中国第四纪冰川研究的现状与争议:兼记首届“中国第四纪冰川与环境变化”研讨会

日期:2019.12.24 阅读数:66

【类型】期刊

【作者】赵井东,王杰,殷秀峰(中国科学院寒区旱区环境与工程研究所冰冻圈科学国家重点实验室;兰州大学西部环境教育部重点实验室)

【作者单位】中国科学院寒区旱区环境与工程研究所冰冻圈科学国家重点实验室;兰州大学西部环境教育部重点实验室

【刊名】冰川冻土

【关键词】 第四纪冰川;冰川地貌;冰期与间冰期旋回;青藏高原;中国东部

【资助项】国家自然科学基金项目  (41071010;41171063;41230743);中国科学院知识创新工程重要方向性项目  (KZCX2-EW-QN304);冰冻圈科学国家重点实验室自主课题...

【ISSN号】1000-0240

【页码】P119-125

【年份】2019

【期号】第1期

【期刊卷】1;|7;|8;|2

【摘要】冰川是塑造地表形态最积极的外营力之一,对第四纪冰期与间冰期旋回中冰川进退留下的丰富且形态独特的冰川地形的研究,不仅能重建古冰川时空演化的规律,在构造活跃的山区还可为山体抬升提供重要的理论参考.2012年8月,中国从事冰川地貌与环境变化研究的学者相聚兰州,总结了以技术定年为主要特征的第四纪冰川研究新阶段取得的成绩与突破,并探讨了现阶段工作的重点及未来的发展方向.与会代表认为,可对冰川地形进行直接定年的测年技术的发展与应用,促进了我国第四纪冰川研究的发展,现阶段及今后应着重加强与开展如下几个方面工作:1)精确年代学框架的建立是现阶段我国第四纪冰川研究的重点;2)青藏高原及周边山地最老冰碛的追溯及其年代测定是回答我国第四纪冰川开始发育的关键,也是理解青藏高原构造抬升与冰期气候耦合的内在要求;3)我国东部(105°E以东)第四纪冰川与环境问题需作进一步的研究与澄清,科普工作亟待加强.

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中国第四纪冰川研究的现状与争议<br /><span class="subtitle" />——兼记首届“中国第四纪冰川与环境变化”研讨会

中国第四纪冰川研究的现状与争议
——兼记首届“中国第四纪冰川与环境变化”研讨会

赵井东1,王 杰2,殷秀峰1

(1.中国科学院 寒区旱区环境与工程研究所 冰冻圈科学国家重点实验室,甘肃 兰州 730000;2.兰州大学 西部环境教育部重点实验室,甘肃 兰州 730000)

摘 要:冰川是塑造地表形态最积极的外营力之一,对第四纪冰期与间冰期旋回中冰川进退留下的丰富且形态独特的冰川地形的研究,不仅能重建古冰川时空演化的规律,在构造活跃的山区还可为山体抬升提供重要的理论参考.2012年8月,中国从事冰川地貌与环境变化研究的学者相聚兰州,总结了以技术定年为主要特征的第四纪冰川研究新阶段取得的成绩与突破,并探讨了现阶段工作的重点及未来的发展方向.与会代表认为,可对冰川地形进行直接定年的测年技术的发展与应用,促进了我国第四纪冰川研究的发展,现阶段及今后应着重加强与开展如下几个方面工作:1)精确年代学框架的建立是现阶段我国第四纪冰川研究的重点;2)青藏高原及周边山地最老冰碛的追溯及其年代测定是回答我国第四纪冰川开始发育的关键,也是理解青藏高原构造抬升与冰期气候耦合的内在要求;3)我国东部(105°E以东)第四纪冰川与环境问题需作进一步的研究与澄清,科普工作亟待加强.

关键词:第四纪冰川;冰川地貌;冰期与间冰期旋回;青藏高原;中国东部

0 引言

青藏高原及周边山地高峻的地势,有利的地形以及季风、西风环流等带来的较为丰富的降水,使其成为除两极之外最大的现代冰川作用中心.第四纪冰期与间冰期旋回中,这些冰川均发生了规模较大的进退.冰川区丰富、形态独特的冰川侵蚀与沉积地形是古冰川变化最直接的证据,记录了重要的气候变化信息.对它们进行研究可获得古冰川的规模、期次、类型与性质等信息,进而恢复古冰川时空变化的规律与冰冻圈演化的模式,为高亚洲古气候研究与古环境重建提供可靠的信息.现有研究资料表明:无论是青藏高原及其周边山地的现代冰川还是第四纪冰川都是以高大山体为依托发育的,山地抬升与第四纪期间全球性冰期气候的耦合则是冰川发育的根本原因[1-2].因此,第四纪冰川研究可为青藏高原隆升及其周边山地的抬升等研究提供理论支持.

我国东部地区(105°E以东)无现代冰川发育.从中国第四纪冰川的研究史来看,李四光[3]以庐山为中心创立的四次“冰期”开启了中国的第四纪冰川研究,由此也引发了中国地学界意见分歧最大的争论.随着科学技术的发展与相关学科研究的深入,20世纪80年代,施雅风等[4]认为我国东部中低山地泛冰川论假说存在重大的失误,东部地区仅有贺兰山、太白山、长白山与台湾高山存在确切的末次冰期冰川作用地形,其余山地均是各种地质地貌现象的误判.21世纪开始,一些学者将东部广大区域风成、水成、海成等多种成因形成的臼状地形称为“冰臼”,且作为冰川发育的证据[5-8],似乎我国东部第四纪冰川研究迎来了它的“第二春”.鉴于此问题在地学界分歧最大,很有必要再次进行深入地探讨与进一步澄清.

在上述背景下,2012年8月,国内从事冰川地貌与环境变化研究的学者相聚兰州,就中国第四纪冰川研究现阶段的工作重点、需要解决的关键问题以及未来的发展进行了探讨.与会代表认为:冰川地形的年代测定以及测年方法的综合运用是现阶段研究工作的重点;青藏高原及周边山地最老冰碛的追溯及其年代测定可回答我国第四纪冰川开始发育的时间问题,也是理解青藏高原构造抬升与冰期气候耦合的关键;我国东部第四纪冰川与环境问题还需作进一步地探讨与澄清,科普工作也亟待加强.

1 测年技术的发展及在中国第四纪冰川研究中的应用

精确的年代测定是第四纪冰川研究的基本要求,也是获得冰川时空演化规律的关键.宇宙成因核素(cosmogenic radionuclides,CRN)或陆源就地宇宙成因核素(terrestrial in situ cosmogenic nuclides,TCN)、光释光(optically stimulated luminescence,OSL)、电子自旋共振(electron spin resonance,ESR)等可对冰川地形进行直接定年的测年技术的发展与应用,促进了我国第四纪冰川研究的发展.

CRN测年技术是第四纪冰川研究中应用最成功的测年技术[9-11].它不仅可以测定冰川沉积物(冰川漂砾等)、冰蚀地形(基岩磨光面等)等的暴露年龄,而且还可以测定冰川沉积物的埋藏年龄.国内尚未建立专用于年代学研究的高能量级的质谱加速器(≥5MeV),加上复杂的样品处理工序与昂贵的测试价格,致使该测年技术的优势没有在中国第四纪冰川研究中得到应有的发挥.我国学者通过与外国学者合作,取得了一些成果与进展[12-15].OSL与ESR测年技术可测定冰川沉积物的沉积年龄.OSL测年技术已从最初的多测片法、随后的单片再生测定技术到渐趋成熟的单颗粒测定技术.近年来,我国学者也将OSL测年技术应用到第四纪冰川研究中,取得了一些进展[16-21].横断山地区的研究成果似乎表明冰碛物存在完全曝光的可能[17-19],但天山博格达峰地区冰川沉积物的OSL测年结果却显示,冰水沉积或冰碛中透镜体的测年结果更符合地貌地层关系,冰碛物可能存在曝光不完全的问题[20].ESR测年技术在第四纪冰川研究中的应用是我国学者的首创[22-23].根据山地冰川的结构与运动特征、冰川沉积中细颗粒物质的形成机制[24]、Ge心的光吸收能量带[25]以及冰川沉积样品的海拔等看,冰川沉积物里石英颗粒中Ge心似乎满足信号回零的先决条件.现有的研究成果多采用石英颗粒中对光照[25-28]与研磨[29]较敏感的Ge心作为测年信号取得的.

CRN、OSL与ESR测年技术的发展与应用推动了我国第四纪冰川研究的发展,但每种方法在实际应用中又或多或少地存在不足.CRN技术在第四纪冰川研究中的应用最为成功,但样品的选择与采集、岩石表面剥蚀速率、CRN的生成速率等都对测年的精准度有较大的影响.青藏高原及周边山地环境要素的空间组合差异较大,可基于历史记录或有精确年代控制的地质事件(如大的滑坡、山崩等)来获得岩石表面的剥蚀速率与CRN的生成速率,进而提高其测年的精准度.冰川沉积可能存在的曝光不完全问题是OSL测年技术在第四纪冰川研究中应用的最大障碍.除此之外,冰川沉积物中石英颗粒OSL信号弱、亮度低、灵敏度小以及信号热转移明显等问题也影响测年的精准度.我国第四纪冰川都是以高大山体为依托发育的山地冰川,冰川周围陡坡风化岩屑进入冰川前多已曝光.冰川在向下运动过程中,因冰下地形的起伏,冰川中存在大量的剪切面,使进入冰川的岩屑有曝光的机会,横断山地区的研究成果似乎说明了这点[17-19].故适当的样品采集策略、选取细颗粒物质、小测片或单颗粒测定技术将有助于解决冰川沉积物可能存在的曝光不完全问题.Duller[30]运用单颗粒测定技术解决苏格兰与智利境内冰川沉积曝光不完全的成功经验可作为我国第四纪冰川研究的借鉴.在ESR测年技术应用中,研究成果多是选取石英颗粒中Ge心作为测年信号取得的.虽然已有的报道显示,Ge心对光照与研磨都比较敏感[25-29].但冰川沉积物里石英颗粒中Ge心回零缺少直接的实验验证,尝试性实验似乎表明,冰川沉积物里石英颗粒中Ge心对光照与研磨并非如报道的那样敏感(与易朝路的个人通讯).此外,Ge心寿命也存在很大的差异,如凝灰岩里石英中Ge心寿命为3.1×107 a[31],Ikeya[32]认为Ge心寿命仅有几十万年.或许岩性与物源是石英中Ge心敏感性与寿命存在差别原因之一.故冰川沉积物里石英颗粒中Ge心寿命及其敏感性必须进行探讨,以期我们的研究结果得到更多国际同行的认可.

图1 OSL、CRN与ESR测年方法及其有效测试范围
Fig.1 The effective dating limits of the OSL,CRN and ESR dating techniques

两种或者两种以上测年技术的综合运用可提高测试年龄的可信度,这将是第四纪冰川研究的一种发展趋势,也是获得我国第四纪冰川年代学框架的关键.CRN、OSL与ESR测年技术都有其最佳的年龄测试范围(图1),对同一次冰川作用形成的冰川地形,综合运用两种或两种以上测年技术可提高测试年龄的可信度.这是建立可靠年代学框架的基本要求,也是测年技术在第四纪冰川研究中应用的发展趋势.

2 中国第四纪冰川发育与构造抬升

基于深海氧同位素记录、冰筏沉积以及其他地球化学指标获得的各大洲冰川发育史差异很大.随着研究的不断深入,其名称也从最初的第四纪冰期逐渐变更为新生代冰期[33].尽管南极大陆冰川史尚未十分清楚,但学者大多接受早在第三纪中期,~34Ma前南极就开始发育冰盖[34].格陵兰岛南部在晚中新世开始有冰川活动,3.5~3Ma前冰川扩展到整个格陵兰岛形成冰盖[35].北欧斯堪的纳维亚与巴伦支海冰川发育时间在2.8~2.5Ma前[36],北美大陆冰川活动始于2.7Ma前[37].基于我国第四纪冰川研究的年代学资料(表1),青藏高原及周边山地的第四纪冰川发育时间却晚的多,成了名副其实的第四纪冰川(图2).

青藏高原及周边山地的冰川发育条件要求不同于极地与高纬度地区.对于极地与高纬度地区,冰川发育对高度基本没有要求,只要达到冰川发育所需的温度与降水组合即可.但对于地处中低纬度的青藏高原及周边山地,冰川发育却需要气候、地势与地形等的有机组合.早在20世纪60年代,我国学者对希夏邦马峰地区与珠穆朗玛峰地区的第四纪冰川进行考察时就提出了山地构造抬升与冰川发育的关系,并认为希夏邦马峰冰期是喜马拉雅山地区最老的冰期[49-50].随着研究的深入,学者们逐渐意识到发生在距今0.7~1.1Ma昆(仑)黄(河)运动[51]与距今约0.15Ma的共和运动[52]对我国的第四纪冰川发育影响最大.昆(仑)黄(河)运动使青藏高原大面积进入冰冻圈,发育了高原最大冰期—昆仑冰期[45];共和运动使高原东缘的一系列山地抬升到与末期冰期气候耦合的高度,开始发育冰川.故青藏高原及周边山地的第四纪冰川发育除受气候影响外,还有构造抬升的影响[1-2,53].

表1 青藏高原及周边山地最早冰川活动的年代及相关信息
Table 1 The published data of the earliest glaciations in the Tibetan Plateau and its adjacent mountains

山系 地点 冰期名称 测年方法 年代/ka MIS 阶段 资料来源天山 乌鲁木齐河流域 高望峰冰期 ESR 477.1、459.7±46 12 文献[38]托木尔峰地区 青山头冰期 ESR 440.6±41.7 12 文献[39]东帕米尔高原 慕士塔格山 Karasu冰期 10Be 151~367 ≥6 文献[40]喀喇昆仑山 中喀喇昆仑山 Bunthang冰期 古地磁 >700 ≥18 文献[41]喜马拉雅山 Ladakh地区 印度河冰期 10Be >430 ≥12 文献[42]念青唐古拉山 宁中盆地 宁中冰期 ESR 600~700 16-18 文献[43]唐古拉山 唐古拉山垭口 唐古拉冰期 10Be、26 Al、21 Ne 169.3±15.1、161.7±13.2 6 文献[44]昆仑山 昆仑山垭口 望昆冰期 ESR、TL 710±228(ESR)、543.47±109.69(TL) 16 文献[45]祁连山 摆浪河流域 中梁赣冰期 ESR 462.9 12 文献[22]横断山 稻城古冰帽区 稻城冰期 10Be、ESR 571.2(ESR)、421~766(10Be) ~16 文献[46](ESR),[47](10Be)玉龙雪山 玉龙冰期 ESR 600~700 16-18 文献[48]

图2 全球各地新生代冰川发育的起始时间[33]
Fig.2 Onset of the Cenozoic glaciations in different regions around the world(information derived from[33]

冰川地形易受侵蚀、搬运与沉积等的影响或改造,保存的冰川地形往往是“断片残简”,特别是年代较为久远的冰川地形.但考虑到青藏高原及其周边山地剧烈的构造抬升,强烈的河流下切可致较老的冰川地形残存在台地、分水岭或谷肩等相对较高的位置,使青藏高原及其周边山地有保存较老冰川(沉积)地形的可能,这也使得我们追溯更老冰川遗迹成为可能.最老冰期的追溯与研究不仅能回答我国第四纪冰川开始发育的问题,还有助于我们理解构造抬升与冰期气候耦合等问题.各个山系进入冰冻圈的时间有先有后,对其最老冰期的追溯也有助于我国第四纪冰川同时性与异时性问题的探讨.

3 中国东部第四纪冰川与环境问题

我国东部地区的第四纪冰川研究的争议由来已久.20世纪80年代,基于沉积学、地貌学、冰川地质学、古气候学、古环境学等的研究成果与进展,施雅风等[4]否定了中国东部中低山地泛冰川论假说.在以技术定年为主要特征的新的研究阶段,台湾高山、长白山与贺兰山等地的冰川地形的年代学资料[21,54-55]进一步证实了施雅风等学者的部分结论.然而,自20世纪80年代末开始,韩同林[5]将我国东部南起海南,北至内蒙古等广大区域海成、水成、风成等多种成因形成的臼状地形当作是古冰川遗迹,在中国第四纪冰川研究领域造成一定程度的混乱,使初步涉足第四纪冰川研究的学者不知所措.新闻媒体不慎重的跟风报道,加上地方旅游部门的推波助澜,给不明就里的游客与读者传播了大量的错误信息.《发现冰臼》一书中冰臼群形成过程示意图与冰融水形成圆柱状滚流示意图都与事实不符.故在《中国第四纪冰川新论》[2]第七章,施雅风与郑本兴指出:韩同林将“Moulin”一词偷梁换柱的误用了,是韩同林在地貌学上的一种误读.特别指出“Moulin”是指冰川表面热融所成的负地形,涉及的是冰川冰而非冰川下覆基岩,国际上出版的多部冰川学经典论著中都有非常清晰的阐述[56-58].基于花岗岩地区臼状地形多发的现象,施雅风[59]针对性的提出了花岗岩“负球状风化”的成因解释.

近年来,山东丘陵似乎成为东部中低山地“泛冰川论”学者新的根据地,青岛附近的崂山更是“冰川地貌”类型齐全的“圣地”[6-8].在《崂山地质与古冰川研究》[6]中,李乃胜等将崂山东麓的坡积扇、岩屑堆、泥石流巨砾当成冰碛.推算末次冰期的崂山冰川物质平衡线的依据是已被Ono[60]研究否定了的日本末次冰期冰川物质平衡线值.冰川是一个地区综合气候的产物,平衡线分布具有一定的规律,它与周围环境有着千丝万缕的联系.根据太白山(34°N)、台湾雪山与南湖大山(24°~25°N)以及长白山(40°N)确切冰川地形及其年代学资料推算,太白山与台湾高山末次冰期冰川物质平衡线为海拔3500~3600m,纬度稍高的长白山约为海拔2200m[4].据此推得末次冰期时崂山理论冰川物质平衡线高度大约在海拔3000m,高出崂顶近2000m,故该区不具备冰川发育所需的条件.除此之外,李培英等[7]在《海岸带黄土与古冰川遗迹》中以及赵松龄[8]在《中国东部低海拔型古冰川遗迹》中将辽东半岛、山东半岛以及江浙等沿海地区的各种成因的侵蚀与沉积地形归因于古冰川作用.笔者认为,中国西部(105°E以西)发育有现代冰川并保存有丰富的第四纪冰川遗迹,是冰川学、冰川地貌学、冰川地质学等研究的天然试验场.施雅风、崔之久、李吉均等学者在我国西部现代冰川研究的基础上,开展第四纪冰川研究的经验可作为我国东部第四纪冰川与环境研究的借鉴,已建立的冰川地形的判别原则与方法可应用于第四纪冰川与环境问题的研究[4].此外,我国西部高寒地区数以万计的现代冰川与丰富、分布广泛的古冰川遗迹是独特的自然景观,也是有重要开发价值的旅游资源.加快我国(古)冰川旅游资源的保护性开发,既有利于冰川学知识的普及与研究成果的转化,也可取得良好的社会与经济效益.越来越多的人们到冰川区旅游观光与探险,也有助于我国东部中低山地“泛冰川论”错误观点的彻底纠正.

4 小结

测年技术的发展与应用,推动了我国第四纪冰川研究的发展.基于已有的年代学资料并参考地貌地层学法,考虑到高原及周边山地构造运动的重要影响,改进了800ka以来可与海洋氧同位素阶段(Marine Oxygen Isotope Stage,MIS)相比较的中国冰期与间冰期演化序列[61].高原及周边各大山系最老冰期冰碛的追溯与定年,将有助于理解构造抬升与冰期气候耦合等问题,也可最终回答我国第四纪冰川开始发育的时间问题.我国西部第四纪冰川研究的成功经验与建立的冰川地形的判别原则与方法有助于解决东部第四纪冰川与环境问题.拟于2013年10月在青岛召开的第二届“中国第四纪冰川与环境变化”研讨会,将对相关的问题与争议进行再次探讨.

致谢:在冰冻圈科学国家重点实验室与兰州大学西部环境教育部重点实验室的大力协助下,首届“中国第四纪冰川与环境变化”研讨会于2012年8月10—12日在兰州顺利召开,国内同行50余人参与了讨论,在此一并感谢.

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Quaternary Glaciations Research in China:Current Status and Controversy

ZHAO Jing-dong1,WANG Jie2,YIN Xiu-feng1
(1.State Key Laboratory of Cryospheric SciencesCold and Arid Regions Environmental and Engineering Research InstituteChinese Academy of SciencesLanzhou Gansu 730000,China ;2.Key Laboratory of Western China's Environmental SystemsMinistry of Education),Lanzhou UniversityLanzhou Gansu 730000,China

Abstract:Glaciers serve as very active geomorphic agents in shaping the landforms of glaciated regions,and are responsible for producing some of the most spectacular landscapes on Earth.During the glacial-interglacial cycles of the Quaternary,Glaciers advanced and retreated dramatically.As a consequence,abundant glacial landforms and sediments were presented in the glaciated regions.Studies of them can define the time,extent,properties and type of ancient glaciers.The relevant information could be used to reconstruct the spatial and temporal variations of the palaeo-glaciations.In tectonically active regions,these studies also can provide potential information on the history of uplift.In August,2012,Chinese scholars,whose studies focus on the glacial geomorphology and environmental variation,gathered in Lanzhou to review the achievements have been made during the past several years and to discuss the research emphases of present and in the future.Participants considered that research on Quaternary glaciations has entered a new stage,when accurate dating of glacial landforms and sediments become an emphasis.The dating techniques,including cosmogenic radionuclides (CRN),optically stimulated lumi-nescence (OSL),and electron spin resonance(ESR),have been developed,refined and widely applied.These dating techniques can potentially provide constraints on the ages of glacial sediments and landforms,which have promoted significant advances in research on Quaternary glaciations in China.Several works should be done at present and in the future.Firstly,to establish an accurate chronology framework for Quaternary glaciations is the critical work for Chinese scholars at present.Secondly,the timing of the oldest glaciations in the Tibetan Plateau and the bordering mountains is a fundamental requirement in understanding the glacier development coupling the uplift of the plateau,which will provide insight into understanding the glacier development in China.Thirdly,more work should be done to make clear that there were no palaeo-glaciers developed in the middle-low mountainous areas in the Eastern China beyond(105°E),except for the Changbai Mountain,Helan Mountain,Taibai Mountain and Taiwan Mountains.Chinese scholars should do more work to popularize the knowledge of Quaternary Glaciations and their related environments.

Key words:Quaternary Glaciations;glacial geomorphology;glacial-interglacial cycles;Tibetan Plateau;Eastern China

中图分类号:P534.63

文献标识码:A

doi:10.7522/j.issn.1000-0240.2013.0014

Zhao Jingdong,Wang Jie,Yin Xiufeng.Quaternary glaciations research in China:current status and controversy[J].Journal of Glaciology and Geocryology,2013,35(1):119-125.[赵井东,王杰,殷秀峰.中国第四纪冰川研究的现状与争议——兼记首届“中国第四纪冰川与环境变化”研讨会[J].冰川冻土,2013,35(1):119-125.]

收稿日期:2013-01-21;

修订日期:2013-02-06

基金项目:国家自然科学基金项目(41071010;41171063;41230743);中国科学院知识创新工程重要方向性项目(KZCX2-EW-QN304);冰冻圈科学国家重点实验室自主课题(SKLCS-ZZ-20120003);中国科学院青藏高原研究所环境变化与地表过程重点实验室开放基金项目资助

作者简介:赵井东(1976—),男,江苏沭阳人,副研究员,2007年在中国科学院寒区旱区环境与工程研究所获博士学位,现主要从事第四纪冰川与全球变化研究.E-mail:jdzhao@lzb.ac.cn

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