松遼冰蓋與松遼分水嶺翹板遷移間的動力關系探討

王照波，王江月，李寶杰

(1.自然資源部金礦成礦過程與資源利用重點實驗室，山東省金屬礦產成礦地質過程與資源利用重點實驗室，山東 濟南 250013；2.沂蒙山國家地質公園管理局，山東 臨沂 273304；3.山東指南針礦產勘查有限公司，山東 臨沂 276006；4.曲阜師范大學地理與旅游學院，山東 日照 276800)

0 引言

松遼平原上廣泛分布有醒目的巨型弧形沙壟，關于這些巨型沙壟的成因頗具爭議。如裘善文(1989)[1]、秦小光等(2010)[2]認為是風沙成因，但X. Ke and J.Dale(2004)[3]認為屬于蒙古冰蓋的一部分，是冰川成因。嚴欽尚先生(1951)[4]曾根據大興安嶺與松遼平原冰磧物的分布情況的研究，認為第四次大冰期時(大理冰期)，大興安嶺山區確實存在冰川發生,松遼平原則沒有厚冰層的存在。第三次大冰期時(廬山冰期)，大興安嶺山區與松遼平原共同受到冰的覆蓋而成為大陸冰川。筆者等(2020)[5]對于松遼平原上的巨型沙壟進行遙感影像解譯后，認為屬于冰川成因,并首次提出了“松遼冰蓋”(Songliao Ice Sheet)的概念。

關于冰蓋成因的巨型線理構造的特征及形成機理，目前國內尚沒有人進行相關的介紹與研究，但有較多的國外學者借助北美的勞倫泰德冰蓋與歐洲的斯堪的納維亞冰蓋為基礎進行了較為廣泛與深入的研究[6]。

巨型冰川流線(Mega-Scale -Glacial Lineations，簡稱MSGL)，因廣布于北美勞倫泰德冰蓋與西歐斯堪的納維亞冰蓋而得到深入的研究[7-9]。巨型冰川流線經過進一步的變形后形成的地貌為羅根冰磧(Rogen moraine)地貌，“羅根冰磧”一詞來源于瑞典羅根湖(Rogen Lake)周圍獨特的冰磧地貌(圖1b，62°21′16″N，12°24′06″E)[10]，位置見圖1a。在北美勞倫泰德冰蓋分布區，這些特征的冰蓋地貌通常被稱為棱紋冰磧或棱紋地形(圖1c，53°32′10″N，88°10′51″W)[6]，位置見圖1a。不同期次冰蓋流線的變形機制得到了深入研究，圖1d展示了形變過程，巨型冰川線理形成后，受到不同流動方向冰蓋冰川作用的改造，會發生變形，并最終形成鼓丘群[11]。上述研究成果對于冰川流線地貌的確認、演化過程的分析具有重要的參考意義。

a—研究區位置，圖中黃色區域示陸地分布范圍、深藍色區域示海洋分布范圍、淺藍色區域示冰蓋冰川分布范圍、紅色虛線示冷槽分布范圍；b—瑞典羅根湖周圍的冰川流線構造[10]；c—加拿大勞倫泰德冰蓋的巨型冰川線理[6]；d—巨型冰川線理的形變過程，圖中：Ⅰ—初始的巨型冰川線理；Ⅱ，Ⅲ—弱變形的羅根冰磧；Ⅳ—強變形的羅根冰磧；Ⅴ—鼓丘群[11]圖1 研究區位置、巨型冰川流線構造的特征及形變機理

冰蓋，又稱大陸冰川，一般是指大面積的覆蓋有巨厚的冰層的陸地區域[12]。就我國北方是否存在冰蓋問題，李邦良等(1999)[13]根據衛星圖像、赤峰一帶的冰臼分布、大興安嶺兩側的冰蝕地貌等，認為內蒙古東部存在大陸冰川。呂洪波等(2006)[14]根據赤峰等地的巖臼、冰蝕地貌的特征論述了我國東部存在大陸冰川，并認為“華北東部地區曾發育過第四紀大陸冰川，其范圍可達山東的泰山以南。”X.Ke.等(2004)[3]通過眾多的地貌調查與研究，提出了“蒙古冰蓋”的概念，并將松遼盆地巨型弧形沙壟與北美冰蓋沙壟進行了特征對比分析，認為屬于蒙古冰蓋的一部分，為冰蓋冰流成因，但并未就其形成機理進行分析與討論。筆者等基于山東蒙山第四紀冰川遺跡與雪線的研究[15-18]，提出并建立了“東亞冷槽”的概念(圖1a)[19]，由于東亞冷槽低溫區的存在，導致我國及東亞地區形成了槽狀的雪線低洼區，也即“東亞雪槽”。根據東亞雪槽中雪線的展布與地勢特征，筆者等提出在沈陽以北的區域存在冰蓋分布的可能[19-20]。近期，筆者等對松遼平原東側長白山區，西側的大興安嶺山區的冰川遺跡進行的研究顯示，存在“興安冰帽群”及各類多期次的冰川遺跡[5，21-22]。

該文以巨型冰川流線構造的特征與形變機理為基礎[6-10]，對分布于松遼平原的巨型弧形沙壟的分布特征、形變機理、軟基形變、荷載構造、地形升降等進行分析，以期獲得松遼平原巨型弧形沙壟的成因認識。

1—冰蓋范圍；2—巨型冰川線理構造；3—圖3c位置；4—圖3a位置；5—圖3e位置；6—圖4a位置；7—圖4b位置；8—圖4c位置；9—現在松遼分水嶺位置；10—古分水嶺位置圖2 松遼冰蓋線理構造展布特征及分布范圍

1 松遼平原巨型沙壟的特征

松遼平原中的巨型沙壟分布在大興安嶺東側，南北近500km，東西寬300km的范圍內。這些流線構造尤以科爾沁沙地最為顯著，在衛片中反映的非常清晰(圖2)。沙壟呈條帶狀，近平行排列，顯示出弧形展布的特征。壟脊寬度2000～5000m，溝谷寬度500～1000m，高差5～20m，沙壟主要由松散的中細砂組成，有時可見直徑2～20cm不等的礫石。在溝谷低洼區積水形成湖泡，沙壟與湖泡相間分布，構成典型流線地貌。巨大的沙壟呈現出顯著的弧形特征(圖2)，弧形跨過松遼分水嶺，向哈爾濱方向聚攏，流線展布不受分水嶺地勢的影響。

研究選取了松遼平原中3處流線構造進行詳細解讀(圖3)。圖3a(解譯圖為3b，圖2②處)位于通榆縣城南西40km左右，海拔155～168m，沙壟呈SE(130°)方向展布，沙壟寬大平直，寬度可達5km，僅顯示一組主流線構造，沙壟上分布有后期風沙作用形成的波紋狀沙丘鏈，展布方向為90°左右，對130°展布的主流線構造未產生明顯影響。該處流線構造位于大興安嶺山麓地帶不遠，并與大興安嶺山谷內的流線構造具有延續性特征，由于距離冰蓋補給源區較近，顯示出規則的特征。圖3c(解譯圖為3d，圖2①處)位于通遼市南東50km處，海拔180～192m，該處沙壟由于處于弧形轉彎的位置而呈NEE向。沙壟表現為2組流線方向，其主流線方向為80°左右，次流線方向為25°左右，主流線上顯示出斜列的鋸齒狀特征，其斜列構成了次流線。沙壟上局部展現出活動沙丘，沙丘鏈的展布方向在70°左右，沙丘只是改造了巨型沙壟的表面特征，對規模宏大的流線構造不產生實質性的改變。該處流線構造顯示出一定的羅根冰磧特征，根據羅根冰磧的形變機理理論分析，由于該處流線構造已經遠離了冰蓋補給區，且由于受到地勢的影響已經向北轉彎，其上的次級流線構造應與冰蓋冰川的NE向滑移有關。圖3e(解譯圖為3f，圖2③處)位于松原市南西60km處，海拔135～148m，該處突出的特征表現為星羅棋布的湖泡，通過圖3f可見，湖泡分布呈現出2個明顯的優勢方向，東側一組呈NNE向(26°)，西側一組呈NWW向(290°)，這些積水而成的湖泡，實則反應了沙壟的展布情況，為2組沙壟交匯后共同制約而成。該處流線構造距離冰蓋供給源區最遠，且由于多向交匯，其流線構造的特征則衰減的極為模糊。

通過上述可見，這些巨型流線構造伴隨著與冰蓋供給源區距離的遠近而顯示出不同的特征，而風沙作用只是在巨型沙壟的表面形成沙丘鏈，不能改變流線構造的本質，且展布方向與流線構造不相一致，由此初步分析這些巨型流線構造并非風沙成因。

a—巨型流線構造；b—a對應解譯圖；c—羅根冰磧地貌，d—c對應解譯圖；e—湖泡地貌，f—e對應解譯圖圖3 松遼平原上的巨型流線構造及解譯特征

2 討論

關于這些巨型沙壟的成因，一直是有爭議的問題。裘善文(1989)[1]認為是冰期氣候下強大的反氣旋風作用下，強大的風沙流與塵暴堆積而成。秦小光等(2010)[2]在排除了水成的可能性后，也認為這些巨型沙壟為風力作用所為。X. Ke與J.Dale(2004)[3]通過與北美壟泡(巨型冰川流線)地貌進行對比，發現具有特征上的一致性，提出冰蓋成因的解釋，但并未就這些巨型流線構造的特征進行詳細的分析。

2.1 流線構造的延伸與地勢的控制作用

冰蓋的運移方向受地勢高低的控制，因此流線會表現出受地勢控制的特征。松遼平原的巨型流線構造在大興安嶺東側山麓地帶表現為NW向，是受大興安嶺東坡山谷多為NW走向所致，此后漸漸轉向為NE向，形成巨大的弧形。松遼平原西側大興安嶺山區發育豐富的冰川遺跡[4-5，13-14，23-29]，其山谷冰川作用是松遼冰蓋冰川的物質供源區，巨型冰川流線都表現出向盆地的出口處，也即哈爾濱一帶匯聚的特征。巨型流線構造從大興安嶺的山麓一帶向下，其特征逐漸復雜，在盆地的沉降中心——查干湖一帶，局部表現為2個方向的冰流交匯的特征，這些都展示了地勢對于巨型流線構造的控制作用。

2.2 松遼分水嶺的南北遷移與冰蓋消融導致的陸地失壓反彈間的關系

冰蓋流線構造的延伸受地勢控制，因此松遼分水嶺南側的流線構造應該順地勢，與現代遼河一樣向南流向渤海，但實際上流線構造卻反常的表現出向北越過分水嶺，與其他的流線構造一致向哈爾濱方向匯聚(圖2)。王慶(1994)[30]在現代松遼分水嶺的南側發現了由南向北的古河道，因此提出晚更新世晚期曾存在松遼分水嶺向北遷移的認識(圖2)。根據巨型流線構造并沒有受到分水嶺控制的特征，表明流線構造形成于分水嶺的北遷之前。又由于分水嶺南側流線構造沒有受到北側松花江水系的侵蝕特征，顯示流線構造形成之后即發生了分水嶺北遷事件。關于松遼分水嶺北遷的動力學原因，筆者認為與冰蓋消融導致的盆地失壓反彈有關，冰期時冰蓋產生的巨大壓力導致松嫩盆地下沉，促使松遼分水嶺南遷，進而致使遼河冰流流向北方。間冰期冰蓋消融使松嫩盆地失壓反彈產生隆升，導致分水嶺北遷，使遼河水流流向南部渤海。由于松遼平原近似蹺蹺板的升降機制導致的分水嶺南北擺動遷移，可能在冰期-間冰期的循環下存在多次的往復。關于冰蓋消融導致的陸地失壓反彈隆升，目前國外學界進行了較多的探索研究[31-33]，國內尚未有相關研究。

2.3 軟基墊面的變形與冰蓋壓力

冰蓋具有數十米，乃至數百米厚的冰層，冰層的巨大壓力勢必導致底墊面的軟基沉積層發生形變，形成荷載構造[6]。裴文中(1956)[34]最早發現報道了松遼平原發育的荷載構造，詳細描述扎賚諾爾煤礦11號井附近的荷載構造，其下伏沙層受壓變形呈袋狀，袋內為圓滑的礫石，其與Douglas I. Benn[6]所展示的荷載構造特征一致。孫建中[35]對松遼平原的荷載構造進了調查與總結，重點介紹了榆樹東崗、白城平安鎮(圖4a，圖2④處)、白城五戶、哈爾濱荒山(圖4b，圖2⑤處)、前郭噶扎布、前郭縣王府等地的荷載構造。孫建中[35]提出這些荷載構造屬于冰緣構造，認為“難以用‘荷載變形’來解釋的，因為它們上面并無很厚的沉積物覆蓋。”現在看來，這個上面“很厚的沉積物覆蓋”，應該就是已經融化消失的“松遼冰蓋”。

a—白城平安鎮平臺組中呈囊狀的紅色沙礫[29]；b—哈爾濱荒山一帶的荷載構造[29]；c—響水河兩岸的巨型流線構造，圖中①為4d位置；d—響水河東岸砂層中的褶皺構造圖4 松遼平原巨型流線下的沙層中荷載構造與褶皺構造

此外，筆者考察了翁牛特旗響水河一帶的巨型流線構造(圖4c，圖2⑥處)，該處巨型流線構造位于松遼冰蓋的南部，流線構造垂直穿過響水河河谷并穩定延伸，顯示出河谷對流線構造的形成并未起到影響作用。河谷兩側由中細砂組成，局部含有礫石，東岸的沙壁上，發現沙層中存在寬緩的褶皺(圖4d，圖4c①處)，褶皺軸線走向與巨型流線構造的延伸方向一致，流線構造的溝谷(圖4c中的黑色條帶)與砂層褶皺的向斜位置相對應，這顯示出沙層褶皺與表層流線構造存在承生關系。

2.4 松遼冰蓋的形成時間

關于松遼冰蓋的形成時間，根據巨型冰川流線構造與松遼分水嶺位置的變遷之間的時間關系[30]，可以初步推斷松遼冰蓋最后一次發生時間為晚更新世晚期之前，也即蒙山冰期(MIS2)之前發生。冰蓋發育時間應在變形砂層的沉積之后，孫建中(1981)[35]在發生變形的東崗組上界地層沉積物中獲得熱釋光年齡為140.00±0.715ka，東崗組的荷載變形必然在其沉積之后，其后最近的冰期為晚更新世早期的MIS4階段，由此可以初步推斷最新一期冰蓋發生在7.5萬年左右的東山冰期。

3 結論

經過調查研究與綜合分析，可以得到以下幾項新的認識：

(1)松遼平原上分布的巨型沙壟為冰蓋作用遺跡，與典型冰蓋成因的巨型冰川流線構造具有特征上的一致性。流線構造中巨大弧形是由于冰蓋移動時受地勢控制所致。松遼平原軟基砂層中發育的大量“冰滑構造”“冰卷泥”等構造，是冰蓋重壓作用下形成的荷載構造。

(2)松遼冰蓋的最后一次發生的時間為東山冰期(MIS4)。松遼冰蓋形成時發生松遼分水嶺南遷，使遼河冰流北流。冰蓋消融后發生分水嶺北遷，使遼河水流南流。導致松遼分水嶺南北遷移的原因，認為與松遼冰蓋消融導致的失壓反彈隆升有關。

(3)松遼冰蓋的存在是由于東亞冷槽的寒潮致冷所致，是東亞雪槽的體現。同時，在冰期冷暖氣候的交鋒疊加帶上，也即東亞雪槽的西壁地區，還形成了渾善達克冰蓋、毛烏素冰蓋與騰格里冰蓋，這些冰蓋同樣具有大規模的巨型冰川流線構造。相比于西部青藏高原因高海拔致冷冰川而言，東亞冷槽的存在對于我國第四紀環境演化的影響力更大，也更加深遠。

致謝：該項研究得到了中國地質科學院地質研究所蘇德辰研究員、中國石油大學呂洪波教授、中國科學院南京湖泊研究所于革教授、南京師范大學黃家柱教授、中科院海洋研究所趙松齡教授、南京大學楊達源教授、自然資源部第一海洋研究所徐興永研究員、中國地質科學院地質力學所錢方教授的幫助與支持，在此表示深切的謝意！