山东蒙山与四川海螺沟冰川擦痕特征对比及成因分析

王照波,王江月

(1.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；2.山东指南针矿产勘查有限公司，山东 临沂 276006； 3.沂蒙山国家地质公园管理局，山东 临沂 273304； 4.曲阜师范大学地理与旅游学院，山东 日照 276800)

0 引言

近几年，笔者在山东蒙山发现了第四纪组合性冰川遗迹[1]，经过多种方法测年，确定蒙山地区最新的冰期发生在全新世[2]，并进一步恢复重建了我国东部及东亚地区末次冰期时的雪线高程，发现了“东亚冷槽”的存在，解决了我国东部地区为何会有冰川的气候问题[3]。相关研究成果引起学界较为广泛的关注。但我国东部中低山区第四纪冰川的有无之争接近百年。1922年李四光先生首先提出太行山东麓存在冰川遗迹，开创了我国冰川研究的事业[4]，1933年又提出庐山存在冰川遗迹[5]，此后，其冰川理论受到了地学界部分学者的质疑[6-9]，尤以施雅风撰写的《论李四光教授的庐山第四纪冰川是对泥石流的误读》[8]影响巨大，文章直言李四光先生不懂冰川，将泥石流误认为了冰川遗迹。究竟如何来判断冰川遗迹的存在,其依据如何,则成了摆在冰川研究者面前首先要回答的问题。虽然冰川形成的遗迹很多，如漂砾、冰碛垄、冰碛混杂堆积、擦痕、磨光面等等，以及近些年有些学者提出的冰臼理论[10]，但争议颇大。但是在众多的遗迹中，唯有冰川形成擦痕遗迹(广义)，获得较为一致认可[4,7]。但什么样的擦痕属于冰川擦痕，现代冰川擦痕究竟又是怎样的现实特征，为了获得现代冰川槽谷中冰川遗迹的特征，对四川海螺沟现代冰川槽谷分布的擦痕遗迹进行了野外考察。

该文在对蒙山冰川遗迹进行深入研究的基础上，结合对四川海螺沟现代冰川槽谷内的冰川遗迹考察成果，重点对各类擦痕的类型及特征，以及其在古冰川作用过程中的成因进行了分析，希望为我国东部冰川遗迹的研究与判断提供有益的参考。

1 冰川遗迹的类型

冰川作用过程中会遗留下多种类型的遗迹，根据成因，大体可以分为雪蚀遗迹、冰蚀遗迹与冰碛遗迹3种类型。雪蚀遗迹多为地貌类型，由于雪的剥蚀作用形成，主要分布在雪线之上，由粒雪盆、冰斗、冰槛、角峰、刃脊、三角脊、弧形盆地等组成[11]。冰蚀遗迹主要分布在冰川槽谷内，由冰川夹带的砾石对于两岸岩壁的刻蚀形成的，主要由磨光面、擦痕、颤痕、新月形凿口、新月形裂纹、新月形断口、冰川刻槽等遗迹组成(图1)，这些遗迹组成冰川作用的广义擦痕。冰碛遗迹主要分布在冰川槽谷的下游，由冰川搬运来的物质卸载后堆积形成，主要由表碛侧碛垄、中碛垄、漂砾、条痕石、擦痕等组成。在众多的冰川遗迹中，冰川运移过程中其内部夹杂的石块会在槽谷岩壁及内部的砾石上形成各式的划痕，由于冰川运动具有明显的固体特征，其明显区别于其他具有翻滚、撞击特点的泥石流、洪水等流体作用，所以冰川作用形成的擦痕具有独特的平行、稳定特征，这在判断古冰川作用过程中具有重要的参考意义，并被众多的冰川研究者所重视[12-13]。

①—槽谷岩壁擦痕、新月形裂纹、裂口分布区；②—岩壁逆冲擦痕分布区；③—新月形凿口分布位置；④—大型岩壁擦痕、挤压崩口分布位置；⑤—拦马墙侧碛垄南段分布位置图1 蒙山兰溪峡谷冰川擦痕与冰碛遗迹分布图

a，c—山东蒙山冰川槽谷岩壁擦痕，位于兰溪峡谷的上游北壁；b，d—四川海螺沟冰川槽谷内的岩壁擦痕，位于海螺沟冰川北壁图2 蒙山与海螺沟冰川槽谷岩壁擦痕特征

经调查发现，山东蒙山南侧的沟谷中发育有众多的第四纪冰川遗迹，但在蒙山佛塔谷与上游兰溪峡谷(图1)内发育有类型丰富、保存完好的全新世早期冰川遗迹[2]，这为对比研究冰川擦痕遗迹的特征、成因提供了前提条件。

2 冰川擦痕遗迹

擦痕，自然界中很多地质作用都能形成擦痕，如断层、崩塌等，但是不同的地质作用会形成不同特征的擦痕，断层、崩塌形成的擦痕，其环境现场性很强，很容易判断，譬如，断层擦痕必然与断层有关系，崩塌擦痕必然与山体崩塌有关系。另有很多人认为洪水、泥石流也能形成擦痕，但是根据王斯文[12]的研究，洪水、泥石流只能形成凹痕，而不具备形成冰川擦痕的动力学过程。李吉均[13]认为，冰川擦痕，是冰川移动过程中形成的特有的痕迹，诸多冰川领域的研究者都特别强调擦痕在冰川遗迹判断中的重要意义。

根据冰川擦痕产出位置，主要可以分为冰川槽谷岩壁擦痕与冰碛砾石擦痕2种。这2种擦痕既具有共性，也具有差异性。无论岩壁擦痕还是冰碛擦痕，就单条擦痕来讲，都具有稳定的方向、宽度与深度，这是石块在冰的夹持下而具有的稳定运移环境下造成的。经综合研究发现，槽谷岩壁擦痕与冰碛砾石擦痕之间还是有着较为明显的区别，槽谷岩壁擦痕具有细长密集、近于平行的特征。冰碛砾石擦痕具有短粗稀疏、方向杂乱的特征。

2.1 冰川槽谷岩壁擦痕

王乃昂[14]认为，冰川岩壁擦痕“具有细长、密集，平行排列的特征” ，并具有较缓的倾角，一般情况下，擦痕倾向指向下游，指示冰川运移的方向。根据调查，蒙山冰川槽谷岩壁擦痕(图1①，图2a、2c)与海螺沟冰川槽谷岩壁擦痕(图2b、2d)都具有这些共同的特征。但在冰川运移过程中遇到障碍时，也可以形成逆冲擦痕(图1②)，其倾角指向上游，与冰川运移方向相反。逆冲擦痕的存在，可以作为冰川作用判断的证据，但是并非所有的槽谷中都能够具备形成逆冲擦痕的条件，因此，逆冲擦痕虽然在判断冰川作用的过程中具有重要意义，但是不具有普遍性。

除此之外，在蒙山兰溪峡谷的反向岩壁上(图1④，图3a)，该处岩壁近直立，崖壁倾向与峡谷的坡向相反，呈反倾向，倾角88°，发现了一条大型的擦痕，该擦痕长4.5m，宽3～8cm，深1～5mm，倾向下游，倾角18°，该条大型擦痕的下部产出有多条与其近似平行的擦痕(图3b)，擦痕的前端具有典型的新月形裂纹(图3c)，照片中红色虚线的左侧即新月形裂纹，这些裂纹的凸起方向指向冰川运动的方向。该大型擦痕的末端产有挤压崩口(图3d)，这种现象在蒙山崖壁擦痕末端处比较常见。挤压崩口是在强大的侧向挤压作用下，导致岩壁擦痕末端的岩石崩裂，而形成的。据此，笔者认为陡直岩壁上擦痕末端挤压崩口的存在，可以作为判断冰川作用存在的证据使用。也就是说，只要发现这种现象的存在，就可以确定冰川作用的存在。

a—黄色圆圈处为大型岩壁擦痕出露处；b—红色线条上方即为近似平行的岩壁擦痕；c—擦痕的前端内部具有典型的新月形裂纹，这些裂纹位于红色虚线的左侧；d—擦痕的末端具有典型的挤压崩口，黄色圆圈内为挤压崩口的位置；图中箭头指示冰川移动方向图3 蒙山兰溪峡谷南岸大型岩壁擦痕

a—蒙山漂砾底部的擦痕(蓝虚线上侧)；b—海螺沟漂砾底部的擦痕(黄虚线上侧)；c—蒙山漂砾上的弧形擦痕(黄虚线右侧)与其他方向的擦痕(红色虚线附近)；d—海螺沟漂砾上的弧形擦痕(黄色虚线左侧)与其他方向的擦痕(红色虚线附近)图4 山东蒙山与四川海螺沟冰碛擦痕对比

冰川作用之所以在槽谷岩壁能够形成细长密集，且近似平行特征的擦痕，原因在于冰川中挟持的砾石或巨石，在向下运移的过程中基本保持了固体运移特征所造成的，这些近似平行的擦痕的存在，可以视为重复性作用力作用的结果，除了冰川携带的岩块可以在高的陡直岩壁上方稳定的移动刻下痕迹外，目前没有其他任何的自然力可以做到。

对于冰川槽谷岩壁擦痕的发育程度，受到冰川作用槽谷的宽度的影响，我国东部山谷冰川的规模相对较小，对于宽缓的沟谷，冰川作用很难对于两岸的岩壁形成作用，因此也很难产生并留下岩壁擦痕，加之形成时间长短、后期风化剥蚀作用的影响，决定了一个冰川槽谷中是否存在岩壁擦痕。蒙山地区的兰溪峡谷内之所以保存了大量而丰富的岩壁擦痕，主要原因在于该山谷为峡谷，沟谷狭窄，冰川移动过程中容易划擦到岩壁，另外形成时间近，为全新世早期，距今不足万年的时间，这是兰溪冰川擦痕群得以保存的先决条件。蒙山许多的山谷中虽然也发育有大量的冰碛沉积，但是其上游的冰川槽谷的岩壁上，则较少保留有典型的岩壁擦痕。

2.2 冰碛砾石擦痕

冰碛砾石上的擦痕，显示出稀疏、短粗，方向杂乱的特征，往往多种方向的擦痕交织在一起。这是由于冰川中的砾石搬运过程中处在近似于固体封存状态，所以其形成的擦痕也具有方向的稳定性，这与岩壁擦痕的形成具有相同的动力环境。但是砾石在长距离的搬运过程中，譬如受到阻滞、刮擦等，会出现缓慢的方向调整，等方向调整后再形成的擦痕，则与前期形成的擦痕之间表现出方向的不一致性，这是造成冰碛砾石擦痕多向性的根本原因。

根据调查，蒙山上的冰碛砾石擦痕(图4a)与海螺沟冰碛砾石擦痕(图4b)具有一致的特征。

另外，有时在冰碛砾石上可以看到弧形擦痕，这种擦痕不如直线型擦痕分布的多。弧形擦痕在蒙山黄连口冰斗的冰槛处的终碛上(图4c)以及拦马冰期冰碛垄上都有分布，另外在海螺沟的冰碛漂砾上也有发现(图4d)。弧形擦痕的形成是由于漂砾在搬运的过程中，局部受到阻挡使得巨砾发生缓慢旋转而形成的。李吉均[13]认为弧形擦痕是判定冰川遗迹的有力证据，其他地质作用尚未发现类似遗迹。

2.3 新月形凿口与新月形裂纹

除了擦痕外，在倾角较缓的岩壁擦痕分布区，或者部分巨型冰碛砾石表面，都可以见到一种贝壳状的凿口，命名为新月形凿口，该类冰川刻蚀遗迹在蒙山兰溪峡谷岩壁上(图1③，图5a)与海螺沟中的漂砾上(图5b)都有发现。

究其原因，是由于冰川中携带的巨石的某一突出部位对于岩壁或冰碛砾石进行了缓慢的挤压造成的，压力来自巨石与冰川体的共同作用。新月形凿口的形成，受到力的方向与接触面之间的角度关系密切，夹角较小，则会形成擦痕。前端具有新月形裂纹特征的擦痕，其开始受力特征与新月形凿口的形成具有相近似的特征。除了新月形凿口外，蒙山崖壁磨光面上也发现存在典型的新月形裂纹与新月形断口(图1①，图5c)。

a—蒙山兰溪峡谷岩壁上的新月形凿口；b—海螺沟漂砾表面上的新月形凿口；c—蒙山兰溪峡谷岩壁磨光面上的擦痕与新月形裂纹、新月形断口组合(①为新月形裂纹,②为新月形断口，③为擦痕)；d—蒙山兰溪峡谷内冰川槽谷谷壁上的“钉头鼠尾”擦痕(图中箭头示冰川移动方向)图5 山东蒙山与四川海螺沟新月形凿口与新月形裂纹对比

有时在磨光面上偶尔会见到具有“钉头鼠尾”特征的擦痕(图1④，图5d)，钉头鼠尾擦痕并非独立存在，而是与其他擦痕一起共同构成磨光面。钉头鼠尾擦痕的形成过程应是由新月形凿口进一步演化成擦痕而表现出的一种特征， 其“钉头”为初始的一个受力点，其尾则为擦痕的延续部分。“钉头鼠尾”擦痕变细的 “鼠尾”端指示冰川移动的方向。

关于新月形凿口、新月形裂纹在冰川遗迹确认中的意义，李吉均[13]认为：“新月形凿口或新月形裂纹的磨光面，才是典型的冰川磨光面。”

新月形凿口的形成，其力学性质应该与图5a所示新月形凿口中的下半部分相似，即受力初始先形成a-a＇，然后再形成b-b＇破裂面(图6A)[14]，这就形成了图6a所展示的具有双向凸起裂纹的新月形凿口。但是若仅是在岩石的表面划过则形成新月形裂纹，根据笔者的调查分析，由于岩石自身破裂优势的不同，因受力优先导致形成b-b＇破裂面，则形成的新月形裂纹的凸起方向与作用力的方向相反(如图6B、图5c②)；若因受力优先导致形成a-a＇破裂面，则新月形裂纹的凸起方向与作用力的方向一致(如图6C、图5c①)。新月形凿口与新月形裂纹(断口)的形成机制可参考图6。

图6 新月形凿口(A)与新月形裂纹(B，C)的形成机制(据李吉均[15]修改完善)

a—蒙山拦马墙冰碛垄中漂砾上的颤痕；b—美国缅因州第四纪冰川成因颤痕(据吕洪波，2012)[15]图7 典型颤痕的特征

2.4 颤痕

在冰川槽谷的岩壁或者漂砾的表面，有时会发现一种特殊的擦痕—颤痕，颤痕的形成是由于岩块与基岩或岩块与岩块之间颤动位移而形成的(图7a、7b[15])。颤痕的存在，一般作为存在冰川作用的有力证据，但是这种痕迹较少，一般不太容易发现。

颤痕的形态取决于移动岩块尖锐接触部位的形态，可以是短直线(图7a颤痕①)，也可以是弧线(图b)，也可以是弯曲线(图7a颤痕②)，甚至可以是面型。由于颤痕属于一种印痕，因此相邻的2条颤痕往往具有近似的特征，但是随着多次的颤动与岩石的位移，接触部位的形态由于碰撞也会逐渐改变，因此颤痕的形态也会逐渐的发生变化。

判断是否是颤痕，一般情况下应结合擦痕共同判断，如冰川岩壁上的颤痕，其上及周边会伴有平行擦痕(图7b)[15]；条痕石上的颤痕，则会伴有不同方向的擦痕(图7a)。

3 蒙山冰川擦痕遗迹形成的时间

蒙山中保存擦痕遗迹最好的地方在佛塔谷内的拦马冰碛垄与兰溪峡谷中。根据对岩石风化程度的调查，发现保存擦痕的冰碛垄条痕石与槽谷岩壁的岩石风化程度均较为微弱，除了个别长石含量高的岩块或岩面外，其他岩石风化微弱，花岗岩的砾石表面几乎没有表现出风化特征。据此判断这些擦痕遗迹的形成时间并不久远。

为了确定蒙山冰川遗迹的形成时代，笔者分别采用了光释光与宇生核素的测年方法，对蒙山冰川遗迹明显的侧碛垄与岩壁进行了测年研究，获得的光释光年龄为8.2ka，获得宇生核素年龄值为7.01ka，8.57ka，9.95ka，对应于拦马冰期。另外在海拔752m的清荣峡谷内的冰碛表面，获得了5.27ka的全新世中期的年龄，对应于清荣冰期(图8)[16]。

图8 全新世泥炭Tb/Rr地球化学元素气候记录与蒙山地区冰碛沉积关系对比图

Zhang Weichao等对湖北神农架大九湖泥炭沉积物的元素地球化学、同位素地球化学及孢粉记录进行研究，发现了我国东部存在明显的8.2ka与9.2ka降温事件，而9.2ka事件的降温幅度远远超过了8.2ka事件，除此之外，还存在明显的4.7～5.7ka降温事件(图8)，根据测年研究，蒙山地区LGM时期形成的冰川遗迹，其表面上的擦痕遗迹风化较为严重，辨认较困难，据此可知，在我国东部地区，末次冰期的擦痕遗迹基本上风化严重，辨认困难，只有全新世内形成的擦痕遗迹，才保留的较为完好，在判断古冰川遗迹是否存在的过程中具有异常重要的意义。

4 结论

根据山东蒙山与四川海螺沟冰川擦痕特征的对比研究，获得以下几点认识：

(1)冰川擦痕具备特有的特征，这些特征是其他任何自然作用力所不能形成的，即单条擦痕一般具有稳定的延伸方向、稳定的宽度与深度，这是由于冰川具有固体运动特征所形成的。

(2) 冰川槽谷岩壁擦痕显示出细长、密集的特点，擦痕之间具有大致平行的特征。冰碛砾石擦痕显示出粗短、稀疏的特点，擦痕方向不一致，显示出混杂的特征。

(3) 经对比研究，蒙山发现的全新世早期冰川擦痕遗迹，与四川海螺沟现代冰川槽谷内的各类擦痕遗迹具有高度的一致性，完全可以进行特征类比，因此进一步确证了蒙山擦痕为冰川作用形成的冰川遗迹的科学性。

我国东部第四纪冰川的有无问题，也有部分研究者做出了广泛的调查与分析[17-18]，随着蒙山地区末次冰期与全新世早期丰富的冰川遗迹的发现及相关的测年数据的获得，进一步证实了李四光先生提出的我国东部第四纪冰川理论是正确的，同时根据相关的测年研究成果，在蒙山地区发现了庐山地区没有发生的末次冰期(蒙山冰期)与全新世早期拦马冰期的冰川遗迹。这些类型丰富、保存完好的冰川擦痕，为确认及解决我国东部第四纪环境演化问题提供了关键的直接证据。蒙山地区第四纪冰川遗迹的研究刚刚开始，不当之处，敬请指正。同时欢迎国内外第四纪冰川领域的广大研究者，尤其在西部高原区从事冰川研究的专家学者，到蒙山来进行实地考察、研究。

致谢：该项研究得到中国石油大学吕洪波教授、中科院海洋所赵松龄教授、中国海洋局徐兴永研究员等的大力帮助，在此一并致谢！

此外，四川海螺沟冰川遗迹野外考察得到了临沂电视台朱景涛副台长的全力支持，以及大型文献纪录片《蒙山》摄制组张健、马勇、杨萍、朱林的大力帮助，在此表示由衷的谢意！