大兴安岭冰帽群的发现及初步研究

王照波， 王江月， 田晓明， 李宝杰

(1.自然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.沂蒙山国家地质公园管理局，山东 临沂 273304；3.平邑县自然资源与规划局，山东 平邑 273304；4.山东指南针矿产勘查有限公司，山东 临沂 276006；5.曲阜师范大学 地理与旅游学院，山东 日照 276800)

大陆冰川又称“冰盖”，其表面大致平缓、中部略厚，呈盾形，规模比山岳冰川大。较小的大陆冰盖常被称作冰帽(王数，2015)，总的形状为平凸形，外形接近于大陆冰川，但覆盖面积较大陆冰川小，其穹形也不及大陆冰川平缓(地质矿产部地质辞典办公室，2005)。

大兴安岭地区的第四纪冰川，前人也进行过多项研究，多限于山谷冰川，并认为存在第四纪冰川作用(严钦尚，1952；杨怀仁，1955；俞建章等，1964；辽宁省地质局水文地质大队，1983；孙建中，1982；孙广友等，2012)。王照波等(2020)对长白山天池火山冰川遗迹的研究，也证实了我国东北地区曾发生过第四纪冰川作用。但施雅风等(1989)认为大兴安岭地区不存在形成第四纪冰川的环境。对于蒙古高原地区第四纪冰盖，前人从卫星遥感、地貌侵蚀特征、羊背石等原地流线型岩石山体、“冰臼”分布等进行了多方面的论证(李邦良等，1999；吕洪波等，2006)，认为存在“蒙古冰盖”。研究者们从不同的角度为认识内蒙古及东北地区的冰川作用提供了较为丰富的资料，但没有注意到冰盖存在的更为直接证据——冰盖流线构造。笔者最近在内蒙古克什克腾旗青山一带的野外调查发现该区存在冰盖流线构造，这些广泛发育在山脊与山坡上由砾石构成的流线构造显示了青山一带的山顶地区曾经存在规模较小的冰盖——冰帽，笔者将其命名为“青山冰帽”，青山冰帽与其他冰帽一起构成兴安冰帽群。

岩臼是克什克腾旗青山地区最为著名的地貌类型，也是研究较深入且广为争议的。对于这些岩臼的成因，众说纷纭，有认为是冰川成因(韩同林，2004，2010；韩同林等，1998，1999a，1999b；吕洪波等，2008，2010)，有认为是流水侵蚀而成(吴忱，2007)，也有认为是风蚀、风化等非冰川成因(崔之久等，1999；章雨旭，2005；章雨旭等，2011；施雅风，2010)。田飞(2013)对青山岩臼进行了较为详细的调查研究，获得了较多的研究数据，认为是长期风化-风蚀综合作用的结果。笔者经初步调查后认为，该区壶穴应是岩石中的晶洞等先期成岩凹坑，主要经后期的积水、冻胀剥离作用下的产物，与冰川作用关联性不强。

关于冰盖流线构造的特征及其形成机理，国内尚没有研究者对其进行研究，国外冰川学界则进行了较多的探索。Drewry(1986)研究了冰盖流线构造的特征及其运移过程中的流动轨迹，展示了冰盖冰流在山脊与山谷不同部位表现出的分叉与汇合的流动轨迹(图1a)。Chorley等(1984)报道，阻塞冰流的基岩障碍物的迎冰面由于受到冰流强烈侵蚀而趋于平缓，背冰面则会显得陡峭，形成近似羊背石的岩体特征(图1b)。Ottesen等(2009)则对冰流结束端的终碛条带特征及其形成机理进行了较为深入的研究，图1c显示了冰盖边缘终碛条带具有曲折的弧形特征，且往往存在多条终碛条带组合。上述研究对于理解冰盖流线构造的特征及形成机理具有重要的参考意义。

图1 冰盖流线构造与终碛条带的特征及运行轨迹Fig.1 Characteristics and running track of ice cap streamline structures and terminal moraine bandsa.冰盖流线构造成因及平面分布特征(Drewry，1986);b.冰盖之下基岩阻塞体(羊背石基岩山体)成因及剖面特征(Chorley et al.，1984);c.终碛条带特征及成因示意图(Ottesen et al., 2009)

1 青山冰帽分布位置及流线构造特征

1.1 青山冰帽的位置及范围

青山位于赤峰市北西方向150 km(图2a)，克什克腾旗驻地经棚镇的东部15 km(图2b)，西拉木伦河的北岸，属于大兴安岭的南段。青山冰帽由三个相对独立的小冰帽构成(图2b，c)，分别编号为①、②、③。冰帽①东西长3.9 km，南北宽2.0 km，面积约4.3 km2，分布在海拔1 526～1 863 m；冰帽②东西宽5.8 km，南北宽4.2 km，面积约15.3 km2，分布在海拔1 511～1 787 m；冰帽③南北长6.2 km，东西宽2.8 km，面积约13.1 km2，分布在海拔1 551～1 974 m。

图2 青山冰帽分布范围及流线构造、终碛条带、冰碛扇分布位置图Fig.2 Distribution range of Qingshan ice cap, and location of streamline structures, terminal moraine bands and moraine fansa.青山冰帽在大兴安岭的分布位置图；b.青山冰帽卫片中的分布特征；c.青山冰帽流线构造、终碛条带与冰碛扇分布位置；图中①②③为冰帽编号

1.2 流线构造的分布及特征

在冰帽范围内，分布了大量的冰盖流线构造(图2c)，特征明显，在卫星相片中均可以识别。流线构造主要分布在山脊及两侧的山坡上，由棱角状的岩块组成。由于流线构造受到冰盖冰流方向、路径的控制，因此位于山脊两侧山坡上的流线构造，在山脊处表现为分叉特征(图3a)，在两条山脊之间则表现为汇合特征(图3b)。流线构造由棱角状粗斑花岗岩组成，呈长长的窄垄，垄的长度多为300～400 m，宽度1～3 m，流线冰碛垄的间距多为15～20 m，具有近似平行延伸的特征。该区山体岩性单一，主要由粗粒黑云二长花岗岩组成(田飞，2013)。由于供源单一，组成流线冰碛垄的岩石岩性也较为单一。由于搬运距离较近，仅为数十米或几百米的距离，岩石主要表现为棱角状，不显示磨圆特征。流线冰碛垄上条石的长轴显示出明显的定向性，其长轴展布方向与流线构造的展布方向一致(图3c)。有些由片状砾石构成的流线冰碛垄，其片状板石相互叠置掩盖，呈现出鱼骨状特征(图3d)，展示了冰盖流动对于片状岩块的挤压调整，由于搬运距离较近，岩块多呈棱角状，表面并未发现明显的擦痕。该类平直的流线构造为冰盖沿着山坡流动过程中形成，其流线方向展示了冰盖冰流的方向。流线构造的分叉及汇合现象与Drewry(1986)研究获得的冰盖流线构造的运行轨迹相符合(图1a)，这与冰盖流处于山脊两侧还是处于沟谷内侧的位置有关。青山冰帽的流线构造总体显示了由冰盖中心的高处向四周低洼处流动的特征，这与冰盖的流动特征一致(图2c)。

图3 青山冰帽的流线构造、终碛条带与砾石排列特征Fig.3 Characteristics of streamline structures, terminal moraine bands and gravel arrangement in Qingshan ice capa.流线构造的分叉现象；b.流线构造的汇合现象；c.流线构造中砾石长轴与流线构造的延伸方向一致；d.流线构造中的砾石具有“鱼骨状”叠压排列特征；e.冰盖边缘的终碛条带，具弧形展布特征；f.终碛条带中的砾石混杂，局部显示垂直冰流方向；g.冰碛砾石扇(图中红色箭头表示冰流方向)

1.3 终碛条带构造、冰碛砾石扇的分布及特征

在前述流线构造的结束端，有些地段往往分布有由终碛组成的终碛条带，呈现出连续的弧形弯曲特征(图3d)，该类构造长度绵延可达1 km，宽窄不定，宽的可达40 m，窄的仅为1 m左右。尤其在乃林沟沟头位置的终碛条带构造最为清晰(图3e)。砾石呈棱角状，排列方向杂乱，局部长条状的砾石表现出长轴随着条带弯曲而顺弯排列的特征(图3f)，受坡面岩石类型种类的多寡控制，成分相对复杂。这类终碛条带一般由3～5列组成，沿等高线展布。该类终碛构造分布在冰盖的边缘地带，为冰盖退缩过程中，其边缘停留时导致的终碛堆积而成，多条并列的原因是冰盖多次停顿造成的。其出现弧形弯曲的原因是由于冰盖边缘参差不齐造成的。终碛条带的水平延伸方向垂直于冰流方向。经测量，冰盖流线构造分布的山坡坡面倾角一般为15°～30°，有些平缓的地方，其坡角甚至小于10°，且均匀分布在坡面上，这是洪水冲击、岩石滚落等因素所不能形成的。青山冰帽的终碛条带所显示的特征与Ottesen等(2009)展示的冰盖边缘冰碛条带的特征一致(图1c)，青山终碛条带的典型特征，反映了冰盖边缘堆积的动力学过程。有些山脊前端放射状分布的流线构造与多列终碛一起组成典型的冰碛砾石扇(图3g，位置见图2c)。

1.4 羊背石状山脊的分布及特征

在冰盖流线构造分叉的山脊上，往往存在基岩阻塞体，构成典型的羊背石状山脊(图4a，b)，在图4a的迎冰面处，流线构造在山脊两侧表现出分叉特征，图4c为上述羊背石状山脊的侧面，上游迎冰面由于受到冰盖夷平作用影响表现出明显的平缓特征，下游背冰面由于未受到冰盖剥蚀夷平作用的影响而表现为陡直的特征，且分布有叠石。这些特征符合Chorley等(1984)就冰盖对于基岩阻塞体作用过程与作用特征的认识(图1b)。这种具有羊背石特征的基岩体分布在冰盖边缘一带，而冰盖核心区域由三角脊、残弧组成的冰斗系统则被冰盖夷平，其刃脊与角峰消失殆尽。

图4 青山冰帽及周边各类冰蚀地貌Fig.4 Qinshan ice cap and surrounding glacial erosion landforma.羊背石状山脊迎冰面，流线构造在迎冰面出现分叉现象；b.羊背石状山脊侧面特征，可见迎冰面平缓，背冰面陡峭，并出现叠石现象；c.未经冰盖夷平的山脊，发育刃脊与冰石河；d.阿斯哈图经历了冰盖夷平后遗留的残弧(红色箭头表示冰流方向)

1.5 海拔高程对冰帽区地貌特征的影响

冰盖是气候控制下的产物，其分布受海拔控制，即温度的控制。青山冰帽基本分布在海拔1 500 m以上区域，表明了冰期时冰盖的最大覆盖范围。青山冰帽覆盖范围内的山体由于受到冰盖强大的夷平作用影响而变得平缓光滑，而冰帽周边则显示出尖锐的角峰、刃脊。这些流线构造的冰碛石来源于被夷平的角峰、刃脊，而在角峰、刃脊发育的地区却没有流线构造分布，只是在其沟谷低洼处，存在着片状分布的冰石河(图4c)。图4c近处为海拔1 700 m左右分布的流线构造，其下沟谷对面为海拔1 500 m左右分布的冰斗系统。在冰斗系统内部可以见到有明显的冰石河存在。根据调查，该区域的平顶山(孙洪艳等，2005)、佛爷山等冰斗群均分布于海拔1 500 m以下的范围内，由于没有受到冰盖夷平作用的影响而保存了完整的冰斗地貌。

除了青山冰帽之外，该区域还存在黄岗梁、北大山等冰帽，共同组成兴安冰帽群。阿斯哈图石林位于北大山冰帽之中，冰川作用形成了众多的刃脊、角峰(钱方等，2000；赵志中等，2007)，组成典型的冰斗系统(王照波等，2018a，2018b)，现存的阿斯哈图石林则是北大山冰帽对于前期冰斗系统夷平作用后遗留的三角脊与残弧(图4d)。同时，在黄岗梁、阿斯哈图石林周边也分布着大量的冰盖流线构造。

2 讨论

2.1 关于流线构造的成因

流水、崩塌，有时也可以在山坡或山谷局部地方形成一定的砾石堆积。如流水形成的砾石堆积体沿着河谷分布，其动力来自于流水。崩塌形成的砾石堆积体，也只能限于散落在岩石陡壁之下，具有明确的崩塌物源，其动力为坡面重力。因其分布局限，形单影只，也没有人将其称为流线构造。而大兴安岭这些广布于山脊、山坡上的流线构造，其分叉(图3a)、汇合(图3b)、终碛条带(图3e、f)、基岩阻塞体(图4a、b)，无论在特征还是形成机理上，都展示了与国外冰盖流线构造研究成果(图1a)的一致性。单就流线构造砾石垄的特征来讲，也显示出明显的a轴顺流线方向(图3c)、片石叠压(图3d)等特征，也非滚落动力下的砾石堆积特征。此外，流线构造的分布严格受到海拔1 500 m的控制，低于该海拔则不存在。高程控制的本质是温度控制，表明动力来源与低温有关，分两种情况，受温度控制的山谷堆积则为冰川作用，受温度控制的山坡堆积则为冰盖作用。种种迹象表明，这些流线构造为冰帽所为，可以排除崩塌、流水作用的可能。

2.2 兴安冰帽群的形成时间

目前尚未有关于兴安冰帽群发生时间的测年研究。野外调查时发现组成流线构造的冰碛石砾石棱角分明，表面风化极其轻微，且局部可见灰黑色亚黏土覆盖其上。据杨思忠等(2010)对大兴安岭伊图里河附近地层的测年研究，大兴安岭地区此层灰黑色亚黏土的形成时间为(5 557±38) a。由此大致得出冰帽群属于全新世，其后形成的黏土层经历了全新世大暖期的改造而呈现灰黑色。结合山东蒙山全新世的冰期研究，综合分析青山冰帽的形成时间初步推测为距今8.2 ka左右的拦马冰期(王照波等，2017a，2017b，2017c，2018c,2019a,2019b,2019c；Wang et al.,2020)。在乃林沟山谷中，调查发现冰帽之下存在多期次的冰碛堆积，冰碛巨石的表面保存有良好的冰川擦痕，表明在大兴安岭地区曾经发育了较为完整的第四纪冰川作用。对于兴安冰帽群的形成的具体时间，还需要采用多种测年手段来约束。

3 结论

大兴安岭腹地青山一带流线构造的存在，明确指示了青山冰帽的存在，这些众多的冰帽共同构成了兴安冰帽群。终碛条带的发现，指示了冰帽发生时的边缘位置，流线构造与终碛条带显示了冰帽的分布范围及面积。

根据流线构造冰碛砾石的风化程度，结合大兴安岭第四纪沉积地层的测年数据，初步认为兴安冰帽群的发生时间可能为全新世的拦马冰期(8.2 ka)，但尚需进一步的测年研究。

致谢：本项研究得到了中国石油大学吕洪波教授、南京师范大学黄家柱教授、中科院海洋研究所赵松龄教授、南京大学杨达源教授、国家海洋局徐兴永研究员、中国地质科学院地质力学所钱方教授、中国科学院南京湖泊研究所于革教授、中国地质科学院地质研究所苏德辰研究员的帮助与支持，在此表示深切的谢意！