內蒙古鄂爾多斯高原古冰緣遺跡科學考察研究進展

何瑞霞，金會軍，2，蔣觀利，張澤，2，陳雪梅，Raul David SERBAN，3，Mihaela SERBAN，3，Jef VANDENBERGHE，Valentin V.SPEKTOR，Hugh M.FRENCH

（1.中國科學院西北生態環境資源研究院凍土工程國家重點實驗室，甘肅蘭州730000；2.東北林業大學東北多年凍土區地質環境系統教育部野外科學觀測研究站（內蒙古額爾古納）/土木工程學院/寒區科學與工程研究院，黑龍江哈爾濱100040；3.Applied Geomorphology and Interdisciplinary Research Centre，Department of Geography，West University of Timisoara，Timis 300223，Romania；4.Department of Earth Sciences，VU University，De Boelelaan 1085，1081 HV Amsterdam，Netherlands；5.Laboratory of General Geocryology，Melnikov Permafrost Institute，Russian Academy of Sciences，Yakutsk 677010，Sakha，Russia；6.Departments of Geography and Earth Sciences，University of Ottawa，Ontario，Canada；7.Department of Geography，University of Victoria，British Columbia，Canada）

0 引言

多年凍土環境歷史變遷過程的重建主要依靠古冰緣地貌現象。在眾多的冰緣現象中，冰楔、冰楔假形、砂楔和融凍褶皺對古氣候及古多年凍土分布最具指示意義，也經常被應用于古氣候和古環境重建的研究中［1-16］。利用古冰緣遺跡重建古環境，進而確定古凍土分界線，這在國外已得到廣泛應用。自1909年波蘭的Lozinski首次認識到冰緣現象對于古氣候具有指示意義后，德國Poser利用土楔、砂楔及伴生的凍融褶皺等冰緣證據對歐洲平原區域環境進行深入研究，確定出晚更新世玉木冰期最盛期歐洲平原古凍土南界［17］。自此，冰緣現象及冰緣與環境之間關系的研究在歐洲和北美廣泛開展［2，5，18-20］。20世紀60—70年代，歐美學者對多邊形楔狀構造已進行了諸多研究，并認為多邊形楔狀構造是古多年凍土存在的可靠標志［21-25］。Brunnschweiler［26］利 用 冰 緣 地 貌 反 演 古 環 境。Péwé［22］和Black［5］做了許多利用冰楔及其假形重建古環境的研究工作。Black［4］認為冰楔發育的界限年平均氣溫為-5℃，并利用此值重建了美國威斯康辛州西南部的古氣候。Péwé［21］建立了冰楔發育的-8～-6℃的界限值。Vandenberghe and Pissart［27］、Murton and Kolstrup［28］提出了大型冰卷泥與年均溫之間的關系，并指出楔狀地貌的形成與每年的最冷月平均氣溫 有 很 大 的 相 關 性。French and Millar［2］研 究 了LGM時期北美的凍土，并劃出了末次盛冰期北美凍土分布圖。Vandenberghe等［29］劃分了北半球在17 000年以來的多年凍土的范圍。Zhao等［30］劃分了中國LGM［（21±2）ka BP］的凍土分布。

我國是冰緣地貌最為發育的國家之一，但關于冰緣環境的研究起步較晚。裴文中（1957）對哈爾濱荒山晚更新世古冰緣現象的報道標志著古冰緣研究在我國逐步開展。此后，在中國內蒙古（Inner Mongolia Autonomous Region，IMAR）鄂爾多斯高原南部及山西大同發現了大量冰緣現象［6，8，11-13，31］。西部地區如青藏高原［32-34］、河西走廊及騰格里沙漠等［35-37］區域的古冰緣遺跡也相繼被報道。并有學者對冰緣現象形成時期的冰緣環境、凍土南界和凍土下界進行了恢復與重建［33，38-41］。以上這些都顯著促進了我國古凍土及古氣候環境的重建研究。鄂爾多斯高原是我國冰緣現象較為發育的地區之一，也是我國古冰緣現象和古沙丘研究較早的地區。繼周昆叔等［42］、閻永定［43］在該區薩拉烏蘇河流域發現了融凍褶皺等冰緣現象之后，董光榮等［8］曾報道這一地區末次冰期的冰緣現象，多位于該區南部的薩拉烏蘇河流域，多為小型冰卷泥、多邊形和砂楔。崔之久等［11-12］在內蒙古東勝、烏審旗等地區發現了眾多末次冰期冰緣地貌現象，并綜合鄂爾多斯高原以及中國北方多處冰楔群的資料，恢復了末次冰期中國北方多年凍土的南界及20 ka以來中國北方多年凍土環境。周天等［44］根據鄂爾多斯高原倒數第二次冰期冰楔假形，結合以往青藏高原倒數第二次冰期冰緣地貌劃定了中國倒數第二次冰期的多年凍土邊界。為了更加系統、全面的了解鄂爾多斯高原末次盛冰期（LGM）以來的凍土歷史演變過程及其界限、格局演變及氣候狀況，并準備、組織2020年國際凍土大會會后鄂爾多斯古凍土和冰緣地貌考察路線等，2018年5月28至6月2日，中國科學院西北生態環境資源研究院凍土工程國家重點實驗室與荷蘭自由大學地球科學系共同組成科研小組，對鄂爾多斯高原的古冰緣遺跡進行了詳細的科學考察，考察路線見圖1。此次考察重新發現和確認了許多晚更新世以來的古冰緣現象。其分布范圍廣、數量多、類型和形態多樣、剖面結構清晰、河湖相沉積地層齊全、極具系統性等，這在我國和世界其他中緯度地區也比較罕見。

圖1 2018年內蒙古鄂爾多斯高原古冰緣遺跡考察線及取樣點Fig.1 Map showing the sampling points for the study on periglacial phenomena on the Ordos Plateau，IMAR in 2018

1 考察結果及分析

在野外考察現場，各種褶皺及楔體形狀各異，成因復雜，容易引起不同的看法，因此需要首先簡單介紹判識方法及屬性。在結合判識方法的基礎上，對本區存在的冰緣遺跡進行了區分，對一些典型的冰緣遺跡采集了年代樣品、孢粉樣品及粒度分析樣品，同時對冰緣遺跡所指示的氣候環境做了初步的判斷。

1.1 古冰緣遺跡的基本判識方法

在多年凍土區形成融凍褶皺需要特定的地質條件，比如細粒土（如河湖或冰水相地層）并含有充足的水分，即季節融化層內有充足的水分，使土層達到飽和狀態。由于土體本身自重壓力，產生位移，即形成褶皺、卷曲或包裹狀。其形態多為對稱的波浪狀或舌狀，褶曲軸面傾角各半，并伴有逆掩狀砂土包裹體。褶皺體上、下界面清晰可見，其上下部，基本為穩定的水平層位。故，凍融褶皺的特征明顯不同于地震、滑坡及地質構造等形成的小型褶皺，即季節融化層內有充足的水分，使土層達到飽和狀態，由于土體本身自重壓力，產生位移，即形成褶皺、卷曲或包裹狀，其形態多為對稱的波浪狀或舌狀，褶曲軸面傾角各半，并伴有逆掩狀砂土包裹體，褶皺體上、下界面清晰可見，其上下部，基本為穩定的水平層位。

楔狀構造一般有冰楔假形、砂楔、礫石楔、土楔及混合楔。最主要的應將冰楔假形與砂楔區分開來。兩者之間的判別標準可歸納為如下幾個方面（表1）。結合判識方法，本區主要存在的冰緣遺跡為融凍褶皺和冷生楔體兩大類，并進一步將冷生楔體構造進行了區分。

表1 冰楔假型與砂楔的特征區別（基于文獻［1，48］綜合分析）Table 1 Comparison of characteristics for ice wedge casts and sand wedges（Analysis according to the Refs.［1，48］）

1.2 凍融褶皺

考察區域中的凍融褶皺主要分布于東南部低洼處，即無定河及其支流薩拉烏蘇河等河谷兩岸的河湖相地層中。褶皺所處地層巖性基本相同，多為河湖相地層，巖性為粉細砂層，顆粒均勻松散，為較好的地下水含水層。而褶皺層的下伏層大多為顆粒較細、隔水較好的亞砂土或淤泥質粉砂。在同一地層中，褶皺呈水平方向斷續延伸，起伏井然有序。各單個褶皺間相距幾十厘米或1～2 m不等。其形態多為對稱的波浪狀或舌狀，褶曲軸面傾角各半，并伴有逆掩狀砂土包裹體，褶皺體上、下界面清晰可見。本區的褶皺層高1～1.5 m，說明當時最大融化深度約1.5 m左右。假如下伏不是多年凍土層，地下水下滲無法使土層達到飽和，便無法形成褶皺。本次著重考察了沿薩拉烏蘇河流域的大溝灣東岸（圖2）、范家灣（河套人遺址公園）（圖3）、米浪灣（圖4）、白城子等地的褶皺（圖5）。

圖2 內蒙古自治區烏審旗河南鄉大溝灣褶皺［37°43.143′N，108°31.226′E；（1 237+9）m a.s.l.］Fig.2 Cryoturbations at eastern bank of Dagouwan Vallage，He’nan Country，Uxin Banner，IMAR［37°43.143′N，108°31.226′E；（1 237+9）m a.s.l.］

圖3 內蒙古自治區烏審旗河南鄉范家灣褶皺［37°43.502′N，108°32.252′E；（1 286+5）m a.s.l.］Fig.3 Cryoturbations of Fanjiawan Vallage，He’nan Country，Uxin Banner，IMAR［37°43.502′N，108°32.252′E；（1 286+5）m a.s.l.］

1.3 楔狀構造

冷生楔形構造的形成受地-氣系統若干因素的控制，如溫度、水分、土質類型、微地形以及植被等。本次考察在內蒙古烏審旗、鄂爾多斯市東勝區周圍發現了成群發育于半固結砂礫石層中的楔形構造，并對楔體成因、類型做了初步的判斷。

1.3.1 新寨子磚廠的楔狀構造

在鄂前旗新寨子磚廠附近有一長約40 m的人工 取 土 坑 剖 面［37°45.160′N，108°09.400′E；（1 329±5）m a.s.l.］，剖面上可見5個楔體，楔體上寬30～80 cm，高60～110 cm，楔體內充填有細砂和亞砂土，圍巖為紅色堅硬亞黏土。楔壁清晰、整齊，無變形，擠壓跡象，初步判定為砂楔［圖6（a）］。該處地表剝去草皮層后，可見多邊形網狀構造遺跡。類似新寨子磚廠的砂楔群多見于本區南部，即城川以西的鄂前旗境內。在干燥剝蝕高地上可見許多不連續的寒凍裂縫，平面形狀呈不規則的多邊形沙網格系統［圖6（b）］。網格長幾十厘米至2～3 m不等，網格直徑0.4～3.0 m不等，網格間土層拱起呈斑塊狀。裂縫部位低洼，一般為砂（土）充填，裂縫深度一般為1～2 m之間。楔頂寬一般為0.3～0.4 m，最寬者可達0.7～0.8 m。裂縫內往往充填風成砂成黃土，略有垂直層理，并與上伏風成砂連成一片體。楔側壁平整，其圍巖巖層位未見彎曲。這些屬于原生的砂（土）楔。在當時有些可能發育在季節凍土區內，與東勝附近所見的大型楔體有明顯差異。

1.3.2 烏審旗南的楔狀構造

該剖面位于內蒙古烏審旗南約13 km處的一料廠，屬于取土坑剖面，剖面上發育很多楔體［圖7（a）］，其地層剖面達8 m，楔體上寬30～100 cm，高60～200 cm，楔體內充填的細砂，亞砂土，圍巖為紅色亞黏土干后堅硬。楔體形態比較規格，圍巖無變形、擠壓現象。初步判定為砂楔。取其中一個較大楔體［圖7（b）］采集了年代樣品及粒度樣品。

圖4 內蒙古自治區烏審旗河南鄉米浪彎褶皺［37°45.841′N，108°33.674′E；（1 273±5）m a.s.l.］Fig.4 Cryoturbations of Milangwan Vallage，Henan Country，Uxin Banner，IMAR［37°45.841′N，108°33.674′E；（1 273±5）m a.s.l.］

圖5 陜西省靖邊縣紅墩界鎮白城子褶皺［37°59.217′N，108°49.357′E；（1 152±15）m a.s.l.］Fig.5 Cryoturbations at Baichengzi，Jingbian County，Shaanxi Province［37°59.217′N，108°49.357′E；（1 152±15）m a.s.l.］

1.3.3 東勝區東郊的楔狀構造

該剖面位于東勝東北109國道附近［39°46.953′N，110°9.094′E；（1 526±7）m a.s.l.］，在公路南側開挖的剖面上發現該楔體，楔體上部似鍋形，在80 cm以下突然變窄，其圍巖有擠壓變形的跡象，綜合楔體形狀及圍巖變形情況判斷該楔體為冰楔假形（圖8），并在楔體及圍巖采集了年代及粒度樣品。

1.3.4 東勝區南的楔狀構造

在位于東勝區正南環城路西側2 km處有一平臺剖面［39°47.836′N，110°02.281′E；（1 477±4）m a.s.l.］，剖面地層0～60 cm處為黃色粉砂；60～200 cm為白色砂礫土，較堅硬；200～700 cm為雜色砂礫石土，呈波狀層理；700 cm以下為紅色砂礫土層，呈層狀層理。剖面上發育很多楔體，其中一楔體高約3 m，楔頂寬1.2～1.5 m，楔底寬20 cm，楔壁不規則。圍巖地層有褶皺和波狀層理，楔內物質混雜，無明顯層理［圖9（a），9（b）］，故判斷為冰楔假形。在環城路東側有一剖面，路塹剖面高約3 m，地層剖面0～70 cm為黃色粉砂，70 cm以下為雜色砂礫石層，具有波狀層理。在該剖面上選擇一小型楔體［圖9（c）］和一大型楔體［圖9（b）］采集了年代及粒度樣品。

圖7 內蒙古自治區烏審旗南的砂楔［38°28.302′N，108°45.925′E；（1 392±6）m a.s.l.］Fig.7 Cross-section of the sand-wedges in the Uxin Banner，IMAR［38°28.302′N，108°45.925′E；（1 392±6）m a.s.l.］

圖8 內蒙古自治區鄂爾多斯東勝東北東郊的楔狀構造［39°47.836′N，110°02.281′E，（1 477±7）m a.s.l.］Fig.8 Cross-section of an ice-wedge pseudomorph along the National Highway 109 in the northeastern suburbs of Dongsheng District［39°47.836′N，110°02.281′E；（1 477±7）m a.s.l.］

1.3.5 東勝區罕臺鎮的楔狀構造

在東勝區罕臺鎮發現一高6～7 m的人工剖面［39°50.361′N，109°49.164′E；（1 464±4）m a.s.l.］，該剖面出露巖性為紅色及雜色沖洪積砂礫石層，層位近似水平狀，在剖面上部2 m深范圍內共發育22個楔體［圖10（a）］，楔高1.2～1.8 m，大多寬約20～50 cm，最寬者達80 cm，楔內充填黃色細粉砂、較純，楔壁整齊，楔頂覆蓋10～15 cm厚的粉砂土，剝離此粉砂土后，可見隱性的多邊形［圖10（b）］，其多邊形直徑約為2～3 m。綜合楔體及圍巖形狀，判斷這些楔體多為砂楔。

圖9 內蒙古自治區鄂爾多斯東勝正南環城路2 km的楔狀構造［39°47.836′N，110°02.281′E；（1 477±4）m a.s.l.］Fig.9 Cross-section of an ice-wedge pseudomorph on a platform，the western side of a 2-km highway，in south Dongsheng District［39°47.836′N，110°02.281′E；（1 477±4）m a.s.l.］

1.3.6 東勝區易興物流園的楔狀構造

圖10 內蒙古自治區東勝區罕臺鎮的砂楔及多邊形［39°50.361′N，19°49.164′E；（1 464±4）m a.s.l.］Fig.10 Section of the sand-wedges and polygons in Hantai Town，Dongsheng District［39°50.361′N，19°49.164′E；（1 464±4）m a.s.l.］

圖11 內蒙古自治區鄂爾多斯東勝區北郊易興國際物流城的楔狀構造［39°51.553′N；109°57.180′E；（1 448±4）m a.s.l.］Fig.11 Section of ice-wedge pseudomorphs in the backyard of Yixing International Logistics Park in the northern suburb of Dongsheng District，Ordos City，IMAR［39°51.553′N，109°57.180′E；（1 448±4）m a.s.l.］

東勝區北郊易興國際物流城院內有一人工剖面［（39°51.553′N，109°57.180′E；（1 448±4）m a.s.l.］。剖面高約8 m，可見上下兩層楔體（圖11），上層楔體較大，其中一楔體高約1.5 m，上寬約70～80 cm，下層楔體個體小，高約1 m，楔寬30～40 cm。上層楔體主要發育于類黃土層中，上伏現代風成砂層，圍巖在1.4～1.6 m深處為較堅硬的紅黏土層，該層已明顯被楔體分裂開，并且有上翹跡象，楔體內物質較雜亂，無明顯層理。這些跡象表明該剖面處上層楔體多為冰楔假形，下部為砂楔。

2 初步結論

通過對鄂爾多斯高原古冰緣遺跡的考察，發現本區主要存在兩類冰緣現象，并對其分布、特征以及各類型冰緣遺跡形成所需的古氣候環境等進行了初步推斷。

2.1 凍融褶皺

本區南部的薩拉烏蘇河流域位于我國季風環流的邊緣區和沙漠-黃土過渡帶，流域內沉積了中國北方地區具有代表意義的晚更新世河湖相地層-薩拉烏蘇組［8］。本次考察發現，研究區的凍融褶皺主要分布于薩拉烏蘇河谷兩岸的河湖相地層中，其形態多為對稱的波浪狀或舌狀。區域性規模較大的融凍褶皺層則需要在多年凍土區形成［49-50］。這是因為在多年凍土退化狀態下，活動層逐漸變厚，下伏多年凍土層作為隔水底板；當活動層巖性較細，且含水量達到塑限時，在上下雙向凍結面的擠壓下容易產生融凍褶皺［51］。因此，大型區域性出現的融凍褶皺一般反映氣候較暖，多年凍土層上部已退化到一定程度時的環境狀況。初步測年結果顯示，研究區比較大型的凍融褶皺形成年代集中于45～30 ka BP和～20 ka BP兩個時段，反映這兩個時段氣候相對較暖。褶皺層厚1.0～1.5 m，說明當時最大融化深度約1.5 m左右。而小型的凍融褶皺則并不一定指示多年凍土的存在，并不一定需要常年凍結的基底，只需局部凍結的基底或季節性凍結的地面即可［51］。

2.2 冷生楔狀構造

冷生楔形構造形成于熱收縮開裂作用，其中成群出現的冰楔和大型（＞2 m）砂楔是多年凍土存在的確鑿證據［52-55］。通過考察發現，鄂爾多斯高原冷生楔體分布較廣，但以北部及中、西部最普遍。主要楔體類型包括砂楔和冰楔假形。

2.2.1 砂楔

砂楔是凍裂（熱收縮開裂）發生以后，在干燥的風沙環境中，裂縫被風沙充填而成的一類楔形構造。在考察中發現，鄂爾多斯的砂楔可以分為兩種類型：其一是大型砂楔，楔體高度超過2 m，有的可達4 m。該種類型的砂楔分布在鄂爾多斯39°N以北。我們的光釋光（OSL）測年結果顯示，大型砂楔年代集中在25～19 ka BP（末次冰期最盛期或末次多年凍土最大期），這和Jin等［44，55］在2019年、2020年獲得的結論一致；其二是小型砂楔，楔體深度一般不超過1.5 m。該種類型砂楔分布范圍廣，一般在37°30′～39°55′N，年代分布也從末次凍土最大期晚期一直延續到全新世早期［53］。根據鄂爾多斯高原存在的砂楔及其形態規模，Vandenberghe等［54］在2019年和Jin等［55］在2020年對末次盛冰期時多年凍土的凍土南界進行了劃分，認為末次盛冰期多年凍土分布南界位于37°～39°N之間。

2.2.2 冰楔假形

當寒凍裂縫中被冰雪或者融水充填，充填物再次發生凍結，則形成冰楔。氣候轉暖后，多年凍土發生退化，促使冰楔融化，融化的水分通過土中的孔隙疏干，冰楔冰上覆的土層和楔壁由于失去支撐而發生塌落，再次充填冰楔遺留的空間，從而形成冰楔假形［52］。冰楔假形的出現，代表了兩段顯著差異的氣候條件。其中，冰楔的發育代表了寒冷而濕潤的氣候環境特征，發育地點多年凍土連續分布，年平均地溫在-6℃以下；冰楔融化后發生二次充填，則代表了氣候變暖，多年凍土退化，地下冰融化［28，52］。

關于研究區的冰楔假形，目前存在比較大的爭議。有學者認為，鄂爾多斯高原存在冰楔假形，并利用冰楔假形對鄂爾多斯高原的古環境進行了重建［11-12，47］；而有的學者認為該區域氣候干燥，不具備冰楔假形發生的條件［54］。在考察過程中，我們在兩個點發現了冰楔假形，但因考察小組中一人有學者持懷疑態度，因此只能將其定名為疑似冰楔假形（Suspected ice-wedge pseudomorphs）［53］。未來還需要更進一步的工作和資料，來厘清是否為冰楔假形。

2.3 冰緣遺跡形成時代及氣候環境意義

根據測年結果，楔狀構造形成于三個主要時段：＞50、25～19及16～9 ka BP；融凍褶皺形成于4個主要時段：45～30、約20、10～9和5～4 ka BP。根據冷生楔形構造和融凍褶皺形成的主要時段及其所需的氣候和多年凍土條件分析，可初步重建鄂爾多斯高原50 ka以來氣候波動及凍土環境演化序列：從晚更新世中冰緣期后階段開始（即50 ka以來），本區氣候變化大致序列為：寒冷→冷暖多次波動→極寒冷→冷暖波動（以轉暖趨勢為主）→轉暖→較冷→持續轉暖以至目前；降水情況雖有輕微變化，但一直趨于干旱化方向發展。多年凍土在晚更新世末期盛冰緣期（即LPM）最發育、分布范圍最廣。之后，總體呈退化發展，直至目前區內多年凍土全部消融，變為季節凍土區（表2）。

表2 50 ka BP以來本區冰緣與凍土環境變化序列Table 2 Changes in periglacial and permafrost environments on the Ordos Plateau since the 50 ka BP

3 展望

鄂爾多斯高原末次盛冰期凍土廣泛發育，主要證據就是廣泛分布的砂楔或冰楔假形；末次盛冰期后期氣候轉暖的證據主要來自凍融褶皺。然而，僅靠有限的定年數據無法進行詳細的劃分。未來需要更加系統和深入的研究，在獲得年代、孢粉和粒度等結果的基礎上，結合古動物化石群、古人類學、第四紀地質地貌、冷生地層學和數值模型等證據，以及河湖相和風沙堆積等替代指標交叉對比，并與相鄰的青藏高原、西北地區、華北其他地區、東北地區、蒙古國及俄羅斯地區的古凍土和古環境重建結果進行比較和銜接，更好的揭示晚更新世以來環境變遷特征。

致謝：感謝中國科學院西北生態環境資源研究院凍土工程國家重點實驗室吳青柏研究員和王貴榮高級工程師在野外工作中多次給予的大力支持。