山東蒙山第四紀冰川、黃土、水系沉積物與MIS對比研究

王照波　王江月　張劍

摘要： 為了確定山東蒙山佛塔谷一帶的第四紀冰川、黃土、水系沉積物與MIS的對應關系，對該區冰川遺跡進行了詳細調查，并對冰川、黃土和水系沉積物進行年代學研究。對比研究了蒙山地區各類地層沉積與深海氧同位素演化階段的對應性，建立了冰川、黃土、水系沉積物與環境演化的內在關系;詳細對比了全新世、晚更新世冰川、黃土、水系沉積物與MIS的關系，初步對比了中更新世冰川沉積物與MIS的關系。我國東部各類第四紀沉積物與MIS之間具有良好的對應關系，從沉積層序與環境演化的角度，確認了蒙山及我國東部地區存在第四紀冰川作用的事實。

關鍵詞： 冰川遺跡;黃土;MIS;第四紀;蒙山;山東

中圖分類號：P343.6

文獻標識碼：A

文章編號：2096-1871（2019）02-081-10

自1922年李四光先生提出太行山東麓存在第四紀冰川遺跡的觀點[1-2]以來，我國東部中低山區有無第四紀冰川的問題就長期爭論不斷[3-7]。山東蒙山地區第四紀冰川組合遺跡的發現及相關研究工作[8-12]，也引起了激烈的學術爭論[13-14]。對沉積物的形成環境進行還原，是解決中國東部有無冰川之爭的重要手段。冰川、黃土、水系沉積物均為氣候環境的產物，因而一定區域的沉積物之間必然存在內在關聯。近些年來，深海氧同位素階段（Marine Isotope Stage，簡稱MIS）研究，為探討第四紀沉積環境演化提供了線索，研究沉積物形成時代與MIS的對應關系，既可系統地掌握區域環境演化規律，又可判別沉積物的形成環境。

多年來，筆者對蒙山地區第四紀冰川組合遺跡進行研究。該區第四紀冰川組合遺跡保存好且類型豐富，存在冰川、黃土和水系沉積物，為研究各類沉積物與氣候演化的耦合關系提供了基礎條件。本文通過在蒙山南坡佛塔谷一帶進行野外地質調查，探討該區第四紀冰川、黃土、水系沉積物與MIS的對應關系，進一步證實蒙山及我國東部地區存在第四紀冰川作用的事實。

1 地質特征

本文選擇蒙山南坡全新世孔家白壤地層剖面（編號：1）、晚更新世汪家坡地層剖面（編號：2）和佛塔谷冰磧分布區（編號：3）進行研究。以上研究地點最遠相距8 km，處于同一氣候環境影響區。

1.1 孔家白壤剖面

該剖面位于蒙山南麓平邑縣孔家白壤村東河岸，主要出露全新世地層（圖1，圖2），底部沉積在晚更新世大站組（馬蘭黃土）之上[15]，主要為臨沂組與黑土湖組。臨沂組厚2.1 m，黑土湖組厚0.9 m。黑土湖組底部沉積年齡為7.6～7.8 ka，臨淄聞韶剖面沉積年齡為11.78 ka[16]。

1.2 汪家坡剖面

該剖面位于蒙山南麓汪家坡村北溫泉附近（圖1，圖2），東距佛塔谷3.7 km，剖面巖性分層清晰，總厚16.4 m，底部沉積在太古宙片麻狀花崗閃長巖上。該剖面與張夏大沙河剖面和章丘埠西剖面[16]具有對應性。根據地層特征及年代學資料，認為汪家坡地層剖面對應于大站組[17]，上部黃土直立節理發育，形成近5 m的黃土臺，現黃土臺大部分已被取走，底部只有黃土殘留。

1.3 佛塔谷冰磧分布區

蒙山地區佛塔谷—蘭溪一帶冰川遺跡類型最豐富，形成清晰可辯的冰磧序列。根據冰磧物及其擦痕特征，佛塔谷冰磧物可劃分為6個段落（圖3）。在佛塔谷上游蘭溪峽冰川槽谷中可見磨光面、擦痕、新月形鑿口、新月形裂紋、新月形斷口和逆沖擦痕等遺跡。蘭溪冰川槽谷上游分布海拔最高的冰磧壟Ⅰ（圖4（a）），下游分布時代較新的冰磧壟，其中Ⅱ、Ⅲ段落冰磧壟（圖4（b）、（c））中的礫石表面可見擦痕和顫痕[8-11]，Ⅳ—Ⅵ段冰磧壟（圖4（d）、（e）、（f））表面分布大型漂礫，由于長期受風化剝蝕作用影響，礫石表面已無法觀察到擦痕。Ⅶ段冰磧沉積物被黃土覆蓋，僅在局部開挖的溝渠中可觀察到出露情況（圖4（g））。

1.3.1 Ⅰ號冰磧帶

該冰磧壟分布在蒙山南坡海拔700～770 m的溝谷內，巨石疊置呈壟狀，長20～30 m，高3～5 m，寬5～9 m。由于搬運距離短，礫石多呈棱角狀和次棱角狀，礫石之間的空隙發育，空隙中缺少砂土充填（圖4（a））。礫石磨光面發育，可見擦痕等刻蝕遺跡，但數量相對較少。由于樹木遮蔽，巖石表面易生長苔蘚類植物。

經宇生核素樣品測試，該冰磧壟獲得了5.27 ka的年齡值，為全新世中期沉積物，屬于清榮冰期[12]。

1.3.2 Ⅱ號冰磧帶

該冰磧分布在蒙山山前情人谷、攔馬、瑤池和西山神地區，順山谷方向延伸，呈壟狀，冰磧壟出露海拔350～450 m，長度近百m，也可達200 m。典型沉積出現在佛塔谷攔馬墻和鱷魚口村（圖3Ⅱ），由大小不一的石塊構成壟狀，礫石以次圓狀為主，直徑多為0.3～2 m，個別可達7 m。礫石之間空隙發育，無泥沙充填，缺少植被，礫石表面新鮮，基本無明顯風化（圖4（b））。礫石表面普遍分布清晰的磨光面、擦痕、顫痕、新月形鑿口、弧形擦痕等冰川刻蝕遺跡。條痕石上的擦痕短粗，具有多向性。根據冰磧壟兩側礫石賦存狀態，冰流一側具有疊瓦狀特征。該冰磧壟為冰川向下滑動過程中，在轉彎處，冰體受北岸陡崖阻滯抬升，冰川攜帶的漂礫受重力影響發生側向滾落堆積，為側磧壟。

根據光釋光測年研究，該側磧壟形成的時間為8.2 ka。通過對壟中巨石與上游蘭溪槽谷谷壁巖石表面宇生核素樣品進行測試，獲得了7.01～9.95 ka的年齡值，屬于攔馬冰期[9，12]。

1.3.3 Ⅲ號冰磧帶

該冰磧分布在蒙山山前溝谷內，冰磧壟出露海拔為300～350 m，一般規模較大，長度約200 m，也可達300 m。典型沉積出現在佛塔谷鱷魚口村西側攔馬墻冰磧壟向下延伸的地段（圖3 Ⅲ），由多道分支狀的壟組成。壟由大小不一的石塊構成，礫石以次圓狀為主，直徑多為0.5～3 m，個別直徑達8 m，礫石之間充填泥沙，生長稀疏樹木（圖4（c））。礫石表面較新鮮，風化較弱的礫石表面可見磨光面、擦痕、顫痕、新月形鑿口、弧形擦痕等冰川殘留遺跡，風化較強的礫石表面較難保存。條痕石上的擦痕具有短粗和多向性特征。該冰磧遺跡中部多為礫石和泥沙混合沉積，為冰舌沉積。兩側由巨石組成的冰磧壟，具有明顯的擠壓排列特征，為側磧壟。

根據光釋光測年研究，該冰磧壟年齡為18.2 ka和22.5 ka，說明其形成于晚更新世，對應于末次冰期晚冰階，屬于蒙山冰期[9]，對應于末次盛冰期（LGM）。

1.3.4 Ⅳ號冰磧帶

該冰磧分布在佛塔谷和情人谷，典型沉積分布在佛塔谷（圖3Ⅳ，圖4（d）），海拔為265～400 m，由泥沙和石塊組成混雜堆積。壟的表面稀疏分布的巨型漂礫是特征性標志，如駱駝石、子夏石、救命石和壽桃石等。在蒙山山麓地帶，組成巨型漂礫的巖石多為二長花崗閃長巖，表面為厚約10 cm的灰黃色粉砂質黏土。礫石表面風化較嚴重，已無法觀察到擦痕等刻蝕遺跡。沉積層順谷展布，為側磧壟，分布數百噸的巨型漂礫。該冰磧壟明顯受后期洪水沖蝕作用影響，在其前端內側形成明顯的沖蝕弧（圖3），Ⅱ、Ⅲ冰磧壟分布在沖蝕弧內。

根據光釋光測年研究，該冰磧壟獲得的年齡值分別為74.0 ka、59.9 ka、72.8 ka和72.7 ka，為末次冰期早冰階，東山冰期，屬于晚更新世。

1.3.5 Ⅴ號冰磧帶

在佛塔谷下游分布較古老的冰磧沉積，形成相對獨立的地帶。在環山路與孟家莊之間的冰磧堆積（圖3Ⅴ，圖4（e））賦存海拔為230～265 m，順山谷呈條帶狀延伸，為混雜堆積，地表分布巨石帶，石塊之間有灰黃色粉砂質黏土充填。

1.3.6 Ⅵ號冰磧帶

該帶分布在孟家村及下游，由于受地形影響，分叉向兩個方向延伸（圖3Ⅵ，圖4（f）），賦存海拔為180～230 m。因石塊分布零星，多已開墾為田地，在溝谷中可見沉積剖面，剖面總體為礫石和砂組成的混雜堆積，覆蓋約20 cm的紅褐色黃土。

1.3.7 Ⅶ號冰磧帶

在Ⅵ冰磧帶向下游延伸的地區有冰磧沉積分布，但被黃土覆蓋，地表很難見到（圖3Ⅶ，圖4（g）），僅在陳家莊水庫溢洪道中可見，其上被厚約3 m的黃土覆蓋。該處冰磧為典型的混雜堆積，其中有3 m×2 m的巨型礫石分布于砂礫中。砂礫表面呈灰褐色，具有一定的固結性。經調查，該冰磧可延伸到海拔160 m的地區，再向前則消失。

2 年代學特征

為了理清蒙山地區第四紀沉積事件的時序，筆者在該區進行了詳細野外地質調查與年代學研究。采用光釋光、宇生核素和C14等測年方法，其中MS01、MS2-1、MS2-2光釋光年齡及 MS1、MS2、MS4、QR01宇生核素年齡已發表[9，12]，其他年齡數據為本文實測數據。

2.1 光釋光測年樣品采集與測試

本次共采集光釋光測年樣品6件，MS03-1和MS03-2取自汪家坡地層剖面底部黑色粉砂質泥塊，大小為15 cm×15 cm。樣品用3層黑色塑料袋包裹遮光，外面用泡沫包扎，驅車送至實驗室。MS03-3、MS03-4、MS04-1和MS05-1采用直徑3 cm的鋼管取樣。取樣前，入土端用泡沫嚴實封堵后砸入沙土中，待管中沙土充滿后拔出鋼管，對入土端避光封堵捆扎，用黑色塑料袋封裝，再用膠帶纏繞捆扎，標注采樣號，確保樣品不透光、不混樣。取樣位置選在剖面出露處，盡可能選在巨石漂礫下側20 cm處，清理表土至原始沉積后再取樣。樣品實驗室處理及詳細測試過程見參考文獻[9]，測試結果如表1所示。

對測試結果進行校驗，發現MS03-1與MS03-2滿足誤差范圍，分析數據可靠。MS03-3、MS03-4、MS04-1和MS05-1超出誤差范圍，分析數據僅供參考。MS03-3、MS03-4、MS04-1和MS05-1取樣位置均位于同一冰期沉積地段（圖3 Ⅳ），結合前后冰磧沉積物獲得的年齡值，認為這些數據雖誤差較大，但仍具有參考意義。

2.2 宇生核素測年樣品采集與測試

利用多種測年方法交叉驗證，考慮各種測年方法的誤差允許范圍，本文同時選擇宇生核素測試方法，選擇野外易辨認、位置開闊的側磧壟中的大型漂礫及冰川槽谷谷壁（圖3）。采集含石英較多的花崗閃長巖或石英脈體，厚2 cm的表層巖石作樣品，每件樣品重約3 kg。

樣品 （編號：FT02）采于佛塔谷孟家莊村后大型漂礫表面，采樣地點見圖3。樣品為巨型冰磧礫石表面厚2 cm的片麻狀花崗閃長巖，巖石表面堅硬，具有較強的抗風化能力，表面已無法觀察到擦痕，表明其經歷了長期的風化剝蝕作用。樣品測試結果見表2，對獲得的年齡按1 mm風化速率進行校正。經校驗，該測試數據可靠，樣品實驗室處理與測試過程見參考文獻[12]。

2.3 14C測年樣品采集與測試

樣品采自汪家坡剖面底部黑色淤泥層植物殘留體，呈長柱狀，黑褐色，具有一定韌性，長2.2 cm，寬2 mm，厚0.5 mm，從淤泥中分離后與其他殘塊一并裝入塑料封口袋，編號后送至實驗室。在美國Beta實驗室完成實驗測試，實驗過程符合美國ISO/IEC 17025：2005 Testing Accreditation PJLA #59423標準要求。

由于采集樣品沉積時間久遠，14C已接近放射性碳的衰變極限，檢測到的含量已極其微弱，獲得了> 43.5 ka的開放性年齡值（表3），鑒于14C檢測極限一般約50 ka，表明沉積時間為43.5～50 ka。同層位獲得的光釋光年齡分別為46.0±4.6 ka和50.6±5.1 ka，從而約束該剖面底部黑色淤泥層的沉積年齡為46.0～50.6 ka，表明本文獲得的14C測試數據具有參考價值。

以上年代學研究為該區沉積物與MIS對比研究提供了年代學數據支撐。盡管測試方法不同，但這些測年數據與冰磧遺跡的分布具有明顯的規律性，自下而上，隨海拔升高，形成時代越來越新，年齡值越來越小。

3 冰川、黃土、水系沉積物與MIS 對比

深海沉積物底棲有孔蟲的δ18O 含量變化可推斷不同時期溫度和全球冰量的變化，反映冰期與間冰期的環境交替。MIS曲線奇數階段為暖期，對應間冰期（階）;MIS曲線偶數階段為冷期，對應冰期（階）。此外，MIS曲線完整記錄了全球氣候的演化規律[19]。將第四紀沉積物年齡與深海氧同位素階段曲線（MIS）進行對比，可推斷沉積作用發生時的環境特征。

3.1 全新世沉積與MIS 1的關系

湖北神農架大九湖泥炭沉積物元素地球化學、同位素地球化學和孢粉研究表明[20]，我國東部存在明顯的8.2 ka與9.2 ka的降溫事件，而9.2 ka事件降溫幅度遠超過8.2 ka事件，說明我國東部全新世早期強烈降溫。湖北神農架大九湖全新世泥炭Rb/Sr地球化學氣候記錄曲線（圖5）限定全新世中期降溫事件發生在4.66～5.66 ka B.P.[20]，該降溫期在蒙山海拔約750 m的山谷已形成冰磧壟，表明該時期蒙山地區海拔750 m的山谷存在冰川作用，對應清榮冰期[12]，該冰期發生在黑土湖組與臨沂組沉積之間。在蘭溪冰川槽谷下游形成攔馬墻冰磧壟，光釋光測年獲得8.2 ka的年齡值，屬于攔馬冰期[9]。該冰磧宇生核素測年獲得了7.01～9.95 ka的年齡值，為全新世早期，該冰期處于黑土湖組與大站組之間（圖5）。黑土湖組形成時間為全新世早期，年齡值為7.6～7.8 ka，屬于典型的MIS 1大暖期沉積。

3.2 晚更新世沉積與MIS 2、MIS 3和MIS 4的關系

晚更新世末次冰期階段的冰期與間冰期氧同位素演化規律明顯，其中SPECMAP 冰芯曲線記錄與極地冰芯研究均顯示末次冰期對應于MIS 2—MIS 4 （圖6（a）、（b）、（c），青藏高原古里雅冰芯記錄（圖6（d））詮釋了中更新世晚期以來的氣溫演化規律[21]，對于重建我國東部晚更新世沉積事件與MIS的關系具有重要的參考。

MIS 2階段：汪家坡剖面上部黃土沉積屬于晚更新世形成的馬蘭黃土。蒙山攔馬墻下部冰磧沉積物年齡為18.2～22.5 ka，表明該段冰磧對應于末次冰期的MIS 2階段（圖6），即蒙山冰期，對應于末次盛冰期（LGM）。

MIS 3階段：汪家坡剖面下部河流相沉積黃褐色砂、含礫砂層，其間黑色淤泥夾層中植物殘體的14C年齡>43.5 ka B.P.，同層的2個樣品光釋光年齡分別為46.0±4.6 ka 和50.6±5.1 ka，確定該段河流相沉積時間為晚更新世，對應于末次冰期的MIS 3階段（圖6）。該時段，佛塔谷具有清晰的洪水作用痕跡，即在早期MIS 4階段形成的冰磧壟上，形成明顯的沖蝕弧。

MIS 4階段：在攔馬冰期、蒙山冰期冰磧壟外側與下游冰磧壟上獲得光釋光年齡值為55～72 ka，對應于末次冰期MIS 4階段，即東山冰期（圖6）。

3.3 中更新世沉積與MIS間的關系

MIS 4之下的中更新世冰磧和地層沉積較古老，蒙山地區尚未發現完整的沉積剖面，也未獲得有效的年齡值，故僅對該時段進行初步分析。

3.3.1 Ⅴ號帶冰磧與MIS6-10

Ⅴ號帶冰磧分布在環山路與孟家莊之間，獲得的宇生核素年齡值為45.9 ka，屬于MIS 3階段。因樣品取自冰磧壟石塊，曾受MIS 3階段洪水沉積干擾，樣品FT01受后期影響，未獲得測試數據。MIS 3在佛塔谷形成明顯的洪水沖蝕弧，在汪家坡剖面形成大規模的洪水沉積，說明該年齡與MIS 3的覆蓋與前期沉積有關。應為MIS6-10階段的產物（圖7），對應于國際通用的里茲冰期，在西部高原區稱為倒數第二次冰期[21-22]，該冰磧對應于廬山冰期，具體沉積時間應為130～400 ka，為中更新世。

3.3.2 Ⅵ號帶冰磧與MIS12-14

廬山冰期冰磧下游堆積的冰磧沉積，暫無測年數據。根據冰期劃分，對應于MIS12階段和MIS14階段（圖7），對應于國際通用的民德冰期，在西部高原區稱為倒數第三次冰期[22-23]，對應于大姑冰期。根據MIS對比，其形成時間應為620～450 ka，為中更新世。

3.3.3 Ⅶ號帶冰磧與MIS16-18

向下游延伸，冰磧沉積被黃土覆蓋，局部溝谷可觀察到VII號帶冰磧。根據冰期劃分，對應于MIS16階段和MIS18階段（圖6），對應于國際通用的貢茲冰期和中國東部鄱陽冰期。根據MIS對比，其形成時間為750～680 ka，為中更新世。

4 討論

4.1 MIS3在蒙山地區的存在形式

汪家坡剖面大站組底部砂礫石層厚約5.6 m，代表古洪水沉積相，古洪水發生的時間約為4.6 ka。佛塔谷冰磧分布區，在MIS 3階段形成東山冰期冰磧壟上留下沖蝕弧（圖3），是洪水沖蝕作用留下的印記，是MIS 3在蒙山地區的遺存標志。

4.2 蒙山地區最古老的冰磧

目前，蒙山地區規模最大的冰磧可能并不代表蒙山地區最古老的冰期遺跡。通過MIS對比，發現在鄱陽冰期（MIS16、MIS18和MIS20）之前存在更古老的降溫時段（如MIS 22）（圖7），但由于MIS16冰磧規模宏大，對更老的冰磧產生破壞與覆蓋，將以往冰期遺跡“涂掉”。據此，推斷蒙山地區應存在更古老的冰磧遺跡。

4.3 蒙山冰川作用與喜馬拉雅山抬升的耦合關系

根據MIS對比分析，蒙山地區冰川作用與西部高原區冰川作用具有同步性，但東部冰川的控制氣候因素為東亞冷槽[10]。東亞冷槽的形成是否與喜馬拉雅山的隆升具有密切關系？根據筆者冰斗系統最新研究成果，發現即使青藏高原不隆升，我國東部在第四紀似乎仍存在冰川作用[24]，這需要進一步開展研究工作。

5 結論

（1）在沉積時序上，冰川、黃土與水系沉積物明顯疊加，共同組成了我國東部沉積序列，是我國東部第四紀沉積的基本特征。

（2）蒙山地區存在第四紀冰川遺跡，我國東部中低山區曾存在第四紀冰川活動。

（3）蒙山冰川沉積物與MIS間具有密切的對應關系，我國東部和西部地區的冰川作用過程與全球氣候變化之間具有同步性。

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Comparison of the Quaternary sediments from glaciers， loess and stream

with the Marine Isotope Stages （MIS） in Mengshan， Shandong

WANG Zhao-bo1，2，3，WANG Jiang-yue4，ZHANG Jian5，

（1. Shandong Compass Mineral Exploration co.， Ltd ， Linyi 276006，China;

2. Yimeng National Geological Park Management Office， Linyi 273304， China;

3. Laboratory of Gold Mineralization Process and Resource Utilization， Ministry of Natural Resources，

Jinan 250013，China; 4. College of Geography and Travel， Qufu Normal University， Qufu 276800， China;

5. Qingdao Institute of Marine Geology， China Geological Survey， Qingdao 266071，China）

Abstract：A detailed investigation of the glacier relics and chronological research on the sediments of glaciers， loess and stream in the Pagoda Valley of Mengshan were carried out to determine the relationship between the sediments of the Quaternary glaciers， loess and stream， and Marine Isotope Stages （MIS）. Understanding the relationship of various strata sedimentation in the Mengshan area and MIS evolutionary stages can help construct the intrinsic relation of these sediments with environment change. The analysis of the sediments in glaciers， loess and stream and MIS during the Holocene and late Pleistocene， and the preliminary analysis of glacier sediments and MIS especially in middle Pleistocene， reveals a well coupling relationship between these Quaternary sediments and Marine Isotope Stages（MIS）， and confirms the fact that a Quaternary glaciation occurred in Mengshan and eastern China from the perspective of the sedimentary sequence and environment evolution.

Key words：glacier relics;loess; Marine Isotope Stages （MIS）; Quaternary; Mengshan; Shandong