唐古拉山東段布加崗日南坡小冰期冰進的10Be暴露測年研究

趙井東，邱錦坤，季卉晗，郭萬欽，劉瑞連，麻浩男

（1.中國科學院西北生態環境資源研究院冰凍圈科學國家重點實驗室，甘肅蘭州 730000；2.蘭州大學資源環境學院西部環境教育部重點實驗室，甘肅蘭州 730000；3.遼寧師范大學地理科學學院，遼寧大連 116029）

0 引言

在全球變暖背景下，對氣候變化響應靈敏的山地冰川多呈現出以減薄退縮為主要特征的變化。越來越多的證據顯示，人類活動過程中的溫室氣體排放對全球變暖的速率和貢獻越來越大［1］。多數學者認可的事實是：人類活動引起的氣候變暖疊加在自然氣候變率的背景之上。因此，為了較為精準地預測未來的氣候變化，需要對過去氣候變化及其原因有正確且較為全面的認知。氣候變化的器測記錄一般時間較短，對于此前較長時間序列的氣候變化重建則需依賴從各種自然載體中研究獲取的信息。在世界各個冰川區，小冰期（Little Ice Age，LIA）冰川波動留下了豐富的侵蝕與沉積地形［2］。這些形態較為完整的冰川地形是重建過去幾百年乃至近千年氣候環境變化的優選信息載體之一。

LIA一詞最早是由Matthes［3］于1939年引入其研究中，他論述道：“我們正生活在一個冰川期重新開始但變化不大，一個已經持續了4 000年的LIA時代”，故最初的LIA時間界定與我們現在的認知有較大出入。隨后的研究將距今3～4 ka的冰川作用時段稱之為新冰期，分布在新冰期冰川地形內更年輕且保存更完好的冰磧地形被推定為LIA遺跡。參照IPCC［1］對LIA的時間劃分方案，其時間跨度大約從公元1450年延續至公元1850年。隨著多種測年技術在第四紀冰川研究中的應用，世界各地的LIA冰進研究均得到了發展［4］。在眾多測年方法中，原地宇宙成因核素（terrestrialin situcosmogenic nu?clides，TCN）測年技術既可測定冰川侵蝕與沉積地形的暴露年齡，也可測定冰磧的埋藏年齡，對第四紀冰川研究的發展起到了革命性的推動作用。青藏高原及周邊山地LIA冰進事件及其驅動機制的新近研究成果就是在此背景下取得的［5-13］。但青藏高原及周邊山地地域廣闊，研究仍亟待加強。

位于青海省和西藏自治區之間的唐古拉山全長約500 km，呈NWW走向，地理位置十分重要。亞洲兩條大江——長江和怒江發源于此，又因長江流入太平洋，怒江流入印度洋而使其成為太平洋流域和印度洋流域的分水嶺。在氣候上，唐古拉山夏季受印度季風的影響，冬季受中緯度西風環流的影響。同時，唐古拉山還是印度夏季風北上的第二大屏障，高峻地勢使得季風難以翻越。綜合來看，唐古拉山是一條重要的地理氣候分界線。據統計［14］，唐古拉山共發育有1 530條現代冰川，面積約2 213 km2，冰量約184 km3。山區豐富的冰川遺跡表明第四紀期間這些冰川均發生了規模較大的進退變化。20世紀70年代，第一次青藏高原綜合科學考察中對唐古拉山的第四紀冰川進行了研究，并對冰川地形進行了形態描述和制圖［15］。隨后結合測年技術對冰川地形進行直接與間接定年的相關研究多集中在其中西段，特別是青藏公路通過的唐古拉山埡口地區［16-20］，在強調技術定年研究為主要特征的現階段，唐古拉山東段的第四紀冰川研究幾近空白。本研究采用野外考察與室內10Be暴露測年相結合的方式，對布加崗日南坡擁曲源區的西（主）谷與東（懸）谷中的第一套，從地貌關系與沉積序列上推斷其形成時間為LIA的多列冰磧壟MW1與ME1進行了研究，并探討這次冰進可能的驅動因素。

1 研究區概況

布加崗日是唐古拉山東段突然高起的陡峻地塊。在20 km短的主山脊線上分布有16座海拔超過6 000 m的山峰，其最高峰為海拔6 328 m的強拉日峰，它同時也是唐古拉山東段的最高峰。本區夏季受印度季風的控制，冬季受中緯度西風環流的影響。據中國氣象局公布的氣象觀測資料，位于布加崗日以南的丁青縣與索縣1971—2000年的年平均氣溫1.7～3.4℃，年降水量570～640 mm。第一次青藏高原綜合科學考察期間，結合布加崗日周邊的氣象觀測資料和氣溫垂直遞減率，推算現代冰川平衡線高度（equilibrium-line altitude，ELA）處的年平均溫度為-6～-7℃，年降水量為800～900 mm［15］。

高峻地勢與印度季風帶來的較為豐富的降水相結合，使布加崗日成為唐古拉山東段最大的現代冰川作用中心。根據中國冰川編目統計［21］，本區共發育有現代冰川124條，其類型包括復式山谷冰川、單一山谷冰川、冰斗冰川、懸冰川等。冰川面積約184.30 km2，冰儲量約16.6697 km3。其南坡ELA約為5 450 m，北坡約為5 300 m。布加崗日地區共有6條長度超過5 km的復式山谷冰川（圖1）。分布在南坡的足學會冰川是本區最大的復式山谷冰川，其消融區的一部分懸掛在陡峭的斜坡上，呈冰瀑布狀。足學會冰川末端海拔約4 200 m，即從其ELA下伸達1 200 m之多。

圖1 唐古拉山東段布加崗日地區現代冰川與10Be測年樣品采集位置圖（哨兵2號2020-10-10衛星影像）Fig.1 Modern glaciers and10Be sampling sites in the Bujia Gangri，eastern Tanggula Mountains（Sentinel-2A，2020-10-10 imagery）

2 冰磧壟形態特征

在大多數山地冰川以減薄退縮為主要特征變化的當下，冰川末端一般都沉積有新鮮無風化的現代冰磧地形，在其外圍幾百米至上千米范圍內的1～3道冰磧壟的形成時間被認為對應于LIA［22］。研究區布加崗日南坡擁曲河源區的冰川沉積序列稍異于其他地區，在西（主）谷足學會冰川末端與東（懸）谷坡戈冰川末端均發育有冰磧阻塞湖且冰舌伸入湖中（圖2），故沒有觀察到明顯的現代冰磧地形。

圖2 擁曲河流域源區西谷（a）與東谷（b）的現代冰川、冰磧湖和第一套LIA多列冰磧壟Fig.2 Modern glaciers，glacial lakes and LIA moraines in the west（main）valley（a）and east（hanging）valley（b）at the headwater of the Yongqu River valley

在西（主）谷，因足學會冰川末端消融退縮等原因，新近形成了一個長約1.2 km，面積約0.7 km2的冰磧阻塞湖，阻塞該冰湖是本次測年研究的第一套多列冰磧壟MW1。該套冰磧由寬200～700 m，壟高5～15 m的3道終磧壟組成，其間部分洼地已沼澤化。直徑1～3 m的漂礫分布在冰磧壟上，漂礫表面著生點綴有地衣和苔蘚，幾無風化，在一些漂礫上可以觀察到磨光面與擦痕。冰磧壟被草皮所覆蓋并伴有稀疏矮小的灌木，最外列冰磧壟上已有小樹生長。

東（懸）谷與西（主）谷情況相似，坡戈冰川的末端也發育一冰磧湖，不過其形成時間較早［15］。該冰磧湖長約1.4 km，面積約0.9 km2。充當冰湖壩體的冰磧壟ME1寬300～600 m，高5～35 m。同樣也是由3列終磧壟組成。最內一列規模較小且部分被湖水淹沒。中間一列與最外一列貼得比較近，寬100～150 m，高15～35 m，是這三列冰磧壟中壟脊最高的。最外列冰磧壟寬200～300 m，高10～25 m。直徑1～4 m的漂礫散布在冰磧壟上，大多數漂礫表面也著生點綴有地衣與苔蘚。最外一列冰磧壟表面甚至已發育有非常薄的土壤，茂密的灌木，甚至高大的柏樹生長其上。MW1與ME1冰磧壟的巖性相似，主要由花崗巖、板巖、片巖、紅砂巖等組成。

3 研究方法

2019年夏季考察期間，我們在西（主）谷MW1冰磧壟與東（懸）谷ME1冰磧壟上共采集了7個10Be暴露測年樣品。考慮到前期暴露（核素繼承）與沉積后地表過程等對測試結果的潛在影響，在樣品選擇上首選冰磧壟脊上嵌入的大塊、穩定且富含石英的花崗巖漂礫。同時避免表面劈裂、破裂或風化等跡象比較明顯的漂礫。根據Heyman等［23］的統計分析，高大漂礫的年齡集聚性優于矮小的，而且還可以避免漂礫因后期冰磧地形剝露造成的不完全暴露等的影響，故在采樣中避免選擇出露高度不足50 cm的漂礫。在所選漂礫頂面平坦處鑿取厚度小于3 cm的表層，使用手持GPS定位并記錄采樣點緯度、經度和海拔等信息。為獲得采集樣品所處的環境背景，從不同方位對漂礫進行拍照（圖3）。同時，為了討論測試年齡受到各種因素的潛在影響，還需詳細記錄冰磧壟與漂礫的形態特征，包括大小、風化程度、漂礫表面是否有磨光面或擦痕等。樣品采集面的傾角是否需要量測視其傾斜程度而定。詳細的樣品采集信息見表1。

圖3 10Be表面暴露測年樣品采集照片及其年齡Fig.3 Photographs of boulders sampled for10Be surface exposure dating and their ages

表1 唐古拉山東段布加崗日南坡擁曲河源區10Be測年樣品采集信息Table 1 10Be dating sample collection information at the headwater of the Yongqu River valley on the southern slope of Bujia Gangri，eastern Tanggula Mountains

樣品測試靶標制備是在中國科學院西北生態環境資源研究院冰凍圈科學國家重點實驗室的TCN測年靶標制備實驗室中完成的。實驗流程［24］是在文獻［25］的基礎上改進的，簡要步驟如下：①對樣品進行物理粉碎與研磨，篩選粒徑為250～500 μm的顆粒。②用H2O2浸泡以去除有機質，用稀HCl浸泡以溶解碳酸鹽或其他可溶礦物。③用Frantz公司LB-1磁選儀去除鐵磁性乃至部分順磁性礦物。④用濃度為5%的HF/HNO3混合酸液在加熱情況下對已磁選樣品處理2次后，使用重液去除密度大于和小于石英的耐酸性礦物。之后再用1%～2%的HF/HNO3混合酸液加熱處理2～3次。⑤用ICP-OES測定純化后石英中的鋁含量。對于10Be單核素測年靶標，鋁含量≤200 μg·g-1即達標。

在稱取的純度達標樣品中添加約0.3 g已知濃度的9Be載體（855.7 μg·g-1）并使用濃HF消解，每批次6個樣品中加入1個流程空白。趕氟后使樣品溶液通過大的陰離子和陽離子層析交換柱（20 mL）分離出Be，加入NH4OH并將PH值調為～8.5沉淀析出Be（OH）2膠體。用純水將膠體清洗三遍后轉至石英坩堝，放入馬弗爐在950℃高溫下分解得到BeO，將其與鈮粉按一定比例混合壓入加速器測量專用靶托即完成了測年靶標的制備。10Be/9Be比值測量是在美國普渡大學PRIME實驗室中完成的，其標準為07KNSTD［26］。用每批次樣品處理加入的流程空白測試值校正樣品測量的10Be/9Be比值并轉換為10Be濃度進行最終的年齡計算。使用CRONUS 3.0版在線計 算 器［27］（http：//hess.ess.washington.edu/math/v3/v3_age_in.html）計算得出的年齡見表2。表中給出了三種模式計算的10Be年齡，文中僅對LSDn的模式年齡進行了分析討論。石英重量、9Be載體質量、10Be/9Be測試值以及相關的計算參數如表1與表2。其中地形遮蔽度使用Li［28］基于Python語言開發且可在ArcGIS環境下運行的程序計算獲得。

表2 10Be暴露年齡及其計算參數Table 2 10Be apparent exposure ages and the related calculation parameters

4 結果與討論

影響宇宙成因核素測年結果的因素很多，其中較大的影響因素有核素產率以及樣品沉積前后經歷的地質地貌過程等。通常，樣品沉積前后經歷的地質地貌過程對測年結果的影響要遠大于核素產率，也更為復雜，對較為年輕或非常古老的地貌體尤甚。在第四紀冰川研究中，采集樣品（漂礫或磨光面）的不完全暴露，如風化、后期剝露、傾斜翻轉、冰磧地形形變、積雪和（或）植被和（或）沉積物等的遮擋等比核素繼承影響更大［29］。考慮到核素繼承（前期暴露）和漂礫沉積后不完全暴露等對測試結果的潛在影響，本文使用Dortch等［30］最新提出的概率宇宙成因年齡分析工具（P-CAAT）對我們的測試數據進行了處理。從圖1可以清楚地看出，采自MW1冰磧壟的樣品BJ-01～04由內到外分布，它們的10Be年齡分別為（155±23）a、（197±27）a、（218±26）a和（273±31）a，展示了由內到外逐漸增大的情形，這也與冰磧壟分布及沉積地貌關系相一致。樣品BJ-05～07主要采自ME1冰磧壟的中間列，10Be年齡分別為（262±30）a、（186±28）a和（131±25）a，相對分散些。P-CAAT數據處理結果顯示，這兩處冰磧壟的測試年齡中沒有明顯應被剔除的異常值（圖4），可用（203±52）a（n=4）和（162±58）a（n=3）作 為 冰 磧 壟MW1與ME1的 形 成時間。

圖4 擁曲河源區西谷（a）與東谷（b）MW1與ME1冰磧壟年齡的P-CAAT數據處理結果Fig.4 Gauss peak10Be ages and their uncertainties of the MW1 and ME1 moraines were analyzed by P-CAAT in two glaciated valleys at the headwater of the Yongqu River valley

年輕冰川地形測試年齡受核素繼承（前期暴露）的影響可能遠大于后期地質地貌過程造成的不完全暴露等的影響。然而，Putkonen等［31］經過研究后得出，冰川地形測試結果受核素繼承影響的占比很小，而且還可以通過在確定年代的地貌體上采集多個樣品的辦法來減少其潛在的影響。我們的10Be年齡似乎表明核素繼承和后期地質地貌過程均沒有對測試結果造成顯著的影響，但采自ME1冰磧壟中列得的較為分散的10Be年齡似乎表明這些因素的潛在影響。另外，在年齡計算中假設漂礫表面侵蝕為零，也沒有考慮本區季節性積雪等的影響，故這些年齡應為冰磧壟Mw1和ME1的最小年齡。本文測得的年齡均處在IPCC［1］界定的LIA時間范圍內，其中東（懸）谷的測試年齡與早期的地衣測年結果［15］可相互印證。這些證據共同表明西（主）谷與東（懸）谷的多列冰磧壟MW1與ME1形成于LIA。

對于青藏高原及其周邊地區的LIA冰進，已有多位學者展開了綜合探討［32-34］。基于10Be、14C和地衣測年資料，Xu等［32］對青藏高原及其周邊地區LIA冰進的最大規模、區域退縮的開始時間以及可能的驅動因素進行了嘗試性探討。基于10Be年代學資料，Dortch等［33］對喜馬拉雅—青藏高原造山帶西端半干旱地區的LIA冰進進行了分析和歸納，將其時段定為SWHTS 1A，數值年齡為（0.4±0.1）ka。隨后，Murari等［10］對受季風影響的喜馬拉雅—青藏高原地區的LIA冰進進行了相似的綜合探討，將其時段定為MOHITS 1A，數值年齡同樣也為（0.4±0.1）ka。近年來，應用10Be暴露測年技術，青藏高原及周邊山地［5-13，19］、天山［35-38］等地涌現出的一批與LIA冰進有關聯且可供本文參閱的研究成果（圖5），這些新涌現的與此前的研究成果以及我們新測得的10Be年齡共同表明：LIA冰進普遍存在于青藏高原及周邊山地。

圖5 青藏高原及周邊山地新近獲得LIA測年結果的研究參閱點Fig.5 LIA glacial advance dated by10Be dating techniques recently on the Tibetan Plateau and its surroundings

理論上，10Be暴露測年法可以測得冰川地形形成至今的確切年齡。實踐中，測試結果受到諸多潛在因素的影響［29］。一般而言，年輕冰磧地形密實度低，冰磧地形在密實化過程中可引起漂礫傾斜等幾何形態的變化，樣品采集點季節性積雪的厚度與覆蓋時間等確切信息也無法獲得。諸多潛在的影響因素都可能造成冰川地形測試結果偏離它們的實際年齡，進而對LIA冰進區域時空差異的探討造成影響。為了將本文的年齡放在青藏高原及周邊山地已有年齡的大背景中，我們使用P-CAAT對青藏高原及周邊山地2014年以來測得的LIA冰川地形的10Be年齡進行了重新計算（表3）。雖然絕對數值存在較大差異，但它們基本都位于IPCC［1］界定的LIA時間范圍內。這些年齡也進一步展示了青藏高原及周邊山地LIA冰進是普遍存在的。隨著測年數據的進一步增多，可利用同一種測年資料（如10Be）進行區域綜合分析，探究LIA冰進的區域差異及其氣候驅動機制。

表3 基于P-CAAT法重新計算的青藏高原及其周邊山地參閱點LIA冰磧的10Be年齡Table 3 Recalculated10Be ages of LIA moraines using P-CAAT in the referred study areas on the TP and its surroundings

青藏高原及周邊山地的古氣候記錄為探討LIA冰進成因提供了理論支持。在Thompson等［40］集成的青藏高原與南美冰芯記錄曲線上，約從公元1600年至1870年為顯著的冷期。隨后，Mischke等［41］對青藏高原東緣西門錯的湖泊沉積記錄及其對高原上湖泊沉積、泥炭沉積與冰芯記錄等的綜合分析也得出LIA時期為明顯的冷期。我國各個區域的古氣候環境記錄綜合分析也表明，公元1321年至1920年為冷期［42］，可對應于LIA。降水方面，晚全新世對應于印度季風降水相對減少的時期［43］，LIA正好位于其間。基于青藏高原古里雅、敦德、普若崗冰芯記錄重建的年積累量（水當量）顯示，約從1800年至1920年為降水量顯著減少時段［40］。這些研究共同說明LIA氣候寒冷且降水減少。Rowan［44］在研究喜馬拉雅山地區LIA冰進問題時，也認為這個時段的冰進事件均與降溫有關，不過受季風與西風環流位置和強弱等的影響，這次冰進在喜馬拉雅山東中西段存在明顯的差異。Peng等［7］根據不丹喜馬拉雅山北坡Shimo冰川區M1冰磧壟的年齡可對應于北大西洋地區的Bond事件0的事實，認為研究區的LIA冰進可通過中緯度西風環流與北大西洋地區的氣候建立聯系。考慮到研究區夏季受印度季風的控制，冬季受西風環流的影響，結合上述的古氣候環境記錄以及現有的研究進展，我們認為降溫是本區LIA冰進的主因。

5 結論

應用10Be暴露測年技術對唐古拉山東段布加崗日南坡擁曲河源區西（主）谷與東（懸）谷的多列冰磧壟MW1與ME1進行了定年，測得它們的年齡分別為（203±52）a（n=4）和（162±58）a（n=3）。測試年齡顯示這些冰磧壟形成于LIA冰進，同時也顯示核素繼承和后期地質地貌過程未對測試結果造成明顯的影響。本文的測年結果與青藏高原及其周圍山地的LIA冰進事件可相互印證，表明這次冰進普遍存在于青藏高原及周邊山地。考慮到研究區夏季受印度季風的控制，冬季受西風環流的影響并綜合已有的古氣候環境研究成果推斷，降溫是本區LIA冰進的主因。

致謝：美國普渡大學PRIME實驗室的Thomas E.Woodruff協助完成了樣品靶標的測試；蘭州大學地質科學與礦產資源學院熊聰慧女士對石英純度進行了ICP-OES檢測；蘭州大學資源環境學院董子娟博士協助進行了樣品遮蔽度計算。在此一并致謝。