渐新世“雪球事件”的发现及其意义<br/>——基于全球冰斗系统的解读与研究

渐新世“雪球事件”的发现及其意义
——基于全球冰斗系统的解读与研究

2018-08-27王照波王江月

山东国土资源 2018年9期

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，笔者发现并深入研究了山东蒙山第四纪冰川遗迹[1-4]，在这个过程中发现了东亚冷槽的存在[5]，在对东亚冷槽西壁的雪线高程进行追踪研究的过程中，发现了冰斗系统[6]，在对冰斗系统进行研究的过程中，该文作者王江月提出“是否存在新生代雪球事件？”，基于此，在对全球冰斗系统进行研究的基础上，发现并证实了渐新世雪球事件的存在。

冰川遗迹类型虽然多种多样，但唯有冰斗是诸类遗迹中规模最大、最易保留的遗迹类型。原因在于冰斗是以山体为载体进行雕刻而成的，山体的形状一旦成形，后期的风化作用很难对其进行彻底改变，因此冰斗系统也是诸多冰川遗迹中最难被消灭的遗迹类型，而冰川作用在岩石表面遗留的擦痕、在下游堆积而成的冰碛，相比于山体而言，则要更容易因风化剥蚀而消失。而岩石山体即便历经几十万年、甚至数百万年的风雨侵蚀，其形态也可保存下来。

冰斗作用是冰川作用的先导性作用，也是冰川作用中最重要的作用阶段，其他过程则是冰斗作用产物(冰碛)的延续，槽谷擦痕是冰碛运移过程中的刮擦痕迹，冰碛沉积则代表冰碛运移的结束。而实质上，冰川槽谷形成的前身是由多期冰斗斗底的串联而成(图1a)，而后期冰川运移过程中对侧壁产生的刮擦，只是起到修整作用。

1 冰斗系统的特征

冰斗作用可分为冰斗环进(冰进)与冰斗环退(冰退)两种作用过程，过程中形成冰斗系统。冰进是指雪线由高海拔向低海拔推进的过程，冰退是指雪线由低海拔向高海拔后退的过程。冰斗系统由多套冰斗环，以及与其相配套的缩口、残弧(前弧、后弧、侧弧)、三角脊等组成(图1a)。一般规模较大的冰斗系统为组合式冰斗系统，由多期次的冰斗叠加而成(图1b)。

a—河南甘山冰斗系统；b—复式冰斗系统形成过程示意图图1 复式冰斗系统特征及其形成过程示意图

1.1 冰斗环

冰斗作用是冰川过程中的核心作用，冰斗的推进与撤退，都会留下相关的遗迹，也就是冰斗环。冰斗环是冰斗系统的基本组成形式，其由三角脊与残弧、侧弧一起组成，冰斗环的辨认是进行冰斗系统研究的基本前提。

在冰斗系统中，处在一座山的最高海拔位置的冰斗环，也即冰退作用过程中最后一次冰斗作用遗留的冰斗环，其环形特征一般保存的较为完整，呈现较为完整的漏斗状特征，对于过程中形成的冰斗环，一般仅遗留有侧弧与三角脊，而前弧与后弧一般保留的不全(图2)。

图2 冰斗的环进与环退过程示意图

三角脊，是指冰斗系统中，在冰川槽谷两侧山脊上对称分布，且具有三角形特征的凸起山脊，其对角线往往表现为弧形(图2)，是由于冰斗环切作用形成的。

冰川槽谷基本是由冰斗系统中的众多冰斗串联而成。

1.2 冰进与冰退

不同冰期的雪线高程往往是不同的，一段时期内则表现为雪线的连续性降低或抬升，即冰进或冰退。由于冰斗对山体强大的环切作用，其作用过程都会在山体上遗留的残弧、侧弧、三角脊等构成的冰斗环中得到体现(图2)。

无论冰进还是冰退，其前弧的保留都是困难的，都会在冰斗作用的过程中被清理掉。冰退过程是一个“向上推进、向下遗留”的过程，因此后方容易遗留下较完整的后弧、冰槛、冰斗湖等遗迹。冰进过程则是一个“向下推进、向下清理”的过程，因此冰进过程中后弧则是残缺不全的，其前方遗留的冰槛、冰斗也会在下一次的冰斗作用过程中被清理运出。加之冰进过程之后，可能会存在一个相应的冰退过程，因此冰进过程形成的后弧、冰槛等相关遗迹，往往不易被较好的保留。

1.3 冰斗地貌

冰斗作用是冰川作用的前导与核心力量，由于冰斗作用是在山体上进行的，因此会在山体上留下作用遗迹，多期冰川作用会形成冰斗系统，由众多的冰斗系统遗迹组成的地貌类型，称作冰斗地貌。

冰斗地貌形成的山谷，具有典型的芭蕉扇状特征(图1，图3b，图3e，图3f)，沟谷的前端多为圆弧形，这是由冰斗的环切作用形成的。复式冰斗系统形成的冰斗地貌，如同一把把巨大的芭蕉扇镶嵌而成。图3b、图3c、图3d为逐渐放大的冰斗地貌，在图3d中可以清晰的辨认出冰斗湖的遗存。这些特征性的冰斗地貌，过去一直作为流水侵蚀型地貌类型对待，这是过去对冰斗系统的作用过程不明确情况下的误解。经研究，冰斗地貌广泛分布于我国东部中低山区，且北至黑龙江畔、南至天涯海角，东至沿海岸边[6]。

图3 冰斗地貌典型特征卫片图

2 全球冰斗系统的分布及其特征

对全球冰斗系统的解读是在谷歌全球卫星地图(Google Earth)上进行的，高清卫星地图完全可以满足对于数百米尺度的冰斗系统形态的辨认。按照冰斗地貌的特征，结合冰斗环、残弧、侧弧、三角脊、缩口等要素进行辨别，对全球进行冰斗系统的影像解读，并选取代表性的冰斗系统进行标注，全球共选取并标注了32处(图4)，其分布位置见表1。

2.1 东亚地区冰斗系统特征

根据卫片解读，中国境内蒙山、泰山、崂山(图5a，36°08′28″N，120°41′53″E)、华山、黄山、嵩山、衡山、恒山、五指山、大兴安岭、天柱山、九华山、庐山、玉华山、太行山等东部中低山区，都大量分布有冰斗地貌，另外在崂山、连云港、舟山(图5b，29°58′07″N，122°07′51″E)、温岭、宁德、南澳岛、香港(图5c，22°14′13″N，113°54′17″E)、台湾、海南等附近滨海山脉，分布有大量的被海水淹没的冰斗系统。这些表明，曾经在一个时期，我国陆地及部分较浅的海域全部被冰雪覆盖，冰川一直伸展到现在的海平面之下，并一直延伸到现在大陆架前缘的边坡附近，整个大陆架被冰川覆盖，至于冰川在大陆架的前缘所处的海拔情况，尚缺乏资料进行探寻，这应作为海洋调查的部分内容进行进一步的研究。

图4 全球冰斗系统与陆生生物避难区分布图

表1 全球典型冰斗系统分布位置及高程

注：表中的冰斗系统的高程不代表该区的最低雪线高程，只是相关冰斗系统所处的位置标高。限于篇幅，省略了对应冰斗系统卫片截图。

蒙古、韩国、朝鲜、日本等国，也均有广泛的冰斗系统分布，雪球时期的东亚地区曾普遍被冰雪覆盖，冰川一直延伸到大陆架的前缘。

2.2 东南亚地区冰斗系统特征

越南沿海山地自北向南，均有冰斗系统分布，虽然该区植被发育，降水量大，众多的冰斗系统经历了较严重的后期风化，但迹象仍然清晰可辩，南端可辨识的冰斗系统最低海拔为120m左右。泰国西部的山区由于海拔较高，其冰斗系统风化轻微，影像清晰可辩。

马来群岛所有山脉均广泛分布有冰斗系统，在马来西亚东北部的岛屿中，可见到被海水淹没的冰斗系统，菲律宾岛屿南端也存在这种情况，据此分析马来群岛及中南半岛，雪球时期均曾被冰雪覆盖。

由于冰期海平面的急剧下降，新加坡与加里曼丹岛之间的浅海海域已经变为陆地，加里曼丹岛北端冰斗系统延伸到海平面以下(图5d，4°41′49″N，118°24′25″E)，但赤道附近沿岸冰斗系统的最低雪线显示的最低高程为130m，据此分析新加坡东部浅海海域，雪球时期时曾存在陆生生物避难区(图4c)。

2.3 澳大利亚及周边冰斗系统特征

澳大利亚东部及沿海地区的冰斗系统极为发育，但其西部及北部均微弱，北岸海拔200m之下，基本未见冰斗系统。其北侧新几内亚岛南岸冰斗系统的最低雪线在200m左右。据此分析，澳大利亚西北部与新几内亚岛之间海拔200m以下的陆地与阿拉弗拉海，在雪球时期位于雪线之下，分析这一个区域在雪球时期曾存在陆生生物的避难所(图4d)。但根据板块移动方面的研究，在渐新世初期澳大利亚陆地所处的位置的纬度要比现在要高，至于为何在其北端的阿拉弗拉海一带形成较高的雪线，需要更进一步的研究。

2.4 印度次大陆冰斗系统特征

印度与斯里兰卡山区均有广泛的冰斗系统分布，且在印度西海岸可以见到冰斗系统延伸到海平面以下的情况(图5e，14°31′40″N，74°18′54″E)，据此分析，印度次大陆在雪球时期曾全部被冰雪覆盖，其冰川一直延伸到现在海平面以下。

图5 全球典型海岸冰斗系统卫片

2.5 西亚地区冰斗系统特征

在红海沿岸与波斯湾沿岸的山脉，均有冰斗系统发育，在也门东海岸，可以见到多处冰斗系统延伸到海洋之中的现象，据此分析该区域的整个陆地及浅海区域，在雪球时期广泛被冰雪覆盖。

2.6 非洲地区冰斗系统特征

非洲的整个大陆冰斗系统分布广泛，即便是现在以干旱少雨著称的撒哈拉沙漠，也有冰斗系统分布。安哥拉西海岸存在冰斗系统延伸到海面以下的情况(图5f，13°04′40″S，12°53′23″E)，只有在刚果盆地，尤其靠近大西洋沿岸的喀麦隆、加蓬一带，其海拔低于200m的平原区，没有发现冰斗系统的存在，显示该区域在雪球时期构成陆生生物避难区(图4b)，这也许是人类起源于非洲的根本原因，其他地方的古人类在雪球时期失去陆地生活的基础，因冰川而灭绝。

2.7 欧洲地区冰斗系统特征

欧洲地区广泛发育冰斗系统，英国伦敦西部丘陵中的冰斗系统最低海拔仅10m，地中海沿岸的意大利、希腊等地，直布罗陀海峡北岸一带，在其沿海山脉均可见到冰斗系统延伸到海面之下的情况(图5g，36°3′46″N，5°27′07″W)，据此分析，整个的欧洲大陆，在雪球时期普遍被冰雪覆盖。

2.8 美洲地区冰斗系统特征

众所周知，美国、加拿大东部平原区广泛分布的大冰盖在学术界被广泛认可。经卫片分析，其西部山区的冰斗系统也广泛分布。古巴南岸的沿海山地(图5h，9°51′14″N，85°24′10″W)，危地马拉西海岸沿岸山地(图5i，19°56′24″N，76°54′06″W)，普遍存在冰斗系统延伸到海平面之下的情况，因此整个的北美大陆与拉丁美洲，雪球时期均覆盖在冰雪之下。

南美洲冰斗系统在山区分布广泛，只有在巴西亚马逊盆地海拔200m以下地区，不存在冰斗系统，据此分析，在亚马逊盆地海拔200m之下区域形成陆生生物避难所(图4a)。

3 雪球事件发生时间的初步分析

雪球事件，是指全球表面几乎被冰雪全部覆盖的冰冻时期。目前科学界认为在地球的地质历史上曾发生过两次雪球时期，一是2.41～2.29Ga间的古元古代早期，一是在0.8～0.55Ga之间的新元古代[7-13]。目前，尚没有研究者提及新生代的雪球事件。

基于全球冰斗系统的解读，新生代的某一时期，除了赤道附近的几处低洼地带尚未被冰雪覆盖外，其他地域均被冰雪广泛覆盖，据此提出广布全球的冰斗系统，应是新生代“雪球事件”的产物。

基于冰斗系统广布在现代山地的表面，据此分析控制地貌本底的雪球事件的发生时间应为新生代时期。根据豫西甘山冰斗系统的研究，规模宏大的前世冰斗系统，应为前第四纪时期的产物[6]。但由于雪球事件时除赤道附近的几处低洼盆地、浅海不被冰雪覆盖外，其他区域广布冰雪，且冰川的前缘均延伸到现在海平面以下，甚至抵达大陆架前缘，可见雪球时期冰川规模巨大。

深海沉积，则可以较为完整地记录陆地上的气候事件与演变过程。

最新的世界大洋高分辨率底栖有孔虫同位素研究显示,δ18O值在渐新世最早期(33.6Ma)的约400ka时间内快速增长了1.4×10-3,导致底层水温骤降了至少3～4℃,南极大陆东部开始出现永久性冰盖,这段低温和大陆冰盖及其发育的时期称之为“渐新世初大冰期事件(Earliest oligocene glacial maximum, EOGM)”或“Oi-1”事件[14]。刘志飞等[15]基于南大西洋深水沉积物的研究，在33.7Ma时间段，也确认渐新世初期存在渐新世初大冰期事件(EOGM)。田军[16]在对新生代的全球气候演化格局中展示了渐新世的长周期降温事件，形成南极冰盖，同时也指出8～2.7Ma地球急速降温，在已有南极冰盖的基础上形成北极冰盖。关于北极冰盖开始形成的时间，Eldrett James S等[17]根据格陵兰海洋沉积物的研究，确认在渐新世早期格陵兰岛就已经存在冰川。Tripati,Robert A.等[18]对于格陵兰发现的冰筏碎屑进行研究，表明在渐新世早期北大西洋就存在冰川作用，详细的沉积学证据表明，冰川延伸到了海平面之下。这些研究成果与笔者的解读具有高度的吻合性，笔者认为渐新世初期的这次大冰期事件是全球性的，标志着“雪球事件”的开启。黄维等[19]对南海渐新世以来的沉积速率研究表明(图6)，渐新世时期的沉积速率最高，期次是第四纪，而中新世、上新世则明显偏低，这显示了冰期冰斗系统的超强剥蚀作用对于沉积作用具有明显的影响。

图6 南海各时期的平均堆积速率

另外，邵磊等[20]基于南海北部深水沉积物的研究，在渐新世末期的23.8Ma，存在明显的物源突变事件，根据沉积物的变化特征，表明当时的沉积环境在逐渐加深。以ODP1148站(深海钻井编号，地理坐标：18°50.17′N，116°33.94′E，水深3294m)为例，渐新世反映的为近岸坡陡的陆坡环境沉积，中新世则表现为深海远洋沉积环境，与现在的沉积环境相差无几，这些研究成果显示，在渐新世末期，海岸由当时的大陆架前缘一带逐渐海侵到现在的海岸线一带。笔者认为这标志着“雪球事件”的结束，大量冰川融水注入海洋，导致海平面急剧抬升，海岸后退，导致沉积环境急剧变化。

拓守廷等[21]的研究显示，始新世—渐新世界线(E/O)附近，δ18O值大幅度正偏，在短期内由1.2×10-3迅速增加到3.0×10-3，底层海水温度从12℃降低为4.5℃。保存在大洋和大陆中的记录表明:E/O界线附近，全球气温大幅降低,海陆生物均有不同程度的灭绝，指示了气候变冷、变干的趋势。众多的研究成果显示，在渐新世开始后存在生物大灭绝事件[22-23]。这一时期热带阔叶林萎缩至赤道一带。笔者认为，渐新世生物大灭绝事件与雪球事件可能存在直接关系。

根据南海北部PY33-1-1井的研究，该井现在水深188m，根据沉积环境研究，在渐新世则为浅水三角洲环境，因此初步推断，在渐新世时的雪球时期，当时的海平面至少比现在低180余米，在雪球极盛期甚至更低。

综合分析，基于全球“冰斗系统”显示的雪球事件确定在渐新世。基于全球“冰斗系统”的研究，渐新世的降温幅度、冰雪分布范围、对生物演化的影响等，似乎远远超出了目前研究的认知程度，希望在进一步的研究中得到更加深入与广泛地探讨。