0 引言

青藏高原被誉为世界第三极[1], 是全球除南、 北极外冰川作用最为强烈的地区, 也是第四纪以来影响全球气候变化的关键区[2-3]。对于青藏高原的隆升, 葛肖虹等[4]、 杨达源[5]认为其阻隔了印度西南季风向北传输, 致使中国西北地区更加干旱, 西南地区更加湿润多雨； 周秀骥等[6]、 Kutzbach等[7]认为青藏高隆升形成高空反气旋, 改变了全球热量分布, 影响了副热带高压的位置和强度, 加强了亚洲季风强度[8]。冰川是气候变化敏感的指示器, 第四纪冰川研究在地球科学中占有重要地位[9]。

前人对昆仑山垭口地区的第四纪冰川做了大量研究： 青海省地质局第一水文地质工程地质队划分出5次冰期和1次寒冷期[10]； 吴锡浩等[11]根据冰碛层的特征及相应的古冰川地貌, 划分出6次冰川作用； 伍永秋等[12]根据地层年龄和冰碛物所含孢粉信息划分出4次主要的冰川作用。垭口地区冰期演化最大矛盾在于纳赤台冰期是否存在； 其次, 垭口冰期的确定是根据上覆土壤层和同期风成砂年龄确定的, 需进一步讨论； 此外, 末次冰期早-中期冰川地貌在本区未发现。因此, 垭口地区仍需大量的工作去完善其冰期演化序列。本文根据环境-成因原则和多指标综合原则, 通过研究垭口地区的冰川地貌特征, 同时结合冰碛物的特征和所含孢粉信息, 从而恢复该地区的冰期演化序列。

1研究区概况

研究区主要位于青海省格尔木市昆仑山世界地质公园内(图1), 园内地质遗迹丰富, 最典型的是冰川地貌和冰缘地貌。研究区主要位于东昆仑垭口地区, 距格尔木市区西南约90 km, 距西宁市约600 km。研究点主要为玉虚峰、 昆仑山垭口、 本头山、 纳赤台地区。昆仑山主脊平均海拔在5 500 m以上, 最高峰为玉珠峰, 海拔6 178.6 m, 最低点在纳赤台地区, 海拔3 540 m, 相对高差达2 638.6 m。

昆仑山垭口地区年均温在-2.9～5.47 ℃, 负温期为10月至次年4月, 时间长达7个月, 冬季寒冷且长。

2 冰川地貌及年代

2.1 冰川地貌特点

望昆冰碛为昆仑山垭口地区最老冰期沉积, 分布于昆仑山垭口西侧的山顶平台之上, 为海拔介于4 900～5 200 m的高大垄地, 走向大致沿NWW。冰碛层厚度约30 m, 整体为黄棕色, 砾石岩性主要为花岗岩、 片麻岩、 石英岩, 还有少量的辉长岩和千枚岩, 粒径在10～200 cm, 磨圆以次棱角-次圆状为主, 分选差, 无定向排列, 表层砾石风化较强, 新鲜剖面砾石风化程度中等, 呈弱胶结状, 黏土含量较少, 冰碛垄表面有漂砾覆盖。

垭口冰碛主要分布于玉珠峰南部63～64道班附近, 冰碛整体相对平坦, 垄状不明显, 64道班公路东侧水坑附近有一处高约5 m的剖面, 整体为黄棕色、 灰黄色, 大致分为两层, 上层为黏土砾石层, 下层为砾石层, 两者最大差别在于上层黏土含量高。砾石岩性有花岗岩、 变质砂岩、 千枚岩、 片岩和脉石英等, 粒径主要为2～10 cm, 磨圆以次棱角-次圆状为主, 分选差, 无定向排列, 砾石风化弱, 胶结程度也弱, 表面覆盖少量漂砾。

玉虚峰顶部被现代冰斗冰川覆盖, 北坡冰川末端海拔4 950～5 100 m, 冰斗海拔4 800～5 000 m, 平坦指数约1.76。玉虚峰冰川U形谷是玉虚峰地区最大的冰碛沉积区, 面积可达30 km2, U形谷由玉虚峰向北延伸约12 km, 东西宽2.5～4 km, 源头和两侧发育多条小型冰川U形谷[图2(a)]和刃脊, 然后汇集形成玉虚峰U形谷[图2(d)]。玉虚峰U形谷内刃脊长度约3 km, 相对高差250～350 m。靠近谷地东侧边缘有一条冲沟, 可能是全新世暖期冰川融水冲蚀形成。冲沟西侧残存两条侧碛垄, 最外侧(第一道)侧碛垄高约16 m, 顶部和剖面斜坡可见大量漂砾, 冰碛主要为灰黄色, 砾石岩性主要为花岗岩、 辉长岩、 变质砂岩和脉石英, 物源主要来自玉虚峰和两侧山峰, 粒径在10～200 cm之间, 磨圆以次圆状为主, 分选差, 无定向排列, 风化程度弱, 黏土含量较少, 有一定的胶结。第二道侧碛垄高15 m, 冰碛为黄棕色、 灰黄色, 砾石岩性与第一道侧碛垄相同, 磨圆度较第一道侧碛垄差, 以次棱角-次圆状为主, 胶结程度弱, 少见石英颗粒。此外, 玉虚峰冰碛可见大量的条痕石。

本头山主峰海拔约5 200 m, 周围发育4个角峰, 海拔均在5 000 m以上。本头山地区山势较陡, 北坡冰斗海拔在4 700～4 800 m, 被现代冰斗冰川占据, 平坦指数约3.79； 南坡现代冰斗高程约5 100 m。本头山U形谷坡度较大, 在10°～17°之间, U形谷末端堆积本头山冰碛。本头山冰碛最大的特点是冰碛台地表面覆盖大量的花岗岩漂砾且球形风化明显。本头山冰碛主要为黄棕色, 砾石岩性主要为花岗岩、 板岩、 辉长岩, 粒径10～200 cm, 分选差, 弱风化, 基本上无胶结。

纳赤台主峰为海拔约5 450 m的角峰, 周围发育角峰十多个, 刃脊延伸达5～10 km。纳赤台主峰顶部发育3个冰斗, 海拔4 900～5 000 m。南坡冰斗海拔4 300～4 800 m, 北坡冰斗海拔4 100～4 800 m, 但大部分遭到后期冰川的切割、 破坏。纳赤台后沟为多条小型冰川U形谷汇聚而成的大U形谷, 一直延伸到昆仑河主谷附近。大U形谷上游有冰碛基座保存,中下游见高大的冰碛体, 沟口为冰水扇沉积。纳赤台冲沟剖面高15 m, 主要为黄棕色砂砾层, 为冰水沉积, 上面覆盖灰黄色冰水岩屑堆积。纳赤台冰水沉积砾石岩性主要为花岗岩、 砂板岩, 磨圆以次圆状为主, 粒径10～100 cm, 含有大量漂砾, 分选差, 杂乱排列, 砾石风化较强, 胶结度较好, 少见石英颗粒, 黏土含量少。

2.2 样品的采集

野外调查采取地貌形态与沉积物分析相结合的方法[13-14], 在不同的冰川沉积地貌部位进行取样, 共采取样品6个(表1)。KLM1601采自玉虚峰U形谷第二道侧碛垄, 靠近谷地出口, 剖面高15 m, 样品采集于距剖面顶7 m的稳定冰川漂砾下方[图2(c)], 主要为粒径小于1 cm的碎屑颗粒, 黏土含量较少。KLM1602采自玉虚峰U形谷第一道侧碛垄, 靠近谷地源头, 剖面高16 m, 样品采集于距剖面顶4 m[图2(b)], 样品主要为小于1 cm的碎屑颗粒。KLM1603采自望昆冰碛垄顶部冰川漂砾下方[图3(a)], 主要为小于1 cm的碎屑颗粒, 少见石英颗粒。KLM1604采自64道班垭口冰碛剖面, 剖面高5 m, 剖面顶部2.1 m处存在分层, 上部为黏土砾石层, 下部为砾石层, 样品采集于黏土砾石层底部[图3(b)], 主要为粒径2～8 mm的碎屑颗粒, 含大量黏土。KLM1605采自本头山冰碛剖面, 剖面高15 m, 距剖面顶3 m[图3(c)], 样品粒径在2～10 mm, 少见石英颗粒, 黏土含量较少。KLM1606采自纳赤台冲沟剖面, 剖面高15 m, 冰水沉积胶结度良好, 风化较强, 采样位置距顶部9 m[图3(d)], 主要为粒径2～10 mm的碎屑颗粒。

2.3 样品的测试结果

OSL测年由中国地震局地质研究所完成, OSL的信号测定由丹麦Risø实验室生产的Risø TL/OSL-DA-20TL/OSL仪器完成。KLM1605样品提取90～125 μm粗颗粒石英； KLM1601、 KLM1602提取4～11 μm细颗粒石英, 结果如表2所列。ESR由国土资源部海洋地质实验检测中心完成, 结果如表3所列。 主要检测仪器型号为EMS型ESR谱仪, 检测温度控制在20～22 ℃, 检测湿度为20%～30%, KLM1601、 KLM1602、 KLM1606为Ge心信号, KLM1603、 KLM1604、 KLM1605为E′心信号, 微波功率2 mW, 年龄误差估算为10%～15%。石英砂SEM由中国地质大学(武汉)材料与化学学院分析测试中心完成； 孢粉分析由中国地质科学院水文地质环境地质研究所完成。

3 冰碛物扫描电镜分析

石英砂SEM表面形态特征分析可用于判断混杂堆积物的成因类型, 同时还可以反映流水、 风等其他地质营力对冰碛物的影响。分析样品主要为KLM1603、 KLM1604、 KLM1605和KLM1606。根据前人的研究[15], 选取出39个石英砂SEM典型微形态特征, 分为石英砂外形、 化学特征和机械特征三大类。通过频率统计, 选出频率较高的微形态进行分析描述, 石英砂微形态分类如表4所列。

3.1石英砂外形

石英砂外形中, 次圆出现的频率最高, 占30%, 其次是次棱角, 占18.5%。综合统计, 石英砂磨圆从很圆至尖棱角均出现, 且频率从很圆至次圆逐步升高, 次圆至尖棱角又逐步降低。边缘形状中, 次棱脊出现频率最高, 占32.6%, 其次是亚磨圆边缘, 占27.5%。中起伏频率占57.5%, 高起伏频率占37.5%, 低起伏频率仅占5.0%。综合可知, 石英砂表面形态为次圆, 次棱角, 次棱脊, 中、 高起伏形态。这表明冰碛物搬运距离较近, 磨圆程度中等偏下[图4(a)、 (b)]。

3.2石英砂化学特征

化学特征可分为化学溶蚀作用、 化学沉淀作用、 氧化硅结晶三类[16]。化学溶蚀作用中蚀坑和蚀缝[图4(c)]呈不规则状, 规模大小不等, 蚀坑和蚀缝出现的频率与石英砂的原始形态关系极大, 样品中出现的频率最高, 均值18.75%, KLM1606出现最大值35%。化学沉淀作用中硅质薄膜[图4(b)]出现的频率最高, 样品中出现的频率均值约18.75%, KLM1604出现最大值30%。氧化硅结晶在KLM1603中未出现, 其余样品中频率为5%～10%。

注： 高起伏深度大于1 μm, 低起伏深度小于0.5 μm, 中起伏介于两者之间； 大贝壳状断口长度大于40 μm, 小贝壳状断口长度小于20 μm, 中贝壳状断口长度介于两者之间

3.3 石英砂机械特征

擦痕为冰川环境的典型特征[15-22], 无论是宏观还是微观观测, 出现的频率都很高, 样品中均出现, 频率均值71.25%。擦痕是石英砂在上覆冰川的巨大压力下磨蚀基岩或其他颗粒形成, 样品中擦痕[图4(d)]长度一般在20～40 μm, 部分样品中可以观测到平行擦痕[图4(e)]。

机械V形坑[图4(f)]是机械碰撞、 磨损的痕迹, 可以作为水下磨蚀作用的标志特征[15,16,20,23]。在高能水环境下, 机械V形坑略带定向性, 样品中出现的频率均值为45%。但是, 作为水流环境的另一个典型特征水下磨光面则在样品中未出现。

碟形坑[图4(g)]是风成环境的良好标志, 其他环境一般无此特征[16]。碟形坑受化学作用影响较大, 一般会发生夷平作用, 低倍镜下观测较为平整。碟形坑直径一般在20～50 μm, 表面或发生侵蚀破坏, 或被硅质沉淀充填, 频率均值42.25%。

粘附碎片[图4(h)]是冰川环境的另一典型特征[15,24], 在样品中出现的频率较高, 均值21.25%。粘附碎片一般认为是冰川巨大压力所致, 分布于所有的样品中, 粘贴在石英砂表面, 形态大小不一。

贝壳状断口根据形态规模可分为小、 中、 大贝壳状断口。小贝壳状断口在水流环境、 冰川环境均出现, 中、 大贝壳状断口常出现在冰川环境[16]。样品中小贝壳状断口频率均值13.75%, 中贝壳状断口[图4(i)]频率均值8.75%, 大贝壳状断口未出现。此外, 裂隙、 平行解理面、 台阶等在样品中频率较高。统计所有石英砂形态特征出现的频率, 可得图5。

4 冰期演化序列

4.1 望昆冰期

望昆冰期由吴锡浩等[11]命名, 望昆冰碛覆盖于羌塘组之上, 羌塘组古地磁测年表明其年龄在0.73 Ma之前[25], 则望昆冰碛形成在此之后。伍永秋等[12]根据望昆冰碛石英砂的TL年龄和ESR年龄将冰期年龄限定为700～500 ka B.P.。KLM1603的ESR年龄仅300 ka B.P., 样品采集于冰川漂砾下部, 采样深度达100 cm, 漂砾下方的冰碛物一般受后期的改造较小, 采样深度又足够深, 可以保证样品采于新鲜面, 因此, 推测样品年龄较年轻可能与望昆冰期后的构造活动、 冻融作用和间冰期融水改造有关。据陈艺鑫等[26]的研究, 望昆冰期后, 西大滩发生左旋走滑断裂, 冰碛物向东走滑移动30 km, 同时抬升了1 500 m, 使望昆冰碛抬升至现今位置, 同时位于顶部的冰碛物易受到冻融等作用改造而顺坡滑动, 导致所采样品年龄相对较年轻。孢粉分析显示, 孢粉浓度很低, 仅10粒/g, 原因可能有3个： 其一, 望昆冰期时代较老, 孢粉不易保存, 遭受到后期破坏； 其二, 望昆冰期时气候寒冷干旱, 附近生长植被有限, 孢粉可能从远处乘风飘来, 反映较远地区的植被类型； 其三, 前两种原因皆存在, 但所占比重不同。笔者倾向于第二种解释, 如垭口冰期距望昆冰期较近, 但其孢粉浓度达107粒/g。其中草本植物(82.69%)以藜科(40.38%)、 蒿属(17.31%)为主, 木本植物(17.31%)以松树(13.46%)和云杉属(3.85%)为主, 藜科、 蒿的大量出现, 表明望昆冰期时气候偏干, 远处的植被类型是藜科为主的草原。图5(a)显示KLM1603中水流环境出现的频率大致与冰川环境相等, 远高于化学特征和风成环境, 因此, 望昆冰碛受流水改造的影响较大, 然现代地貌无水流出现, 可能与间冰期冰川融水改造有关。

4.2 垭口冰期

垭口冰期由伍永秋等[12]命名, 发现垭口冰碛垄于63道班附近, 根据其上土壤层和同时代风成砂的TL年龄262.73 ka B.P., 确定垭口冰期时代为260 ka B.P.。笔者于64道班附近发现表面略微起伏的冰碛台地, 冰碛台地剖面存在分层, 上层为黏土砾石层, 下层为砾石层。KLM1604采集于上层底部, ESR年龄为280 ka B.P., 因下部含有较厚的冰碛砾石层, 表明垭口冰碛形成于280 ka之前, 推测垭口冰期时代为300～260 ka B.P.。KLM1604中孢粉浓度达107粒/g, 草本植物花粉(78.63%)中有藜科(32.48%)、 蒿属(14.53%)、 菊科(14.53%), 木本植物花粉(21.37%)中有松属(9.40%)、 云杉属(2.56%), 反映植被类型为藜蒿草原, 附近散布有栎、 云杉等组成的针阔叶林及沙棘、 麻黄等灌木植被, 气候寒冷干旱。黏土砾石层表明垭口冰期后期气候相对转暖, 化学风化增强, 导致冰碛物中黏土含量增多。图5(b)显示垭口冰碛受风的影响很大, 说明垭口冰期时气候寒冷干旱； 水流成因较高可能与黏土的含量有关, 也指示垭口冰期后期气候相对早期变暖。

4.3 末次冰期

国际上对末次冰期的绝对年龄划分为115～11.6 ka B.P., 其中末次冰盛期为21～19 ka B.P., 新仙女木期为12.9～11.5 ka B.P.[27-29]。

4.3.1 玉虚峰冰期

玉虚峰U形谷出口附近残存两道侧碛垄, 因为冲沟的破坏, 侧碛垄保存不太完整。第一道侧碛垄靠近谷地源头, KLM1602的OSL年龄为(93.60±10.71) ka B.P., ESR年龄为150 ka B.P.。如果考虑ESR测年有可能偏老数千年[29], 则第一道侧碛垄的形成时间大致在末次冰期早期。

第二道侧碛垄靠近谷地出口, KLM1601的OSL年龄为(43.79±5.01) ka B.P., ESR年龄为65 ka B.P.。根据古里雅冰芯记录, 施雅风[29]将MIS 3分为两个暖峰夹一个冷谷。按Thompson等[30]所拟定的曲线MIS 3b冷期出现时间为54～44 ka。在此阶段, 青藏高原的阿尔金山、 天山的乌鲁木齐河以及欧洲、 北美洲等都发现了冰川前进, 因此, 第二道侧碛垄形成的时间大致在末次冰期中期。KLM1602中孢粉浓度为59粒/g, 仅发现草本植物花粉, 有藜科(42%)、 蒿属(22%)、 菊科(16%)等, 反映植被类型为以藜科为主的草原荒漠, 气候寒冷干旱。

此外, 玉虚峰U形谷中部的冰碛胶结程度较高, 因无良好的剖面未采样, 推测其为垭口冰期时的冰碛物。结合地貌分析, 靠近谷地源头和边缘, 推测有末次冰盛期和新冰期时冰碛堆积。根据现有资料, 将玉虚峰冰期的时间暂定为115～44 ka B.P., 大致与末次冰期早-中期对应。

4.3.2 本头山冰期

本头山冰期由吴锡浩等[11]命名, 样品采集于本头山冰碛台地剖面, KLM1605的OSL年龄为(12.94±0.61) ka B.P., ESR年龄为20 ka B.P., 时间大致处于末次冰盛期至新仙女木期。孢粉浓度仅12粒/g, 进一步证明孢粉的含量与沉积物形成的气候关系更为密切, 与沉积物的年龄关系较小。草本植物花粉(68.52%)中有藜科(29.63%)、 蒿属(18.52%)、 菊科(14.53%), 木本植物花粉(31.48%)中有松属(24.07%)、 云杉属(3.70%)。藜科、 蒿属、 菊科的大量出现表明当时的气候寒冷干旱, 松属表明气候偏凉, 因此当时的植被类型可能是草原型, 向远处逐步过度到针叶林。图5(c)显示, 冰碛物的流水特征和风成特征也比较显著, 反映出冰碛物经历过短暂的流水改造, 可能是末次冰消期气温升高, 冰川融水改造冰碛物。

5讨论

纳赤台冰期存在很大争议, 吴锡浩等[11]赞同, 伍永秋等[12]、 崔之久等[31]否定。纳赤台冰碛物分布于昆仑河两侧、 纳赤台后沟等地。伍永秋等[12]将纳赤台冰期否定大致为三点： 一是从地貌形态上看, 纳赤台后沟堆积物地貌形态表现为扇状； 二是砾石组构, 认为砾石磨圆很好, 排列有序, 砾石扁平面倾向上游, 属泥石流沉积[32]； 三是认为介于望昆冰期与垭口冰期的间冰期是大暖期, 持续时间长且气候尤为温暖[33-34]。

在野外考察中发现, 纳赤台后沟角峰数十个。南坡冰斗海拔4 300～4 800 m, 北坡冰斗海拔4 100～4 800 m, 纳赤台后沟为多条小型U形谷汇聚而成的冰川大U形谷, 一直延伸到昆仑河谷附近(图6)。纳赤台地区拥有如此显著的冰川侵蚀地貌, 但缺少相应的冰川堆积地貌与现实不符。退一步讲, 假设纳赤台后沟属泥石流沉积, 难么其物源也应该是冰碛物, 即泥石流沉积是对冰碛物的改造。纳赤台后沟沉积呈扇状是因为其属冰水扇沉积, 纳赤台后沟大U形谷上游为冰碛基座,中下游见高大的冰碛体, 沟口为冰水扇。纳赤台冲沟剖面主要为黄棕色砂砾层, 为冰水扇沉积。

纳赤台后沟剖面高15 m, 样品采集于距顶9 m处。KLM1606中孢粉浓度最低, 仅5粒/g, 草本植物花粉(86%)中有蒿属(32%)、 藜科(30%)、 葎草属(12%)等, 木本植物花粉(14%)中有松属(6%)、 云杉属(2%)等。蒿属、 藜科等大量出现表明当时的气候干旱, 松属和云杉的出现说明当时的气候偏凉, 但喜湿、 喜暖的蕨类孢粉并未出现, 因此, 纳赤台后沟沉积的形成时代绝不是一个大暖期。图5(d)显示, 出现频率最高的石英砂形态为擦痕, 频率为70%； 其次是机械V形坑, 频率60%, 然后是次棱脊和高起伏, 频率55%, 表明石英砂的磨圆很差。尽管机械V形坑出现频率很高, 但作为水流环境的典型特征水下磨光面未出现, 因此纳赤台后沟不属于水流沉积, 应该是冰川末端的冰水环境沉积。

吴锡浩等[11]根据地层的相互关系, 认为纳赤台后沟沉积形成于望昆冰期与垭口冰期之间。但KLM1606的ESR年龄仅16 ka B.P., 样品采集于冲沟剖面, 冲沟导致样品提前曝光, 其年龄已经不能代表纳赤台后沟沉积的埋藏年龄。崔之久等[31]将纳赤台后沟沉积的年龄限定为0.6～0.4 Ma B.P., 因此纳赤台冰期时间为600～400 ka B.P.。

6 结论

(1) 根据玉虚峰U形谷内两道侧碛垄的冰碛物OSL、 ESR年龄将玉虚峰冰期的时代暂定为末次冰期早-中期。

(2) 根据纳赤台后沟的冰斗海拔和沉积物的沉积特征、 SEM特征以及孢粉信息, 将纳赤台后沟沉积划归为冰水扇沉积, 纳赤台冰期时间暂定为600～400 ka B.P.。

(3) 综合昆仑山垭口地区的冰川地貌、 冰碛物的沉积特征、 SEM特征和孢粉信息等, 结合冰碛物的OSL和ESR年龄, 将垭口地区的冰期序列厘定为望昆冰期(700～500 ka B.P.)、 纳赤台冰期(600～400 ka B.P.)、 垭口冰期(300～260 ka B.P.)、 玉虚峰冰期(115～44 ka B.P.)、 本头山冰期(20～13 ka B.P.)。

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