山東臨朐柳山地區發現早白堊世冰磧礫巖及其意義

張成基

(山東省地礦局老科學技術工作者協會，山東 濟南 250013)

0 引言

礫巖中存在具壓坑礫石、冰川擦痕礫石和馬鞍石是冰磧礫巖的直接標志。

筆者20世紀70年代學習了李四光先生《天文地質古生物》(資料摘要)等有關著作，增加了冰磧礫石發生塑性變形具壓坑、燈盞石、馬鞍石現象(照片1)的知識[1-3]。在管理山東省地礦局區調項目期間，于1990年主持第一地質隊1∶5萬蔣峪、牛沐、鄌郚等3幅區調項目野外驗收，進行地層剖面野外實地檢查時，在臨朐縣柳山鎮東山旺村東南溝早白堊世萊陽群城山后組(區調項目劃歸分水嶺組)底部礫巖中發現了具壓坑和冰川擦痕的礫石。當時，對項目提出建議后，未引起項目人員的重視，該現象未反映在區調報告中。近日，在整理物品時又找到了這些礫石標本，并進一步觀察研究又有新的發現，更確切證實其為冰磧礫巖。為了更準確地確定冰磧礫巖產出的地層層位和特征，于2018年11月下旬，在山東省地質科學研究院地質所張尚坤研究員帶領十余名地質人員協助下，又重返該地區對其進行了野外調查和研究。為引起廣大地質工作者對這一冰磧事件的重視，并在區域上展開進一步研究，將其產出層位、礫石特征及其地質意義作一介紹。

1 產出地層層位

臨朐縣柳山地區出露地層主要為早白堊世地層，有少量新近紀臨朐群和第四紀地層(圖1)。

1∶5萬蔣峪等3幅區調項目將產出冰磧礫巖地層對比劃歸分水嶺組[注]山東省地礦局第一地質隊趙鳳江等1∶5萬蔣峪等3幅區域地質調查報告，1990年。。按照山東省國土資源廳有關地層現行劃分方案經對比劃歸早白堊世萊陽群城山后組，其下角度不整合于淄博群早白堊世三臺組，其上被早白堊世青山群八畝地組角度不整合所覆蓋(圖2)。

1—第四紀地層(未分)；2—新近紀臨朐群堯山組；3—新近紀臨朐群牛山組；4—早白堊世青山群八畝地組；5—早白堊世萊陽群城山后組；6—早白堊世淄博群三臺組；7—新太古代傲徠山序列蔣峪二長花崗巖單元；8—實測與推測斷裂；9—地層產狀；10—具壓坑礫石發現地圖1 山東省臨朐縣柳山鎮地區地質簡圖(據山東省地礦局第一地質隊趙鳳江等1∶5萬鄌郚幅地質圖簡化修改)

圖2 山東省臨朐縣柳山鎮地區早白堊世地層柱狀圖

現將各組地層簡述如下：

1.1 早白堊世淄博群三臺組

該組為一套紅色湖相沉積粉砂巖為主，中下部夾頁巖和含礫砂巖薄層，上部夾泥灰巖透鏡體。該組上部特征為巨大型斜層理的風積砂巖因剝蝕作用而缺失。該組在該區最大殘余厚度為88.84m。該組異巖不整合于新太古代傲徠山序列蔣峪條帶狀細中粒含黑云二長花崗巖單元結晶基底之上。

1.2 早白堊世萊陽群城山后組

該組下部為厚近25m的復成分礫巖，礫石成分以石英巖質為主，有少量安山巖和石灰巖質礫石，個別可見泥巖質和二長花崗巖質礫石，局部夾有含安山質礫石為主的薄層礫巖和含礫粗砂巖透鏡體，其底部角度不整合于三臺組之上(照片2)。具壓坑及其他冰磧礫石特征的礫石即在該層位中發現的，應為冰堆積相底磧沉積產物。

中部及中下部為復成分礫巖與安山凝灰質含礫粗砂巖互層。相當冰流沉積，上部為安山凝灰質含礫粗砂巖，可能相當冰水沉積。

該組巖石中所含大量安山凝灰質物質和安山巖礫石，是巖石沉積時伴隨著大量火山碎屑物質的噴發。亦是將該組對比劃歸城山后組的重要原因。

上部缺失馬連坡組的湖相沉積物，該組最大殘余厚度98.68m。

1.3 早白堊世青山群八畝地組

該組下部為粗安質火山角礫巖夾粗安巖、粗安質火山集塊角礫巖、粗安質角礫凝灰巖等。底部在柳山鎮地層剖面上為英安巖透鏡體。角度不整合在城山后組之上，為火山爆發—噴溢相沉積產物。

2 冰磧礫巖特征

含冰磧礫石特征的礫巖如上所述產于早白堊世萊陽群城山后組底部，角度不整合于早白堊世三臺組之上(照片2)，為厚度很大(約厚25m)的復成分礫巖(照片3)。

2.1 礫石成分

經野外觀察，組成冰磧礫巖的礫石成分主要為石英巖質礫石，相當部分為石灰巖(多為泥晶灰巖，少有竹葉狀灰巖和鮞?；規r)質礫石，個別可見泥巖質礫石和少量二長花崗巖質礫石(為新太古代結晶基底二長花崗巖)?？偟膩砜?，礫石成分復雜多樣，為復成分礫巖(照片3)。

在冰磧礫巖中上部夾一層厚約3～4m的以安山巖質礫石為主的粗礫巖層，其中混雜少量前述的礫石成分(照片4)。

2.2 礫石形態

組成冰磧礫巖的礫石形態多為長扁橢球狀，少量為不規則近球狀，更少部分為長橢圓形板片狀。按克魯賓(1941)所提出的計算球度(指碎屑顆粒形狀與球體相似程度)公式[2](公式有誤，式中A應為A2)，以cm為長度單位測量14個野外具壓坑礫石的三軸長度，計算了其球度系數ψ值，均在0.47～0.84之間，其中ψ值在0.4～0.5之間者占7%，0.5～0.6之間者占14%，0.6～0.7之間者占29%，0.7～0.8之間者占21%，0.8～0.9之間者占29%。ψ值接近1°者為球形碎屑顆粒；針狀碎屑顆粒者最小，接近于零。該冰磧礫石的ψ值，結合礫石標本看，ψ值為0.4～0.6者為長橢圓形板片狀，占21%；0.6～0.8者為長扁橢球狀，占50%；0.8～0.9者為近圓球狀，占29%，說明多為長扁橢球狀。

2.3 礫石粒度大小

該冰磧礫巖礫石粒度大小混雜，無分選性，在野外巖石露頭上未進行定量統計測量。從前述礫石的形態看，多數為長扁橢球體，其粒度大小不能按礫石的直徑，只能按礫石長、中、短三個軸長度來論述。從野外采集的具壓坑的礫石測量結果看，長軸多數為3～10.5cm，有3個較大礫石長13～26cm；中軸多數為1.7～6.5cm，較大礫石為7～19cm；短軸多數為0.7～5.5cm，較大礫石為5.5～8.5cm。

從野外巖石露頭上(照片3)，粗略測量估算看，多數礫石長軸均在10cm以下，少部分為10～30cm，個別>50cm,最大者長近1m。

2.4 礫巖雜基和膠結物

礫巖的雜基(或稱沉積基質)為充填礫石之間的機械沉積物，從野外巖石露頭上觀察看主要為粒徑1～2mm的長石、石英砂粒，且長石多顯肉紅色(可能多為鉀長石)，含量多于石英。這些長英砂粒磨圓度極差，多為棱角狀，少量為次棱角狀。這種成分成熟度和結構成熟度均不高的砂粒，說明搬運距離不大。

這些長英質砂粒受冰川壓應力作用，?？梢姷皆谑r質礫石壓坑內被壓扁變形現象，形成具覆膜狀壓坑(照片5)。砂粒在石灰巖質礫石表面被壓常見嵌入石灰巖質礫石表面的現象，砂粒風化脫落后，常保留壓坑呈麻點坑狀。

礫巖膠結物主要為碳酸鈣，部分地段為粘土礦物，在礫石和長英質雜基碎屑間起到粘結作用。礫巖因后期風化淋積作用，常見在礫巖構造裂隙中充填形成白色方解石細脈，或環礫石表面形成方解石薄膜(照片4)。膠結類型主要為孔隙膠結。

2.5 冰磧礫巖總的特征

該冰磧礫巖產于早白堊世城山后組底部，位于其與早白堊世三臺組角度不整合面之上(照片2)，是一套礫石成分復雜的復成分礫巖(照片3)。組成礫巖的礫石除成分多樣外，其礫石粒度大小混雜，無明顯分選性，個別可見大的漂礫混雜其中。礫石形態多為扁平的橢球體，其長軸沿巖層傾向多顯示定向排列。在照片3的中上方，有3個間隔開的大漂礫和其下面對應的3個小漂礫，均顯示礫石長軸向傾向方向斜列的疊瓦狀排列，可能指示其上冰川運移的方向。該礫巖中部分礫石具壓坑和冰川擦痕，亦發現個別有塑性變形的馬鞍石和燈盞石。特別是具冰川擦痕礫石和馬鞍石的存在，這是冰磧礫巖與沖洪積礫巖的主要區別特征。

該礫巖從組成礫石磨圓度較高和礫石長軸具定向排列特征看，具有底磧(或稱下磧)的特征[2]。

照片2 早白堊世城山后組角度不整合在三臺組之上(臨朐柳山鎮金柳路南側)

照片3 城山后組底部冰磧復成分礫巖(臨朐柳山鎮金柳路北側)

照片4 城山后組底部冰磧礫巖所夾含方解石細脈以安山質礫石為主的復成分礫巖夾層(臨朐柳山鎮金柳路北側)

照片5 具覆膜壓坑的石英巖質冰磧礫石(臨朐柳山鎮東山旺村東南溝南壁)

3 冰磧礫石特征

在冰磧礫巖中，并不是所有的礫石都顯示有冰磧礫石的特征，僅在礫石密集處，且有少量非定向礫石相互接觸部位，才有可能發現冰磧礫石的存在(照片6)。冰磧礫石具有壓坑、冰川擦痕、壓裂張裂隙、壓磨蝕平面、燈盞石、馬鞍石和長英質砂粒嵌入石灰質礫石表面麻點坑等特征。

3.1 礫石具壓坑

因冰川長期靜壓力的作用，使礫石相互接觸的表面形成擠壓的小坑。這些壓坑常為橢圓形態，部分可見為圓形及其間的過渡形態，這與主動壓入礫石接觸部位的形態有關。在礫石表面壓坑為凹坑，多數坑中部深1～2.5mm，向四周逐步變淺，其凹坑邊界清晰；見少量凹坑呈簸箕狀，一邊深凹，邊界清晰，另一邊平緩變淺，邊界較模糊；凹坑一般長8～15mm，寬5～11mm,部分大者長30～39mm,寬10～23mm，最大者長75mm，寬60mm，其規模大小視主動擠壓礫石接觸尖端大小、形態和擠壓深度而定。

照片6 巖石露頭冰磧礫巖中具壓坑礫石②具覆膜壓坑；④為石英質礫石；⑧為鮞?；規r質礫石；其余為泥晶灰巖質礫石；⑤～⑦，⑨～⑩為東山旺村東南溝南壁，余者為柳山鎮金柳路北側；⑧～⑩為秦幸福攝影

照片7 城山后組冰磧礫巖中的具壓坑石灰巖礫石和石英巖質礫石(①～②，⑦～⑧為臨朐柳山鎮東山旺村東南溝南壁，余者為柳山鎮金柳路北側)

照片8 城山后組冰磧礫巖中具冰川擦痕的泥晶灰巖礫石(①為臨朐柳山鎮東山旺村東南溝南壁，余者為柳山鎮金柳路北側)

壓坑有2種表現形式。一種是由礫石相互擠壓礫石表面直接被壓形成的純凹坑，多數壓坑屬此類型(照片7)；另一種少量為覆膜壓坑，在礫石相互擠壓形成壓坑時，同時將礫石之間的長石、石英質碎屑雜基亦擠壓在壓坑內，在形成類似前一種壓坑時，將長石、石英質碎屑同時壓成薄膜狀覆于壓坑表面，在薄膜內或接近壓坑邊緣仍可見到壓扁的粒狀長石、石英碎屑形態，且壓坑周緣粘連保留未擠壓變形的砂粒凸起(照片5)。后者這種現象僅發生石英質礫石上。

對于這種壓坑礫石的塑性形變，李四光先生認為是巖石在長期受力，即使不超過巖石彈性強度，在受微弱力量條件下，仍能發生塑性形變，時間越長，它表現的塑性形變程度愈大[1]。

3.2 礫石表面可見冰川擦痕

礫巖有的礫石表面局部可以見到冰川擦痕(照片8)。冰川擦痕為一組方向一致，平行斷續分布的刻痕，所見刻痕細小，每個刻痕長2～5mm，最長可達1cm以上，有的刻痕呈釘字形，具有冰川擦痕的特征。

這種冰川擦痕的礫石是冰磧成因礫巖礫石的獨有特征[2]。

3.3 礫石具壓裂張裂隙

礫巖中多數礫石有壓坑，但未產生壓裂現象。有少數礫石在伴隨壓坑的形成，具壓裂作用而產生張裂隙(照片7①，⑧)。這種壓裂隙多發生在具壓坑礫石的對應另一面(照片7①)，個別亦有壓坑和壓裂隙發生在礫石的同一面(照片7⑧)，但裂隙沒有在整個礫石上貫通，只發生在礫石的一個側面，所以沒有破壞礫石的完整性而碎裂。

這些壓裂隙多為X形剪裂隙紋，但常有幾條近平行或相互交叉的張裂縫，裂縫寬1～2mm，分枝復合處可達5mm，深數毫米，其邊界不平整，常有入字形分枝或相互交叉。有的張裂隙發育在簸箕狀壓坑深凹部位的相鄰外側(照片7⑧)，顯示這些張裂隙與壓坑形成的壓應力有直接關系。

筆者認為，這種壓裂張裂隙的形成，是在李四光先生提出的壓坑塑性變形形成的基礎上，因冰川厚度和壓力的持續增加，遞進變形的產物。即在巨厚冰川靜壓力作用下，冰磧礫石相互間擠壓，在不超過巖石彈性強度，長期受力條件下，礫石發生塑性變形產生壓坑[1]。據胡克定律，當這種力的作用增加并持續進行，當超過巖石彈性極限(破裂強度)時，遞進變形而產生破裂[2]，形成礫石的壓裂張裂隙。

3.4 礫石的壓磨蝕平面

冰磧礫石不同于其他成因的礫石，有的礫石具有一個磨蝕作用形成的平面或微凸面(照片9)。其他成因磨圓的礫石，其表面為圓弧形凸起。冰磧礫石磨圓的礫石，除具有上述特征外，有的見有一個面是平面的(或呈稍凸的圓滑表面)，有的這種平面表面磨蝕的比較光滑。

照片9 具磨蝕面、冰川擦痕和壓坑的粉晶白云質灰巖①和泥晶灰巖②冰磧礫石(①臨朐柳山鎮東山旺村東南溝南壁；②為柳山鎮金柳路北側)

可能這種冰磧礫石為底磧礫石，位于冰川底部，隨著冰川的滑動，使礫石與基底巖石之間滑動磨蝕而形成的。

3.5 燈盞石和馬鞍石

是冰磧礫石發生塑性變形的特殊形態的礫石，因其形態似燈盞狀和馬鞍狀，故名[3]。燈盞石在其正面有圓形礫石壓坑，近似燈盞(照片10)。馬鞍石正面有圓三角形壓坑，其中心尚有擠壓礫石的殘塊，在其背面形成馬鞍狀(照片11)[2]。有的馬鞍石壓坑最大鞍凹一側，還伴有壓裂張裂隙(照片11②)。兩者均是長時期受冰川壓應力作用，由較大礫石主動擠壓，更大的被動礫石同時形成壓坑使礫石整體塑性變形形成的。

照片10 城山后組冰磧礫巖中的燈盞石(臨朐柳山鎮東山旺村東南溝南壁)

照片11 城山后組冰磧礫巖中的馬鞍石(①為臨朐柳山鎮東山旺村東南溝南壁；②為柳山鎮金柳路北側)

3.6 礫石的麻點坑

僅在巖石硬度相對較低的石灰巖質礫石表面見到麻點坑現象。在冰川壓應力作用下，礫石間的長英質砂粒雜基，被壓嵌入石灰質礫巖表面，砂粒風化脫落后，在其表面常保留壓坑形成砂粒大小密集的麻點坑。這與沖積、沖洪積成因的表面光滑的礫石是完全不同的。砂粒未脫落者尚有少量嵌入砂粒仍保存在其表面(照片12)。

照片12 城山后組冰磧礫巖中具麻點坑和嵌入砂?；蛐〉[石的泥晶灰巖礫石(臨朐柳山鎮金柳路北側)

礫石具有上述壓坑、冰川擦痕、壓裂張裂隙、壓磨蝕平面、燈盞石、馬鞍石和麻點坑等礫石特征，是冰磧礫石所獨有的鑒別標志。

4 冰磧礫石發現的地質意義

4.1 冰川事件

具有壓坑等上述礫石特征礫巖的發現，說明由這種特征的礫石組成的礫巖，在成因類型上屬冰磧礫巖。冰磧礫巖是冰川堆積產物，其代表了一次冰期氣候或冰川事件。

從目前掌握的資料看，早白堊世萊陽群城山后組底部的這種冰磧礫巖，在魯西地區臨朐縣柳山鎮被發現，其分布范圍相對較為局限，不應是分布很廣的大陸冰蓋，推斷應為大陸型高原山岳山谷冰川[2]堆積產物。李四光先生(1972)在對蘭田附近山谷冰川冰磧中形成的帶壓坑的礫石論述中，提出估計有關山谷冰川的厚度，最多不超過200m，即當時礫石所受到的壓力每平方厘米不到20kg，雖低于礫石的抗壓強度，但長期受力，礫石也可發生塑性變形形成壓坑[1]。柳山冰磧礫巖有的礫石在形成壓坑的同時并伴隨壓裂張裂隙，表明所受壓應力比壓坑礫更大，為此，推測柳山冰川事件，山谷冰川的厚度應超過200m。該區早白堊世冰期不在全球地史上7次大冰期之列[2]，可能為我國東部環太平洋帶一次小冰期事件。

4.2 早白堊世古地理、古氣候分析——冰川事件形成探討

依據早白堊世古板塊再造、巖相古地理及古環境資料[4-5]，當時華北陸塊所處北半球緯度與現代相近，在其東部濱太平洋岸帶均為造山帶，有強烈的火山噴發，其西部此地區古地理均為高地；古氣候全球處于高溫環境為南方型半干旱亞熱帶、熱帶西北和華北過渡亞帶氣候，不具備形成全球大冰期的氣候條件。近期，通過松遼盆地大陸深部科學鉆探工程取得白堊紀陸相地層巖芯的綜合研究，提出白堊紀時期氣候環境是地質歷史中典型的溫室氣候時期，具有高大氣二氧化碳濃度、高溫、高海洋平面、兩極無冰的顯著特征，僅有71～70Ma間的氣候變冷事件[7]。這與上述對氣候條件的認識是一致的。但大陸地殼上升，當然會使大陸上升海拔高的山岳部分的氣候變得更為寒冷。例如，有人認為，中國特別是中國東部以及西伯利亞太平洋沿岸地區，在第四紀時代，平均高度可能達到海拔2000m以上[1]。中國東部第四紀時代的古地理面貌，具有白堊紀以來的繼承性。因此，早白堊世時包括山東在內的華北高地，其海拔平均高度應不會低于2000m或更高，這為形成大陸山岳高原山谷冰川創造了古地理和古冰川條件。當時當地大量火山碎屑物質的噴發，漂浮的火山灰云，直接遮擋了太陽光的熱輻射，在全球高溫環境下，局部地區形成了高山寒冷氣候，為局部小冰期的形成創造了條件。因此，在早白堊世是有可能形成高山山谷冰川的。這與現在緯度相近的歐洲阿爾卑斯山發育的高山山谷冰川是相同的。

4.3 臨朐柳山小冰期

臨朐柳山鎮早白堊世萊陽群城山后組底部礫巖中具壓坑等冰磧成因特征的礫石的發現，證明了該組底部冰磧礫巖的存在，說明當時在我國東部濱太平洋造山帶及其毗鄰高地存在高山山谷冰川事件。在《侵入巖火山沉積巖變質巖》一書中，所附6-21遼寧錦西地區的壓入坑礫石照片5，與照片7⑦非常相似，文內冰磧礫巖提到礫石具壓坑[6]，但未說明該礫石組成礫巖的形成時代，亦未查到相關文獻資料，是否相當同期冰磧產物，值得關注。

柳山地區這一冰川事件亦釋疑解惑了筆者1998年的另一個地質現象的發現。當時，在主持山東省地礦局第七地質隊1∶5萬新泰、蒙陰2幅區調項目野外驗收，對實測蒙陰幅小辛莊-檀家召子萊陽群-青山群地層剖面進行野外實地檢查，在萊陽群馬連坡組二段砂巖層中發現包裹了巨大的灰黑色頁巖礫石，其中含早白堊世葉子介、狼鰭魚等化石，礫石高約2m，寬1m左右，而魯西地區早白堊世是沒有這種頁巖的，筆者曾懷疑為異地冰川漂礫。在該組之下臨朐縣柳山鎮的城山后組地層發現冰川事件，就更好地理解其為冰川成因的漂礫了。

城山后組地層形成時代為早白堊世，臨朐柳山鎮地區目前尚未發現古生物化石和采取同位素地質年齡樣品，其形成時代是與蒙陰盆地城山后組的對比確定的。蒙陰盆地城山后組據前人資料含大量早白堊世生物化石，其中火山巖全巖K-Ar同位素地質年齡為127.41Ma[注]山東省地礦局第七地質隊，1∶5萬新泰、蒙陰2幅區調報告，1998。。近年來，山東省地質調查院許克民等在完成“膠東地區(研究范圍涉及魯西部分地區)白堊紀區域地質、盆地發育與區域巖石地層系統調查研究”項目(2016)時，在蒙陰盆地上述地層剖面上城山后組凝灰巖中取得了SHRIMP鋯石U-Pb同位素地質年齡，底部為131.7Ma，上部為128Ma。上述資料說明該組形成時代為早白堊世冀北期晚期—熱河期早期。而發現冰磧礫石的臨朐柳山地區該組底部形成時代可能稍晚于蒙陰盆地，此處處于高山山谷，南部為沉積盆地，推斷其形成年齡為距今128～130Ma，地質時代應為早白堊世熱河期早期。建議將該時期的冰川事件期命名為臨朐柳山小冰期。

根據早白堊世早期的古地理特征看，我國東部地區濱太平洋沿岸均處在造山帶和高地的狀態[4-5]，類似臨朐柳山小冰期形成的大陸型山岳高原山谷冰川沉積的分布范圍可能較為廣泛，應引起廣大地質工作者的注意和研究。

5 結論

(1)在臨朐柳山地區城山后組底部礫巖中所發現的塑性變形形成的具壓坑或麻點坑礫石、燈盞石和馬鞍石，以及具壓裂張裂隙、磨蝕平面和冰川擦痕的礫石，證明了冰磧礫巖的存在，為該地區存在冰川事件提供了佐證。

(2)早白堊世早期的古氣候大環境雖為高溫環境，但我國東部濱太平洋沿岸的造山運動，使大陸地殼上升為高地山岳的古地理條件，加上大量火山噴發火山灰云對陽光輻射的遮擋，使高地山岳氣候變得寒冷，為大陸型山岳高原山谷冰川的形成，創造了有利的氣候條件。對于該區萊陽群城山后組沉積形成年齡推斷在距今128～130Ma期間，即早白堊世熱河期早期。筆者建議將此時期的冰川事件命名為臨朐柳山小冰期。

(3)臨朐柳山小冰期的冰川沉積分布在我國東部可能有區域性，應引起廣大地質工作者的關注和研究。對該小冰期沉積的區域分布和其他表現特征，特別是對冰流堆積和冰水沉積物尚須進一步深入研究。同時建議對全省各地區各時代地層的礫巖全面進行野外調查和研究，以發現是否有新的冰磧礫巖存在。

廣大地質工作者要善于學習，力爭掌握更為寬泛的知識面，在野外工作中要善于實踐，認真細致地觀察研究，那怕是自己不理解或無法解釋的微小的地質現象，亦要收集并充分反映在自己的成果報告中，才能有所發現和創新。

該文少量照片為山東省地礦局劉振、秦幸福攝影，山東省地質調查院侯建華高級工程師幫助查詢了相關資料，以及山東省地質科學研究院張尚坤研究員等協助野外地質考察，特表示衷心感謝。