蒙山峨峪口礫石堆積堤的年代學(xué)研究

王乃昂， 孫德浩， 隆浩， 劉嘯， 王孝理， 陸晨遨， 李卓侖， 劉江

1)蘭州大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，冰川與沙漠研究中心，沙漠與冰川野外科學(xué)觀測研究站，蘭州， 730000；2)中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所，南京， 210008；3)臨沂大學(xué)地質(zhì)與古生物研究所，山東臨沂， 276005

內(nèi)容提要: 準(zhǔn)確界定蒙山峨峪口礫石堆積堤的形成時代，對于探明其成因、澄清山東中低山丘陵第四紀(jì)冰川有無之爭，是一個需要解決的科學(xué)問題。峨峪口堆積壟崗礫石組構(gòu)、沉積構(gòu)造、地貌組合等標(biāo)志，均指向其為山洪泥石流堆積物，且為暴發(fā)頻率極低、發(fā)展周期較長的水石流或稀性泥石流堆積。其下伏第四紀(jì)沉積物OSL埋藏年齡和AMS14C年齡可作為礫石堆積堤形成時代的最老約束參考年齡，當(dāng)?shù)卮迕襁w居此地的歷史可作為最小約束參考年代。OSL測年結(jié)果為2.1～2.3 ka BP，AMS14C測年結(jié)果為951～1522 cal AD，證明礫石堆積堤為數(shù)百年前形成的歷史泥石流遺跡。

近一個世紀(jì)以來，我國地學(xué)界對中國東部(105°E以東)中低山丘陵有無第四紀(jì)冰川給予了極大的關(guān)注，一些知名學(xué)者先后參與討論、刊布的論著數(shù)量眾多，且一直有不同的認(rèn)識(李四光，1947；黃培華，1963；施雅風(fēng)，1980；李吉均，1983；李吉均等，1983；崔之久和謝又予，1984；黃汲清，1989)。通過系統(tǒng)、深入研究和學(xué)術(shù)交流，絕大多數(shù)專家認(rèn)為中國東部中低山地某些疑似的古冰川遺跡，完全可以用非冰川成因(大多數(shù)是季風(fēng)氣候條件下的泥石流堆積)予以解釋(施雅風(fēng)等，1989，2006，2011； 章雨旭等，2011；崔之久， 2013)。盡管研究冰川的學(xué)者作出了中國東部中低山丘陵第四紀(jì)期間不曾出現(xiàn)過冰川的結(jié)論，但由李四光首創(chuàng)的“中國東部第四紀(jì)大范圍地發(fā)育過冰川”結(jié)論依然有不少地學(xué)工作者在繼續(xù)秉持，并報道發(fā)現(xiàn)了“低海拔型古冰川遺跡”(趙松齡，2010)。其中，山東蒙山峨峪口礫石堆積堤的成因是近年學(xué)術(shù)爭論的焦點之一，引致多位學(xué)者對蒙山第四紀(jì)“冰川遺跡”看法的質(zhì)疑或關(guān)注(章雨旭，2017；王乃昂等，2017；李吉均和周尚哲，2018；張志剛等，2018；趙井東等，2019；王乃昂等，2020；呂洪波等，2020；周尚哲，2021)。

蒙山是山東中低山丘陵的第一大山系，主峰龜蒙頂海拔高度1156 m(圖1a)，距離郯城大地震震中約90 km。其南北麓溝谷出山口多碎屑堆積，且以礫石堆積堤及古泥石流堆積臺地的形式保留在現(xiàn)代河床之上。其中，主峰龜蒙頂西南麓峨峪口和八字峪一帶的礫石堆積堤，具有典型性和代表性。王照波等(2017a)報道這是一個山谷冰川遺跡。章雨旭(2017)對峨峪口礫石堤提出關(guān)注，交代了礫石堤的一些地質(zhì)特征，認(rèn)為可能是中國東部存在第四紀(jì)冰川的有力證據(jù)，但對其是側(cè)磧壟或冰石河的說法均提出了疑問。張志剛等(2018)指出礫石宇生核素10Be 暴露年代結(jié)果不支持先前發(fā)表的 “8. 2 ka BP 攔馬冰期”(王照波等，2017b)的結(jié)論，全新世以來山東蒙山區(qū)域處于一個暖濕的環(huán)境下，盡管有幾次降溫事件，但是不足以提供形成冰川的條件。呂洪波等(2020)認(rèn)為蒙山“冰川遺跡”缺少典型的山谷冰川地貌標(biāo)志，峨峪峽谷巖壁擦痕可能是“洪水偶爾攜帶巨大巖塊劃過留下的痕跡”，認(rèn)為這個礫石堤是“全新世早期冰緣氣候帶下的石河”。筆者等從成因?qū)傩蕴卣?礫石組構(gòu)、沉積構(gòu)造和地貌組合等)論證峨峪口、八字峪一帶礫石堤為歷史時期山洪泥石流(水石流或稀性泥石流)形成的超高堆積壟崗(王乃昂等，2021a、b)。峨峪口礫石堆積堤、峨峪峽谷等地雖被后來規(guī)模大小不同的多期次山洪泥石流影響過，但礫石層底部的沉積物依然保存較好，巖石表面的泥石流擦痕和撞擊坑也未因風(fēng)化過程而消失；凡此，均為利用沉積物OSL、14C和TCN暴露測年等方法判斷礫石堤堆積時代提供了條件。

圖1 蒙山地理位置和采樣點示意圖: (a)蒙山地理位置；(b)研究區(qū)采樣點

業(yè)已報道的峨峪口礫石堆積堤底部OSL年齡僅有1個(王照波等，2017b)，不只代表性有限，且測年參數(shù)沒有給出誤差范圍，無法計算得出8.2 ka的年齡。即使對幾項參數(shù)設(shè)定誤差，也得不出全新世早期堆積的結(jié)果。鑒于年代學(xué)證據(jù)對于間接或輔助說明峨峪口礫石堤的成因、特別是歷史泥石流形成時代具有重要研究價值，有必要對其進行多種測年方法的交叉研究或綜合驗證。為此，本研究團隊于2021年2月和4月兩次專門赴蒙山調(diào)查，野外工作主要是尋找礫石層埋壓的沉積物OSL、14C測年材料(圖1b)，現(xiàn)將最新的定年結(jié)果報道于后。

1 測年樣品采集

1.1 OSL測年樣品采集

考慮及年代學(xué)樣品必須具有代表性和明確的科學(xué)內(nèi)涵，筆者等野外采樣主要遵循以下原則：一是局地環(huán)境穩(wěn)定未受人為擾動的地段；二是在峨峪口兩岸礫石堤內(nèi)側(cè)分別布設(shè)兩個測年采樣點(圖2a)；三是盡可能采集平行樣。其中，采樣點1在峨峪口右岸礫石堤，坐標(biāo)為35°33′27″N、117°49′02″E。上部為厚3～ 4 m的礫石層，采樣孔在礫石層底部，埋深約5 cm(圖2c、e)。采樣點2在峨峪口左岸礫石堤前端，坐標(biāo)為35°33′02″N、117°48′51″E。上部為一巨石(10.5× 6 × 2.8 m)，采樣孔在巨石底部，埋深10 ～15 cm(圖2b、d)，整個堆積層層序是明確的。礫石層下伏沉積物為河床相、漫灘相，包括黏土、粉砂及小礫石，采樣時表面略呈濕潤狀態(tài)，應(yīng)與之前的降水有關(guān)。為準(zhǔn)確界定泥石流堆積時代的約束年齡，選擇礫石層堆積后下伏沉積物處于封閉環(huán)境的地層作為OSL樣品采集標(biāo)本(圖2d、e)。將靠近礫石層底部的沉積物表土清理后，利用直徑為5 cm、長度為 30 cm的不銹鋼管，在2個采樣點平行采集OSL年代樣品各2個，總計4個樣品用于定年。在采樣過程中，為避光和防止水分流失，利用鋁箔紙等包裹鋼管兩端。

1.2 AMS14C測年樣品采集

由于時間原因，可用于直接測定泥石流堆積年代的枝葉夾層等早已腐朽爛光，或難以尋獲。為提高測年數(shù)據(jù)的可靠性，保證其可以反映泥石流堆積的約束年齡，2021年4月在兩處OSL測年樣品的同一層位，采集編號為MC的2個全樣有機質(zhì)用作14C測年(圖2d、e)。需要說明，在峨峪口左岸礫石堤采樣點2巨石底部，2017年6月將保存于自然封閉狀態(tài)的沉積物表面泥土加以清理后，采集有1個全樣有機質(zhì)14C測年樣品(圖2f)，野外編號為MS01-03。上述14C測年樣品均現(xiàn)場用采樣袋密封保存，運回實驗室后進行簡單的前處理，之后送至美國Beta實驗室進行AMS14C測年。

圖2 蒙山峨峪口礫石堤景觀和測年樣品采集環(huán)境層位: (a)峨峪口礫石堤采樣點示意圖；(b)峨峪口左岸采樣點2景觀；(c)峨峪口右岸采樣點1景觀；(d)采樣點2環(huán)境層位；(e)采樣點1環(huán)境層位；(f)MS01-03采樣層位

2 測年結(jié)果分析

2.1 峨峪口礫石堆積堤的最老約束年代

筆者等采集的4個OSL樣品，前處理和測試在中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所完成，均作為獨立樣品全過程測試。采用標(biāo)準(zhǔn)的單片再生劑量法和小片技術(shù)(單片直徑為2 mm)測試粗顆粒石英組分(100 ～ 200 μm)的等效劑量(De)；計算劑量率所需的U、Th、K含量分析采用ICP-MS和ICP-AES測試完成。詳細(xì)流程和測試方法參見文獻(Long Hao et al., 2014, 2019)，具體參數(shù)和結(jié)果如表1。

表1 山東蒙山峨峪口礫石層底部沉積物OSL測年結(jié)果及其參數(shù)

表1中的OSL樣品層位(M-1和M-2、M-3和M-4同為平行樣)均處于疊置礫石層底部之下的封閉環(huán)境(圖2c、d、e)，與泥石流堆積時代系先后關(guān)系，可作為其最老約束年齡的參考。通常采用De的分布特征來檢驗沉積物顆粒在埋藏前OSL信號的曬退程度，例如樣品NL-2375顯示了非常寬的等效劑量分布特征(圖3)，其他3個樣品的De也同樣具有相同的特征。每個樣品獲得了47或者48個測片的De(或者年齡)，但也存在很多老的測片，說明這些樣品可能存在曬退不完全的顆粒(分散系數(shù)相當(dāng)大)，但大部分顆粒的曬退程度還是一致的，故采用CAM模型計算年齡。CAM計算出來的兩個平行樣品年代比較一致，且兩處4個樣品的年齡也具有一致性，說明樣品采集是在相同地貌單元的同一沉積層位。另外，在實驗室還初步做了鉀長石測年，但明顯老于石英，說明這些沉積物在沉積前很可能曝光的時間不夠，曬退可能不徹底。鑒于樣品均顯示了較大離散程度(>30%)(表1)，表明這些樣品的石英OSL信號存在曝光不完全，所獲得的表觀釋光年齡對沉積物的埋藏時間可能存在高估。由此認(rèn)為，峨峪口兩岸同一沉積地層形成時間不會早于距今2.1～2.3 ka BP，可作為泥石流堆積最老約束年齡的參考。

圖3 樣品NL-2375的De分布特征(n=47)

14C年代標(biāo)本物質(zhì)所處環(huán)境與OSL樣品基本是同層位的(MC01和M-1、M-2同層位，MC02和M-3、M- 4同層位)，不存在侵蝕后再填充的沉積過程，與其上礫石層堆積的形成時代應(yīng)為先后關(guān)系。3個14C年代標(biāo)本物質(zhì)所測年代結(jié)果(表2)，均揭示泥石流堆積大致為距今1000 a以來的某段歷史時期。由于沉積物中的含碳物質(zhì)是在礫石層堆積之前就已存在或可能同時堆積的物質(zhì)，且大多是從上游溝谷或山坡經(jīng)流水搬運而沉積下來的，采用其標(biāo)本測定的14C 年齡一般比泥石流堆積時代為老，甚至?xí)陷^多。其中，實驗室編號為Beta-594101的MS01-03樣品為巨石底部的泥質(zhì)沉積物，AMS14C測年結(jié)果為1437～1522cal AD。如無土壤淋溶過程等外源“新碳”污染，不僅可指征礫石堤之下沖洪積層頂部的大致形成年齡，而且間接證明上覆泥石流堆積時代很可能晚至距今500年后的明清之際。

表2 蒙山峨峪口礫石堤下伏沉積物AMS14C測年結(jié)果

2.2 峨峪口礫石堆積堤的最小約束年代

峨峪口礫石堆積堤表面無黃土沉積和土壤發(fā)育，加之礫質(zhì)結(jié)構(gòu)保水能力較差，阻止了植物在其上定居，樹木比較稀少，凡此均間接證明泥石流發(fā)生時代不甚古老。同時，峨峪口礫石擦痕、峨峪峽谷巖壁擦痕和白云巖(注：地名)光緒八年(1882年)石刻均附著地衣，而距今30年前的1991年大洪水形成的峨峪口礫石表面和2017年6月峨峪重力崩塌礫石則未見地衣附生。因此，根據(jù)有無地衣附著的情況可初步判斷，峨峪口礫石、峨峪谷壁巖石表面擦痕的形成時代至少在距今數(shù)十年甚或數(shù)百年之前。

可資佐證的是，經(jīng)訪問當(dāng)?shù)鼐嚯x峨峪口礫石堤約百米的社區(qū)村民王殿德(時年57歲)等，其祖輩從距離3.5 km的楊謝村遷居此地(峨峪口階地)已有5代人的時間。他們從一開始就在礫石堆積堤前部種植菜園或農(nóng)田，明確知道礫石堤在他們遷居此地之前即已存在。按每代人20年粗略估算，峨峪口礫石堤堆積時代的最小約束年齡為距今140 a左右，亦即峨峪口礫石堤堆積時代至少應(yīng)在19世紀(jì)80年代之前。

總之，峨峪口礫石堤堆積時代的約束年代范圍很可能為1437～1880 a，即距今約580 ～140 a的明清之際。需要說明，峨峪口至攔馬墻子一帶還分布以堆積臺地為主體的古泥石流遺跡(可命名為攔馬墻期)，相對具有面積大、保存好和剖面清晰的特點，地表見有不少長徑大于1 m的花崗巖礫石。它們形成了難得的平坦地面，成為主要的農(nóng)耕地和民居土地。相較地質(zhì)時期的古泥石流，類似峨峪口、八字峪等地的歷史泥石流遺跡在蒙山南北麓多有發(fā)現(xiàn)，由于以峨峪口最具代表性和典型性，可進行區(qū)域?qū)Ρ?，本文稱為峨峪口期泥石流堆積。

3 結(jié)論

(1)蒙山峨峪口礫石層下伏沉積物OSL測年結(jié)果為 2.1～2.3 ka BP，表明泥石流堆積不早于2.1～2.3 ka BP。

(2)峨峪口礫石堤下伏沉積物AMS14C測年結(jié)果為951～ 1522 cal AD，結(jié)合當(dāng)?shù)卮迕窨谑觯普摰[石堆積堤為數(shù)百年前形成的歷史泥石流遺跡，很可能為公元1437～1880年間的明清之際；本文稱為峨峪口期泥石流堆積。

(3)本文新獲得的OSL、AMS14C測年結(jié)果作為峨峪口礫石堆積堤成因類型的輔助證據(jù)，可間接否定蒙山山麓礫石堆積堤為全新世早期“冰磧壟”或“典型石河”的看法。