長白山與大興安嶺第四紀(jì)冰雪遺跡厘定及多期性重建

長白山與大興安嶺第四紀(jì)冰雪遺跡厘定及多期性重建

0地質(zhì)遺跡的厘定中國東北是一個(gè)低緯度地區(qū)，環(huán)境獨(dú)特，發(fā)展復(fù)雜。許多地震的基本問題尚不清楚。它是第四紀(jì)的青藏高原。20世紀(jì)30年代,鹿野忠雄指出長白山天池存在古冰斗;50年代至60年代,嚴(yán)欽尚等對大興安嶺北部的古冰川地貌進(jìn)行了調(diào)查;70年代以來,許多學(xué)者(特別是孫建中等)又做了較多探索,他們得出長白山和大興安嶺北部曾發(fā)育第四紀(jì)冰川的結(jié)論。然而施雅風(fēng)等對大興安嶺存在第四紀(jì)冰川持否定意見。這一方面受早期研究手段所限,遺跡的認(rèn)定多為定性描述,以致帶來真?zhèn)蔚睦Щ?另一方面也與研究程度有關(guān),即使是長白山,在冰川分布、期次等基本問題上也均無定論,而海拔較低的小興安嶺則一直淪為研究盲區(qū)。由此可見,東北三大山地到底有無第四紀(jì)冰川,規(guī)模如何界定,冰期如何劃分,仍是懸而未決的問題。這不僅影響區(qū)域乃至全國冰川學(xué)研究的進(jìn)展,而且也使東北第四紀(jì)環(huán)境的重建,尤其是對現(xiàn)代環(huán)境的科學(xué)認(rèn)知缺乏可靠基礎(chǔ)。鑒于此,筆者在厘定前人冰川遺跡并綜合相關(guān)成果基礎(chǔ)上,對大、小興安嶺古冰川進(jìn)行了專項(xiàng)調(diào)查,并采取3S技術(shù)、深鉆采樣、孢粉、泥礫粒度與滲透性分析以及14C定年等方法,在長白山及大興安嶺先后發(fā)現(xiàn)了新的冰川遺跡。此外,還在小興安嶺首次發(fā)現(xiàn)冰蝕巖墻等冰川遺跡,填補(bǔ)了區(qū)域空白。綜合多方面的證據(jù),筆者認(rèn)定長白山與大興安嶺曾各發(fā)育4次第四紀(jì)山谷冰川,小興安嶺至少有1次山谷冰川,構(gòu)建了區(qū)域第四紀(jì)冰川環(huán)境演化模式。1推動(dòng)末次冰流速遺跡的形成長白山是東北第四紀(jì)冰川研究較早也較深入的地區(qū),然而也只有主峰白頭山周圍的末次冰川遺跡得到公認(rèn)。較早時(shí)代遺跡的確認(rèn)、冰期劃分等,尚存較多問題。1.1白頭山冰期的確認(rèn)白頭山是環(huán)天池(海拔2185m)十六峰之統(tǒng)稱,最高峰海拔2749.20m(朝鮮一側(cè))。劉嘉麒等對其形成進(jìn)行了系統(tǒng)研究,孫廣友等編制了發(fā)育模式(圖1)。20世紀(jì)30年代,鹿野忠雄首先確認(rèn)在十六峰內(nèi)壁存在3個(gè)冰斗;60年代劉長安等創(chuàng)建了白頭山冰期;隨后,孫廣友等進(jìn)行了火山與古冰川地貌分析,劉忠杰測量了5個(gè)冰斗并賦名,它們高約450m,深約150m,斗底高程約2185m;施雅風(fēng)等在肯定這些遺跡的同時(shí),又發(fā)現(xiàn)了冰斗側(cè)磧,確定雪線為海拔2200～2300m;張威等應(yīng)用電子自旋共振法(ESR)獲得其年齡為11ka?？梢?其應(yīng)屬于末次冰期晚冰階,白頭山冰期得到確認(rèn)。冰斗群下接簸箕型淺谷,故當(dāng)時(shí)應(yīng)是動(dòng)能較強(qiáng)的海洋性冰川。1.2口內(nèi)口外模式多學(xué)者在白頭山北坡黑風(fēng)口海拔1850m處發(fā)現(xiàn)冰蝕槽谷和終磧壟,后者高出谷底約15m,年齡為20ka,被稱之為“口內(nèi)口外模式”,顯然屬于白頭山冰期早冰階。由此推測當(dāng)時(shí)主峰所有坡面都必然堆覆冰雪、填滿湖盆并通過外溢、下注保持物質(zhì)平衡,確切地說,應(yīng)是一種冰激凌式“冰帽溢出型山谷冰川”,世界上可能僅此一例。1.3道德風(fēng)險(xiǎn)型谷、終改冰斗及古冰斗據(jù)劉長安等報(bào)道,此期遺跡在鴨綠江河谷二道崗以“U”型谷、終磧壟、冰磧泥礫及古冰斗等多種形態(tài)出現(xiàn),海拔高度為1260～1750m,定名為二道冰期。但遺跡缺少年代數(shù)據(jù),暫根據(jù)地貌對比確定為晚更新世早期。1.4道白山u-1e此期冰川遺跡位置更低,出現(xiàn)在海拔1400～1800m,分為地面與埋藏兩類。在二道白河源頭東岸分布著典型的“U”型谷和終磧壟,厚度達(dá)100m。此段二道白河是相當(dāng)完美的冰蝕“U”型谷(圖2)。該谷鑲?cè)氚最^山組粗面巖,上寬約1500m,底寬約500m,深約200m。谷壁雖然出現(xiàn)三級(jí)寒凍風(fēng)化陡坎,但宏觀輪廓仍是規(guī)模巨大而典型的“U”形。經(jīng)考察其并非地塹構(gòu)造,而谷中的二道白河是寬僅約5m的溪流,不可能塑造如此巨大的槽谷,故應(yīng)是冰川自高位下注、強(qiáng)烈侵蝕所成。筆者所發(fā)現(xiàn)之埋藏冰蝕槽谷典型段見于白山林場以上18km處(海拔1400～1800m)的“駱駝峰峽谷”(圖3)。谷地平直或微彎,兩壁陡立,深50～70m,寬100～150m,出露具8個(gè)水平層理的全新世煤渣狀火山灰。流水將其侵蝕成“V”型谷,陡壁因沖蝕和坍塌,宛若駝峰,當(dāng)?shù)胤Q為“駱駝峰”峽谷,而今為旅游開發(fā)改稱為錦江大峽谷。調(diào)查發(fā)現(xiàn),在“V”型谷的交匯處露出廣坪期玄武巖谷肩。斷面恢復(fù),它是一個(gè)規(guī)模巨大的深槽“U”型谷,基巖年齡為(0.75±0.86)Ma。因?yàn)槁癫亍癠”型谷地處河源高位,當(dāng)廣坪期玄武巖大范圍噴溢并形成臺(tái)地后,細(xì)小源流不可能在其上形成大型槽谷。后期白頭山期粗面巖是火山錐體的建造者,其分布限于海拔1800m以上,不能將其掩覆,可見它只能是冰川作用的結(jié)果。這種經(jīng)歷了火山-流水改造的冰川谷,在中國乃至世界上亦屬獨(dú)特地貌類型?？紤]到2類冰蝕槽谷位于前所述遺跡的下部,相對將其定為中更新世早期大冰期的遺跡。有學(xué)者指出鴨綠江4級(jí)階地上存有中更新世冰期的泥礫(布老克冰磧),但無年齡數(shù)據(jù),權(quán)且歸之。關(guān)于冰川規(guī)模,白頭山和望天鵝兩大主峰區(qū)可能連結(jié)成統(tǒng)一冰帽,驅(qū)動(dòng)放射狀冰川沿山谷下注。因此,其類型應(yīng)為“復(fù)合冰帽山谷冰川”。1.5樓房冰期巖石學(xué)和年代學(xué)前人在望天鵝海拔1450～1500m的四棟房發(fā)現(xiàn)厚達(dá)3m的冰川泥礫層,因濕熱風(fēng)化而呈暗紅色,礫石見有磨光面和擦痕。下伏準(zhǔn)平原化的軍艦山期玄武巖,上覆砂礫沖積層,再上為晚期玄武巖?？梢妼游缓蜁r(shí)代確切,名為四棟房冰期?？紤]四棟房現(xiàn)已無存,本次重新命名為望天鵝冰期。2大興安嶺北部冰期本區(qū)第四紀(jì)冰川歧義較大。嚴(yán)欽尚等得出肯定性結(jié)論,施雅風(fēng)等認(rèn)為缺乏第四紀(jì)冰川發(fā)育的條件。筆者調(diào)查后趨于肯定的結(jié)論。2.1槽形面為海表土面位于河源或高位坡面的凹槽地形,有人謂冰窖,也有認(rèn)為是雪蝕洼地。筆者認(rèn)為僅高位坡面上大且較深的洼槽才屬于冰窖。如大興安嶺頂興安站海拔1000～1200m處,排列3個(gè)大型洼地,寬600m,高600～800m,深50～100m。下接帶三角面的槽谷(延長3～5km)。再考慮其位置在末次冰盛期雪線之上,視為此冰期冰窖是合理的。但將海拔600m的淺凹地亦定為冰窖,則難以成立。2.2雙側(cè)冰流作用所成河上谷口岸前人將島狀丘定為冰蝕島峰。筆者在伊圖里河車站及根河上游谷地“鷹嘴崖”,均發(fā)現(xiàn)有冰溜面的豬背狀山脊,應(yīng)是雙側(cè)冰流作用所成,尖滅于谷口匯合處,為典型冰蝕丘陵。2.3山谷地和山地寬闊平直的冰蝕”U”型谷在大興安嶺北部極為普遍。本次遙感解譯發(fā)現(xiàn),這類寬谷貫通于河源至下游,長百余千米,無交錯(cuò)山嘴。坡腳平直三角面延長可達(dá)數(shù)千米,確不宜以流水過程解釋。前人指出根河、雅魯河、洮兒河等谷地都屬于冰蝕谷。楊懷仁確定諾敏河大腦袋山谷地是一個(gè)典型冰蝕槽谷(圖4),寬與深之比(R)為20∶1;為世界山谷冰川所罕見。筆者運(yùn)用鉆探、遙感測繪等多種方法,在根河上游段發(fā)現(xiàn)了配套性冰川侵蝕-堆積遺跡。該谷寬850m,深150m,R為5.6。谷底沼澤率達(dá)100%,谷中沼澤性河流寬僅3.5m,顯然不是寬谷塑造的主要?jiǎng)恿?。左岸豬背狀山脊(海拔960m)上有一名為“鷹嘴崖”的斷崖,為石英質(zhì)凝灰?guī)r。巖面長約25m,高5～15m,保留有冰流面。崖的塔形巨石有水平扭動(dòng)現(xiàn)象。綜合這些特征,顯然以冰川作用解釋最宜。遙感解譯得出寬谷面積系數(shù)(S)為0.26,表明當(dāng)時(shí)山谷冰川的覆蓋度較大。2.4冰川的泥漿2.4.1地形地貌斷面圖在根河上游支谷潮查河谷地完成8個(gè)基巖深孔,均見泥礫。其中在凍土生態(tài)站共布置5個(gè)孔,以孔深550cm的3號(hào)孔為代表,對地層進(jìn)行了解析(表1)。同時(shí),借助于1∶5000大比例尺測繪,編制了谷地?cái)嗝鎴D(圖5)。谷地為典型的“U”形,具有地表為泥炭、下部為泥礫、底部為基巖的三元結(jié)構(gòu)。泥礫結(jié)構(gòu)可排除沖洪積成因;坡麓基巖裸露,無坡積群則可排除坡積;谷底坡度橫向小于7°,縱向小于3°,不具備泥石流啟動(dòng)的溝床條件。這樣,最有可能的只能是冰川堆積。2.4.2巖芯中的礫石對3號(hào)孔沉積物進(jìn)行了粒度分析(表2)。將樣品中粒徑大于2.0mm的礫石分離并進(jìn)行計(jì)算,礫石占樣品總質(zhì)量的45%。巖芯中見到直徑等于鉆孔內(nèi)徑(8cm)的塊礫,可知多大或巨礫。小于2.0mm粒級(jí)復(fù)雜,其中大于0.05mm的粉-黏粒含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))最高,為52.94%?？梢?這組沉積屬于混雜堆積。綜上所述,既然不存在泥石流產(chǎn)物的可能性,則屬冰磧無疑。2.4.3土壤樣品的滲透試驗(yàn)選取3、4號(hào)孔原狀泥礫樣品風(fēng)干稱重后,經(jīng)148h滲透試驗(yàn),透水率為零,說明該泥礫基本屬于不透水物質(zhì),符合冰川泥礫的弱或不透水特性。2.4.4化學(xué)地層對松孢全孔率的影響孢粉分析表明,下部泥礫層花粉明顯少于中上部(表3)。最具代表性的松孢子花粉體積分?jǐn)?shù)僅為3.0%,而全孔平均值為10.85%,與泥炭層則相差8倍多,說明冰期氣候使松的發(fā)育受到抑制。2.4.5下伏泥礫沉積相底部泥礫層雖無年齡數(shù)據(jù),但已獲得其上復(fù)泥炭層的14C年齡為4700年,而下伏泥礫又不具備剝蝕環(huán)境,不應(yīng)有地層缺失。說明泥礫堆積后,直到全新世大暖期沼澤才得到發(fā)育。由此可間接推定該泥礫層屬于末次盛冰期所沉積。2.5冷水收集2.5.1下更新統(tǒng)排水體據(jù)大慶7901號(hào)等孔揭露,第三系粉砂巖之上有灰白色砂礫層,埋深為72～80m,以席狀體展布于平原西部,巖礦、孢粉等分析都證明其屬于下更新統(tǒng)冰水沉積,并以白土山組編入東北區(qū)域地層表,古地磁年齡為1.87～2.48Ma。筆者分析這組沉積來自大興安嶺東坡的多條順向河,應(yīng)與大腦袋山下泥礫層同時(shí)異相,指示山地冰期環(huán)境。2.5.2更新世大冰期的動(dòng)物源另一類沉積也曾被稱為白土山組的灰白色砂礫層,出現(xiàn)在山麓谷口,構(gòu)成高約20m的臺(tái)地(圖6),屬于中更新世大冰期的冰水沉積。但有學(xué)者以結(jié)構(gòu)上為流水相,孢粉中出現(xiàn)蒿-菊-藜來質(zhì)疑冰期的存在。冰水與正常流水沉積在相結(jié)構(gòu)上并無本質(zhì)區(qū)別,而蒿-菊-藜組合代表冷干氣候,公認(rèn)為冰期環(huán)境的植被標(biāo)志?？梢?將該地層歸于新冰水沉積是合理的。其年齡為(0.81±0.04)～(0.85±0.13)Ma,為中新世早期。2.6冰期的序列和環(huán)境2.6.1間冰期氣候特征為綜合構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、地貌演化、生物地層學(xué)及測年數(shù)據(jù)等成果,將冰期環(huán)境歸納為表4。第四紀(jì)初興安面升至海拔近1000m,松嫩平原出現(xiàn)蒿-菊-藜冰緣草原,年均溫較現(xiàn)今低6.9℃,那么山地北部降溫普遍為11.7℃～14.7℃,為冰川發(fā)育提供了條件。早更新世中后期地殼相對穩(wěn)定,氣候溫涼—半濕潤,為間冰期環(huán)境。中更新世初再次出現(xiàn)荒漠草原,氣候再轉(zhuǎn)干冷,氣溫降幅5.5℃～10.5℃,為發(fā)育更強(qiáng)的山地冰川創(chuàng)造了條件,與世界大冰期環(huán)境變化基本吻合。中更新世后期溫和半濕潤,為間冰期特征。晚更新世早期山地抬升與氣候轉(zhuǎn)冷耦合,又有冰川流行。之后又迎來溫涼半濕潤的間冰期氣候。晚更新世晚期山前平原的“冰滑構(gòu)造”,猛犸象-披毛犀動(dòng)物群及冰緣植被都表征干冷環(huán)境,山地出現(xiàn)末次冰期。2.6.2腹東北緣積巖的末次雪線高度施雅風(fēng)研究確定白頭山末次冰盛期雪線為海拔2200～2300m是一項(xiàng)重要成果,但若以此推定中國東部海拔低于此值者皆無末次盛冰期冰川,則可能導(dǎo)致誤判。因?yàn)榇笈d安嶺整體海拔為600～1000m,其北部根河緯度(>50°N)已較白頭山(34°N)高8°,至伊勒呼里山則高11°。借鑒西部平衡線與緯度的轉(zhuǎn)換系數(shù)(每緯度對應(yīng)152.4m),計(jì)算結(jié)果表明,根河附近同期的雪線高度應(yīng)為935.8m,至伊勒呼里山則應(yīng)更低。而大興安嶺北部區(qū)有約10%的面積在海拔935.8m以上,大于1000m主軸形成連續(xù)嶺脊,海拔1500m左右的山峰15座,其中白蛤蠣山與奧克里堆山等均有現(xiàn)代苔原。奧克里堆山頂?shù)脑侥暄┌咧敝?0世紀(jì)80年代末才同白頭山頂?shù)难┌咄谙?。這樣,本區(qū)發(fā)育末次冰川不僅不違背雪線格局,反而得到其支持。雪線以上的空間高度可達(dá)600m左右,發(fā)育冰川是有條件的?；谕?施雅風(fēng)的末次盛冰期雪線高度圖中,關(guān)于東北地區(qū)的雪線高度走向便值得商榷。2500m線平行于緯度橫切松嫩平原與大興安嶺,2000m線縱穿三江平原與小興安嶺,均有悖于地形-氣候機(jī)制,以致讀后必然產(chǎn)生東北地區(qū)除長白山主峰區(qū)外皆無末次盛冰期冰川的錯(cuò)覺。3小興安山冰景遺址、冰期和環(huán)境3.1冷杉和文物的結(jié)合3.1.1在高脊中的應(yīng)用小興安嶺主峰平頂山海拔1420m,主谷長15km,平直較陡,谷口寬2.5km,向上游收窄,坡度約20°。從海拔700m向上,谷的中央出現(xiàn)混雜巖塊組成的高脊,高3～5m,獨(dú)立于兩側(cè)谷坡,西側(cè)有寬僅1.5m的溪流。高脊中常見數(shù)立方米的巨石,棱角鮮明(圖7),說明該脊?fàn)钗锛炔豢赡苁切∠徇\(yùn)而來,也不是殘坡積或泥石流所成。原地寒凍風(fēng)化應(yīng)是有“根”(基巖)的碎屑物,而該脊?fàn)疃逊e皆由巖塊組成,故不應(yīng)屬于原地寒凍風(fēng)化生成物。那么,該脊?fàn)钗飸?yīng)是中磧堤。在海拔750m處,谷的東側(cè)壁呈現(xiàn)花崗巖質(zhì)巖墻,一直綿延到海拔1300m處。在海拔800m處的巖墻巨石上發(fā)現(xiàn)冰擦痕(圖7),它們由數(shù)條平行的淺凹槽組成?；◢弾r質(zhì)地均勻,排除了差別風(fēng)化所成的可能。擦痕呈逆坡向,也排除了泥石流形成的可能性。筆者認(rèn)為只有冰川在前進(jìn)中受阻而發(fā)生上拱,所攜巖石與巖壁反復(fù)摩擦,才能形成這種逆坡向凹槽狀擦痕。那么,這道巖墻自然屬于冰蝕巖墻。巖墻與中磧堤向上則為植被固定的石海(圖7)。3.1.2“清根”巖墻:山在1005～1168m高度,筆者發(fā)現(xiàn)脊部巖墻水平解理十分規(guī)整,巖腳平整干凈,宛若人砌(圖7);若為風(fēng)化巖墻,墻腳必堆塊礫。筆者認(rèn)為這是山谷冰川所為并出現(xiàn)特有的“清根現(xiàn)象”:近山頂冰川谷較窄而冰磧物較少。冰體滿谷下注,下、側(cè)蝕動(dòng)力強(qiáng)大。冰川消退,便留下根部干凈的巖墻。平頂山海拔1300m以上為興安落葉松-岳樺林-偃松及草甸群落,屬于亞苔原環(huán)境。受高度所限,無晚更新世冰川活動(dòng)。因此,冰蝕巖墻只能是中更新世大冰期的產(chǎn)物。3.2冰緣或冰緣環(huán)境三江平原是小興安嶺的相關(guān)沉積區(qū),據(jù)沉積物信息建立了第四紀(jì)環(huán)境變化模式,借以推定后者的環(huán)境變化(表5)。平均海拔小于80m的三江平原進(jìn)入第四紀(jì)后,于早、中更新世早期及晚更新世早、晚期出現(xiàn)4次冷干或冷偏濕氣候,期間重復(fù)出現(xiàn)有機(jī)物含量甚低的灰白色砂礫層,明確顯示冰水沉積特征,應(yīng)是物源區(qū)小興安嶺發(fā)生冰緣或冰川的證據(jù)。小興安嶺最高峰平頂山海拔1420m,較白頭山緯度高5°,按前述方法計(jì)算,晚更新世的雪線高度為1438m,高出峰頂9m,故應(yīng)是冰緣環(huán)境。中更新世早期氣候干寒,伴隨全球性大冰期的到來,雪線大幅度降低,小興安嶺主峰區(qū)發(fā)育冰川應(yīng)無問題。4小興安