山东临朐柳山地区发现早白垩世冰碛砾岩及其意义

张成基

(山东省地矿局老科学技术工作者协会，山东 济南 250013)

0 引言

砾岩中存在具压坑砾石、冰川擦痕砾石和马鞍石是冰碛砾岩的直接标志。

笔者20世纪70年代学习了李四光先生《天文地质古生物》(资料摘要)等有关著作，增加了冰碛砾石发生塑性变形具压坑、灯盏石、马鞍石现象(照片1)的知识[1-3]。在管理山东省地矿局区调项目期间，于1990年主持第一地质队1∶5万蒋峪、牛沐、鄌郚等3幅区调项目野外验收，进行地层剖面野外实地检查时，在临朐县柳山镇东山旺村东南沟早白垩世莱阳群城山后组(区调项目划归分水岭组)底部砾岩中发现了具压坑和冰川擦痕的砾石。当时，对项目提出建议后，未引起项目人员的重视，该现象未反映在区调报告中。近日，在整理物品时又找到了这些砾石标本，并进一步观察研究又有新的发现，更确切证实其为冰碛砾岩。为了更准确地确定冰碛砾岩产出的地层层位和特征，于2018年11月下旬，在山东省地质科学研究院地质所张尚坤研究员带领十余名地质人员协助下，又重返该地区对其进行了野外调查和研究。为引起广大地质工作者对这一冰碛事件的重视，并在区域上展开进一步研究，将其产出层位、砾石特征及其地质意义作一介绍。

1 产出地层层位

临朐县柳山地区出露地层主要为早白垩世地层，有少量新近纪临朐群和第四纪地层(图1)。

1∶5万蒋峪等3幅区调项目将产出冰碛砾岩地层对比划归分水岭组[注]山东省地矿局第一地质队赵凤江等1∶5万蒋峪等3幅区域地质调查报告，1990年。。按照山东省国土资源厅有关地层现行划分方案经对比划归早白垩世莱阳群城山后组，其下角度不整合于淄博群早白垩世三台组，其上被早白垩世青山群八亩地组角度不整合所覆盖(图2)。

1—第四纪地层(未分)；2—新近纪临朐群尧山组；3—新近纪临朐群牛山组；4—早白垩世青山群八亩地组；5—早白垩世莱阳群城山后组；6—早白垩世淄博群三台组；7—新太古代傲徕山序列蒋峪二长花岗岩单元；8—实测与推测断裂；9—地层产状；10—具压坑砾石发现地图1 山东省临朐县柳山镇地区地质简图(据山东省地矿局第一地质队赵凤江等1∶5万鄌郚幅地质图简化修改)

图2 山东省临朐县柳山镇地区早白垩世地层柱状图

现将各组地层简述如下：

1.1 早白垩世淄博群三台组

该组为一套红色湖相沉积粉砂岩为主，中下部夹页岩和含砾砂岩薄层，上部夹泥灰岩透镜体。该组上部特征为巨大型斜层理的风积砂岩因剥蚀作用而缺失。该组在该区最大残余厚度为88.84m。该组异岩不整合于新太古代傲徕山序列蒋峪条带状细中粒含黑云二长花岗岩单元结晶基底之上。

1.2 早白垩世莱阳群城山后组

该组下部为厚近25m的复成分砾岩，砾石成分以石英岩质为主，有少量安山岩和石灰岩质砾石，个别可见泥岩质和二长花岗岩质砾石，局部夹有含安山质砾石为主的薄层砾岩和含砾粗砂岩透镜体，其底部角度不整合于三台组之上(照片2)。具压坑及其他冰碛砾石特征的砾石即在该层位中发现的，应为冰堆积相底碛沉积产物。

中部及中下部为复成分砾岩与安山凝灰质含砾粗砂岩互层。相当冰流沉积，上部为安山凝灰质含砾粗砂岩，可能相当冰水沉积。

该组岩石中所含大量安山凝灰质物质和安山岩砾石，是岩石沉积时伴随着大量火山碎屑物质的喷发。亦是将该组对比划归城山后组的重要原因。

上部缺失马连坡组的湖相沉积物，该组最大残余厚度98.68m。

1.3 早白垩世青山群八亩地组

该组下部为粗安质火山角砾岩夹粗安岩、粗安质火山集块角砾岩、粗安质角砾凝灰岩等。底部在柳山镇地层剖面上为英安岩透镜体。角度不整合在城山后组之上，为火山爆发—喷溢相沉积产物。

2 冰碛砾岩特征

含冰碛砾石特征的砾岩如上所述产于早白垩世莱阳群城山后组底部，角度不整合于早白垩世三台组之上(照片2)，为厚度很大(约厚25m)的复成分砾岩(照片3)。

2.1 砾石成分

经野外观察，组成冰碛砾岩的砾石成分主要为石英岩质砾石，相当部分为石灰岩(多为泥晶灰岩，少有竹叶状灰岩和鲕粒灰岩)质砾石，个别可见泥岩质砾石和少量二长花岗岩质砾石(为新太古代结晶基底二长花岗岩)。总的来看，砾石成分复杂多样，为复成分砾岩(照片3)。

在冰碛砾岩中上部夹一层厚约3～4m的以安山岩质砾石为主的粗砾岩层，其中混杂少量前述的砾石成分(照片4)。

2.2 砾石形态

组成冰碛砾岩的砾石形态多为长扁椭球状，少量为不规则近球状，更少部分为长椭圆形板片状。按克鲁宾(1941)所提出的计算球度(指碎屑颗粒形状与球体相似程度)公式[2](公式有误，式中A应为A2)，以cm为长度单位测量14个野外具压坑砾石的三轴长度，计算了其球度系数ψ值，均在0.47～0.84之间，其中ψ值在0.4～0.5之间者占7%，0.5～0.6之间者占14%，0.6～0.7之间者占29%，0.7～0.8之间者占21%，0.8～0.9之间者占29%。ψ值接近1°者为球形碎屑颗粒；针状碎屑颗粒者最小，接近于零。该冰碛砾石的ψ值，结合砾石标本看，ψ值为0.4～0.6者为长椭圆形板片状，占21%；0.6～0.8者为长扁椭球状，占50%；0.8～0.9者为近圆球状，占29%，说明多为长扁椭球状。

2.3 砾石粒度大小

该冰碛砾岩砾石粒度大小混杂，无分选性，在野外岩石露头上未进行定量统计测量。从前述砾石的形态看，多数为长扁椭球体，其粒度大小不能按砾石的直径，只能按砾石长、中、短三个轴长度来论述。从野外采集的具压坑的砾石测量结果看，长轴多数为3～10.5cm，有3个较大砾石长13～26cm；中轴多数为1.7～6.5cm，较大砾石为7～19cm；短轴多数为0.7～5.5cm，较大砾石为5.5～8.5cm。

从野外岩石露头上(照片3)，粗略测量估算看，多数砾石长轴均在10cm以下，少部分为10～30cm，个别>50cm,最大者长近1m。

2.4 砾岩杂基和胶结物

砾岩的杂基(或称沉积基质)为充填砾石之间的机械沉积物，从野外岩石露头上观察看主要为粒径1～2mm的长石、石英砂粒，且长石多显肉红色(可能多为钾长石)，含量多于石英。这些长英砂粒磨圆度极差，多为棱角状，少量为次棱角状。这种成分成熟度和结构成熟度均不高的砂粒，说明搬运距离不大。

这些长英质砂粒受冰川压应力作用，常可见到在石英岩质砾石压坑内被压扁变形现象，形成具覆膜状压坑(照片5)。砂粒在石灰岩质砾石表面被压常见嵌入石灰岩质砾石表面的现象，砂粒风化脱落后，常保留压坑呈麻点坑状。

砾岩胶结物主要为碳酸钙，部分地段为粘土矿物，在砾石和长英质杂基碎屑间起到粘结作用。砾岩因后期风化淋积作用，常见在砾岩构造裂隙中充填形成白色方解石细脉，或环砾石表面形成方解石薄膜(照片4)。胶结类型主要为孔隙胶结。

2.5 冰碛砾岩总的特征

该冰碛砾岩产于早白垩世城山后组底部，位于其与早白垩世三台组角度不整合面之上(照片2)，是一套砾石成分复杂的复成分砾岩(照片3)。组成砾岩的砾石除成分多样外，其砾石粒度大小混杂，无明显分选性，个别可见大的漂砾混杂其中。砾石形态多为扁平的椭球体，其长轴沿岩层倾向多显示定向排列。在照片3的中上方，有3个间隔开的大漂砾和其下面对应的3个小漂砾，均显示砾石长轴向倾向方向斜列的叠瓦状排列，可能指示其上冰川运移的方向。该砾岩中部分砾石具压坑和冰川擦痕，亦发现个别有塑性变形的马鞍石和灯盏石。特别是具冰川擦痕砾石和马鞍石的存在，这是冰碛砾岩与冲洪积砾岩的主要区别特征。

该砾岩从组成砾石磨圆度较高和砾石长轴具定向排列特征看，具有底碛(或称下碛)的特征[2]。

照片2 早白垩世城山后组角度不整合在三台组之上(临朐柳山镇金柳路南侧)

照片3 城山后组底部冰碛复成分砾岩(临朐柳山镇金柳路北侧)

照片4 城山后组底部冰碛砾岩所夹含方解石细脉以安山质砾石为主的复成分砾岩夹层(临朐柳山镇金柳路北侧)

照片5 具覆膜压坑的石英岩质冰碛砾石(临朐柳山镇东山旺村东南沟南壁)

3 冰碛砾石特征

在冰碛砾岩中，并不是所有的砾石都显示有冰碛砾石的特征，仅在砾石密集处，且有少量非定向砾石相互接触部位，才有可能发现冰碛砾石的存在(照片6)。冰碛砾石具有压坑、冰川擦痕、压裂张裂隙、压磨蚀平面、灯盏石、马鞍石和长英质砂粒嵌入石灰质砾石表面麻点坑等特征。

3.1 砾石具压坑

因冰川长期静压力的作用，使砾石相互接触的表面形成挤压的小坑。这些压坑常为椭圆形态，部分可见为圆形及其间的过渡形态，这与主动压入砾石接触部位的形态有关。在砾石表面压坑为凹坑，多数坑中部深1～2.5mm，向四周逐步变浅，其凹坑边界清晰；见少量凹坑呈簸箕状，一边深凹，边界清晰，另一边平缓变浅，边界较模糊；凹坑一般长8～15mm，宽5～11mm,部分大者长30～39mm,宽10～23mm，最大者长75mm，宽60mm，其规模大小视主动挤压砾石接触尖端大小、形态和挤压深度而定。

照片6 岩石露头冰碛砾岩中具压坑砾石②具覆膜压坑；④为石英质砾石；⑧为鲕粒灰岩质砾石；其余为泥晶灰岩质砾石；⑤～⑦，⑨～⑩为东山旺村东南沟南壁，余者为柳山镇金柳路北侧；⑧～⑩为秦幸福摄影

照片7 城山后组冰碛砾岩中的具压坑石灰岩砾石和石英岩质砾石(①～②，⑦～⑧为临朐柳山镇东山旺村东南沟南壁，余者为柳山镇金柳路北侧)

照片8 城山后组冰碛砾岩中具冰川擦痕的泥晶灰岩砾石(①为临朐柳山镇东山旺村东南沟南壁，余者为柳山镇金柳路北侧)

压坑有2种表现形式。一种是由砾石相互挤压砾石表面直接被压形成的纯凹坑，多数压坑属此类型(照片7)；另一种少量为覆膜压坑，在砾石相互挤压形成压坑时，同时将砾石之间的长石、石英质碎屑杂基亦挤压在压坑内，在形成类似前一种压坑时，将长石、石英质碎屑同时压成薄膜状覆于压坑表面，在薄膜内或接近压坑边缘仍可见到压扁的粒状长石、石英碎屑形态，且压坑周缘粘连保留未挤压变形的砂粒凸起(照片5)。后者这种现象仅发生石英质砾石上。

对于这种压坑砾石的塑性形变，李四光先生认为是岩石在长期受力，即使不超过岩石弹性强度，在受微弱力量条件下，仍能发生塑性形变，时间越长，它表现的塑性形变程度愈大[1]。

3.2 砾石表面可见冰川擦痕

砾岩有的砾石表面局部可以见到冰川擦痕(照片8)。冰川擦痕为一组方向一致，平行断续分布的刻痕，所见刻痕细小，每个刻痕长2～5mm，最长可达1cm以上，有的刻痕呈钉字形，具有冰川擦痕的特征。

这种冰川擦痕的砾石是冰碛成因砾岩砾石的独有特征[2]。

3.3 砾石具压裂张裂隙

砾岩中多数砾石有压坑，但未产生压裂现象。有少数砾石在伴随压坑的形成，具压裂作用而产生张裂隙(照片7①，⑧)。这种压裂隙多发生在具压坑砾石的对应另一面(照片7①)，个别亦有压坑和压裂隙发生在砾石的同一面(照片7⑧)，但裂隙没有在整个砾石上贯通，只发生在砾石的一个侧面，所以没有破坏砾石的完整性而碎裂。

这些压裂隙多为X形剪裂隙纹，但常有几条近平行或相互交叉的张裂缝，裂缝宽1～2mm，分枝复合处可达5mm，深数毫米，其边界不平整，常有入字形分枝或相互交叉。有的张裂隙发育在簸箕状压坑深凹部位的相邻外侧(照片7⑧)，显示这些张裂隙与压坑形成的压应力有直接关系。

笔者认为，这种压裂张裂隙的形成，是在李四光先生提出的压坑塑性变形形成的基础上，因冰川厚度和压力的持续增加，递进变形的产物。即在巨厚冰川静压力作用下，冰碛砾石相互间挤压，在不超过岩石弹性强度，长期受力条件下，砾石发生塑性变形产生压坑[1]。据胡克定律，当这种力的作用增加并持续进行，当超过岩石弹性极限(破裂强度)时，递进变形而产生破裂[2]，形成砾石的压裂张裂隙。

3.4 砾石的压磨蚀平面

冰碛砾石不同于其他成因的砾石，有的砾石具有一个磨蚀作用形成的平面或微凸面(照片9)。其他成因磨圆的砾石，其表面为圆弧形凸起。冰碛砾石磨圆的砾石，除具有上述特征外，有的见有一个面是平面的(或呈稍凸的圆滑表面)，有的这种平面表面磨蚀的比较光滑。

照片9 具磨蚀面、冰川擦痕和压坑的粉晶白云质灰岩①和泥晶灰岩②冰碛砾石(①临朐柳山镇东山旺村东南沟南壁；②为柳山镇金柳路北侧)

可能这种冰碛砾石为底碛砾石，位于冰川底部，随着冰川的滑动，使砾石与基底岩石之间滑动磨蚀而形成的。

3.5 灯盏石和马鞍石

是冰碛砾石发生塑性变形的特殊形态的砾石，因其形态似灯盏状和马鞍状，故名[3]。灯盏石在其正面有圆形砾石压坑，近似灯盏(照片10)。马鞍石正面有圆三角形压坑，其中心尚有挤压砾石的残块，在其背面形成马鞍状(照片11)[2]。有的马鞍石压坑最大鞍凹一侧，还伴有压裂张裂隙(照片11②)。两者均是长时期受冰川压应力作用，由较大砾石主动挤压，更大的被动砾石同时形成压坑使砾石整体塑性变形形成的。

照片10 城山后组冰碛砾岩中的灯盏石(临朐柳山镇东山旺村东南沟南壁)

照片11 城山后组冰碛砾岩中的马鞍石(①为临朐柳山镇东山旺村东南沟南壁；②为柳山镇金柳路北侧)

3.6 砾石的麻点坑

仅在岩石硬度相对较低的石灰岩质砾石表面见到麻点坑现象。在冰川压应力作用下，砾石间的长英质砂粒杂基，被压嵌入石灰质砾岩表面，砂粒风化脱落后，在其表面常保留压坑形成砂粒大小密集的麻点坑。这与冲积、冲洪积成因的表面光滑的砾石是完全不同的。砂粒未脱落者尚有少量嵌入砂粒仍保存在其表面(照片12)。

照片12 城山后组冰碛砾岩中具麻点坑和嵌入砂粒或小砾石的泥晶灰岩砾石(临朐柳山镇金柳路北侧)

砾石具有上述压坑、冰川擦痕、压裂张裂隙、压磨蚀平面、灯盏石、马鞍石和麻点坑等砾石特征，是冰碛砾石所独有的鉴别标志。

4 冰碛砾石发现的地质意义

4.1 冰川事件

具有压坑等上述砾石特征砾岩的发现，说明由这种特征的砾石组成的砾岩，在成因类型上属冰碛砾岩。冰碛砾岩是冰川堆积产物，其代表了一次冰期气候或冰川事件。

从目前掌握的资料看，早白垩世莱阳群城山后组底部的这种冰碛砾岩，在鲁西地区临朐县柳山镇被发现，其分布范围相对较为局限，不应是分布很广的大陆冰盖，推断应为大陆型高原山岳山谷冰川[2]堆积产物。李四光先生(1972)在对兰田附近山谷冰川冰碛中形成的带压坑的砾石论述中，提出估计有关山谷冰川的厚度，最多不超过200m，即当时砾石所受到的压力每平方厘米不到20kg，虽低于砾石的抗压强度，但长期受力，砾石也可发生塑性变形形成压坑[1]。柳山冰碛砾岩有的砾石在形成压坑的同时并伴随压裂张裂隙，表明所受压应力比压坑砾更大，为此，推测柳山冰川事件，山谷冰川的厚度应超过200m。该区早白垩世冰期不在全球地史上7次大冰期之列[2]，可能为我国东部环太平洋带一次小冰期事件。

4.2 早白垩世古地理、古气候分析——冰川事件形成探讨

依据早白垩世古板块再造、岩相古地理及古环境资料[4-5]，当时华北陆块所处北半球纬度与现代相近，在其东部滨太平洋岸带均为造山带，有强烈的火山喷发，其西部此地区古地理均为高地；古气候全球处于高温环境为南方型半干旱亚热带、热带西北和华北过渡亚带气候，不具备形成全球大冰期的气候条件。近期，通过松辽盆地大陆深部科学钻探工程取得白垩纪陆相地层岩芯的综合研究，提出白垩纪时期气候环境是地质历史中典型的温室气候时期，具有高大气二氧化碳浓度、高温、高海洋平面、两极无冰的显著特征，仅有71～70Ma间的气候变冷事件[7]。这与上述对气候条件的认识是一致的。但大陆地壳上升，当然会使大陆上升海拔高的山岳部分的气候变得更为寒冷。例如，有人认为，中国特别是中国东部以及西伯利亚太平洋沿岸地区，在第四纪时代，平均高度可能达到海拔2000m以上[1]。中国东部第四纪时代的古地理面貌，具有白垩纪以来的继承性。因此，早白垩世时包括山东在内的华北高地，其海拔平均高度应不会低于2000m或更高，这为形成大陆山岳高原山谷冰川创造了古地理和古冰川条件。当时当地大量火山碎屑物质的喷发，漂浮的火山灰云，直接遮挡了太阳光的热辐射，在全球高温环境下，局部地区形成了高山寒冷气候，为局部小冰期的形成创造了条件。因此，在早白垩世是有可能形成高山山谷冰川的。这与现在纬度相近的欧洲阿尔卑斯山发育的高山山谷冰川是相同的。

4.3 临朐柳山小冰期

临朐柳山镇早白垩世莱阳群城山后组底部砾岩中具压坑等冰碛成因特征的砾石的发现，证明了该组底部冰碛砾岩的存在，说明当时在我国东部滨太平洋造山带及其毗鄰高地存在高山山谷冰川事件。在《侵入岩火山沉积岩变质岩》一书中，所附6-21辽宁锦西地区的压入坑砾石照片5，与照片7⑦非常相似，文内冰碛砾岩提到砾石具压坑[6]，但未说明该砾石组成砾岩的形成时代，亦未查到相关文献资料，是否相当同期冰碛产物，值得关注。

柳山地区这一冰川事件亦释疑解惑了笔者1998年的另一个地质现象的发现。当时，在主持山东省地矿局第七地质队1∶5万新泰、蒙阴2幅区调项目野外验收，对实测蒙阴幅小辛庄-檀家召子莱阳群-青山群地层剖面进行野外实地检查，在莱阳群马连坡组二段砂岩层中发现包裹了巨大的灰黑色页岩砾石，其中含早白垩世叶子介、狼鳍鱼等化石，砾石高约2m，宽1m左右，而鲁西地区早白垩世是没有这种页岩的，笔者曾怀疑为异地冰川漂砾。在该组之下临朐县柳山镇的城山后组地层发现冰川事件，就更好地理解其为冰川成因的漂砾了。

城山后组地层形成时代为早白垩世，临朐柳山镇地区目前尚未发现古生物化石和采取同位素地质年龄样品，其形成时代是与蒙阴盆地城山后组的对比确定的。蒙阴盆地城山后组据前人资料含大量早白垩世生物化石，其中火山岩全岩K-Ar同位素地质年龄为127.41Ma[注]山东省地矿局第七地质队，1∶5万新泰、蒙阴2幅区调报告，1998。。近年来，山东省地质调查院许克民等在完成“胶东地区(研究范围涉及鲁西部分地区)白垩纪区域地质、盆地发育与区域岩石地层系统调查研究”项目(2016)时，在蒙阴盆地上述地层剖面上城山后组凝灰岩中取得了SHRIMP锆石U-Pb同位素地质年龄，底部为131.7Ma，上部为128Ma。上述资料说明该组形成时代为早白垩世冀北期晚期—热河期早期。而发现冰碛砾石的临朐柳山地区该组底部形成时代可能稍晚于蒙阴盆地，此处处于高山山谷，南部为沉积盆地，推断其形成年龄为距今128～130Ma，地质时代应为早白垩世热河期早期。建议将该时期的冰川事件期命名为临朐柳山小冰期。

根据早白垩世早期的古地理特征看，我国东部地区滨太平洋沿岸均处在造山带和高地的状态[4-5]，类似临朐柳山小冰期形成的大陆型山岳高原山谷冰川沉积的分布范围可能较为广泛，应引起广大地质工作者的注意和研究。

5 结论

(1)在临朐柳山地区城山后组底部砾岩中所发现的塑性变形形成的具压坑或麻点坑砾石、灯盏石和马鞍石，以及具压裂张裂隙、磨蚀平面和冰川擦痕的砾石，证明了冰碛砾岩的存在，为该地区存在冰川事件提供了佐证。

(2)早白垩世早期的古气候大环境虽为高温环境，但我国东部滨太平洋沿岸的造山运动，使大陆地壳上升为高地山岳的古地理条件，加上大量火山喷发火山灰云对阳光辐射的遮挡，使高地山岳气候变得寒冷，为大陆型山岳高原山谷冰川的形成，创造了有利的气候条件。对于该区莱阳群城山后组沉积形成年龄推断在距今128～130Ma期间，即早白垩世热河期早期。笔者建议将此时期的冰川事件命名为临朐柳山小冰期。

(3)临朐柳山小冰期的冰川沉积分布在我国东部可能有区域性，应引起广大地质工作者的关注和研究。对该小冰期沉积的区域分布和其他表现特征，特别是对冰流堆积和冰水沉积物尚须进一步深入研究。同时建议对全省各地区各时代地层的砾岩全面进行野外调查和研究，以发现是否有新的冰碛砾岩存在。

广大地质工作者要善于学习，力争掌握更为宽泛的知识面，在野外工作中要善于实践，认真细致地观察研究，那怕是自己不理解或无法解释的微小的地质现象，亦要收集并充分反映在自己的成果报告中，才能有所发现和创新。

该文少量照片为山东省地矿局刘振、秦幸福摄影，山东省地质调查院侯建华高级工程师帮助查询了相关资料，以及山东省地质科学研究院张尚坤研究员等协助野外地质考察，特表示衷心感谢。