山东蒙山全新世冰川遗迹的发现及确认——来自宇生核素年龄证据

王照波，王江月，冯金华，卞青

(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.临沂第十三中学，山东 临沂 276006；6.北京大学地球与空间科学学院，北京 100871)

0 引言

我国东部中低山区冰川的有无，一直是我国东部冰川研究的焦点，关于这个科学问题一个世纪以来，颇具争议，百家争鸣。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- 3]，便受到了冰川相关研究学者的认可和关注，也相继在我国东部的鲁山、蒙山、赤峰等地发现部分冰川遗迹[4- 10]，但也有部分研究学者对我国东部中低山区的冰川遗迹存在质疑[11- 15]，施雅风教授甚至直言李四光不懂冰川，是把庐山的泥石流误认为了冰川沉积[14]。为了进一步解决这个颇具争议的科学问题，近年来笔者一直致力于山东蒙山的冰川遗迹研究工作。

近几年，在山东蒙山地区发现了第四纪冰川组合型遗迹[11- 12]，该冰川遗迹包括粒雪盆、冰斗、冰槽谷、侧碛垄(图1a)、条痕石(图1b)、逆冲擦痕、新月形凿口、颤痕、磨光面、擦痕(图1c、1d)、漂砾等等，这些类型丰富、保存完好的第四纪冰川组合型遗迹的存在，确证了我国东部中低山区第四纪冰川作用的存在及李四光东部冰川理论的正确性。此后根据光释光(Optic Stimulated Luminescence)测年研究，获得了山东蒙山存在末次盛冰期(18.2～22.2ka)与全新世早期(8.2ka)两个时间段的冰川作用期次，据此在蒙山地区建立了“蒙山冰期”与“拦马冰期”[12]。光释光测年尽管是一种较为可靠的测年手段[16- 18]，但为了获得测年数据的交叉验证，该次采用了宇生核素的方法对拦马冰期的冰川遗迹进行了年代学研究，以期验证蒙山地区全新世早期拦马冰期发生时间的可靠性。

a—拦马墙侧碛垄，左侧被冰川修整的较为陡直；b—拦马墙侧碛垄中条痕石上的擦痕；c—上游兰溪峡谷中的大型冰川擦痕，长4.5m；d—兰溪峡谷中崖壁上具有平行特征的密集擦痕图1 蒙山全新世拦马冰期冰川遗迹特征

1 研究区地质地貌特征

蒙山位于山东省的中南部，曲阜东80km，故也称东山。主峰龟蒙顶海拔1156m，属于中低山区。蒙山山体走向呈NWW向，走向延长80 km，南北宽15 km。区域地质属于华北板块鲁西隆起区的蒙山凸起[19]，山体主要由英云闪长岩、花岗闪长岩组成，山势陡峭，多为岩石裸露区。

蒙山多条山谷中都有冰川遗迹分布[11]，但以佛塔谷中冰川遗迹最为丰富与清晰。光释光测年研究的采样位置即位于佛塔谷中，为了便于对比，该次宇生核素年代学研究工作也选在了佛塔谷中拦马冰期形成的冰碛垄及其上游的兰溪峡谷中。

2 拦马冰期冰碛垄分布特征

拦马冰期冰碛垄分布在兰溪峡谷的谷口位置(图2)，由分布在河谷两侧的两列冰碛垄组成，两列冰碛垄分布在河流转弯的外侧。冰碛垄长300m左右，宽15～25m不等，总体沿280°方向展布。整个冰碛垄高出内侧河床6～8m，高出外侧地面3～5m，显示出明显的垄状特征。靠近河道的一侧，冰碛垄的边界排列比较平整，显示受到冰川移动的推挤、整理作用的影响(图1a)。垄中板状巨石多显示出叠瓦状特征，其倾向指向上游。冰碛垄的外侧边界呈锯齿状，凹凸不齐。构成冰碛垄的砾石表面新鲜，风化轻微，只有在下凹的擦痕中，由于雨水的积聚呈现出褐色特征。砾石之间的空隙内没有泥质充填，缺少植被。在砾石表面较为普遍的存在磨光面与擦痕(图1b)。因高高隆起如同一道墙，古人称之为“拦马墙”。

拦马墙冰碛垄上游兰溪峡谷中，两侧的崖壁上分布有大量的磨光面、颤痕、擦痕(图1c、图1d)等，单条擦痕的方向、宽度与深度具有稳定延伸特征，多条擦痕之间显示出较强的平行排列特征，这些均具有明显的固体加持下的移动特征，是冰川作用存在的关键证据。

3 样品的野外采集

该次测年研究，选择了形成时间较新、保存较为完整且野外容易辨认的侧碛垄(图1a，图2)，以往的研究中，曾在该冰碛垄获得光释光测年8.2ka的年龄值[12]，为了获得更多测年数据信息，对于其上游峡谷中布满擦痕的谷壁进行了采样。同时，为了追踪蒙山地区最高海拔赋存冰碛形成的时间，研究过程中也在情人谷上游清荣峡谷内，海拔752m处的冰碛垄中巨型漂砾的表面采集了一个宇生核素样品，编号QR01。根据宇生核素样品的测试要求，采集含有丰富石英的花岗闪长岩2cm厚度的表层岩石作为样品，每件样品的重量3kg。

1—侧碛垄；2—小规模侧碛垄分布位置；3—磨光面、擦痕分布区；4—颤痕位置；5—样品采集位置及编号图2 蒙山兰溪峡谷冰川遗迹分布及宇生核素样品位置图

MS1、MS2样品采集：

样品选取在兰溪峡谷内，位于兰溪峡谷的南壁，在该处采集了2个样品，编号分别为：MS1、MS2，中间坐标为35°33′25.812″，117°49′22.466″，高程485m，两个样品相距1m。样品岩性为片麻状花岗闪长岩。取样位置带有清晰的擦痕与磨光面，根据擦痕新鲜程度判断，擦痕清晰可辩，表明样品的风化程度微弱。图3a为MS1、MS2在兰溪峡谷中的位置，图3c为MS1、MS2样品的具体采集位置。

采样位置位于峡谷的南壁，谷壁走向257°，倾向N，倾角22°。周边屏蔽角测量情况如下：南62°，北36°，东23°，西12°。

MS3样品采集：

该样品在拦马冰碛垄左侧大垄的尾端大型漂砾的表面，编号为MS3，坐标为：35°33′25.288″，117°48′58.808″，高程484m。图3b为采集MS3样品的巨砾在冰碛垄中的位置，图3d为MS3在巨砾中的位置。该样位于巨型冰碛砾石的表面，该表面为一磨光面，上面分布有各种方向的擦痕，其中有的擦痕宽度为3cm，长度超过1.5m。样品延续为片麻状花岗闪长岩，采集地点的照片见图3。根据擦痕新鲜程度判断，擦痕表面新鲜，表明该样品的风化程度极其微弱。

采样位置位于谷中，巨砾表面倾向102°，倾角8°。周边屏蔽角测量情况如下：南0°，北12°，东27°，西27°。

QR01样品采集：

该样品在清荣峡谷中的大型漂砾的表面，编号为QR01，坐标为：35°32′49.89″，117°50′45.32″，高程752m。该样位于巨型冰碛砾石的表面，砾石表面有擦痕分布，表面平整。样品岩性为片麻状花岗闪长岩，局部含有较多的石英，采集表面2cm岩石为样品。砾石多呈棱角状，表面有苔藓类植物，断口处光鲜，岩石风化程度极其微弱。

周边为山峰，且有树木分布，起到一定的解蔽作用。周边山峰的方位与坡角如下：295°∠32°，340°∠36°，30°∠40°，100°∠°42，180°∠°20，风化极为轻微。

4 样品的处理与测试

该文所采用的方法为宇生核素暴露测年技术，其基本原理是：宇宙射线粒子(初始宇宙射线，主要包括质子、α粒子、重核)与大气中的N，O等原子发生反应产生大量新粒子(次级宇宙射线，主要包括正负电子、μ介子、高能光子和中子等)；这些新的粒子不断轰击出露于地表的岩石，岩石中的某些目标原子与次级宇宙射线粒子以一定的方式发生核反应(散裂反应、热中子捕获、负介子捕获、快介子反应)从而生成新的核素，称为原地生宇宙成因核素(文中简称宇生核素)。岩石中生成的宇生核素浓度是岩石暴露时间与侵蚀速率的函数，暴露时间越长，生成的宇生核素浓度就越大，通过一些假设条件便可求得岩石(地貌面)的暴露时间。

a—MS1、MS2取样位置远景；b—MS3取样位置远景；c—MS1、MS2取样位置近景；d—MS3取样位置近景图3 宇生核素样品采集位置分布图

将采集到的岩石样品粉碎，筛选出0.5～0.9mm粒径的颗粒。经过人工挑选与化学分离和纯化，挑选出纯净石英。选取一定量的纯净石英，用40%的氢氟酸(HF)溶解掉30%左右的石英，目的是去除石英外层，以消除大气成因10Be的影响。石英去表皮后添加一定量(约0.25～0.5 mg)的9Be载体，溶解入40%的纯HF酸中，蒸干后再用HCl溶解。然后通过离子交换将元素Be和元素Al分离出来，随后在含有Be元素的溶液中加入NH4OH使溶液pH值达到8左右，从而促使Be(OH)2的沉淀，反复多次以消除B元素的影响。最后，在1000℃高温的电炉中，使Be(OH)2氧化形成BeO[20]，然后制靶并进行AMS测试。

该文样品的前期处理是在南京师范大学宇生核素超净实验室完成，制靶和AMS测试是在中国科学院地球环境研究所西安加速器质谱中心完成，获得的4个测年结果均位于全新世，分别为7.01ka、8.57ka、9.95ka、5.3ka。详细测试数值见表1。鉴于采样岩石表面擦痕清新，风化极其微弱，按照1mm进行风化速率校正。经校验，测试数据可靠。

表1 山东蒙山拦马冰期冰川遗迹宇生核素样品测试数值

测试单位：中国科学院地球环境研究所西安加速器质谱中心。

5 全新世拦马冰期宇生核素年代学的确认及其意义

拦马冰期的冰碛垄发育在佛塔谷内诸列冰碛垄的上端(图1)，且组成冰碛垄的砾石表面光鲜，磨光面与擦痕清晰可辨，砾石之间的空隙内缺少沙土充填，根据光释光测年研究获得了8.2ka的数据结果。该次通过宇生核素的测年研究，获得了对应于全新世早期的年龄值，宇生核素年龄值与光释光年龄值都指向全新世早期，共同表明蒙山地区这一期次的冰川遗迹的形成时间，为全新世早期。

全新世早期，存在全球范围内的8.2ka降温事件[21- 22]，这在格陵兰冰芯与青藏高原冰芯研究中都得到了很好的反映，并且在西藏、新疆多地都发现了相关冰川沉积[23- 24]。我国东部，李四光先生曾重点对庐山第四纪冰川遗迹进行了广泛而深入的研究，并确认庐山没有发育大理冰期(LGM)的相关冰川遗迹[3，25]，加之近年施雅风等撰文否认我国东部中低山区存在冰川作用，从而使得我国东部中低山区全新世冰川作用的研究基本中断，甚至被学术界忽略。Zhang Weichao[26]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4)，鉴于该时间段(5.3ka)在蒙山已经形成冰碛垄沉积，且由于该冰碛沉积最早发现于蒙山情人谷源头的清荣峡谷内，因此将该时段的冰期定名为清荣冰期，其对应沉积地层为清荣组。这项研究成果显示了我国东部全新世存在强烈的降温事件，这与蒙山冰碛沉积物及冰川槽谷磨光面上获得的测年数据具有极强的对应性，从而为全面认识我国东部中低山区的冰川作用及其发生时间，有了环境演化意义上对应的年代学约束。

图4 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

众所周知，第四纪冰期、间冰期气候演化具有全球统一性，因此，在全球处于冰期寒冷气候的时间段内，蒙山、庐山等我国东部山区当然也毫无例外的处于寒冷的冰期环境控制之下，在蒙山发现的具有冰川作用特征的侧碛垄、擦痕、磨光面等冰川作用的遗迹，其遗迹年龄数据的获得，展现出了环境与数据之间的对应性。同时，年龄数据交叉验证获得的可靠性，也展现了年代学研究意义上与全球环境演化事件之间的吻合度，进而表明，获得可靠的冰期年龄时段内的第四纪遗迹年代数据，本身就是研究区处于冰期环境的重要指示意义。

6 结论

经过该项研究，主要获得以下几点认识：

(1)前期研究中，在我国东部中低山区的蒙山冰碛物中首次获得了全新世早期8.2ka光释光测年数据。该项研究对同一冰碛垄及其上游冰川槽谷的磨光面进行了宇生核素年代学研究，也获得了全新世早期的年龄值，两种方法的测试年龄均对应于全新世早期，表明测试方法及获得的测试结果具有较高的可信度。

(2)对应于在蒙山建立的拦马冰期、清荣冰期，获得了宇生核素测年结果的验证，这些多方法、多手段获得的测试数据，与野外的地质事实、岩石表面的风化程度等之间的统一性，表明全新世蒙山地区拦马冰期、清荣冰期建立的依据是充分的，该冰期发生的年龄数据是可靠、可信的。

(3)我国东部全新世冰川遗迹的发现及确认，对于重新认识我国东部气候演化与古人类发展与迁徙之间的内在关系，譬如拦马冰期处于旧石器时代与新石器时代之间，清荣冰期处于大汶口文化与龙山文化之间的内在关联性，据此初步推断，华夏氏族的人文始祖太昊先生，也曾见到蒙山山顶终年不化的皑皑白雪。除此之外，对于我国东部未来气候变化趋势分析、预测下一次冰期产生的时间及其对我国东部居民生活的影响程度等，都有着重要的意义。

致谢：研究过程中，获得了中科院海洋研究所赵松龄教授、南京大学杨达源教授、中国石油大学吕洪波教授的大力支持，在此表示深切的谢意！

可以想见，随着研究工作的逐渐深入与测年数据的不断积累，我国东部第四纪环境演化的真实特征将得到科学的重建与恢复。

欢迎国内外冰川研究领域的专家、学者来蒙山进行实地考察与研究。

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