山東蒙山與四川海螺溝冰川擦痕特征對比及成因分析

王照波,王江月

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

0 引言

近幾年，筆者在山東蒙山發現了第四紀組合性冰川遺跡[1]，經過多種方法測年，確定蒙山地區最新的冰期發生在全新世[2]，并進一步恢復重建了我國東部及東亞地區末次冰期時的雪線高程，發現了“東亞冷槽”的存在，解決了我國東部地區為何會有冰川的氣候問題[3]。相關研究成果引起學界較為廣泛的關注。但我國東部中低山區第四紀冰川的有無之爭接近百年。1922年李四光先生首先提出太行山東麓存在冰川遺跡，開創了我國冰川研究的事業[4]，1933年又提出廬山存在冰川遺跡[5]，此后，其冰川理論受到了地學界部分學者的質疑[6-9]，尤以施雅風撰寫的《論李四光教授的廬山第四紀冰川是對泥石流的誤讀》[8]影響巨大，文章直言李四光先生不懂冰川，將泥石流誤認為了冰川遺跡。究竟如何來判斷冰川遺跡的存在,其依據如何,則成了擺在冰川研究者面前首先要回答的問題。雖然冰川形成的遺跡很多，如漂礫、冰磧壟、冰磧混雜堆積、擦痕、磨光面等等，以及近些年有些學者提出的冰臼理論[10]，但爭議頗大。但是在眾多的遺跡中，唯有冰川形成擦痕遺跡(廣義)，獲得較為一致認可[4,7]。但什么樣的擦痕屬于冰川擦痕，現代冰川擦痕究竟又是怎樣的現實特征，為了獲得現代冰川槽谷中冰川遺跡的特征，對四川海螺溝現代冰川槽谷分布的擦痕遺跡進行了野外考察。

該文在對蒙山冰川遺跡進行深入研究的基礎上，結合對四川海螺溝現代冰川槽谷內的冰川遺跡考察成果，重點對各類擦痕的類型及特征，以及其在古冰川作用過程中的成因進行了分析，希望為我國東部冰川遺跡的研究與判斷提供有益的參考。

1 冰川遺跡的類型

冰川作用過程中會遺留下多種類型的遺跡，根據成因，大體可以分為雪蝕遺跡、冰蝕遺跡與冰磧遺跡3種類型。雪蝕遺跡多為地貌類型，由于雪的剝蝕作用形成，主要分布在雪線之上，由粒雪盆、冰斗、冰檻、角峰、刃脊、三角脊、弧形盆地等組成[11]。冰蝕遺跡主要分布在冰川槽谷內，由冰川夾帶的礫石對于兩岸巖壁的刻蝕形成的，主要由磨光面、擦痕、顫痕、新月形鑿口、新月形裂紋、新月形斷口、冰川刻槽等遺跡組成(圖1)，這些遺跡組成冰川作用的廣義擦痕。冰磧遺跡主要分布在冰川槽谷的下游，由冰川搬運來的物質卸載后堆積形成，主要由表磧側磧壟、中磧壟、漂礫、條痕石、擦痕等組成。在眾多的冰川遺跡中，冰川運移過程中其內部夾雜的石塊會在槽谷巖壁及內部的礫石上形成各式的劃痕，由于冰川運動具有明顯的固體特征，其明顯區別于其他具有翻滾、撞擊特點的泥石流、洪水等流體作用，所以冰川作用形成的擦痕具有獨特的平行、穩定特征，這在判斷古冰川作用過程中具有重要的參考意義，并被眾多的冰川研究者所重視[12-13]。

①—槽谷巖壁擦痕、新月形裂紋、裂口分布區；②—巖壁逆沖擦痕分布區；③—新月形鑿口分布位置；④—大型巖壁擦痕、擠壓崩口分布位置；⑤—攔馬墻側磧壟南段分布位置圖1 蒙山蘭溪峽谷冰川擦痕與冰磧遺跡分布圖

a，c—山東蒙山冰川槽谷巖壁擦痕，位于蘭溪峽谷的上游北壁；b，d—四川海螺溝冰川槽谷內的巖壁擦痕，位于海螺溝冰川北壁圖2 蒙山與海螺溝冰川槽谷巖壁擦痕特征

經調查發現，山東蒙山南側的溝谷中發育有眾多的第四紀冰川遺跡，但在蒙山佛塔谷與上游蘭溪峽谷(圖1)內發育有類型豐富、保存完好的全新世早期冰川遺跡[2]，這為對比研究冰川擦痕遺跡的特征、成因提供了前提條件。

2 冰川擦痕遺跡

擦痕，自然界中很多地質作用都能形成擦痕，如斷層、崩塌等，但是不同的地質作用會形成不同特征的擦痕，斷層、崩塌形成的擦痕，其環境現場性很強，很容易判斷，譬如，斷層擦痕必然與斷層有關系，崩塌擦痕必然與山體崩塌有關系。另有很多人認為洪水、泥石流也能形成擦痕，但是根據王斯文[12]的研究，洪水、泥石流只能形成凹痕，而不具備形成冰川擦痕的動力學過程。李吉均[13]認為，冰川擦痕，是冰川移動過程中形成的特有的痕跡，諸多冰川領域的研究者都特別強調擦痕在冰川遺跡判斷中的重要意義。

根據冰川擦痕產出位置，主要可以分為冰川槽谷巖壁擦痕與冰磧礫石擦痕2種。這2種擦痕既具有共性，也具有差異性。無論巖壁擦痕還是冰磧擦痕，就單條擦痕來講，都具有穩定的方向、寬度與深度，這是石塊在冰的夾持下而具有的穩定運移環境下造成的。經綜合研究發現，槽谷巖壁擦痕與冰磧礫石擦痕之間還是有著較為明顯的區別，槽谷巖壁擦痕具有細長密集、近于平行的特征。冰磧礫石擦痕具有短粗稀疏、方向雜亂的特征。

2.1 冰川槽谷巖壁擦痕

王乃昂[14]認為，冰川巖壁擦痕“具有細長、密集，平行排列的特征” ，并具有較緩的傾角，一般情況下，擦痕傾向指向下游，指示冰川運移的方向。根據調查，蒙山冰川槽谷巖壁擦痕(圖1①，圖2a、2c)與海螺溝冰川槽谷巖壁擦痕(圖2b、2d)都具有這些共同的特征。但在冰川運移過程中遇到障礙時，也可以形成逆沖擦痕(圖1②)，其傾角指向上游，與冰川運移方向相反。逆沖擦痕的存在，可以作為冰川作用判斷的證據，但是并非所有的槽谷中都能夠具備形成逆沖擦痕的條件，因此，逆沖擦痕雖然在判斷冰川作用的過程中具有重要意義，但是不具有普遍性。

除此之外，在蒙山蘭溪峽谷的反向巖壁上(圖1④，圖3a)，該處巖壁近直立，崖壁傾向與峽谷的坡向相反，呈反傾向，傾角88°，發現了一條大型的擦痕，該擦痕長4.5m，寬3～8cm，深1～5mm，傾向下游，傾角18°，該條大型擦痕的下部產出有多條與其近似平行的擦痕(圖3b)，擦痕的前端具有典型的新月形裂紋(圖3c)，照片中紅色虛線的左側即新月形裂紋，這些裂紋的凸起方向指向冰川運動的方向。該大型擦痕的末端產有擠壓崩口(圖3d)，這種現象在蒙山崖壁擦痕末端處比較常見。擠壓崩口是在強大的側向擠壓作用下，導致巖壁擦痕末端的巖石崩裂，而形成的。據此，筆者認為陡直巖壁上擦痕末端擠壓崩口的存在，可以作為判斷冰川作用存在的證據使用。也就是說，只要發現這種現象的存在，就可以確定冰川作用的存在。

a—黃色圓圈處為大型巖壁擦痕出露處；b—紅色線條上方即為近似平行的巖壁擦痕；c—擦痕的前端內部具有典型的新月形裂紋，這些裂紋位于紅色虛線的左側；d—擦痕的末端具有典型的擠壓崩口，黃色圓圈內為擠壓崩口的位置；圖中箭頭指示冰川移動方向圖3 蒙山蘭溪峽谷南岸大型巖壁擦痕

a—蒙山漂礫底部的擦痕(藍虛線上側)；b—海螺溝漂礫底部的擦痕(黃虛線上側)；c—蒙山漂礫上的弧形擦痕(黃虛線右側)與其他方向的擦痕(紅色虛線附近)；d—海螺溝漂礫上的弧形擦痕(黃色虛線左側)與其他方向的擦痕(紅色虛線附近)圖4 山東蒙山與四川海螺溝冰磧擦痕對比

冰川作用之所以在槽谷巖壁能夠形成細長密集，且近似平行特征的擦痕，原因在于冰川中挾持的礫石或巨石，在向下運移的過程中基本保持了固體運移特征所造成的，這些近似平行的擦痕的存在，可以視為重復性作用力作用的結果，除了冰川攜帶的巖塊可以在高的陡直巖壁上方穩定的移動刻下痕跡外，目前沒有其他任何的自然力可以做到。

對于冰川槽谷巖壁擦痕的發育程度，受到冰川作用槽谷的寬度的影響，我國東部山谷冰川的規模相對較小，對于寬緩的溝谷，冰川作用很難對于兩岸的巖壁形成作用，因此也很難產生并留下巖壁擦痕，加之形成時間長短、后期風化剝蝕作用的影響，決定了一個冰川槽谷中是否存在巖壁擦痕。蒙山地區的蘭溪峽谷內之所以保存了大量而豐富的巖壁擦痕，主要原因在于該山谷為峽谷，溝谷狹窄，冰川移動過程中容易劃擦到巖壁，另外形成時間近，為全新世早期，距今不足萬年的時間，這是蘭溪冰川擦痕群得以保存的先決條件。蒙山許多的山谷中雖然也發育有大量的冰磧沉積，但是其上游的冰川槽谷的巖壁上，則較少保留有典型的巖壁擦痕。

2.2 冰磧礫石擦痕

冰磧礫石上的擦痕，顯示出稀疏、短粗，方向雜亂的特征，往往多種方向的擦痕交織在一起。這是由于冰川中的礫石搬運過程中處在近似于固體封存狀態，所以其形成的擦痕也具有方向的穩定性，這與巖壁擦痕的形成具有相同的動力環境。但是礫石在長距離的搬運過程中，譬如受到阻滯、刮擦等，會出現緩慢的方向調整，等方向調整后再形成的擦痕，則與前期形成的擦痕之間表現出方向的不一致性，這是造成冰磧礫石擦痕多向性的根本原因。

根據調查，蒙山上的冰磧礫石擦痕(圖4a)與海螺溝冰磧礫石擦痕(圖4b)具有一致的特征。

另外，有時在冰磧礫石上可以看到弧形擦痕，這種擦痕不如直線型擦痕分布的多?；⌒尾梁墼诿缮近S連口冰斗的冰檻處的終磧上(圖4c)以及攔馬冰期冰磧壟上都有分布，另外在海螺溝的冰磧漂礫上也有發現(圖4d)?；⌒尾梁鄣男纬墒怯捎谄[在搬運的過程中，局部受到阻擋使得巨礫發生緩慢旋轉而形成的。李吉均[13]認為弧形擦痕是判定冰川遺跡的有力證據，其他地質作用尚未發現類似遺跡。

2.3 新月形鑿口與新月形裂紋

除了擦痕外，在傾角較緩的巖壁擦痕分布區，或者部分巨型冰磧礫石表面，都可以見到一種貝殼狀的鑿口，命名為新月形鑿口，該類冰川刻蝕遺跡在蒙山蘭溪峽谷巖壁上(圖1③，圖5a)與海螺溝中的漂礫上(圖5b)都有發現。

究其原因，是由于冰川中攜帶的巨石的某一突出部位對于巖壁或冰磧礫石進行了緩慢的擠壓造成的，壓力來自巨石與冰川體的共同作用。新月形鑿口的形成，受到力的方向與接觸面之間的角度關系密切，夾角較小，則會形成擦痕。前端具有新月形裂紋特征的擦痕，其開始受力特征與新月形鑿口的形成具有相近似的特征。除了新月形鑿口外，蒙山崖壁磨光面上也發現存在典型的新月形裂紋與新月形斷口(圖1①，圖5c)。

a—蒙山蘭溪峽谷巖壁上的新月形鑿口；b—海螺溝漂礫表面上的新月形鑿口；c—蒙山蘭溪峽谷巖壁磨光面上的擦痕與新月形裂紋、新月形斷口組合(①為新月形裂紋,②為新月形斷口，③為擦痕)；d—蒙山蘭溪峽谷內冰川槽谷谷壁上的“釘頭鼠尾”擦痕(圖中箭頭示冰川移動方向)圖5 山東蒙山與四川海螺溝新月形鑿口與新月形裂紋對比

有時在磨光面上偶爾會見到具有“釘頭鼠尾”特征的擦痕(圖1④，圖5d)，釘頭鼠尾擦痕并非獨立存在，而是與其他擦痕一起共同構成磨光面。釘頭鼠尾擦痕的形成過程應是由新月形鑿口進一步演化成擦痕而表現出的一種特征， 其“釘頭”為初始的一個受力點，其尾則為擦痕的延續部分?！搬旑^鼠尾”擦痕變細的 “鼠尾”端指示冰川移動的方向。

關于新月形鑿口、新月形裂紋在冰川遺跡確認中的意義，李吉均[13]認為：“新月形鑿口或新月形裂紋的磨光面，才是典型的冰川磨光面?！?/p>

新月形鑿口的形成，其力學性質應該與圖5a所示新月形鑿口中的下半部分相似，即受力初始先形成a-a＇，然后再形成b-b＇破裂面(圖6A)[14]，這就形成了圖6a所展示的具有雙向凸起裂紋的新月形鑿口。但是若僅是在巖石的表面劃過則形成新月形裂紋，根據筆者的調查分析，由于巖石自身破裂優勢的不同，因受力優先導致形成b-b＇破裂面，則形成的新月形裂紋的凸起方向與作用力的方向相反(如圖6B、圖5c②)；若因受力優先導致形成a-a＇破裂面，則新月形裂紋的凸起方向與作用力的方向一致(如圖6C、圖5c①)。新月形鑿口與新月形裂紋(斷口)的形成機制可參考圖6。

圖6 新月形鑿口(A)與新月形裂紋(B，C)的形成機制(據李吉均[15]修改完善)

a—蒙山攔馬墻冰磧壟中漂礫上的顫痕；b—美國緬因州第四紀冰川成因顫痕(據呂洪波，2012)[15]圖7 典型顫痕的特征

2.4 顫痕

在冰川槽谷的巖壁或者漂礫的表面，有時會發現一種特殊的擦痕—顫痕，顫痕的形成是由于巖塊與基巖或巖塊與巖塊之間顫動位移而形成的(圖7a、7b[15])。顫痕的存在，一般作為存在冰川作用的有力證據，但是這種痕跡較少，一般不太容易發現。

顫痕的形態取決于移動巖塊尖銳接觸部位的形態，可以是短直線(圖7a顫痕①)，也可以是弧線(圖b)，也可以是彎曲線(圖7a顫痕②)，甚至可以是面型。由于顫痕屬于一種印痕，因此相鄰的2條顫痕往往具有近似的特征，但是隨著多次的顫動與巖石的位移，接觸部位的形態由于碰撞也會逐漸改變，因此顫痕的形態也會逐漸的發生變化。

判斷是否是顫痕，一般情況下應結合擦痕共同判斷，如冰川巖壁上的顫痕，其上及周邊會伴有平行擦痕(圖7b)[15]；條痕石上的顫痕，則會伴有不同方向的擦痕(圖7a)。

3 蒙山冰川擦痕遺跡形成的時間

蒙山中保存擦痕遺跡最好的地方在佛塔谷內的攔馬冰磧壟與蘭溪峽谷中。根據對巖石風化程度的調查，發現保存擦痕的冰磧壟條痕石與槽谷巖壁的巖石風化程度均較為微弱，除了個別長石含量高的巖塊或巖面外，其他巖石風化微弱，花崗巖的礫石表面幾乎沒有表現出風化特征。據此判斷這些擦痕遺跡的形成時間并不久遠。

為了確定蒙山冰川遺跡的形成時代，筆者分別采用了光釋光與宇生核素的測年方法，對蒙山冰川遺跡明顯的側磧壟與巖壁進行了測年研究，獲得的光釋光年齡為8.2ka，獲得宇生核素年齡值為7.01ka，8.57ka，9.95ka，對應于攔馬冰期。另外在海拔752m的清榮峽谷內的冰磧表面，獲得了5.27ka的全新世中期的年齡，對應于清榮冰期(圖8)[16]。

圖8 全新世泥炭Tb/Rr地球化學元素氣候記錄與蒙山地區冰磧沉積關系對比圖

Zhang Weichao等對湖北神農架大九湖泥炭沉積物的元素地球化學、同位素地球化學及孢粉記錄進行研究，發現了我國東部存在明顯的8.2ka與9.2ka降溫事件，而9.2ka事件的降溫幅度遠遠超過了8.2ka事件，除此之外，還存在明顯的4.7～5.7ka降溫事件(圖8)，根據測年研究，蒙山地區LGM時期形成的冰川遺跡，其表面上的擦痕遺跡風化較為嚴重，辨認較困難，據此可知，在我國東部地區，末次冰期的擦痕遺跡基本上風化嚴重，辨認困難，只有全新世內形成的擦痕遺跡，才保留的較為完好，在判斷古冰川遺跡是否存在的過程中具有異常重要的意義。

4 結論

根據山東蒙山與四川海螺溝冰川擦痕特征的對比研究，獲得以下幾點認識：

(1)冰川擦痕具備特有的特征，這些特征是其他任何自然作用力所不能形成的，即單條擦痕一般具有穩定的延伸方向、穩定的寬度與深度，這是由于冰川具有固體運動特征所形成的。

(2) 冰川槽谷巖壁擦痕顯示出細長、密集的特點，擦痕之間具有大致平行的特征。冰磧礫石擦痕顯示出粗短、稀疏的特點，擦痕方向不一致，顯示出混雜的特征。

(3) 經對比研究，蒙山發現的全新世早期冰川擦痕遺跡，與四川海螺溝現代冰川槽谷內的各類擦痕遺跡具有高度的一致性，完全可以進行特征類比，因此進一步確證了蒙山擦痕為冰川作用形成的冰川遺跡的科學性。

我國東部第四紀冰川的有無問題，也有部分研究者做出了廣泛的調查與分析[17-18]，隨著蒙山地區末次冰期與全新世早期豐富的冰川遺跡的發現及相關的測年數據的獲得，進一步證實了李四光先生提出的我國東部第四紀冰川理論是正確的，同時根據相關的測年研究成果，在蒙山地區發現了廬山地區沒有發生的末次冰期(蒙山冰期)與全新世早期攔馬冰期的冰川遺跡。這些類型豐富、保存完好的冰川擦痕，為確認及解決我國東部第四紀環境演化問題提供了關鍵的直接證據。蒙山地區第四紀冰川遺跡的研究剛剛開始，不當之處，敬請指正。同時歡迎國內外第四紀冰川領域的廣大研究者，尤其在西部高原區從事冰川研究的專家學者，到蒙山來進行實地考察、研究。

致謝：該項研究得到中國石油大學呂洪波教授、中科院海洋所趙松齡教授、中國海洋局徐興永研究員等的大力幫助，在此一并致謝！

此外，四川海螺溝冰川遺跡野外考察得到了臨沂電視臺朱景濤副臺長的全力支持，以及大型文獻紀錄片《蒙山》攝制組張健、馬勇、楊萍、朱林的大力幫助，在此表示由衷的謝意！