（第四纪地质学专业论文）中国倒数第二次冰期以来多年冻土边界演化.pdf

兰州大学研究生学位论文中国倒数第二次冰期以来多年冻土边界演化 摘要 冰楔假型、砂楔等冰缘现象因其具有良好的古温度指示意义，被认为是重建 环境，进而确定冻土分界线的重要手段。本文根据首次发现的鄂尔多斯地区倒数 第二次冰期冰楔假型，并结合以往青藏高原倒数第二次冰期冰缘地貌资料恢复了 中国倒数第二次冰期多年冻土的边界。即1 0 5 。e 以东，1 1 8 。e 太行山一线以西， 地处中国地貌阶梯第二级范围内的多年冻土南界在3 6 。3 3 n 附近，太行山以 东，中国第一级地貌阶梯内的多年冻土南界位于4 0 。2 0 n 附近；而1 0 5 。e 以 西的青藏高原地区多年冻土下界在3 6 。n 位于2 0 0 0 m 海拔处，其最南端的2 8 。 3 0 n 一线则位于海拔3 5 0 0 m 处。中国的纬度多年冻土南界与海拔冻土下界在 3 6 。n ，1 0 5 。e 附近交汇，形成了一个连续统一的整体。边界倒数第二次冰期时 的年均气温比现今要低l o 1 5 全国各地关于末次冰期楔状冰缘地貌的报道集中分布在末次冰期以来的三 个时间段内，即2 3 3 0 k ab e 、1 5 - 2 0 k ab e 、6 - 1 0 k ab 只。结合这次研究以及前 人对末次冰期楔状冰缘地貌的研究成果，本文着重恢复了末次冰期最盛期即 1 5 - 2 0 k ab p 的多年冻土边界。当时在我国地貌第二阶梯上，多年冻土南界可以 到达3 2 。n 的大巴山南麓；在第一级地貌阶梯上，其南界位于华北平原中部3 5 。3 0 n 附近；而在青藏高原3 6 。n 处的多年冻土下界在1 7 0 0 m 海拔处，其最 南端可以到达2 8 4n ，海拔3 0 0 0 m 左右处。在缺少可以通过冰缘地貌遗迹对古 环境进行指示的末次间冰期以及全新世温暖时期，依据孢粉学的研究成果能够对 当时的古温度进行大致的恢复。本文通过末次间冰期比现今气温高2 5 左右， 全新世温暖期比现今气温高3 4 c 左右，结合现代多年冻土的分布，大致恢复 出了这两个相对温暖时期的多年冻土边界。自此，建立了一个相对完整的倒数第 二次冰期以来的多年冻土边界演化历史。 关键词：倒数第二次冰期；末次冰期；楔状冰缘地貌；古温度；多年冻土边界 m 兰州大学研究生学位论文中国倒数第二次冰期以来多年冻土边界演化 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , t h ei c e - w e d g ec a s t sf o u n di ne r d o sp l a t e a uw e r ed e s c r i b e di nd e t a i l a s a ne v i d e n c ei n r e c o n s t r u c t i n gp a l e o t e m p e r a t o r e ，p e r i g l a c i a lg e o m o r p h o l o g i c a l p h e n o m e n al i k ei c e - w e d g ec a s t ，s a n dw e d g e w a sc o n s i d e r e dt ob ea l li m p o r t a n tf a c t o r i np a l e c e n v i r o n m e n t a lr e s e a r c hf o ral o n gp e r i o d f r o mt h et l d a t i n ga n ds e d i m e n t a n a l y s i so ft h ew e d g e s ，i ti sc o n f i r m e dt h a tt h ei c e - w e d g ec a s t sw h i c hw ef o u n di n e r d o sd e v e l o p e di nt h ep e r i o do f p e n u l t i m a t eg l a c i a l a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c s a n dt h ed i s t r i b u t i o no ft h e s ei c e - w e d g ec a s t s ，w er e c o n s t r u c t e dt h ep e r m a f r o s t b o u n d a r yo ft h ep e n u l t i m a t eg l a c i a li nc h i n aa n dt h ep a l e o t e m p e r a t u r e so nt h e b o u n d a r ys u p p o r t e db yt h ec o r r e l a t i v ef o r m u l a sa m o n gg e o g r a p h i cf a c t o m 1 1 1 i s b o u n d a r yw a sd i v i d e di n t ot h r e ep a r t s ，t h ee a s tp a r t , t h em i d d l ep a r ta n dt h ew e s tp a r t , r e s p e c t i v e l y c h i e f l yb a s e do nh t i t u d e ，t h ee a s tp a r to f t h eb o u n d a r yi nt h ea l g aw h i c h w a se a s tt ol1 8 。ee x i s t e di l e a l 4 0 。2 0 na n dt h em i d d l eo n eb e t w e e n1 0 5 0 ea n d 1 1 8 0 em o v e ds o u t h w a r dt o3 6 。3 3 ，l q c h i e f l yb a s e do nh e i g h t ，t h ew e s tp a r tw a s l o c a t e do n3 7 0 0 - 4 2 0 0 mi nt h ea r e aw h i c hw a sw e s tt o1 0 5 0 e i na d d i t i o n t h em e a r l a n n u a la i rt e m p e r a t u r eo ft h ee n t i r eb o u n d a r yd u r i n gt h ep e n u l t i m a t eg l a c i a lc a nb e e s t i m a t e dt ob el o 1 5 l o w e rt h a nt h et e m p e r a t u r en o w a d a y s b e c a u s eo f t h ep a l e o - p e r i g l a c i a lp h e n o m e n af o u n db ys c i e n t i s t sa r ea l lc o n c e n t r a t eo n 3p e r i o d s ，w h i c ha r e2 3 - 3 0 k ab p 1 5 - 2 0 k ab p a n d6 - 1 0 k ab p s y n t h e s i z et h e f o r m e rr e s e a r c h , w ed i s c u s st h ep e r m a f r o s td i s t r i b u t i o nd u r i n g3d i f f e r e n tp e r i g l a c i a l p e r i o d sr e s p e c t i v e l ya n dr e c o n s t r u c tt h ep e r m a f r o s tb o u n d a r yo f l g m i nd e t a i l p o l l e nr e s e a r c hc a np r o v i d et h ep a l e o t e m p e r a t o r ec o n d i t i o n si nt h ep e r i o d st h a tw e c a nn o tf i n dp e r i g l a c i a le v i d e n c ea ss u p p o r t s b a s e do nt h ep a l e o t e m p e r a t u r em o d e l s w h i c ha r eb u i l tt h o u g hp o l l e nr e s e a r c h ，w er e c o n s t r u c tt h ep e r m a f r o s tb o u n d a r y d u r i n gt h el a s ti n t e r - g l a c i a la n dw a r mp e r i o di nt h eh o l o c e n ew h i c ha r eb o t hr e l a t i v e l y w a r m e rt h a nn o w a d a y s i v 兰州大学研究生学位论文中国倒数第二次冰期以来多年冻土边界演化 b a s e do nt h ep a l e o t e m p e r a t u r er e b u i l d sa n dt h ep e r m a f r o s tb o u n d a r yr e c o n s t r u c t i o n s ， w ea p p r o x i m a t e l ye s t a b l i s ht h ep e r m a f r o s tb o u n d a r ye v o l u t i o nh i s t o r yf r o mt h e p e n u l t i m a t e ( 3 1 a c i a li nc h i n a k e y w o r d s ：p e n u l t i m a t eg l a c i a l ，l a s tg l a c i a l ，i c ew e d g ec a s t , s a n dw e d g e ，p e r m a f i o s t b o u n d a r y , p a l e o t e m p e r a t u r e v 中国倒数第_ 次冰期以来多年冻土边界演化 原创性声明 本人郑重声明：本人所呈交的学位论文，是在导师的指导下独立 进行研究所取得的成果。学位论文中凡引用他人已经发表或未发表的 成果、数据、观点等，均已明确注明出处。除文中已经注明引用的内 容外，不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对 本文的研究成果做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。 本声明的法律责任由本人承担。 做作者签名：肚日期：迦弛 关于学位论文使用授权的声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权 归属兰州大学。本人完全了解兰州大学有关保存、使用学位论文的 规定，同意学校保存或向国家有关部门或机构送交论文的纸质版和 电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权兰州大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用任何复 制手段保存和汇编本学位论文。本人离校后发表、使用学位论文或 与该论文直接相关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为兰州 大学。 保密论文在解密后应遵守此规定。 燃槲舷黜名释 期： 兰州大学研究生学位论文 中国倒数第二次冰期以来多年冻土边界演化 第一章绪论 冰缘地貌现象是古环境重建的有效手段之一，已知的冰缘现象总数可达5 0 余种( w a s h b u r n ，1 9 7 2 ) ，但经常应用于古环境重建的却为数不多。w a s h b u r n ( 1 9 7 9 ) 总结了世界上4 5 个地区利用冰缘现象重建环境变化的资料，发现常用的集中在 古冰楔或原生砂楔、冰丘、寒冻裂隙、成型土、冰卷泥等7 8 种指标上。 我国是冰缘地貌最为发育的国家之一，中纬度高山高原的冰缘地貌发育更是 首屈一指，上述各种现象在我国都能见到( 崔之久，1 9 8 4 ) 这为我们利用冰缘地 貌重建古环境提供了先天的有利条件 第一节冰缘作用及其环境意义 1 1 1 冰缘作用的分类 冰缘作用是指在寒冷气候环境下，由岩土中水分的冻结与负温条件下温湿变 化而产生的应力，引起水分迁移、冰的形成以及融化、岩土变形及位移，沉积物 的改造等一系列过程及其伴生的地貌形态( 波波夫，1 9 5 8 ) 。融冻作用在冰缘形 态形成过程中具有普遍意义，是冰缘作用的基本过程( 周幼吾等，2 0 0 0 ) 我国广大的冰缘区内存在多种冰缘作用及形态类型，主要包括： 1 寒冻风化重力作用 以此为主导作用而形成的冰缘形态类型有冰缘岩柱、冰缘岩堆、石海、石流 坡、石河、倒石堆、岩屑堆及岩屑裙等。寒冻风化是因气温正负温频繁交替过程 中，岩石节理裂隙中水分冻结膨胀，以及岩石不同矿物颗粒差异膨胀及收缩导致 岩石破碎的过程。在我国这类冰缘作用主要集中在阿尔泰山、天山、祁连山、昆 仑山以及青藏高原内部山地地区，这类地区的特点是日、年气温较差大，正负温 交替频率大，使得寒冻风化过程进行得较为充分 2 雪蚀作用 这类作用的主要形态包括雪蚀洼地、高夷平阶地、雪崩槽、岩屑堆、泥流扇 兰州大学研究生学位论文中国倒教第二次冰期以来多年冻土边界演化 等。雪蚀作用是使岩石崩解破碎的一种形式。与寒冻风化不同之处在于由于水分 参与充分，由节理裂隙中水分冻结体积膨胀而导致岩石崩解破碎。这类冰缘作用 主要发生在雪线附近的积雪山坡洼地周边。 3 冻融蠕流重力作用 属于这类冰缘作用的形态类型主要有泥流阶地、泥流舌，泥流坎坡、泥流扇、 石冰川、石河、石流坎坡、草皮坎坡等冻融蠕流重力作用主要包括两个过程， 一是冻爬过程，即斜坡土体冻结时沿坡面法线方向隆升，融沉时沿垂直方向回落 而产生的向坡下移动；二是由于融化期间季节融化层饱水受重力作用影响而顺坡 面向下蠕流的过程。这类冰缘作用主要发生在坡面上，是坡地主要的冰缘过程及 形态。在我国主要集中在大兴安岭、阿尔泰山、天山、祁连山、青藏高原各山地。 4 冻融分选作用 这一类冰缘作用类型包括石环、石网、石条、石带、碎石斑、斑土等。它的形成 原因是季节融化层在频繁的正负温波动下反复冻结和融化，由于差异冻胀使不同 粒度成分的物质产生分异、重新组合的过程。冻融分选及其形态类型所要求的环 境条件，一般来说活动层需要有充足的水分，土层不均匀且含相当数量的细粒土。 这就决定了此类型冰缘形态出露于斜坡中下部，冲洪积扇前缘、空冰斗、雪蚀洼 地等地面平缓而又潮湿的地貌部位 5 热融作用 属于此种作用形态的冰缘形成类型有热融滑塌、热融洼地、热融湖、热融冲 沟等，此类型冰缘形态的产生是由于冻土中地下冰融化所引起的，其分布往往与 厚层及透镜状地下冰的埋藏密切相关，因此它们多见于山间盆地、谷地底及山地 缓坡地带。 6 冻胀、冻裂作用 此种作用的冰缘形态主要有冰椎、冻胀丘、自喷型冻胀丘、泥炭丘、斑土、 冻拔石、冻胀草环、冻融褶坡、土楔、砂楔、冰楔等。前七种形态类型主要系冻 胀作用形成；后三种形态类型的形成主要以冻裂作用为主，并有风力等其他外营 力参与。这些冰缘形态类型多分布于平缓的地貌部位，如山间盆地、低级阶地、 河漫滩、山前缓坡等。近十多年来，在大兴安岭、青藏高原，以及华北、东北北 部相继发现许多土楔、砂楔及冰楔，其中绝大多数系古冰缘形态遗迹，是过去地 2 兰州大学研究生学位论文中国倒致第二次冰期以来多年冻土边界演化 质历史时期寒冷气候的产物，现在大多均已停止生长 任何一种冰缘作用及形态类型均受诸多自然因素影响和制约。首先是水、热 条件，它包括年均气温、年日气温较差、降水及干燥度等；其次是区域地质构造、 岩性、水文地质、地形坡向、植被等。 水热条件一般属地带性因素，它决定冰缘环境是否存在，冰缘作用类型、冰 缘过程发育强度，以及它们所表现出的地带性交化规律。不同气候区具有不同的 水、热条件组合，大陆性气候区冷、干的水、热条件组合特点使得寒冻风化作用 表现突出，雪蚀作用受到相当抑制，冻胀、热融作用也比较弱。相反，海洋性气 候区冰缘环境水热条件表现出湿、冷的特点，很显然雪蚀作用增强，由冻融蠕流 - 重力作用构成的斜坡冰缘过程表现突出，而冻胀，热融作用等很弱。 地质构造、岩性、水文地质、地形、植被等是区域性因素，属非地带性因素。 这些因素在冰缘过程中的参与更多的是决定及制约形成什么样的决缘形态类型 以及地域分异规律( 郭东信，1 9 8 5 ) 。 根据w a s h b u m ( 1 9 7 9 ) 的统计研究，世界上4 5 个地区利用冰缘现象重建环境 变化的资料中，有2 3 是利用古冰楔或砂楔；其它1 ，3 则是利用冰丘、寒冻裂隙、 成型土、冰卷泥等其它指标恢复的。崔之久( 1 9 8 4 ) 将冰缘现象的环境意义划分 为三个等级： i 级标志：可以较具体地指示年平均气温的气候楔状体。如冰楔假型 ( i c e - w e d g ec a s t ) 或古砂楔( s a n d - w e d g e ) ，指示年均气温低于一5 c ( w a s h b u r n ，1 9 7 9 ) ， 或介于- 6 - 8 ( p 6 w 6 ，1 9 6 6 ) i i 级标志：大型分选成型土、泥炭丘、石冰川等标志年平均气温低于o c 。 可以指示多年冻土存在。此外还有冰卷泥、不对称谷、寒冻裂隙、雪蚀洼地、热 融洼地、冻胀石块、石海、平底宽谷( 喇叭形谷) 等。然而就不对称谷而言，在我 国北部季节冻结期较长、冻结较深的黄土地区，也可以形成阳陡阴缓的不对称谷。 指示的环境范围比较宽。 i i i 级标志：它们不一定代表多年冻土，也可指示比较寒冷的近冰缘环境。 如大规模的冻融蠕流堆积、风棱石、砂丘、黄土、韵律式成层岩屑和融雪水沉积 而成的薄层状亚粘土、冰缘岩柱、大量灰岩碎屑堆积物等，它们指示环境的幅度 更大。没有多年冻土的专属性。 兰i i 大学研究生学位论文中国倒致第二次冰期以来多年冻土边界演化 本文即是采用最具环境指示意义的气候楔状体来作为恢复古环境的主要依 据，这包括冰楔假型、原生砂楔、土楔等。 1 1 2 气候楔状体的形成机理 多年冻土带广大地区的地表被纵横交错的沟槽切割成的网格形结构，一般称 之为成型土或多边形土。通过对西伯利亚的野外考察，a e f i g u r i n ( 1 8 2 3 ) 第一 次将大型多边形的形成与冷生裂隙联系起来。后来，在西伯利_ 亚( l o p a t i n ，1 8 7 6 ) 和阿拉斯加北部( l e f f i n g w e l l ，1 9 1 5 ，1 9 1 9 ) ，多边形的研究工作表明了冷生裂隙 构造的广泛分布性，并建立了冷生裂隙，多边形以及土楔和冰楔的密切关系( h a r r y , 1 9 8 。 热收缩裂隙理论是比较古老而又被广泛用来解释极地、亚极地等寒区地表开 裂的学说。该理论由l e f f i n g w e u ( 1 9 1 5 ) 提出，他认为近地表土层在低温作用下形 成热应力，当它大于土体的张应力强度时，裂隙便会产生。由于水分的进入和冻 融循环的进行，若干年以后，具有一定规模的冰楔就形成了( 图l - 1 ) 簟蛳十冬是 i 十秩天 图1 1 地表开裂及冰楔形成示意图( 据l a e h e n b r u c h , 1 9 6 2 ) 除了冰楔以外，北美等国的科学家还将气候楔状体构造按其组成划分为土 楔、砂楔和混合楔。冰楔融化后的转化形式称为冰楔假型c p e r m a f r o s t s u b c o m m i t t e e ，1 9 8 8 ) 。这些楔形体的基本概念及定义如下： 1 土楔为在组构上( 有时在成分上) 与周围土体不同的楔形土体，士楔可以 是次生的冰楔假形，也可以是砂楔( 原生形式) ，还可以是充填于季节性冷生裂隙 的脉状土体，但要区分季节融化层和季节冻结层土楔往往是比较困难的。 2 砂楔是由于风吹的外来砂或和裂隙壁的砂体充入寒冻裂隙而形成的楔 形体。砂楔是一种原生形式，它并不是由于冰楔融化，砂体代替冰体而形成，实 4 兰州大学研究生学位论文中国倒数第二次冰期以来多年冻土边界演化 际上它是一种土楔。 3 冰楔为具有垂向层理的楔状冰体，尖头向下，有时其形状多变，其规模 变化较大，小到长度不足l m ，大到超过5 0m 。后生冰楔一般呈楔状，共生冰楔 之形状不规则。冰楔既可在连续性多年冻土区发育( 如北极海岸) ，也可在非连续 性冻土区内发生并保存( 如中国的伊图里河地区) 。到目前为止，所发现冰楔的年 龄都在更新世和全新世。 4 混合楔中即含土又含冰，有时混合楔同时具有次生和原生的特性。苏联 学者用“土脉”和。冰脉”或“复生脉冰”等术语，前者与土楔对应，后者与冰 楔对应 在楔形构造中，冰楔为最重要的一种，它是不多几种可作为多年冻土存在标 志的冰缘地形之一在现代冰缘环境中，冰楔是近地表地下冰的重要组成部分。 例如在加拿大北极的西部地区，冰楔占地表体的2 0 左右，近地表地下冰的 8 0 可由冰楔冰构成( p o l l a r da n df r e n c h ，1 9 8 0 ) 。 对楔形构造的古形式，北美将“c a s t ”一词置于原形的后面来描述之，如“确 w e d g ec a s t ”，其汉语意思为“冰楔假型”。是指原来形成的冰楔融化后其它物质 充填或塌陷于原来冰体的位置，形成一个类似原先冰楔形状的填充物楔体。冰楔 假型与原生的砂土楔从外观上来看的一个最大区别就是冰楔假型的楔体内壁有 强烈的挤压变形的痕迹，这是由于冰楔在形成发育过程中的冻胀作用造成的；另 外，冰楔假型的内壁由于冰楔融化之后其它物质的再充填，有许多塌陷的痕迹， 而原生的砂土楔上述两种形态则不明显。这是我们在野外判断楔体的重要标准之 一 苏联及欧洲学者用“原生土脉”和“次生土脉”来描述古形式，原生土脉从 未经历过物质的置换，其组成成分是裂隙的原始充填物，其形状和大小完全保留。 完全的次生土脉对应冰楔假型，属于物质的再充填。本文统一采用北美的称呼。 1 1 3 气候楔状体的环境指示意义 世界上有关利用古冰缘地形恢复古环境的研究工作很多，欧洲这方面的工作 开展得较早。在北美，最早利用冰缘地形( 包括楔形体) 反演古环境的是 b r u n n s c h w e i l e r ( 1 9 6 2 ) 。美国学者b l a c k 和m 喇( 1 9 6 6 ) 作了许多利用冰楔及其 兰州大学研究生学位论文中国倒教第二次冰期以来多年冻土边界演化 假形追溯古环境的研究工作。b l a c k ( 1 9 6 5 ，1 9 6 9 ) 认为冰楔发育的界限年平均气温 为5 ，并利用此值反演了美国威斯康辛州西南部的古气候。w a s h b u r n ( 1 9 8 5 ) 在他的几篇综述性文章中都提出了与b l a c k 相同的5 温度值。p 6 w 6 ( 1 9 6 6 ) 建 立了- 6 - 8 的界限值，并被后来的无数学者所引用。b a u l i n ( 1 9 6 7 ) 认为- 2 c ( 未 指明是气温还是地温) 便足以产生冷生裂隙在加拿大马更些三角洲，在年均地 温为3 4 的条件下，冰楔正在生长( m a c k a y ，1 9 7 4 ) ；地表可在气温稍低于0 时开裂；而在c a r r yi s l a n d ，p e l l yi s l a n d 以及t u k t o y a l c m k ，m a c k a y ( 1 9 7 4 ) 观 测了冰楔开裂与地温的关系，发现地温为8 士i u 时，只有4 0 5 0 的冰楔开裂 这说明温度不是产生地表开裂的唯一原因实际上，地表开裂与冰楔和土楔的生 长受地气系统若干因素的控制，如土质类型、水分条件、气候、地表微地形以 及地被等，温度因子只是其中之一。 r o m a n o v s k i j ( 1 9 7 7 ) 通过对西伯利亚冰楔的研究，总结提出了多边形楔形 构造演变形成与围岩岩性、含水量和地温三者之间的关系( 图1 - 2 ) 。由图可见， 不同地层中楔体开裂并形成土楔、砂楔和冰楔所需地温相差甚大一般而言，岩 性粒度越粗，含水量越小形成楔体所要求的地温就越低。细粒土( 亚粘土，粘土、 淤泥、泥炭) 中土楔和砂楔在- 1 - 2 c 时即可能形成，形成冰楔要- 4 5 ；在 粗粒土( 中粗砂、砂砾石) 中形成土楔需- 3 - 5 c 的地温，而形成冰楔则要求- 4 6 甚至更低。 节蠹化饕爰 越辫惟展耋承i t 屠鼍 蓖雀靶鬟佬 蛰臻亚磅 砖培七e 睡藿拈傍蠢尊 十粗t廿t 肆看誉 毫弗吃鼍它 2 a f 嚣s p7 豁r 菇1帅l # b 薅曩童 d - ：a 参过曩型 i 一 2 长囊 2 。 聪土簟杉么z 杉杉夕乡夕杉乡么衫 3 一 奠盛穗 一 一7 毫曩 ， - 1 0 t 囊 坷 图l - 2 楔状构造与地温、围岩岩性，含水量关系( 据r o m a u o v s k q ，1 9 7 9 ) 6 兰州大学研究生学位论文中国倒致第二次冰期以来多年冻土边界演化 第二节国内外研究进展 国外的冰缘作用与环境变化研究主要集中在两个方面，一是研究现代冰缘作 用的发生过程以及与现代环境之间的关系。二是利用古冰缘遗迹重建古环境。 l e f f i n g w e l l ( 1 9 1 5 ，1 9 1 9 ) 对阿拉斯加地裂隙的报道及研究，揭开了北美冰缘环 境研究的序幂，他提出了热收缩裂隙理论。上世纪六十年代以来大批涌现的科学 家对冰缘作用与环境条件之间的关系进行了大量的实践研究与探讨。著名的理论 包括p 6 w 6 于1 9 6 6 年提出的冰楔是在年均温6 到8 时发育形成的，为大批学者 广泛引用。w a s h b u r n ( 1 9 7 8 ) 提出年均温5 c 为产生冰楔的条件。r o m a n o v s k i j ( 1 9 7 7 ) 总结提出了多边形楔形构造演变形成与围岩岩性、含水量和地温三者之间的关 系。m a c k a y ( 1 9 7 8 ，1 9 8 8 ) 建立了冰丘( p i n g o ) 与年均温之间的关系。v a n d e n b e r g h e a n dp i s s a r t ( 1 9 9 3 ) 。m u t t o n ( 1 9 9 5 ) 提出了大型冰卷泥予年均温之间的关系，并指出 楔状地貌的形成与每年的最冷月平均气温有很大的相关性。对形成多边形楔状地 貌所需气候条件的数字模型由l j p l u g ( 2 0 0 2 ) 提出，他通过对冰楔形成过程模 拟后认为冰楔的宽度和长度的增加与短时间的气温骤减有很大关系。 利用古冰缘遗迹重建古环境，进而确定古冻土分布界线，这在国外已得到广 泛应用。早在1 9 0 9 年波兰学者l o z i n s k i 就确认了古冰缘的古气候意义，随后德 国波舍曾对欧洲平原古冰缘进行过深入研究，并以土楔、砂楔及其伴生的冻融褶 皱分布确定出晚更新世玉木冰期最盛期欧洲平原古冻土南界( w a s h b u m 。1 9 7 8 ) 。 俄罗斯学者s a y a h h ( 1 9 8 1 ) 也曾利用多边形楔状构造，古冻胀丘及热融洼地等吉冻 土遗迹，建立了晚更新世以来前苏联境内冻土历史演变阶段，同时根据现时西西 伯利亚冻土南界与多边形脉冰分布相差5 6 个纬度，在中亚山地二者相差2 4 个纬度，以及冰楔假型分布确定了各阶段多年冻土南界位置( 引自中国冻土) 。 l s a r i n ( 1 9 9 7 ) 通过对冰缘现象的研究恢复了欧洲新仙女木事件时期的冻土演变并 对这一时期进行了古温度重建h u i s s t e d e n ( 2 0 0 3 ) 贝l j 利用冰缘地貌现象建立了 m 【s - 3 以来的环境模型。 裴文中在1 9 5 7 年对哈尔滨荒山晚更新世古冰缘现象的报道标志着古冰缘研 7 兰州大学研究生学位论文中国倒致第二次冰期以来多年冻土边界演化 究在中国出现，此后，在我国东北、华北、鄂尔多斯高原、青藏高原以及河西走 廊等地区的现代冰缘现象以及末次冰期形成的古冰缘遗迹相继被报道( 杨景春， 1 9 8 3 ；郭东信，1 9 7 9 ；张维信，1 9 7 9 1 崔之久，1 9 9 7 ；董光荣，1 9 8 5 ；李树德， 1 9 9 3 ：徐叔鹰，1 9 8 2 ；王乃昂，2 0 0 0 ；单鹏飞，1 9 9 6 等) 。潘保田等( 1 9 9 2 ) 在青 藏高原东北部的考察中发现该地区广泛发育有1 4 0 k ab e 左右的倒数第二次冰期 冰楔假型、砂楔等冰缘地貌遗迹。 8 0 年代初以来，对我国东部多年冻土历史演变过程研究取得了长足进展。郭 东信等( 1 9 8 1 ) 根据砂土楔等古冻土遗迹，以孢粉分析恢复的古气温，认为晚更新 世寒冷期( 距今3 5 万1 2 万年) 古冻土南界在辽河平原抵达4 2 。4 3 。n 之间；在 辽东半岛山地，因地势增高，冻土南界呈舌状向西南方向突出，其最南端达到4 l 。n 左右。又依据重轻矿物分析结果所反映的气候环境，与孢粉恢复的古气温大 体一致，认为全新世高温期( 距今85 0 0 30 0 0 年) 时东部古冻土南界退到现今大 片多年冻土的北半部，约5 2 。n 以北；新冰期时冻土南界又向南推进，此期最冷 时段冻土南界可能越过了现今冻土南界位置( 郭东信，1 9 8 1 ) 。崔之久等( 1 9 8 4 ) 根 据古冻土遗迹、孢粉分析恢复的古植被，以及披毛犀、猛犸象化石分布、认为晚 更新世寒冷期我国东部冻土南界达到3 9 。4 0 。n 附近。4 5 。n 以北，当时为连 续多年冻土区；以南属岛状冻土区。浦庆余( 1 9 8 5 ) 依据冻融褶皱、楔状构造、披 毛犀猛犸象化石分布，认为晚更新世我国东部古冻土南界在3 4 。2 1 3 4 。4 0 之间。徐叔鹰等( 1 9 8 9 ) 以大量国内外资料，论证了冰缘动物群、寒冷环境植被 分布、古冰缘与古冻土南界的内在联系及差别综合分析确认，晚更新世寒冷期古 冻土南界东起松辽分水蛉( 4 2 。以南，往西顺辽西山地至4 0 。n 度，向西南插 入陕北( 3 7 。n ) 。再顺内蒙古高原南缘延伸至我国西部。杨怀仁等( 1 9 8 0 ) 结合我国 东部自然环境演变历史，认为晚更新世古冻土南界抵达长江下游或杭州湾一带， 即3 0 。n 左右，是上述各家确认晚更新世古冻土南界中最南边的一条。潘保田 ( 1 9 9 7 ) 根据青藏高原上发现的冰楔假型和原生砂楔恢复出1 5 万年中青藏高原冻 土四次扩张的历史过程：1 4 0 l 【a b p 的倒数第二次冰期；8 0 5 3k ab p 的末次冰期 早期；2 7 2 3 l ( a b p 的末次冰期最盛期前期；2 0 l o l ( a b p 的末次冰期最盛期后期。 8 兰， i 大学研究生学位论文 中国倒数第二次冰期以来多年冻土边界演化 第三节选题原因及拟解决的问题 倒数第二次冰期以来的环境变化长期以来是地学界研究的热点之一。多年以 来，在环境变化的研究中，深海沉积物、冰芯、黄土沉积以及生物代用指标受到 人们的普遍关注，其研究成果也极大地推进了全球气候变化的研究进程。多年冻 土作为一种与寒冷气候紧密相关的环境要素，在描述一定区域，一定时段的气候 状况时也同样具有不可替代的作用。历史多年冻土边界的恢复对气候变化的研究 有着重要的参考意义。但由上文可见，我国冻土历史研究在取得若干进展的同时 还存在诸多问题和不足。其一，我国西部高山、高原多年冻土区地域辽阔，冻土 历史研究程度很不平衡，已发表研究成果多限于局部地区，而冻土历史演变过程 及其界线演变等研究十分缺乏i 其二，对我国东部晚更新世古冻土南界的位置还 未形成统一的说法；其三，对我国古冻土边界的研究主要集中在末次冰期，缺乏 更长历史的报道和研究。对倒数第二次冰期古冰缘现象的报道仅限于青藏高原地 区，十分有限；其四，对高原冻土带和纬度冻土带的演化研究相对独立，缺乏对 这二者之间联系的研究。 本文试图解决如下问题： 1 结合鄂尔多斯高原最近发现的倒数第二次冰楔假型，试图恢复我国倒数 第二次冰期的多年冻土边界。 2 结合野外观测和调查以及前人的研究成果，试图建立我国自倒数第二次 冰期以来冻土边界的演化历史。 9 兰州大学研究生学位论文 中国倒敦第二次淋期以来多年冻土边界演化 第二章鄂尔多斯高原及山西大同地区的冰缘地貌遗迹 第一节鄂尔多斯高原楔状冰缘地貌遗迹的发现 2 1 1 研究区域概况 鄂尔多斯高原位于中国内蒙古自治区南部伊克昭盟境内，在内蒙古高原的南 部。西北东三面为黄河包绕，南界长城。面积约1 3 万平方千米。海拔1 0 0 0 1 3 0 0 米。最高点为西部黄河畔的桌子山，海拔2 1 4 9 米( 图2 一1 ) 。在构造上，是内陆华 夏带沉降构造向斜盆地。岩石由中生代杂色砂岩、砂砾岩、页岩组成，西部有第 三纪红色砂岩、砂质粘土、古老岩系，多出露于四周边缘地带。本区地貌可划分 为东部披砂岩丘陵区、东胜梁地区、西部层状与波状高平原区、桌子山干燥剥蚀 山地区、库布齐沙带、毛鸟素沙地。地势从西北向东南微倾，起伏和缓。高原上 河流短小稀少，盐碱湖众多，多沙丘。 图2 - 1 鄂尔多斯高原及大同地区地理位置图 i o 兰州大学研究生学位论文中国倒教第二次冰期以来多年冻土边界演化 本区地处东部季风影响的边缘地带，受中温带干旱半干旱的气候控制，年均 气温在6 左右，年降水量2 0 0 4 5 0 咖。由于该地区的年平均地温。为4 c 左右， 没有达到形成多年冻土的温度条件，所以鄂尔多斯高原地区并未发育现代多年冻 土。距离本地区最近的大面积纬度多年冻土带分布在大兴安岭地区，其最南界可 达4 6 5 。n 。与本区一河之隔的贺兰山地区发育有零星分布的高山多年冻土，其 海拔冻土下界为3 1 0 0 m 左右 继周昆叔、阎永定( 1 9 8 2 ) 等人在该区萨拉乌苏河流域发现了融冻褶曲等冰 缘地貌现象之后，董光荣等人( 1 9 8 5 ) 曾报道这一地区存在着末次冰期的冰缘现象。 主要位于该区南部的萨拉乌苏河流域，多为小型冰卷泥和砂楔崔之久等( 2 0 0 2 ) 在内蒙古东胜、乌审旗地区也发现了众多末次冰期冰缘地貌现象。由此可见末次 冰期形成的冰缘地貌现象在该地区十分常见，但倒数第二次冰期形成的冰缘现象 还从未被发现过。 2 1 2 倒数第二次冰期冰楔假型的发现 野外观测到的鄂尔多斯高原倒数第二次冰期冰楔假型位于内蒙古准格尔旗 以北1 5 公里左右的杨四圪嘴村附 近，具体坐标为3 9 。5 9 n ，1 1 1 。1 8 e ，海拔1 2 3 1 m 。( 图2 - 2 ) 。 该剖面为公路路堑剖面，出露 较好( 图版1 ) 。已发现明显楔体 多达= 十余处，楔口平均宽 3 6 - 6 5 c m ，高7 5 一1 3 7 啪。形态皆 为上宽下窄的单尖结构，并多呈 上部锅状下部楔状的造型，这种 造型反映了冰楔上部形成于多年 冻土活动层中，而下部则是形成于 相对稳定的多年冻土层中 1 1 01 1 i1 1 2 訾 虢i - ，- 一 - - j l 盛 、河 苏胜 6 ， 。 准+l 尔旅1 t 剐嬲 专 绷虹 对地层自下而上的描述依次为( 图2 - 3 ) ： 圈2 - 2 杨四圪嘴剖面位置示意圈 。关于年平均地温的定义以及多年冻土存在所需的地温条件，请详见第三章第二节 田筮-籍一辑恒幕胛餐羞雠皿群刊，冬蕾避譬，繇羞鼍晕矩恒器馨蚜臣霉c_n墨 兰州大学研究生学位论文 中国倒数第二次冰期以来多年冻土边界演化 黄土层( l 3 ) ：灰黄色，无层理，不见底。 古土壤层( s 2 ) ：红色，存在微弱水平层理，粒径稍粗并且粒度指标结果 不太理想，可能是由于间冰期强烈的成壤作用促使原有的黄土转化为古土壤所 致。厚约1 1 m 。文中所述之冰楔假型皆发育其中。 黄土层( l 2 ) ：灰黄色，无层理，平均粒径为4 5 5 l i m ，厚约2 5 m 古土壤层( s 1 ) ：无层理，棕红色，以粘土为主，厚约1 。4 m 。 黄土层( l 1 ) ：灰黄色，无层理，含碳酸盐白色斑点，厚约3 i m 现代土壤层( s o ) ：棕褐色，较坚实，厚约0 4 m 。 楔体两侧的地层可见剧烈形变，显然反映经历过非常强烈的挤压作用楔内填充 物平均粒径为1 1 2 2 t u n ，其主要成分为细砂，偶见直径1 - 2 c m 细小砾石夹杂其中。 楔壁不平整，有挤压崩塌的痕迹。根据以上几种特征，将该楔状体归为冰楔假型。 我们对剖面地层进行了热释光( t l ) 年代测定。为了减少年代样品的人为误 差，我们使用了特制的采样工具。将长2 0 c m ，口径8 c m 的一端封口的钢管敞入 采样层位数十厘米后迅速拔出，在十秒钟之内把钢管另一端迅速密封，既大大 缩短了样品在目光下暴露的时间，又有利于样品含水量的保持。测试结果显示 楔内填充物底部年龄为1 3 2 0 0 1 3 0 0 k a ；由于该楔体较大，其底部尖端已裂 至l 3 层位，亦有t l 年代数据为证( 2 7 4 0 0 2 8 0 0 k a ) 。这也从另一个侧面 反映了倒数第二次冰期气候的寒冷。另外剖面l 1 底部年龄为2 3 3 0 2 2 0 k a ， 年代结果比我们预计的要偏早一些( 图2 - 3 ) 。 为了提供多方面的证据，我们还对整个剖面地层进行了间隔为1 0 c m 的系统 散样采集，分别在兰州大学西部环境教育部重点实验室荚 虱b a r t i n g t o n 公司生产 的m s 2 型磁化率仪，英国m a s t e r s i z e r 3 2 0 0 0 型激光粒度仪和日本m i n o l m 公司生产 的s p a d - 5 0 3 型土色计上进行了初始磁化率( s i ) ，中值粒径( 瑚) 以及样品的白 度( l ) 分析。根据这些环境指标绘制出的曲线与野外剖面描述吻合良好( 图 2 - 3 ) ，可以清晰地分辨出黄土与古土壤的交替层位。需要说明的一点是，从粒 度曲线上看，s 2 层位的粒径偏大，这有可能是因为这层古土壤在形成之时经受 了强烈的成壤作用，由原先粒径较粗的黄土转化而来所致。磁化率曲线在这个 层位出现的峰值也证明了这一点。 根据释光测年结果以及气候带用指标的对比可以确定该冰楔的形成年代 兰州大学研究生学位论文 中国倒数第二次冰期以来多年冻土边界演化 在l 2 发育时期，即倒数第二次冰期。 2 1 3 末次冰期楔状地貌的发现 末次冰期形成的冰缘 地貌在本地区被广泛报道。 我们的实地考察也证明了 该区发育有大面积的冰楔 假型以及砂楔群。从鄂尔多 斯市( 原东胜) 沿1 0 9 国道 向西至杭锦旗一百余公里 的公路路段上，成群出露着 数百个砂楔和冰楔假型( 图 版2 ) 。我们重点对鄂尔多 斯市西1 5 公里处的新胜村 图2 - 4 鄂尔多斯市新胜村剖面示意图 附近冰楔假型进行了调查( 图2 4 ) 。该剖面位于海拔1 4 8 6 m 的国道1 0 9 线两侧， 为公路路堑剖面。具体的位置是3 9 。5 l n ，1 0 9 。4 3 7 e 公路两侧共出露楔 体约五十余处。 剖面层位自下而上依次是：红色砂岩，未见底；晚更新统萨拉乌苏组河湖相 沙砾石层，厚约2 5 m ：古土壤层，厚约0 5 m ；砂层，厚约0 4 m 以及厚约0 4 m 的 表土耕作层。冰楔假型群皆发育在砂砾石层中，楔体的上部没有发现锅状构造， 这说明冰楔在形成时经历了一个气温迅速降到很低水平的过程。楔宽平均为 5 0 c m ，长约2 3 m 。绝大多数形态为单尖结构。由于楔体两侧可显见强烈的地层 扰动和穹起，表明冰楔发育时强烈的冻融作用。楔体中的填充物为粗砂，并夹有 为数不少的砾石，楔壁有明显的塌陷，因此可以明确地判断此楔体为冰楔假型。 我们对其中一个楔体进行了1 1 l 测年( 如图2 4 所示) ，其结果表明冰楔假型形 成的时间约为1 5 + 1 6 k ab p 。这与崔之久等人在东胜以西4 k m 左右发现的原生 砂楔系同时代的产物。需要说明的是，由于冰楔假型的形成存在一个物质的再充 填的过程，因此利用楔体内填充物测得的绝对年龄要比冰楔形成时间稍晚。 我们还在上述的准格尔旗附近的东孔兑乡一砖厂人工开挖剖面上发现了末 1 4 兰州大学研究生学位论文 中国倒致第二次冰期以来多年冻土边界演化 次冰期的原生砂楔( 图版 3 ) 。该剖面位置3 9 。5 6 n ， l l l 。1 5 7 e ，海拔1 3 1 米。 砂楔发育在黄土地层中，共 出露二十余处，楔高约 1 8 0 2 0 0 c m ，宽l o o c m 左 右楔体上宽下窄，没有明 显的锅状结构，少数底端分 叉楔体内充填十分纯净的 细砂，楔壁无十分明显的变 形塌陷痕迹，故将此处楔体 定为原生砂楔( 图2 5 ) 。为 图2 - 5 准格尔旗东孔兑砖厂翻面示意图 了确定该砂楔的形成年代，我们对楔体以及其底部围岩进行了t l 测年，结果如 图所示，显示该砂楔形成于1 5 + 1 5 k ab p 。这说明该楔体与上述之鄂尔多斯 市西1 5 公里处的冰楔假型系同一寒冷时期的产物。 第二节山西大同地区楔状地貌的发现 2 2 1 研究区域概况 本文所述之“大同地区”指的是西邻鄂尔多斯高原，东界恒山、小五台山， 南靠五台山，北依长城，以山西大同市为中心的方圆约2 5 万平方千米的区域(