豫西甘山第四纪冰斗系统的发现及其与MIS的耦合关系分析

王照波，王江月，王全义，徐宪立，李宝杰

(1山东指南针矿产勘查有限公司，山东 临沂 276006； 2. 沂蒙山国家地质公园管理局，山东 临沂 273304； 3.国土资源部金矿成矿过程与资源利用重点实验室，山东 济南 250013； 4.曲阜师范大学地理与旅游学院，山东日照 276800； 5.河南省小秦岭国家级自然保护区管理局，河南 灵宝 472500； 6.河南省有色金属地质勘查局第六地质大队，河南 郑州 450016)

0 前言

我国第四纪冰川遗迹的研究，自1922年李四光先生提出太行山东麓存在冰川遗迹[1]，1933年提出庐山冰川遗迹[2]，就受到了部分学者的质疑，如黄培华[3]、施雅风[4-7]等曾先后撰文进行质疑，这一问题也成了我国科学界少有的持续了近一个世纪的学术争论。施雅风等[5]认为中国东部海拔2000m以下的中低山，第四纪全过程都缺乏冰川发育条件，以往的论述都属于误解。

笔者等[8-12]近几年对山东蒙山地区第四纪冰川遗迹进行了较为详细的调查与研究，并引起学界关注[13-15]。在对山东蒙山、我国东部以及东亚地区的末次冰期的雪线高程进行重建的过程中，发现了一条纵贯东亚地区的槽状雪线分布区，因此将这一槽状雪线分布区命名为东亚冷槽[11]。在此后的学术交流过程中，发现杨怀仁先生等[16]在1980年也曾经提出过一个近似的概念，即“冷槽”，用以表述我国东部向南突出呈舌状的低温区。

为了进一步确认东亚冷槽西壁的海拔梯度与冰碛发育特征，在沿嵩山、崤山一线东西向进行考察的过程中，发现了河南省三门峡市甘山(34°27′41″，111°12′24″)套合式冰斗。由于甘山地区赋存岩石与海拔梯度的特殊性，导致了该冰斗具有独特的套合式特征，而该套合式冰斗在研究该区域，乃至我国东部第四纪冰川各期次的雪线高程、冰蚀作用、气候演化规律、冰川进退等方面，都具有无可比拟的意义。而进一步的研究发现，甘山冰斗系统与MIS演化阶段之间存在着极强的耦合关系。对秦岭地区的冰川遗迹，王桂增[17]、刘有民等[18]对东经110°30′以西的秦岭山区的太白山、鳌山、华山，以及太白盆地、洛南盆地等进行了系统性的研究，获得了翔实的研究成果，并确定出研究区的最低雪线高程1300～1500m。但对于豫西的崤山地区，尚没有发现前人进行相关的冰川研究。

冰斗是冰川作用遗留下的重要遗迹形式，同时由于是冰川作用以山体为载体雕凿而成的遗迹，因此也是诸多冰川遗迹中最难被磨灭的痕迹类型，这一不易消磨的“过程记录”超强特性，在冰川作用研究中所具有的重要意义，尚未得到应有的重视。

1 甘山地区地质地貌特征

甘山位于河南省西部三门峡市陕州区与灵宝市的交界处，属于崤山的主峰(图1)，海拔1885m。隶属于三门峡市陕州区甘山森林公园，距灵宝市22km。甘山山体形状奇特，山顶部位展现为近似圆形的凹陷，向SW向呈现为一单向开口的“破火山口状”。该开口自山顶向南西方向延伸过程中，显示出明显的“五环套合”的特征(图2)。

图1 崤山山系特征及甘山位置图

图2 甘山冰斗系统的卫片及解译图

该区域在大地构造位置上位于华北板块南缘，秦岭构造带北侧东延部分。甘山主体由安山岩系列岩石组成，属于元古界长城系熊耳群许山组，岩石类型主要为安山岩、气孔状安山岩等。安山岩呈褐色，局部夹安山玢岩，以气孔、杏仁状构造发育为特征，杏仁体呈椭圆球状。岩石具有玻晶交织结构，基质主要是斜长石微晶，少量磁铁矿。甘山山体岩石类型单一，硬度中等，山坡碎石、泥土发育，山谷中松散沉积物厚度为数米到十几米。

在底部沟谷中发育有大量的冰碛沉积物，同时发现有漂砾、条痕石、冰槽磨光面等冰川遗迹。综合分析，笔者将甘山套合式冰斗系统的形成方式称之为“冰斗环退”，这种冰斗环退方式的发现，对于解释冰蚀地貌演化规律有极其重要的意义。

2 甘山冰斗的特征

通过现场调查与卫片解译，该冰斗系统共由5期冰斗套合而成(图2a)，自上而下，由C1～C5组成，实质上该冰斗系统为一“莲花状”的复式冰斗系统(图2b)，研究发现，图2a中冰斗环的直径并不代表对应冰斗的直径，图2b中的冰斗环才真正代表相应冰斗的直径。这种复式冰斗的形成，实质上是与历史上的古冰斗叠加而成的结果，现今冰斗系统的表象下隐藏了曾经的冰斗，也即前冰斗。

对比发现，冰斗外缘的收缩特征，也基本上对应了冰斗的期次，这是由于冰斗形成过程中的“温度控制”原因造成的。基于此，沿着冰斗系统的外缘对冰斗进行冰斗环的期次划分，C1～C13冰斗环展布特征如图3所示。

图3 甘山C1～C13冰斗环套合形式图

C1～C5段冰斗的总体展布方向为44°，各期次冰斗遗迹清晰可辩，在冰斗出口处均遗留有冰碛构成的冰槛。由于冰斗的环形推进，在冰退过程中，冰斗的前弧保留较好，后弧则受到破坏，仅在侧壁上有部分残留，前弧与后弧一起，在侧壁上形成三角脊(图2)。经分析，所有冰斗的长宽比在0.93～1.69之间(表1)，与国内台湾山脉、点苍山、长白山、拱王山、螺髻山等山的冰斗长宽比较为一致[19]。同时，根据冰斗底部的冰槛海拔，可以较为有效地确定相应期次的雪线高程[19]。

3 甘山冰川槽谷与冰碛擦痕特征

3.1 甘山冰川槽谷及其遗迹特征

甘山冰川槽谷，分布在冰斗的底部，为历次冰斗作用叠加而成，应当说，冰川槽谷的“U”特征，主要是由于冰斗作用的过程中形成的。但由于甘山的岩石为安山质岩石，硬度中等，且类型单一，在局部的槽谷壁上还是形成了布满擦痕的磨光面(图4a)。

该磨光面崖壁平整(34°26′30″，111°11′45″，海拔高度1254m)，磨光面长12m，高3～5m，擦痕具有标准的细密、平直，近似平行的特征(图4b)。

3.2 冰碛特征

冰斗内分布有大量的冰碛沉积物，尤其在每一期的冰槛处，都有大量的冰碛堆积，这些冰碛沉积具有通常的混杂堆积的特征(图4c)，即大小砾石与泥沙混杂在一起，不显示层理。在该处的冰碛沉积的砾石上，可以见到明显的擦痕(图5d)，(34°28′47″，111°11′49″，海拔高度1313m)，擦痕宽2mm，长20cm，多条平行于砾石的长轴方向。砾石上的擦痕也具有细密、平直，近似平行的特征[20-21]。

表1 甘山C1～C5冰斗特征

经调查，甘山复合式冰斗中存在的无论是冰槽谷壁擦痕，还是冰碛砾石擦痕，其特征都具有细密的特征，擦痕宽度为1～2mm，长度多在2～3cm，最长为20cm左右。没有发现大型擦痕，分析形成这种细密擦痕的原因，是由于该冰斗内的岩石类型较为单一，砾石的硬度基本一致，由于很难存在以硬刻软的情况，从而导致难以形成大型擦痕。岩石类型单一，导致的岩石硬度一致，是难以形成大型冰川擦痕的重要原因。

图4 甘山冰斗及其冰川遗迹

4 甘山冰斗系统与MIS之间耦合关系分析

20世纪50年代，利用同位素比率来反应温度变化的思想被应用到深海钻孔与冰川学等研究领域，Shackleton分析底栖有孔虫的18O指出：18O的变化可反映大陆冰量的变化。根据底栖有孔虫的18O的变化曲线并结合古地磁测年划分了海洋氧同位素阶段(Marine Oxygen Isotope Stage，简称MIS)[22]。此后，该曲线得到了进一步的完善[23]。

深海氧同位素阶段(MIS)其代表气温的波动周期，正好符合了米兰科维奇天文冰期理论(即岁差、偏心率和黄赤交角)。深海氧同位素具体指深海沉积物中底栖有孔虫的δ18O含量变化多寡被用来表示第四纪期间的全球气温变化的高低，MIS曲线被认为是完整的记录了第四纪全球气候变化，其中，MIS曲线的偶数阶段对应冰期，奇数阶段对应间冰期[24]。深海沉积气候记录有较好的一致性与相互印证性：低值指示冷期，如MIS 2，4，6，12，16等偶数阶段；高值指示暖期，如MIS 5，7，9，13等奇数阶段。代表大陆冰量变化的MIS记录曲线为冰期的研究树立了标尺，人们自然在这个标尺中为历次冰期寻找对应的位置[22]。图5中部的MIS曲线，则是被广泛引用的18O的演化曲线[24]。曲线中的高值代表了暖期，低值代表了冷期，其纵向波动的幅度，在一定程度上反映了当时气温的变化幅度，横行上的宽度，则一定程度上代表了冷期或暖期的持续时间。

图5 甘山冰斗环与MIS对比关系图

基于MIS的偶数阶段对应于冰期的演化，而冰斗则是冰川作用最为直接的产物，因此，将冰川作用形成的冰斗环与MIS的偶数阶段进行对比分析，发现二者之间存在极强的耦合关系。

基于末次盛冰期(LGM)，也即MIS2阶段，是第四纪冰期演化中的最后一期规模性的冰川作用，因此将冰斗环的最上一环C1与MIS2阶段进行耦合性分析(图5冰斗环值)，C2冰斗环对应于MIS4，以此类推。会发现C5冰斗环的面积明显偏小，其对应的MIS10阶段的冰期作用时间也明显体现出较短的特征。而C6的冰斗环对应较强的MIS12阶段，C10较小的冰斗环则对应于较弱的MIS20，这些对应性也都显示了冰期演化的0.4Ma周期规律的特性。在C3与C4之间存在的微微显示的冰斗环，则为MIS6与MIS7之间的气温波动在冰斗形成过程中的显现。

5 甘山冰斗系统与冰进、冰退作用过程

研究显示，甘山冰斗系统除了冰斗环退系统之外，还发现了冰斗环进系统。其不同的是，由于冰斗开口方向的前半圆位置的冰蚀作用强于后半圆，在冰斗的环退系统中可以较好地保留冰槛与前弧(图6a、图2、图8a、图8b)；但在冰斗环进系统中，其冰槛与后弧则会遭到较强的清理而很难保存下来(图6b、图8c)，但三角脊都会较好地保留。此外，在太白山东侧冰斗系统中，还发现有在古老的冰斗中发育了新的冰斗系统的冰斗叠加现象，有可能暗示了在后期的冰退系统之前，曾经存在古老的前世冰斗。

图6 冰斗的环进与环退过程示意图

甘山冰斗系统共有4段组成，自上而下划分为A，B，C，D四段(图7)，A段由C1～C5冰斗环组成，延伸方向为44°，为冰退系统，对应MIS2-MIS10；B段由C6～C13冰斗环组成，延伸方向为77°，为冰退系统，对应于MIS12～MIS26；C段由C14～C27组成，延伸方向为102°，为冰退系统，对应MIS28～MIS54；D段由C28～C48冰斗环组成，延伸方向为229°，为冰进系统，对应MIS56～MIS96，但是根据研究发现，C48并非D段的最高冰斗环，在C3，C5，C11，C19的冰斗位置，叠加了前期的古冰斗，这些可能为C51，C50，C49等前冰斗等遗留的冰斗环的位置。

甘山冰斗系统自上而下的四段中，每一段都保持了较为稳定的方向，但各段之间均表现出较大的转向，且在各段的过渡位置，一般存在较大的高差，表明在各段的过渡时间段内，气候环境曾经发生了较大的变化。此外，由A～D，其冰斗遗迹的清晰度逐渐减弱，显示了形成时间的逐渐变老。D段的下游是否还有E段冰斗系统，因为年代久远，风化严重，恢复极为困难，这需要进一步的研究工作予以确定。

各段对应的MIS年代值如下(图5)，A段为0.01～0.40Ma，B段0.40～0.98Ma，C段为0.98～1.6Ma，D段为1.6～2.56Ma。根据冰斗残余的后弧位置的判断，A，B，C三段为冰斗环退系列，代表冰川由低海拔向高海拔方向逐渐退却的冰退系列。D段为冰斗环进系列，代表冰川由高海拔向低海拔逐渐推进的冰进系列。冰进与冰退的拐点在距今1.60Ma的MIS56附近。海拔最低的冰斗环为C28，其海拔仅为750m，对应MIS56，即1.6Ma左右，这代表了我国目前所知的分布面积最大的冰期。

丁仲礼等[25]通过黄土分离出37次的黄土—古土壤组合，认为代表了2.5Ma以来气候经历的37次冷暖旋迥，也与通过冰斗环像遗迹分离出的51次冰期旋回，对应于2.56Ma前的冰期作用，在旋回的开启时间上是吻合的。黄土反映出的气候旋回次数少于冰斗环、MIS反映的气候旋回次数的原因，笔者认为间冰期的雨水冲蚀作用，可能会消蚀掉部分较弱的黄土沉积，从而导致旋回次数的减少。

根据卫片初步解译，我国冰斗系统分布较为广泛，如安徽天柱山(图8d)、山东蒙山(图8e)、内蒙古巴林左旗(图8f)、海南岛南端(图8h)等地，都有较为典型的冰斗系统分布。

a—日本富士山南坡冰斗系统；b—珠峰南坡冰斗系统；c—太白山南坡冰斗系统；d—天柱山南坡冰斗系统；e—蒙山南坡冰斗系统；f—巴林左旗南冰斗系统；g—洛南东冰斗环进系统；h—海南岛南端冰斗环进系统图8 参考对比的冰斗系统

6 结论

(1)甘山冰斗系统及相应的槽谷磨光面、冰碛磨光面、擦痕等冰川遗迹的发现，说明在甘山地区发生过第四纪的冰川作用。同时根据冰斗系统的冰槛目前海拔高度，可估计当时雪线高程应在750～1700m之间，表明我国东部地区海拔2000m以下的山区存在第四纪冰川作用。

(2)根据甘山冰斗系统与MIS之间存在的密切耦合关系，可以追踪到MIS100左右阶段的冰斗遗迹，表明我国至少从2.56Ma就存在冰川作用。

(3)根据冰斗环退、环进及其与MIS阶段的对比研究，C28冰斗环是目前所知海拔最低的冰斗，暗示了我国冰川覆盖面积最大的冰期为C28冰斗环对应的MIS56阶段，其时代为距今1.6Ma左右，推测C28环或许是我国东部冰期由冰进向冰退转换的拐点。

由于冰斗作用对于山体强大的塑造作用，是其他陆上风化剥蚀等外作用所无法比拟的，因此推测我国东部山谷地貌的主要外力作用，应存在冰斗作用深刻的影响与痕迹，这一点以往被严重的忽视了。冰斗是以塑造山体为载体的冰川遗迹，也是冰川作用的众多遗迹中最易保存的冰川遗迹，且冰斗环与MIS演化阶段之间存在的耦合性，对其进行更加广泛与深入的研究，对于认识我国第四纪冰川作用过程及气候演化规律具有极其重要的意义。

致谢：本项研究得到了河南地矿职业学院张先教授、河南理工大学司荣军教授、沂蒙山国家地质公园管理局赵然等学界同仁的大力支持与帮助，在此表示深深的谢意！

本文的研究仅是初步的，难免有不确之处，希望在今后的研究过程中不断地完善，同时也希望业界同仁批评指正，推进研究。

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