì)應(yīng)于MIS 4/3時(shí)期，這與深海氧同位素曲線所揭示的全球冰量變化趨勢(shì)并不一致（圖2c），說(shuō)明影響冰川發(fā)育的驅(qū)動(dòng)機(jī)制非常復(fù)雜。冰蓋演化模型的研究表明，美國(guó)西部山地冰川通常與勞倫泰德冰蓋同步進(jìn)退［88］，同時(shí)勞倫泰德冰蓋規(guī)模與高緯度的阿拉斯加地區(qū)冰川規(guī)模之間也可能存在著關(guān)聯(lián)，當(dāng)勞倫泰德冰蓋規(guī)模小時(shí)，可能對(duì)太平洋和阿拉斯加地區(qū)上空的大氣環(huán)流影響較弱，導(dǎo)致阿拉斯加地區(qū)冰川的發(fā)育條件更好，從而大規(guī)模發(fā)育冰川［89-90］。本文的區(qū)域冰期構(gòu)建證明了這一點(diǎn)，即MIS 6時(shí)期，美國(guó)西部山地冰川與勞倫泰德冰蓋同步推進(jìn)阻礙了阿拉斯加地區(qū)的冰川發(fā)育，導(dǎo)致阿拉斯加地區(qū)MIS 6時(shí)期冰川規(guī)模小于MIS 4時(shí)期，因此阿拉斯加地區(qū)僅保留有MIS 4/3時(shí)期的暴露年代。值得討論的是，美國(guó)西部地區(qū)最南端的橫向山脈地區(qū)保存了一組MIS 3a時(shí)期的暴露年代，有可能繼承了之前的核素濃度，抑或者與之前時(shí)期的冰進(jìn)歷史相關(guān)，但這些假設(shè)缺乏更進(jìn)一步的研究數(shù)據(jù)支持［57］。

圖3 7個(gè)時(shí)間段（71.0～150.0 ka，29.0～71.0 ka，19.0～26.5 ka，14.6～17.5 ka，12.9～14.6 ka，11.7～12.9 ka和<11.7 ka）A、B級(jí)聚集組的空間分布（冰蓋范圍參考了文獻(xiàn)［17］）Fig.3 Spatial distribution of the class A and B10Be exposure ages for the seven temporal groups（71.0～150.0 ka，29.0～71.0 ka，19.0～26.5 ka，14.6～17.5 ka，12.9～14.6 ka，11.7～12.9 ka and<11.7 ka）（An outline of ice sheets refers to Reference［17］）

在拉布拉多、巴芬、格陵蘭地區(qū)的冰期峰值除了27 ka時(shí)存在拉布拉多與巴芬地區(qū)的同步以外［91-92］，其他的冰期峰值都較為分散。約27 ka時(shí)期的拉布拉多與巴芬地區(qū)的同步在本文零侵蝕速率的假設(shè)下，也證明了Dyke等［66］提出的勞倫泰德冰蓋東北和南部邊緣可能較早達(dá)到其最大位置（27～28 ka），但是上文所提高緯度地區(qū)樣品核素濃度繼承的情況仍需注意。Dyke等［66］還曾提出勞倫泰德冰蓋在LGM時(shí)期的發(fā)展異步性，本文擬合的冰期峰值也有所印證（表1）。格陵蘭地區(qū)存在的冰期峰值對(duì)應(yīng)于MIS 3a、5a兩個(gè)暖期，MIS 5a持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的夏季高溫可能導(dǎo)致了冰川融化留下記錄［93-94］，MIS 3a時(shí)期的冰期記錄類似于MIS 5a時(shí)期［94］。但Andersen等［95］認(rèn)為來(lái)自高海拔（>800 m）地區(qū)樣本的宇宙核素繼承有著不等的梯度，由于地形環(huán)境的影響，宇宙核素繼承最高可達(dá)到90 ka，故有可能這兩次冰期峰值的樣品存在核素繼承而造成其年代較大。在本文零侵蝕速率的假設(shè)下，只將其作為對(duì)應(yīng)MIS 3a、5a暖期的冰消記錄。

另外，通過(guò)對(duì)17個(gè)最老的暴露年代組的統(tǒng)計(jì)（表2），可以發(fā)現(xiàn)這些冰磧物的采樣地點(diǎn)大部分位于側(cè)磧壟和古夷平面之上，而對(duì)于冰川范圍指示更為精準(zhǔn)的終磧壟上僅存兩個(gè)采樣點(diǎn)，這指示出終磧壟由于受到更強(qiáng)的河流侵蝕和冰川運(yùn)動(dòng)的作用，容易被侵蝕破壞，而側(cè)磧壟更好地保存了冰磧物的原始形態(tài)，能夠更多的保留有過(guò)去冰川活動(dòng)的證據(jù)［96］。

表2 LGM之前階段10Be采樣點(diǎn)地貌形態(tài)及樣品類型匯總表Table 2 Summary table of topographic morphology and sample types of10Be sampling points in pre-LGM stage

4.2 LGM階段

LGM時(shí)期A級(jí)聚集組的暴露年代普遍分布在美國(guó)西部地區(qū)和勞倫泰德冰蓋東南部地區(qū)（圖3）。相關(guān)研究與本文峰值擬合結(jié)果表明（表1），各地區(qū)冰川達(dá)到LGM最大范圍的時(shí)間可能是不同步的（圖2），雖然LGM時(shí)期，全球尺度的氣候驅(qū)動(dòng)因素如日照（圖2a、i）和CO2（圖2b）的變化揭示了冰川發(fā)育大的氣候條件，但區(qū)域氣候或冰川內(nèi)部動(dòng)力學(xué)因素，則影響了各區(qū)域冰川達(dá)到最大范圍的時(shí)間。如受到冰蓋內(nèi)部動(dòng)力學(xué)影響的大黃石地區(qū)和基韋廷地區(qū)，在LGM后期才達(dá)到局地的最大范圍。除了全球尺度和區(qū)域尺度上的影響因素以外，勞倫泰德冰蓋帶來(lái)的大氣效應(yīng)可能也是影響北美洲各區(qū)域冰川達(dá)到LGM最大范圍不同步的一個(gè)因素［104］。在大氣環(huán)流模型中模擬LGM氣候時(shí)，一個(gè)重要的特征就是在勞倫泰德冰蓋上發(fā)展了一個(gè)強(qiáng)大的反氣旋［104］，它使得冰蓋范圍以南的區(qū)域以寒冷干燥的偏東氣流為主，削弱了西風(fēng)帶的影響，減少了西部山地的降水，從而限制了冰川發(fā)育。同時(shí)，布魯克斯嶺地區(qū)也因?yàn)閯趥愄┑卤w大氣效應(yīng)的影響導(dǎo)致了其降水減少，故較晚達(dá)到LGM最大范圍［40］。而在最南的橫向山脈和科羅拉多地區(qū)則受到中緯度西風(fēng)急流向南遷移導(dǎo)致降水增加［57］，冰川發(fā)育條件更好，故早于北部山地達(dá)到LGM最大范圍。

4.3 末次冰消期與全新世階段

Benson等［105］主張美國(guó)西部的山地冰川在末次冰消期存在同步退縮。根據(jù)本文數(shù)據(jù)處理結(jié)果（表1），發(fā)現(xiàn)這種現(xiàn)象不僅出現(xiàn)在美國(guó)西部山地地區(qū)，而是整個(gè)北美洲都趨近同步。在HS1事件期間，整個(gè)北美洲在約15.3 ka和16.2 ka出現(xiàn)了同步的峰值；在B-A事件期間，整個(gè)北美洲在約14.2 ka出現(xiàn)了同步的峰值，之后進(jìn)入快速消融期（圖3）；在YD事件期間，部分保留有冰期記錄的地區(qū)在約11.7 ka和12.2 ka附近出現(xiàn)了同步的峰值。Palacios等［54］認(rèn)為這種同步性可能受到了海洋環(huán)流（例如AMOC）顯著變化的影響，也可能反映了北半球大冰蓋對(duì)周圍大氣環(huán)流和溫度的深刻影響。根據(jù)北大西洋浮冰碎片記錄（圖2f）和海底沉積物記錄（圖2h）也揭示了在12.0～12.6 ka、13.3～13.5 ka、15.1 ka、16.0 ka這四個(gè)時(shí)期出現(xiàn)了AMOC的顯著變化。

全新世的北美洲10Be暴露年代集中保存在阿拉斯加地區(qū)、勞倫泰德冰蓋東部地區(qū)以及格陵蘭地區(qū)（圖3和表1），表明這些地區(qū)的全新世冰進(jìn)更為顯著。從圖4中可以看出，美國(guó)西部地區(qū)以外的各分區(qū)全新世冰進(jìn)主要集中在早中全新世冰川波動(dòng)階段，新冰期和小冰期，這種整體趨勢(shì)與青藏高原相似［11］，全新世中期的記錄可能被新冰期或小冰期冰進(jìn)所淹沒(méi)。由于已證實(shí)的大規(guī)模大氣-海洋遠(yuǎn)程聯(lián)系，越來(lái)越多的古氣候?qū)W家將Bond事件與世界各地全新世的氣候異常聯(lián)系起來(lái)［106］，利用不同代用指標(biāo)對(duì)Bond事件的響應(yīng)進(jìn)行了研究，例如Viau等［107］利用花粉記錄表明北美洲對(duì)Bond 5、2、1、0事件有響應(yīng)關(guān)系。格陵蘭重建溫度（圖4a）結(jié)合GISP2中的δ18O數(shù)據(jù)顯示（圖4c），盡管兩個(gè)代用指標(biāo)記錄并不完全一致，但在Bond 8、7、6、5、1、0事件時(shí)期可以分辨出寒冷期，尤其以Bond 5事件最為明顯。北大西洋浮冰碎片的重建記錄（圖4b）更加敏感，對(duì)每一個(gè)Bond事件均有良好的響應(yīng)。代用記錄的溫度波動(dòng)模式與本文發(fā)現(xiàn)北美洲冰川對(duì)Bond 8、7、5、1、0事件存在對(duì)應(yīng)關(guān)系的時(shí)期相匹配（圖4），這說(shuō)明AMOC的變化可能依舊是全新世冰川演化的影響因素。

圖4 北美洲各區(qū)全新世概率密度圖與Bond事件Fig.4 Holocene probability density plots and Bond events in the four regions of North America（The classification of Bond events refers to Reference［108］；Paleoclimate proxy records contains：a.Greenland temperature reconstruction［109］，b.ice-rafted debris stack from four North Atlantic sediment cores［110］，c.GISP2 ice core［88］）

5 結(jié)論

（1）對(duì)4 357個(gè)重新計(jì)算的10Be暴露年代進(jìn)行嚴(yán)格的聚集程度置信等級(jí)劃分以及分區(qū)冰川演化序列的構(gòu)建，有助于更好的量化過(guò)去冰川消長(zhǎng)時(shí)間。大量且分布廣泛的10Be暴露年代記錄表明，北美洲在過(guò)去至少150 ka中經(jīng)歷多次冰進(jìn)。北美洲整體上冰進(jìn)時(shí)間似乎與LGM和北半球冰蓋的消長(zhǎng)相吻合，但受不同氣候因素的影響，在部分地區(qū)存在不同步的現(xiàn)象。

（2）LGM之前的冰川演化存在區(qū)域性。其中MIS 6/5冰進(jìn)全部集中在美國(guó)西部地區(qū)，峰值年代為138.7 ka和118.7 ka，對(duì)應(yīng)于MIS 6晚期和MIS 5早期。MIS 4/3僅保存在阿拉斯加地區(qū)，這可能與勞倫泰德冰蓋的大氣效應(yīng)存在一定的相關(guān)性。在LGM，北美洲廣泛冰進(jìn)，但達(dá)到最大范圍的時(shí)間不同步，揭示了不同地區(qū)冰川演化影響因素不同。LGM以來(lái)的冰川對(duì)于高分辨率氣候事件HS1、B-A、YD事件存在同步性，這種同步性可能受到了AMOC顯著變化的影響，也可能反映了北半球大冰蓋對(duì)大氣環(huán)流和溫度的深刻影響。

（3）美國(guó)西部地區(qū)較少保存全新世以來(lái)的冰進(jìn)記錄，而其他地區(qū)的早中全新世冰川波動(dòng)階段、新冰期和小冰期對(duì)Bond 8、7、5、1、0事件具有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。