山东中部典型冰川岩溶的发现及气候意义

王照波，白伟明，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，山东省金属矿产成矿地质过程与资源利用重点实验室，济南 250013

2.沂蒙山国家地质公园管理局，临沂 273304

3.山东指南针矿产勘查有限公司，临沂 276006

4.青岛海洋地质研究所，青岛 266071

5.青岛海洋地质工程勘察院，青岛 266071

近年来国外学者对冰川岩溶进行了全面而深入的研究，并取得了丰硕的成果[1-4]。国内相关研究与报道极为稀少，目前只有赵松龄和徐兴永[5]首次提出了中国东部多地广布的灰岩剥蚀面属于冰川岩溶的观点，并在专著中附录了大量冰川岩溶图片，虽未做更深入的研究，但对于推动中国第四纪研究领域关注“冰川岩溶”这一现象起到积极的促进作用。山东丘陵地区石灰岩广泛分布，但对于由石灰岩组成的崮、长垣等地貌的成因，以往研究者多从岩溶、风化的角度去考虑，均未涉及冰川岩溶的内容[6-14]。

研究中国东部中低山区的冰川岩溶问题，这首先涉及到中国东部中低山区是否发育第四纪冰川问题。李四光先生于1922年[15]、1933年[16]发现了太行山东麓、江西庐山的冰川遗迹，开创了中国第四纪冰川研究的先河[17]。此后研究逐渐展开，王曰伦和贾兰坡先生从地貌演化角度论证了中国东部冰川的存在[18-19]，杨怀仁等[20]与杨达源[21]从气候演化角度认为中国东部存在第四纪冰川，同时也有研究者对东部冰川提出质疑[22-25]。山东第四纪冰川研究开始于1959年，德国学者A.舒勒（A.Schuller）对泰山进行了研究[26]，作者将在泰山后石坞发现众多冰川遗迹与德国中部冰川遗迹进行对比分析得出结论：“泰山的冰川遗迹与德国中部山区相同，是由风化程度高的滚圆物质所组成，被细粒的胶结物胶结地很厚很结实，这种冰碛是很典型的，而且很容易辨别。”“华中与华东第四纪冰川规模很大，这是没有问题的。” 此后，张建伟等[27-28]对泰山南坡冰碛层中的石英砂进行扫描电镜观察并确认属于冰川成因。2003年李乃胜等[29]对崂山冰川遗迹进行了研究，初步建立了鲍鱼岛冰期、前风庵冰期、流清河冰期和束住岭冰期。徐兴永等[30-33]对中国东部地区的冰川遗迹进行研究，认为在第四纪冰期时东部海拔高于 300 m 的山地都有可能出现规模不等的山地冰川。李培英等[34]对崂山冰碛进行了大量的测年研究，获得了MIS6、MIS4、MIS3b诸阶段的冰期年龄数值。赵松龄[35]在调查总结中国东部大量古冰川遗迹的同时，提出了第四纪冰期“北路寒潮”是中国东部冰川形成的气候冷源路径的重要认识。

近年，王照波等[36-42]的研究表明，山东蒙山曾广泛发育冰川作用，根据光释光与宇生核素测年数据，确认蒙山存在全新世冰川遗迹。王照波等[43-44]最近的地貌研究发现，蒙阴岱崮一带的冰蚀三角脊链与喜马拉雅山区的形态一致，确认岱崮地貌属于冰蚀地貌，并根据龙纹状三角脊链的特征、冰斗边界定律，确认山东丘陵为冰盖冰蚀地貌，其狭长的长垣状灰岩山脊为冰盖侵蚀残留[45]。野外调查过程中发现了典型的冰川岩溶——河曲状冰水冲蚀槽。本文即是对新发现的冰川岩溶进行的详细解析，以期引起相关研究领域的重视。山东灰岩丘陵区的岩溶过程复杂，既有非冰川岩溶，又伴生了冰川岩溶的过程，对典型冰川岩溶进行详细研究，也有利于理解中国东部冰川的演化过程。

1 欧洲冰川岩溶研究概况

由于欧洲大陆更新世斯堪的纳维亚冰盖广泛覆盖在石灰岩上，形成了丰富的冰川岩溶遗迹，这为冰川岩溶的研究提供了丰富的先决条件。1880年始，戴维斯开始研究英国著名的诺博尔（Norber）地区的冰川岩溶[4]。1917年，有“岩溶之父”之称的约万·克维吉奇（Jovan Cvijić）研究了巴尔干山脉的冰川岩溶，并创造使用了“karstic glaciers”（冰川岩溶）一词[46]。在冰川岩溶方面，目前已经形成了丰富的研究资料及完善的理论体系，2018年Dmitry和Jaroslav出版了《Glaciokarsts》，就冰川岩溶的类型、特征、形成环境、形成机理进行了全面的总结。图1a为托特斯山脉伦高湖（Lahngang Lake）一带的冰川岩溶槽，由于岩溶作用的影响，沟槽与隔壁变得浑圆[47]。图1b为特拉格山峰（Tragl peak）下山谷中直立在岩壁上的冰川岩溶槽，为冰川融水顺岩壁向下流动形成[48]，在近似倾角的平整灰岩面上可以形成这些类似特征的溶蚀谷群[4]。图1c为灰岩面上典型冰水成因河曲状岩溶槽，属于具有较快流速[49]与连续稳定流量的冰川融水长期作用下的冰川岩溶[4]，具有明显的凹岸、凸岸，其长期冲蚀在凹岸上部形成悬壁[50]。尽管中国东部山区石灰岩广布，岩溶也广泛发育，像图1a与图1b类似特征的岩溶地貌，野外也多有分布，在欧洲研究中尚可作为冰川岩溶对待，但在山东灰岩丘陵区作为冰川岩溶对待必将引起争议。这就需要寻找如图1c类型的微型河曲状冰水冲蚀槽，对于确定冰川岩溶作用的存在，理解冰水侵蚀的过程，都具有重要意义。图1d是在费县小泉庄灰岩面上发现的微型河曲状冲蚀槽（俯视图），该冲蚀槽的凹岸、凸岸，以及凹岸中发育的悬壁都极为典型，此微型河曲状岩溶槽及其源头冰臼的演化过程即本文研究的重点对象。

2 小泉庄动态冰川岩溶的特征

野外调查过程中，在费县县城西10 km处的小泉庄村与殷庄之间发现典型冰川岩溶（图2a），周边地势平缓，无陡峻山体分布，可以确定与山谷冰川无关。小泉庄村与殷庄之间并无规模河流，仅朱田小河从东面流过。冰川岩溶分布在宽阔平缓的干谷北岸，干谷无常年性流水，北部为一片灰岩出露区（图2b），与河流相去甚远，与其没有关联性。根据周边被黄土覆盖的情况分析，该冰川岩溶曾被厚层黄土覆盖，后期水土流失使灰岩面露出地面。

冰川岩溶分布区的干谷长1 km左右，谷底平缓，宽110 m，周围主要出露寒武纪白云岩与灰岩地层，出露标高为138 m（图2a）。河曲状岩溶槽位于一处长2 m、宽0.8 m的灰岩原始风化槽沟中（图2b），虽然面积不足2 m2，但由清晰的注水坑穴（图3a、b、c、d）与河曲状岩溶槽组成一套完整的冰川岩溶体系（图3a）。整个体系可以分为A、B、C 三个段（图3a），下面按照自下而上的顺序分析各段的特征。

A段（图3a、4a）：位于系统最下游，为上游各冰水通道的共同流经段，剖面呈规则的U型，上口宽5 cm左右。其原本为Ⅰ号冰臼第1注水中心流水沿着原来的V型槽的基础上首先开拓形成的河曲状沟槽，并被后期历次冰水通道所继承，由于受到多期次冰水侵蚀，该段形成了典型的河曲状沟槽特征，沟槽中凹岸、凸岸与悬壁特征极为明显（图1d、4a），这与阿尔卑斯山区冰水成因的河曲状岩溶槽特征极为一致（图4b）。能在狭小的坚硬灰岩面上侵蚀出河曲状沟谷，水流应具有一定的流速，并持续时间较长，短暂而缓慢的流水只能沿着原来槽底地势顺势而流，而不能在岩石槽谷中侵蚀出弯曲的河曲，这与Dubljanszkij研究冰水岩溶河曲成因的结论一致[49]。

图2 典型冰川岩溶发现位置及出露情况a.冰川岩溶出露位置，图中红虚线为流域范围；b.河曲状岩溶槽周围环境特征（镜头向西），左侧为平缓干谷，图中黑虚线为河曲状岩溶槽分布位置。Fig.2 Location of typical glaciokarst and outcrops

图3 小泉庄冰川岩溶冰臼、沟槽系统图a.冰川岩溶系统（图例说明：1-通道源头，注水坑穴位置；2-冰臼分布位置及编号；3-第1条冰水通道及编号，箭头示下游方向；4-第2条冰水通道及编号；5-第3条冰水通道及编号；6-第4条冰水通道及编号；7-第5条冰水通道及编号；8-第6条冰水通道及编号；9-多条冰水通道之间残余隔墙；10-流域边界）；b.Ⅰ号冰臼剖面；c.Ⅱ号冰臼剖面；d.Ⅲ号冰臼剖面。Fig.3 Glaciokarst system of potholes and grooves in Xiaoquanzhuang

B段（图3a、5a）：该段包含Ⅰ号冰臼与Ⅱ号冰臼，由3个注水中心与对应的3条冰水通道组成。Ⅰ号冰臼的第1注水中心形成第1条冰水通道（图3a、5a蓝线），由于注水中心的微量位移形成第2注水中心，位移量仅5 cm，同时紧靠第1条冰水通道的右侧开辟了第2条冰水通道（图3a、5a绿线），第2条冰水通道侵蚀出一弧形凹岸后，沿袭并汇入前期第1条冰水遗留的通道。在两条冰水通道之间形成残留的弧形凸起（图5a蓝线与绿线之间）。此后，注水中心发生了较大距离的位移，位移量为32 cm，形成系统内第3个注水中心，第3注水中心维持时间较长，形成了20 cm深度的Ⅱ号冰臼（图3c）。第3注水中心形成第3条冰水通道（图3a、5a红线），由于在第3处凹岸的位置与第2条冰水通道遗留的第1处凹岸侵蚀方向相反，遂在第1条冰水通道的右岸开辟了一条新冰水通道，两条通道之间形成残留的鱼背鳍状凸起（图5a红线与蓝线之间）。根据冰水通道的侵蚀情况，以及第3条冰水通道低于第1、2条冰水通道槽底，可以判断第3条冰水通道的形成时间晚于第1、2条冰水通道。

C段（图3a、5b）：该段起始于Ⅲ号冰臼，结束于Ⅱ号冰臼，包含由于注水中心3次位移开拓的3条冰水通道。注水点由Ⅱ号冰臼位移到Ⅲ号冰臼，位移量35 cm，形成系统内第4个注水中心，开辟了新的冰水通道，即第4条冰水通道（图3a粉红线、5b蓝线），流经Ⅱ号冰臼后汇入第3冰水通道。此后注水中心微量位移形成系统内第5个注水中心，在第4冰水通道右侧开辟第5冰水通道（图3a绿点线、5b绿线），在第4条冰水通道的右侧，在第2个凹岸位置切割第4条冰水通道（图5b蓝线）形成新的通道，汇入Ⅱ号冰臼，在第5条冰水通道与第4条冰水通道之间形成菱形凸起。此后注水中心再次微量位移后形成系统内第6处注水中心，在第5冰水通道右侧开辟了第6冰水通道（图5b红线），并在第5冰水通道的第三凹岸处沿袭第5冰水通道进入Ⅱ号冰臼，沿袭下游已有通道流出冰川岩溶系统。第6冰水通道与第5冰水通道之间也残留形成了菱形凸起。

图4 小泉庄冰川岩溶系统A段特征与阿尔卑斯山冰水侵蚀河曲状沟槽a.小泉庄村冰水侵蚀河曲状岩溶槽（笔尾端指示下游方向），b.阿尔卑斯山冰水侵蚀河曲状岩溶槽。Fig.4 Characteristics of section A of the glaciokarst system in Xiaoquanzhuang and the meandering channel eroded by melt ice water in Alps

3 讨论

3.1 灰岩中河曲状冲蚀槽的成因

自然界中，蜿蜒曲折的河床称为河曲[51]。河曲现象存在于山间基岩中古老的河流或松散堆积体中的小型水系中，河曲现象的突出特征是形成明显的凹岸与凸岸。小泉庄灰岩面上发育的河曲状冲蚀槽具备河曲的典型特征，尽管规模小，分布在不足2 m2的灰岩面上，但显然也属于流水作用的产物。目前国内尚未开展就灰岩中的微型河曲现象进行相关研究，前文就英国及阿尔卑斯山区的冰川岩溶做了详细的介绍，要在灰岩中通过流水形成河曲，其水流必然具备3个条件：较快的流速、稳定的流量与持久的时间。河曲状冲蚀槽内水流存在爬坡现象，也佐证了水流具有较高的流速。这些特征是短暂性的降雨或洪水分散流所不具备的，只有作为冰川岩溶的冰盖融水可以满足较高的流速、稳定的流量、持久的时间等条件，由此分析小泉庄河曲状冲蚀槽的形成属于冰水冲蚀的产物。

3.2 冰臼的成因分析

冰臼，在国内学术界争议颇大[52-56]，由于岩石表面多有壶穴分布，如山脊壶穴、河道壶穴等，其成因本身就具有多样性，如风化成因、流水成因、风沙成因等，而作为流水成因壶穴中，又分为河流流水成因的壶穴与冰水成因的冰臼。

本次调查发现的河曲岩状冲蚀槽的源头分布有3个独立的壶穴，壶穴与河曲状冲蚀槽之间供源关系清晰可辨。由于河曲状冲蚀槽为稳定束状流长期作用的结果，作为冲蚀槽源头的壶穴则为稳定束状流的注水点，因此可以排除风化作用的成因。根据岩溶槽的分布、动态叠加与供源关系，以及冲蚀槽显示出的动态位移特征，且位移表现出快慢的节奏性特征，冰水注水点可分为稳定期与位移期，稳定期包含微量位移，代表一个壶穴的形成时间，位移期代表两个壶穴之间的移动时间。根据壶穴的剖面特征，以及在壶穴壁上没有形成旋转痕，分析水流来自近似垂直的上方稳定束状流，而非短期的降水或洪水等分散流所为，综合分析，发现的小泉庄河曲状冲蚀槽源头的壶穴为冰水成因的冰臼。

3.3 冰川岩溶的气候意义

综合上述分析，只有冰盖融水可以满足较高的流速、稳定流量的束状流与持续的时间三项条件。冰盖的融化可以提供长期且稳定流量的流水，满足水源方向来自壶穴上方，上覆厚冰层为冰融水提供了较快的流速。冰盖中的泄水通道提供了束状流，冰盖泄水通道冰体的融化导致注水点后退移位，季节变化在位移速度上得到反映，冰臼的形成（含内部微量位移）是冬季完成，冰臼与冰臼之间的位移则在夏季完成。

图5 小泉庄冰川岩溶系统B、C段注水中心及冰水通道的位移演化过程a.B段特征；b.C段特征。Fig.5 Water injection centres in sections B and C of the glaciokarst system in Xiaoquanzhuang and displacement of ice water channels

费县小泉庄冰川岩溶的发现，佐证了中国华北低海拔地区曾经存在较为广泛的冰盖覆盖，冰期降温不仅形成山谷冰川，还可形成规模分布的冰盖，这体现了中国东部曾经存在大幅降温的冰期气候，冰期-间冰期循环是中国东部气候的基本特征。

4 结论

（1）山东小泉庄灰岩表面发现的河曲状岩溶槽为冰水冲蚀形成，河曲状岩溶冲蚀槽供水源头的壶穴为冰盖融水下注过程中形成的冰臼，两者均属于冰川岩溶，冰盖融水提供了较快的流速、稳定流量的束状流与持续的时间。

（2）小泉庄冰臼表现出的节奏性位移现象，初步分析为季节变化所致，冰臼形成过程属于低温期（冬季），冰臼与冰臼之间表现出较大位移量的时段应为温暖期（夏季），冰臼位移速度与冰盖中融水对于冰体中泄水通道的消融速度有关。根据小泉庄冰川岩溶冰臼间距存在的慢-快-慢的特征，其对应于低温-温暖-低温过程，分析该冰川岩溶系统的形成大约需要1～2年的时间完成，表现为冰川消退期的产物。

（3）典型冰川岩溶在山东中部丘陵区的发现，为中国冰川岩溶的研究提供了实物遗迹样本，对于更为广泛的其他类型的岩溶冰川遗迹的研究与确认，以及中国东部地貌过程、气候演化等方面的研究都具有重要意义。

致谢：该项研究得到了自然资源部第一海洋研究所徐兴永研究员、中科院海洋研究所赵松龄教授、中国石油大学吕洪波教授、南京师范大学黄家柱教授、南京大学杨达源教授、中国地质科学院地质力学所钱方教授、河南地矿职业学院张先教授的大力支持与帮助，在此表示由衷的谢意！