乌海盆地内末次冰期砂楔/冰楔铸型的发现及古气候意义

李大伟+李德文+沈晓明+孙昌斌+康艳蕊+张亚娇

摘要：砂楔/冰楔铸型等具有定量古环境意义的冰缘现象在中国北方已有多处报道，但多集中在末次冰期晚冰阶。报道了首次发现于乌海盆地的冰缘现象，从楔体形态特征、填充物粒度特征和光释光测年等方面对其成因和发育年代进行了深入研究。楔体和填充物剖面穿插关系、物质组成和形态特征分析等指示其形成过程大致可分为两个阶段：早期原生砂楔发育与楔壁近平行的充填-挤压构造；晚期冰楔铸型（包括冰楔形成、融化和填充）在砂楔之上进行叠加。冰楔切穿早期砂楔，导致楔壁物质发生强烈挤压变形，结构扰动，楔体表现为弯曲的不规则形态。光释光测年结果显示，原生砂楔发育的年代主要集中在（62.69±6.81）～（66.45±7.08）ka B.P.，即末次冰期早冰阶，对应于MIS4阶段，并可能部分延续至MIS3b阶段；冰楔铸型填充物年代为（5.95±0.61）～（6.62±073）ka B.P.，对应于全新世中期。由于冰楔铸型的填充晚于冰楔发育年代，推测冰楔发育年代可能为末次冰期晚冰阶。基于砂楔/冰楔铸型的发育过程及对环境条件的要求，初步估算出砂楔和冰楔发育时期年均气温比现在低121 ℃～136 ℃，砂楔发育时期（即末次冰期早冰阶）年降水量与现在相当。乌海盆地砂楔/冰楔铸型的发现为研究中国北方末次冰期尤其是末次冰期早冰阶纬度多年冻土分布及古气候环境提供了新的依据。

关键词：冰缘现象；砂楔；冰楔铸型；古气候；末次冰期；光释光测年；粒度分析；乌海盆地

中图分类号：P931.4 文献标志码：A

Abstract：The periglacial phenomena like sand wedge/ice wedge cast have been discovered with the paleoclimatic and paleoenvironmental significances in the northern China. But most of them are dated to the late stage of last glaciation. The periglacial phenomenon discovered firstly in Wuhai Basin was reported. Characteristics of morphology， grain size analysis of filler and OSL dating were applied to identify the origin and age， including that the early primary sand wedge encompasses a set of structures almost parallel with the wall around it， and the late ice wedge cast （including its formation， melt and fill） is superposed on the sand wedge. The ice wedge cuts through and damages the structure of the primary sand wedge， and the wedge is characterized with bend and irregular boundary as a whole. OSL dating results show that the primary sand wedge is formed during the early last glaciation （（6269±681）-（6645±708）ka B.P.， MIS4）， and

may go down to MIS3b； the filler of ice wedge cast is formed during the Middle Holocene （（595±061）-（662±073）ka B.P.）. Because the filling of ice wedge cast is later than the formation of ice wedge， it is probably that the formation of ice wedge is during the late last glaciation. Based on the formation process of sand wedge/ice wedge cast and their environmental requirement， it is estimated that the annual mean temperature has dropped 121 ℃-136 ℃ from the formation of sand and ice wedges to present， and the annual precipitation is of no significant difference from the formation of sand wedge （the early stage of last glaciation） to present. The discovery of sand wedge/ice wedge cast in Wuhai Basin could provide a basis for studying the distribution of permafrost and the paleoclimate during the last glaciation （especially the early stage） in the northern China.

Key words：periglacial phenomenon； sand wedge； ice wedge cast； paleoclimate； last glaciation； OSL dating； grain size analysis； Wuhai Basin

0 引 言

冰缘地貌现象种类繁杂，在众多古冰缘现象中，多年冻土区的冻裂作用导致地面开裂形成热收缩裂隙（Thermal Contraction Crack），地表水、砂和土周期性注入裂隙，在剖面上形成上宽下窄的楔形，在平面则多表现为多边形[1-2]。根据其填充物种类和含量的不同，此类裂隙可分为冰楔（Ice Wedge）、砂楔（Sand Wedge）、土楔（Soil Wedge）及混合楔等。冰楔内冰体融化后为外来物质充填，形成冰楔铸型（Ice Wedge Cast/Pseudomorph）。

砂楔与冰楔铸型因具有定量的环境意义而备受关注。前人在大同盆地[3]、晋西北[4]、鄂尔多斯周边[5]、腾格里沙漠东北缘[6]、宁夏中宁清水河[7]等中纬度地区已发现有砂楔、冰楔铸型和冰卷泥等纬度冻土活动的地貌遗迹（图1），其形成年代多集中在末次冰期晚冰阶（11～32 ka B.P.），鲜有末次冰期早冰阶冰缘活动的报道。本文报道了在鄂尔多斯高原西缘乌海盆地内首次发现的砂楔与冰楔铸型复合体，为研究末次冰期尤其是早冰阶中国北方地区纬度多年冻土分布和古气候环境提供新的依据。

1 区域背景与剖面描述

乌海盆地（乌达断陷）位于鄂尔多斯高原西缘，以东侧的桌子山西缘断裂和西侧的五虎山断裂为限。盆地内部海拔1 050～1 400 m，属干旱大陆性气候区、半干旱半荒漠气候带，年均气温9.6 ℃，四季温差大，气候干燥，年均降雨量约160 mm，年均蒸发量高达3 290 mm。黄河流经乌海盆地并发育多级台地。本文所报道的砂楔/冰楔铸型（图2）及小型砂脉见于盆地西界五虎山前，也见于内蒙古自治区乌海市乌达区西南约8 km的巴升图附近（属于乌斯太镇）的黄河左岸三级台地顶部。剖面所在的三级台地主要由两套地层组成：下伏的半胶结红褐色砂质黏土和上覆的薄层灰白色砂层和砂砾石层。三级台地高于现代黄河约220 m，经纬度为（39.4°N，106.65°E），海拔约1 300 m。砂楔/冰楔铸型复合体发育在更新统红褐色砂质黏土层和上覆灰白色砂层中（图3），沿长约30 m的人工剖面多处重复出现。规模较大者上宽下窄，楔壁弯曲，与常见的“V”字形等典型形态略有不同。

本文选择剖面中部较为典型的砂楔/冰楔铸型复合体作为研究重点。该楔体高约2.4 m，楔口宽约0.8 m，宽深比约1∶3。根据楔体的形态和尺寸、填充物及侧壁物质特征，将楔体分3段（图4）：A段、B段和C段。

A段为砂楔/冰楔铸型的最上段，高约0.85 m，顶部楔口宽约0.80 m，底部宽约0.35 m。上部和中部填充物为灰色细砂，偶含砾石，结构松散；下部填充物有弱成层现象，以灰色细砂为主，含少量砾石，并混有与侧壁物质成分相同的红褐色砂质黏土团块，指示侧壁曾发生垮塌。在A段自上而下取光释光样品WH1201、WH1202。该段楔体侧壁遭受长期风化作用，砂质黏土块状崩解强烈。野外观察发现楔体右壁地层尤为破碎，且破裂面多为曲面，而远离楔壁的地层破裂面为平面。

B段为砂楔/冰楔铸型的中段，高约0.65 m，底部宽约0.10 m。该段楔壁较陡，产状与上部A段差别较大。楔壁形态相对简单，两壁地层相对完整，只在左壁上部发现一组与楔壁斜交的裂隙，破碎程度不及A段右壁。楔体以灰色细砂为主，可见少量砾石，砂体内部发育与砂楔壁近平行的定向沉积-挤压构造。内部填充物还存在颜色不同的纵向条带[图3（b）]，反映了不同期次的填充。在该段内部填充物较为均一的部位自上而下取光释光样品WH1203、WH1204、WH1205。

C段为砂楔/冰楔铸型的最下段，该段楔体强烈弯曲，呈反“S”形状，高约0.9 m，楔体宽度较窄，大都在1～3 cm，仅在局部位置（两处）突然展宽，宽度达10 cm，成分为灰黄色细砂。

砂楔/冰楔铸型之上的活动层和上覆地层界线清晰，后者厚度09～10 m，分为两层：下层为灰色洪积层，成分以细砂为主，含砾石，分选差，长轴方向近水平；上层为浅灰色含砾砂层，较松散，发育垂向裂隙。

整个剖面上还有多处小型砂脉（Sand Vein）出露，在更新统红褐色砂质黏土层中尤为明显[图3（c）]，向上延伸灰白色砂层则不易识别，中下部填充物为灰黄色细砂，易识别，可见少量粒径2～5 mm的砾石。砂脉近直立，下部宽约3 cm，向上逐渐变窄（约为1 cm）。这些现象表明冻裂作用是普遍存在的。

2 年代测试

光释光（OSL）测年是晚第四纪年代学研究中最重要的方法之一[11-12]，其主要优势是测年范围比14C测年宽，测年材料容易获取。尽管在测年精度上不如14C测年有效，但其样品不易污染，在有机碳不容易保存的冲积扇地层年代学研究中具有尤为突出的地位[13]。本文根据砂楔/冰楔铸型复合体的展布和内部填充物特征，自上而下采集了5个光释光样品，其位置见图4。具体采样方法是：选择好采样点后，使用长约20 cm，直径约5 cm的不锈钢钢管取样，将一端用黑色塑料袋密封，另一端垂直打进清理干净的新鲜剖面取样，并迅速用黑色塑料袋封口，然后将两端再用黑色塑料袋及胶带密封。样品预处理和测定均在中国地震局地壳应力研究所地壳动力学重点实验室光释光年代学室完成。采用4～11 μm细颗粒石英矿物组分进行测年。光释光信号测量和β辐照均在Daybreak 2200型自动化光释光测量仪上完成，等效剂量的测定采用简单多片再生法（SMAR）。环境剂量测定时，K的含量（质量分数，下同）通过火焰光度计测量，U、Th及其衰变子体对样品环境剂量的贡献用经标定的Daybreak 583型低本底厚源α计数仪测定。样品在运输或采集过程中损失水分，多数样品较干，无法测其含水量（质量比，下同），只能获得个别样品的实测含水量（5%左右）。考虑样品的岩性、采集地点及野外现场出露情况，对所有样品的含水量采用5%进行计算，同时考虑宇宙射线的影响。样品前处理技术及等效剂量、环境剂量的计量方法见文献[14]。各样品测试结果见表1。

根据光释光测年结果，B段（中段）填充物顶部和底部的埋藏年龄分别为（62.69±6.81）、（66.45±7.08）ka B.P.，反映其挤压填充大致发生在末次冰期早冰阶。一般来说，原生砂楔开裂与填充同步进行，因此，B段的埋藏年龄可以确定为砂楔发育的年代，即末次冰期早冰阶时期对应于深海氧同位素MIS4阶段。另外，该段中下部获得光释光年龄较剖面上、下部填充物年龄偏年轻，可能反映砂楔的发育、演化和填充在MIS3b阶段仍在进行，也可能是不同年龄填充物混合的结果。A段（上段）获得的光释光年龄显示填充物埋藏年龄为（5.95±0.61）～（6.62±0.73）ka B.P.，大致相当于全新世大暖期。由于冰楔铸型的充填过程在冰楔融化之后，所以冰楔发育的形成年代通常早于主体填充物的年代，冰楔发育时间早于全新世中期。结合气候变化资料，推测冰楔大致形成于末次冰期晚冰阶，即深海氧同位素MIS2阶段。

3 粒度分析

碎屑沉积物的粒度特征与物源、搬运营力、搬运介质和堆积环境关系密切，是地表过程和环境研究的重要内容之一[15]。对楔体内不同段采集了两组样品：第一组3个样品采自A段内，自上而下分别为WST01、WST02、WST03；第二组2个样品采自B段内，自上而下分别为WST04、WST05。所有样品用HELOS激光粒度仪，采用QUIXEL湿法进样单元。根据样品测试结果计算获得各样品中值粒径、标准偏差、偏度、峰度等参数（表2）。中值粒径指示沉积物平均粒径大小；标准偏差反映沉积物的分选程度；偏度反映分布的对称情况；峰度反映粒度分布函数相对于正态分布的尖锐或平缓程度。对比结果表明：两组样品粒度上存在明显差异，A段以极细砂为主，平均粒径为3.75～3.85 Φ，B段以细砂—极细砂为主，平均粒径为2.79～3.14 Φ。各样品粒度频率曲线（图5）显示所有样品主体均为细砂—极细砂，推测以风成沙来源为主。但对比两组样品也存在明显差别，主要表现为B段样品存在明显的中—粗砂（-1～2 Φ）众数，可能源于侧壁物质的混入。整体上看，填充物随着深度的增加，粒度变粗，峰度趋于增大，标准偏差和偏度趋于减小。这些特征暗示不同段在填充过程中存在作用特征和物质来源方面的不同。

4 讨 论

4.1 成因分析

基于砂楔/冰楔铸型内部与侧壁物质特征识别、光释光测年及粒度分析结果，可以大致还原砂楔/冰楔铸型的发育过程（图6）。

末次冰期早冰阶，冻融作用周期性持续进行，此处发育原生砂楔（A、B段），随着楔体开裂，砂体不断充填和挤压，楔体内发育与砂楔壁近平行的定向构造。由于砂楔发育时期含冰量较少，砂楔壁及填充物质因冻胀作用产生明显的挤压变形，定向特征得以部分保留。这个过程主要发生在MIS4阶段，并有可能延续到MIS3b阶段。随着环境条件的改变，砂楔停止发育。

末次冰期晚冰阶，在原生砂楔发育的部位再次发生冻裂作用，地表水周期性注入，发育冰楔。冰楔发育贯穿砂楔，把早期砂楔填充物挤向两侧的同时，砂楔上部（A段）物质在与冰体融冻相伴随的胀缩过程中向下运移，可能导致A段早期填充物遭到破坏。上部填充物的混入可能是造成光释光测年样品WH1204测年结果偏年轻的原因。在砂楔底部，冰劈作用形成较窄的寒冻裂隙，即形成C段，此处可能是多年冻裂作用的下限。随着气候转暖，冰楔发育停止，冰楔内冰体不断融化并被外来物质逐渐填充，冻土层融化导致侧壁物质局部垮塌。以风成沙为主的细砂填充物沿裂隙贯入，最终形成现今剖面所见的结构特征。

B段部分保留原生砂楔发育时的形态特征，A段被后发育的冰楔完全破坏，在A段底部与垮落的砂楔壁混合堆积。剩余空间不断接受外部碎屑物质的填充，至全新世中期被完全填充，最终形成现在砂楔与冰楔铸型叠加的特殊形态。总体上看，该处深达2.4 m的楔体至少是末次冰期内两次热收缩破裂作用叠加的产物，末次冰期早冰阶发育原生砂楔，晚冰阶发育的冰楔切穿砂楔，并向下延伸至C段，破坏了砂楔的上部结构（A段），使之后期被填充为冰楔铸型。这种不同期次冰楔、砂楔的叠加在全球高纬度冻土区也是非常普遍的[5]。

4.2 古环境意义

4.2.1 古温度

砂楔和冰楔指示了冻土的存在[16]，也是利用古冰缘地貌现象恢复古环境最为常用的信息载体之一[1-2]。冰楔、砂楔等热收缩裂隙的发育是温度（气温或地温）、降水、积雪厚度、地貌、水文、植被、岩性特征等多种要素的函数[1-2]，其中温度及岩性特征的影响具有普遍意义。

由于地貌和环境的差异，关于发育冰缘现象的温度界限的认识存在较大分歧。Black认为美国威斯康辛州西南部古冰楔发育的界限年平均气温为-5 ℃[17]；Washburn在随后的研究中提出了相同的界限温度[18]；Pewe建立的-6 ℃～-8 ℃界限值[19]被广泛引用。有学者认为冰缘现象与温度存在复杂关系：北美多年冻土南界年均气温为-2.5 ℃，已发现冰楔活动的南界年均气温为-100 ℃，表明冰缘现象发育的界限气温为-2.5 ℃～-100 ℃。在加拿大西海岸冰楔研究中，热收缩裂隙的形成与冰楔的发育主要发生在降温速率较大的早春季节，且温度突变越快，热收缩裂隙越可能出现。这表明冰楔与砂楔可能更多地与特定时段的温度变率相关[1-2]，而不一定与年均气温直接相关。中国东北冻土区（北纬46°36′以北）年均气温为-50 ℃～-44 ℃，年均地温为-35 ℃～-10 ℃[20]；青藏高原西部甜水海盆地冻土区年均气温为-63 ℃，年均地温为-32 ℃[21]。这些地区的冰楔及原生砂楔已不再活动，且生长时的温度更低[22]。关于不同物质中冰缘过程的差异性，西伯利亚冰楔研究表明，砂质黏土、冲积相细砂及粗砂砾石中发育冰楔的年均地温上限分别在-4 ℃～-2 ℃、-6 ℃～-5 ℃和-8 ℃～-7 ℃区间，即粒度越粗的沉积物中，冰楔生长越困难[16]。由于不同地区环境差异较大且影响因素较多，要建立统一的冰楔或砂楔发育的温度界限仍有困难。在研究区周边，董光荣等对鄂尔多斯高原发育在黄土及砂砾石层中的砂楔研究认为，砂楔发育的年均气温为-8 ℃～-6 ℃[8]；单鹏飞提出-4 ℃～-3 ℃区间是腾格里沙漠东北缘粉细砂地层中末次冰期冰楔发育的年均地温上限[6]。根据气象资料拟合的研究区地温、气温温差为15 ℃～20 ℃[23]。因此，结合研究区周边地区的研究成果，年均地温-2 ℃～-1 ℃区间、年均气温-40 ℃～-25 ℃区间可作为研究区内砂质黏土层中砂楔及冰楔发育的温度上限。