山東中部典型冰川巖溶的發現及氣候意義

王照波，白偉明，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，濟南 250013

2.沂蒙山國家地質公園管理局，臨沂 273304

3.山東指南針礦產勘查有限公司，臨沂 276006

4.青島海洋地質研究所，青島 266071

5.青島海洋地質工程勘察院，青島 266071

近年來國外學者對冰川巖溶進行了全面而深入的研究，并取得了豐碩的成果[1-4]。國內相關研究與報道極為稀少，目前只有趙松齡和徐興永[5]首次提出了中國東部多地廣布的灰巖剝蝕面屬于冰川巖溶的觀點，并在專著中附錄了大量冰川巖溶圖片，雖未做更深入的研究，但對于推動中國第四紀研究領域關注“冰川巖溶”這一現象起到積極的促進作用。山東丘陵地區石灰巖廣泛分布，但對于由石灰巖組成的崮、長垣等地貌的成因，以往研究者多從巖溶、風化的角度去考慮，均未涉及冰川巖溶的內容[6-14]。

研究中國東部中低山區的冰川巖溶問題，這首先涉及到中國東部中低山區是否發育第四紀冰川問題。李四光先生于1922年[15]、1933年[16]發現了太行山東麓、江西廬山的冰川遺跡，開創了中國第四紀冰川研究的先河[17]。此后研究逐漸展開，王曰倫和賈蘭坡先生從地貌演化角度論證了中國東部冰川的存在[18-19]，楊懷仁等[20]與楊達源[21]從氣候演化角度認為中國東部存在第四紀冰川，同時也有研究者對東部冰川提出質疑[22-25]。山東第四紀冰川研究開始于1959年，德國學者A.舒勒（A.Schuller）對泰山進行了研究[26]，作者將在泰山后石塢發現眾多冰川遺跡與德國中部冰川遺跡進行對比分析得出結論：“泰山的冰川遺跡與德國中部山區相同，是由風化程度高的滾圓物質所組成，被細粒的膠結物膠結地很厚很結實，這種冰磧是很典型的，而且很容易辨別。”“華中與華東第四紀冰川規模很大，這是沒有問題的。” 此后，張建偉等[27-28]對泰山南坡冰磧層中的石英砂進行掃描電鏡觀察并確認屬于冰川成因。2003年李乃勝等[29]對嶗山冰川遺跡進行了研究，初步建立了鮑魚島冰期、前風庵冰期、流清河冰期和束住嶺冰期。徐興永等[30-33]對中國東部地區的冰川遺跡進行研究，認為在第四紀冰期時東部海拔高于 300 m 的山地都有可能出現規模不等的山地冰川。李培英等[34]對嶗山冰磧進行了大量的測年研究，獲得了MIS6、MIS4、MIS3b諸階段的冰期年齡數值。趙松齡[35]在調查總結中國東部大量古冰川遺跡的同時，提出了第四紀冰期“北路寒潮”是中國東部冰川形成的氣候冷源路徑的重要認識。

近年，王照波等[36-42]的研究表明，山東蒙山曾廣泛發育冰川作用，根據光釋光與宇生核素測年數據，確認蒙山存在全新世冰川遺跡。王照波等[43-44]最近的地貌研究發現，蒙陰岱崮一帶的冰蝕三角脊鏈與喜馬拉雅山區的形態一致，確認岱崮地貌屬于冰蝕地貌，并根據龍紋狀三角脊鏈的特征、冰斗邊界定律，確認山東丘陵為冰蓋冰蝕地貌，其狹長的長垣狀灰巖山脊為冰蓋侵蝕殘留[45]。野外調查過程中發現了典型的冰川巖溶——河曲狀冰水沖蝕槽。本文即是對新發現的冰川巖溶進行的詳細解析，以期引起相關研究領域的重視。山東灰巖丘陵區的巖溶過程復雜，既有非冰川巖溶，又伴生了冰川巖溶的過程，對典型冰川巖溶進行詳細研究，也有利于理解中國東部冰川的演化過程。

1 歐洲冰川巖溶研究概況

由于歐洲大陸更新世斯堪的納維亞冰蓋廣泛覆蓋在石灰巖上，形成了豐富的冰川巖溶遺跡，這為冰川巖溶的研究提供了豐富的先決條件。1880年始，戴維斯開始研究英國著名的諾博爾（Norber）地區的冰川巖溶[4]。1917年，有“巖溶之父”之稱的約萬·克維吉奇（Jovan Cviji?）研究了巴爾干山脈的冰川巖溶，并創造使用了“karstic glaciers”（冰川巖溶）一詞[46]。在冰川巖溶方面，目前已經形成了豐富的研究資料及完善的理論體系，2018年Dmitry和Jaroslav出版了《Glaciokarsts》，就冰川巖溶的類型、特征、形成環境、形成機理進行了全面的總結。圖1a為托特斯山脈倫高湖（Lahngang Lake）一帶的冰川巖溶槽，由于巖溶作用的影響，溝槽與隔壁變得渾圓[47]。圖1b為特拉格山峰（Tragl peak）下山谷中直立在巖壁上的冰川巖溶槽，為冰川融水順巖壁向下流動形成[48]，在近似傾角的平整灰巖面上可以形成這些類似特征的溶蝕谷群[4]。圖1c為灰巖面上典型冰水成因河曲狀巖溶槽，屬于具有較快流速[49]與連續穩定流量的冰川融水長期作用下的冰川巖溶[4]，具有明顯的凹岸、凸岸，其長期沖蝕在凹岸上部形成懸壁[50]。盡管中國東部山區石灰巖廣布，巖溶也廣泛發育，像圖1a與圖1b類似特征的巖溶地貌，野外也多有分布，在歐洲研究中尚可作為冰川巖溶對待，但在山東灰巖丘陵區作為冰川巖溶對待必將引起爭議。這就需要尋找如圖1c類型的微型河曲狀冰水沖蝕槽，對于確定冰川巖溶作用的存在，理解冰水侵蝕的過程，都具有重要意義。圖1d是在費縣小泉莊灰巖面上發現的微型河曲狀沖蝕槽（俯視圖），該沖蝕槽的凹岸、凸岸，以及凹岸中發育的懸壁都極為典型，此微型河曲狀巖溶槽及其源頭冰臼的演化過程即本文研究的重點對象。

2 小泉莊動態冰川巖溶的特征

野外調查過程中，在費縣縣城西10 km處的小泉莊村與殷莊之間發現典型冰川巖溶（圖2a），周邊地勢平緩，無陡峻山體分布，可以確定與山谷冰川無關。小泉莊村與殷莊之間并無規模河流，僅朱田小河從東面流過。冰川巖溶分布在寬闊平緩的干谷北岸，干谷無常年性流水，北部為一片灰巖出露區（圖2b），與河流相去甚遠，與其沒有關聯性。根據周邊被黃土覆蓋的情況分析，該冰川巖溶曾被厚層黃土覆蓋，后期水土流失使灰巖面露出地面。

冰川巖溶分布區的干谷長1 km左右，谷底平緩，寬110 m，周圍主要出露寒武紀白云巖與灰巖地層，出露標高為138 m（圖2a）。河曲狀巖溶槽位于一處長2 m、寬0.8 m的灰巖原始風化槽溝中（圖2b），雖然面積不足2 m2，但由清晰的注水坑穴（圖3a、b、c、d）與河曲狀巖溶槽組成一套完整的冰川巖溶體系（圖3a）。整個體系可以分為A、B、C 三個段（圖3a），下面按照自下而上的順序分析各段的特征。

A段（圖3a、4a）：位于系統最下游，為上游各冰水通道的共同流經段，剖面呈規則的U型，上口寬5 cm左右。其原本為Ⅰ號冰臼第1注水中心流水沿著原來的V型槽的基礎上首先開拓形成的河曲狀溝槽，并被后期歷次冰水通道所繼承，由于受到多期次冰水侵蝕，該段形成了典型的河曲狀溝槽特征，溝槽中凹岸、凸岸與懸壁特征極為明顯（圖1d、4a），這與阿爾卑斯山區冰水成因的河曲狀巖溶槽特征極為一致（圖4b）。能在狹小的堅硬灰巖面上侵蝕出河曲狀溝谷，水流應具有一定的流速，并持續時間較長，短暫而緩慢的流水只能沿著原來槽底地勢順勢而流，而不能在巖石槽谷中侵蝕出彎曲的河曲，這與Dubljanszkij研究冰水巖溶河曲成因的結論一致[49]。

圖2 典型冰川巖溶發現位置及出露情況a.冰川巖溶出露位置，圖中紅虛線為流域范圍；b.河曲狀巖溶槽周圍環境特征（鏡頭向西），左側為平緩干谷，圖中黑虛線為河曲狀巖溶槽分布位置。Fig.2 Location of typical glaciokarst and outcrops

圖3 小泉莊冰川巖溶冰臼、溝槽系統圖a.冰川巖溶系統（圖例說明：1-通道源頭，注水坑穴位置；2-冰臼分布位置及編號；3-第1條冰水通道及編號，箭頭示下游方向；4-第2條冰水通道及編號；5-第3條冰水通道及編號；6-第4條冰水通道及編號；7-第5條冰水通道及編號；8-第6條冰水通道及編號；9-多條冰水通道之間殘余隔墻；10-流域邊界）；b.Ⅰ號冰臼剖面；c.Ⅱ號冰臼剖面；d.Ⅲ號冰臼剖面。Fig.3 Glaciokarst system of potholes and grooves in Xiaoquanzhuang

B段（圖3a、5a）：該段包含Ⅰ號冰臼與Ⅱ號冰臼，由3個注水中心與對應的3條冰水通道組成。Ⅰ號冰臼的第1注水中心形成第1條冰水通道（圖3a、5a藍線），由于注水中心的微量位移形成第2注水中心，位移量僅5 cm，同時緊靠第1條冰水通道的右側開辟了第2條冰水通道（圖3a、5a綠線），第2條冰水通道侵蝕出一弧形凹岸后，沿襲并匯入前期第1條冰水遺留的通道。在兩條冰水通道之間形成殘留的弧形凸起（圖5a藍線與綠線之間）。此后，注水中心發生了較大距離的位移，位移量為32 cm，形成系統內第3個注水中心，第3注水中心維持時間較長，形成了20 cm深度的Ⅱ號冰臼（圖3c）。第3注水中心形成第3條冰水通道（圖3a、5a紅線），由于在第3處凹岸的位置與第2條冰水通道遺留的第1處凹岸侵蝕方向相反，遂在第1條冰水通道的右岸開辟了一條新冰水通道，兩條通道之間形成殘留的魚背鰭狀凸起（圖5a紅線與藍線之間）。根據冰水通道的侵蝕情況，以及第3條冰水通道低于第1、2條冰水通道槽底，可以判斷第3條冰水通道的形成時間晚于第1、2條冰水通道。

C段（圖3a、5b）：該段起始于Ⅲ號冰臼，結束于Ⅱ號冰臼，包含由于注水中心3次位移開拓的3條冰水通道。注水點由Ⅱ號冰臼位移到Ⅲ號冰臼，位移量35 cm，形成系統內第4個注水中心，開辟了新的冰水通道，即第4條冰水通道（圖3a粉紅線、5b藍線），流經Ⅱ號冰臼后匯入第3冰水通道。此后注水中心微量位移形成系統內第5個注水中心，在第4冰水通道右側開辟第5冰水通道（圖3a綠點線、5b綠線），在第4條冰水通道的右側，在第2個凹岸位置切割第4條冰水通道（圖5b藍線）形成新的通道，匯入Ⅱ號冰臼，在第5條冰水通道與第4條冰水通道之間形成菱形凸起。此后注水中心再次微量位移后形成系統內第6處注水中心，在第5冰水通道右側開辟了第6冰水通道（圖5b紅線），并在第5冰水通道的第三凹岸處沿襲第5冰水通道進入Ⅱ號冰臼，沿襲下游已有通道流出冰川巖溶系統。第6冰水通道與第5冰水通道之間也殘留形成了菱形凸起。

圖4 小泉莊冰川巖溶系統A段特征與阿爾卑斯山冰水侵蝕河曲狀溝槽a.小泉莊村冰水侵蝕河曲狀巖溶槽（筆尾端指示下游方向），b.阿爾卑斯山冰水侵蝕河曲狀巖溶槽。Fig.4 Characteristics of section A of the glaciokarst system in Xiaoquanzhuang and the meandering channel eroded by melt ice water in Alps

3 討論

3.1 灰巖中河曲狀沖蝕槽的成因

自然界中，蜿蜒曲折的河床稱為河曲[51]。河曲現象存在于山間基巖中古老的河流或松散堆積體中的小型水系中，河曲現象的突出特征是形成明顯的凹岸與凸岸。小泉莊灰巖面上發育的河曲狀沖蝕槽具備河曲的典型特征，盡管規模小，分布在不足2 m2的灰巖面上，但顯然也屬于流水作用的產物。目前國內尚未開展就灰巖中的微型河曲現象進行相關研究，前文就英國及阿爾卑斯山區的冰川巖溶做了詳細的介紹，要在灰巖中通過流水形成河曲，其水流必然具備3個條件：較快的流速、穩定的流量與持久的時間。河曲狀沖蝕槽內水流存在爬坡現象，也佐證了水流具有較高的流速。這些特征是短暫性的降雨或洪水分散流所不具備的，只有作為冰川巖溶的冰蓋融水可以滿足較高的流速、穩定的流量、持久的時間等條件，由此分析小泉莊河曲狀沖蝕槽的形成屬于冰水沖蝕的產物。

3.2 冰臼的成因分析

冰臼，在國內學術界爭議頗大[52-56]，由于巖石表面多有壺穴分布，如山脊壺穴、河道壺穴等，其成因本身就具有多樣性，如風化成因、流水成因、風沙成因等，而作為流水成因壺穴中，又分為河流流水成因的壺穴與冰水成因的冰臼。

本次調查發現的河曲巖狀沖蝕槽的源頭分布有3個獨立的壺穴，壺穴與河曲狀沖蝕槽之間供源關系清晰可辨。由于河曲狀沖蝕槽為穩定束狀流長期作用的結果，作為沖蝕槽源頭的壺穴則為穩定束狀流的注水點，因此可以排除風化作用的成因。根據巖溶槽的分布、動態疊加與供源關系，以及沖蝕槽顯示出的動態位移特征，且位移表現出快慢的節奏性特征，冰水注水點可分為穩定期與位移期，穩定期包含微量位移，代表一個壺穴的形成時間，位移期代表兩個壺穴之間的移動時間。根據壺穴的剖面特征，以及在壺穴壁上沒有形成旋轉痕，分析水流來自近似垂直的上方穩定束狀流，而非短期的降水或洪水等分散流所為，綜合分析，發現的小泉莊河曲狀沖蝕槽源頭的壺穴為冰水成因的冰臼。

3.3 冰川巖溶的氣候意義

綜合上述分析，只有冰蓋融水可以滿足較高的流速、穩定流量的束狀流與持續的時間三項條件。冰蓋的融化可以提供長期且穩定流量的流水，滿足水源方向來自壺穴上方，上覆厚冰層為冰融水提供了較快的流速。冰蓋中的泄水通道提供了束狀流，冰蓋泄水通道冰體的融化導致注水點后退移位，季節變化在位移速度上得到反映，冰臼的形成（含內部微量位移）是冬季完成，冰臼與冰臼之間的位移則在夏季完成。

圖5 小泉莊冰川巖溶系統B、C段注水中心及冰水通道的位移演化過程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

費縣小泉莊冰川巖溶的發現，佐證了中國華北低海拔地區曾經存在較為廣泛的冰蓋覆蓋，冰期降溫不僅形成山谷冰川，還可形成規模分布的冰蓋，這體現了中國東部曾經存在大幅降溫的冰期氣候，冰期-間冰期循環是中國東部氣候的基本特征。

4 結論

（1）山東小泉莊灰巖表面發現的河曲狀巖溶槽為冰水沖蝕形成，河曲狀巖溶沖蝕槽供水源頭的壺穴為冰蓋融水下注過程中形成的冰臼，兩者均屬于冰川巖溶，冰蓋融水提供了較快的流速、穩定流量的束狀流與持續的時間。

（2）小泉莊冰臼表現出的節奏性位移現象，初步分析為季節變化所致，冰臼形成過程屬于低溫期（冬季），冰臼與冰臼之間表現出較大位移量的時段應為溫暖期（夏季），冰臼位移速度與冰蓋中融水對于冰體中泄水通道的消融速度有關。根據小泉莊冰川巖溶冰臼間距存在的慢-快-慢的特征，其對應于低溫-溫暖-低溫過程，分析該冰川巖溶系統的形成大約需要1～2年的時間完成，表現為冰川消退期的產物。

（3）典型冰川巖溶在山東中部丘陵區的發現，為中國冰川巖溶的研究提供了實物遺跡樣本，對于更為廣泛的其他類型的巖溶冰川遺跡的研究與確認，以及中國東部地貌過程、氣候演化等方面的研究都具有重要意義。

致謝：該項研究得到了自然資源部第一海洋研究所徐興永研究員、中科院海洋研究所趙松齡教授、中國石油大學呂洪波教授、南京師范大學黃家柱教授、南京大學楊達源教授、中國地質科學院地質力學所錢方教授、河南地礦職業學院張先教授的大力支持與幫助，在此表示由衷的謝意！