王照波　王江月　张剑

摘要： 为了确定山东蒙山佛塔谷一带的第四纪冰川、黄土、水系沉积物与MIS的对应关系，对该区冰川遗迹进行了详细调查，并对冰川、黄土和水系沉积物进行年代学研究。对比研究了蒙山地区各类地层沉积与深海氧同位素演化阶段的对应性，建立了冰川、黄土、水系沉积物与环境演化的内在关系;详细对比了全新世、晚更新世冰川、黄土、水系沉积物与MIS的关系，初步对比了中更新世冰川沉积物与MIS的关系。我国东部各类第四纪沉积物与MIS之间具有良好的对应关系，从沉积层序与环境演化的角度，确认了蒙山及我国东部地区存在第四纪冰川作用的事实。

关键词： 冰川遗迹;黄土;MIS;第四纪;蒙山;山东

中图分类号：P343.6

文献标识码：A

文章编号：2096-1871（2019）02-081-10

自1922年李四光先生提出太行山东麓存在第四纪冰川遗迹的观点[1-2]以来，我国东部中低山区有无第四纪冰川的问题就长期争论不断[3-7]。山东蒙山地区第四纪冰川组合遗迹的发现及相关研究工作[8-12]，也引起了激烈的学术争论[13-14]。对沉积物的形成环境进行还原，是解决中国东部有无冰川之争的重要手段。冰川、黄土、水系沉积物均为气候环境的产物，因而一定区域的沉积物之间必然存在内在关联。近些年来，深海氧同位素阶段（Marine Isotope Stage，简称MIS）研究，为探讨第四纪沉积环境演化提供了线索，研究沉积物形成时代与MIS的对应关系，既可系统地掌握区域环境演化规律，又可判别沉积物的形成环境。

多年来，笔者对蒙山地区第四纪冰川组合遗迹进行研究。该区第四纪冰川组合遗迹保存好且类型丰富，存在冰川、黄土和水系沉积物，为研究各类沉积物与气候演化的耦合关系提供了基础条件。本文通过在蒙山南坡佛塔谷一带进行野外地质调查，探讨该区第四纪冰川、黄土、水系沉积物与MIS的对应关系，进一步证实蒙山及我国东部地区存在第四纪冰川作用的事实。

1 地质特征

本文选择蒙山南坡全新世孔家白壤地层剖面（编号：1）、晚更新世汪家坡地层剖面（编号：2）和佛塔谷冰碛分布区（编号：3）进行研究。以上研究地点最远相距8 km，处于同一气候环境影响区。

1.1 孔家白壤剖面

该剖面位于蒙山南麓平邑县孔家白壤村东河岸，主要出露全新世地层（图1，图2），底部沉积在晚更新世大站组（马兰黄土）之上[15]，主要为临沂组与黑土湖组。临沂组厚2.1 m，黑土湖组厚0.9 m。黑土湖组底部沉积年龄为7.6～7.8 ka，临淄闻韶剖面沉积年龄为11.78 ka[16]。

1.2 汪家坡剖面

该剖面位于蒙山南麓汪家坡村北温泉附近（图1，图2），东距佛塔谷3.7 km，剖面岩性分层清晰，总厚16.4 m，底部沉积在太古宙片麻状花岗闪长岩上。该剖面与张夏大沙河剖面和章丘埠西剖面[16]具有对应性。根据地层特征及年代学资料，认为汪家坡地层剖面对应于大站组[17]，上部黄土直立节理发育，形成近5 m的黄土台，现黄土台大部分已被取走，底部只有黄土残留。

1.3 佛塔谷冰碛分布区

蒙山地区佛塔谷—兰溪一带冰川遗迹类型最丰富，形成清晰可辩的冰碛序列。根据冰碛物及其擦痕特征，佛塔谷冰碛物可划分为6个段落（图3）。在佛塔谷上游兰溪峡冰川槽谷中可见磨光面、擦痕、新月形凿口、新月形裂纹、新月形断口和逆冲擦痕等遗迹。兰溪冰川槽谷上游分布海拔最高的冰碛垄Ⅰ（图4（a）），下游分布时代较新的冰碛垄，其中Ⅱ、Ⅲ段落冰碛垄（图4（b）、（c））中的砾石表面可见擦痕和颤痕[8-11]，Ⅳ—Ⅵ段冰碛垄（图4（d）、（e）、（f））表面分布大型漂砾，由于长期受风化剥蚀作用影响，砾石表面已无法观察到擦痕。Ⅶ段冰碛沉积物被黄土覆盖，仅在局部开挖的沟渠中可观察到出露情况（图4（g））。

1.3.1 Ⅰ号冰碛带

该冰碛垄分布在蒙山南坡海拔700～770 m的沟谷内，巨石叠置呈垄状，长20～30 m，高3～5 m，宽5～9 m。由于搬运距离短，砾石多呈棱角状和次棱角状，砾石之间的空隙发育，空隙中缺少砂土充填（图4（a））。砾石磨光面发育，可见擦痕等刻蚀遗迹，但数量相对较少。由于树木遮蔽，岩石表面易生长苔藓类植物。

经宇生核素样品测试，该冰碛垄获得了5.27 ka的年龄值，为全新世中期沉积物，属于清荣冰期[12]。

1.3.2 Ⅱ号冰碛带

该冰碛分布在蒙山山前情人谷、拦马、瑶池和西山神地区，顺山谷方向延伸，呈垄状，冰碛垄出露海拔350～450 m，长度近百m，也可达200 m。典型沉积出现在佛塔谷拦马墙和鳄鱼口村（图3Ⅱ），由大小不一的石块构成垄状，砾石以次圆状为主，直径多为0.3～2 m，个别可达7 m。砾石之间空隙发育，无泥沙充填，缺少植被，砾石表面新鲜，基本无明显风化（图4（b））。砾石表面普遍分布清晰的磨光面、擦痕、颤痕、新月形凿口、弧形擦痕等冰川刻蚀遗迹。条痕石上的擦痕短粗，具有多向性。根据冰碛垄两侧砾石赋存状态，冰流一侧具有叠瓦状特征。该冰碛垄为冰川向下滑动过程中，在转弯处，冰体受北岸陡崖阻滞抬升，冰川携带的漂砾受重力影响发生侧向滚落堆积，为侧碛垄。

根據光释光测年研究，该侧碛垄形成的时间为8.2 ka。通过对垄中巨石与上游兰溪槽谷谷壁岩石表面宇生核素样品进行测试，获得了7.01～9.95 ka的年龄值，属于拦马冰期[9，12]。

1.3.3 Ⅲ号冰碛带

该冰碛分布在蒙山山前沟谷内，冰碛垄出露海拔为300～350 m，一般规模较大，长度约200 m，也可达300 m。典型沉积出现在佛塔谷鳄鱼口村西侧拦马墙冰碛垄向下延伸的地段（图3 Ⅲ），由多道分支状的垄组成。垄由大小不一的石块构成，砾石以次圆状为主，直径多为0.5～3 m，个别直径达8 m，砾石之间充填泥沙，生长稀疏树木（图4（c））。砾石表面较新鲜，风化较弱的砾石表面可见磨光面、擦痕、颤痕、新月形凿口、弧形擦痕等冰川残留遗迹，风化较强的砾石表面较难保存。条痕石上的擦痕具有短粗和多向性特征。该冰碛遗迹中部多为砾石和泥沙混合沉积，为冰舌沉积。两侧由巨石组成的冰碛垄，具有明显的挤压排列特征，为侧碛垄。

根据光释光测年研究，该冰碛垄年龄为18.2 ka和22.5 ka，说明其形成于晚更新世，对应于末次冰期晚冰阶，属于蒙山冰期[9]，对应于末次盛冰期（LGM）。

1.3.4 Ⅳ号冰碛带

该冰碛分布在佛塔谷和情人谷，典型沉积分布在佛塔谷（图3Ⅳ，图4（d）），海拔为265～400 m，由泥沙和石块组成混杂堆积。垄的表面稀疏分布的巨型漂砾是特征性标志，如骆驼石、子夏石、救命石和寿桃石等。在蒙山山麓地带，组成巨型漂砾的岩石多为二长花岗闪长岩，表面为厚约10 cm的灰黄色粉砂质黏土。砾石表面风化较严重，已无法观察到擦痕等刻蚀遗迹。沉积层顺谷展布，为侧碛垄，分布数百吨的巨型漂砾。该冰碛垄明显受后期洪水冲蚀作用影响，在其前端内侧形成明显的冲蚀弧（图3），Ⅱ、Ⅲ冰碛垄分布在冲蚀弧内。

根据光释光测年研究，该冰碛垄获得的年龄值分别为74.0 ka、59.9 ka、72.8 ka和72.7 ka，为末次冰期早冰阶，东山冰期，属于晚更新世。

1.3.5 Ⅴ号冰碛带

在佛塔谷下游分布较古老的冰碛沉积，形成相对独立的地带。在环山路与孟家庄之间的冰碛堆积（图3Ⅴ，图4（e））赋存海拔为230～265 m，顺山谷呈条带状延伸，为混杂堆积，地表分布巨石带，石块之间有灰黄色粉砂质黏土充填。

1.3.6 Ⅵ号冰碛带

该带分布在孟家村及下游，由于受地形影响，分叉向两个方向延伸（图3Ⅵ，图4（f）），赋存海拔为180～230 m。因石块分布零星，多已开垦为田地，在沟谷中可见沉积剖面，剖面总体为砾石和砂组成的混杂堆积，覆盖约20 cm的红褐色黄土。

1.3.7 Ⅶ号冰碛带

在Ⅵ冰碛带向下游延伸的地区有冰碛沉积分布，但被黄土覆盖，地表很难见到（图3Ⅶ，图4（g）），仅在陈家庄水库溢洪道中可见，其上被厚约3 m的黄土覆盖。该处冰碛为典型的混杂堆积，其中有3 m×2 m的巨型砾石分布于砂砾中。砂砾表面呈灰褐色，具有一定的固结性。经调查，该冰碛可延伸到海拔160 m的地区，再向前则消失。

2 年代学特征

为了理清蒙山地区第四纪沉积事件的时序，笔者在该区进行了详细野外地质调查与年代学研究。采用光释光、宇生核素和C14等测年方法，其中MS01、MS2-1、MS2-2光释光年龄及 MS1、MS2、MS4、QR01宇生核素年龄已发表[9，12]，其他年龄数据为本文实测数据。

2.1 光释光测年样品采集与测试

本次共采集光释光测年样品6件，MS03-1和MS03-2取自汪家坡地层剖面底部黑色粉砂质泥块，大小为15 cm×15 cm。样品用3层黑色塑料袋包裹遮光，外面用泡沫包扎，驱车送至实验室。MS03-3、MS03-4、MS04-1和MS05-1采用直径3 cm的钢管取样。取样前，入土端用泡沫严实封堵后砸入沙土中，待管中沙土充满后拔出钢管，对入土端避光封堵捆扎，用黑色塑料袋封装，再用胶带缠绕捆扎，标注采样号，确保样品不透光、不混样。取样位置选在剖面出露处，尽可能选在巨石漂砾下侧20 cm处，清理表土至原始沉积后再取样。样品实验室处理及详细测试过程见参考文献[9]，测试结果如表1所示。

对测试结果进行校验，发现MS03-1与MS03-2满足误差范围，分析数据可靠。MS03-3、MS03-4、MS04-1和MS05-1超出误差范围，分析数据仅供参考。MS03-3、MS03-4、MS04-1和MS05-1取样位置均位于同一冰期沉积地段（图3 Ⅳ），结合前后冰碛沉积物获得的年龄值，认为这些数据虽误差较大，但仍具有参考意义。

2.2 宇生核素测年样品采集与测试

利用多种测年方法交叉验证，考虑各种测年方法的误差允许范围，本文同时选择宇生核素测试方法，选择野外易辨认、位置开阔的侧碛垄中的大型漂砾及冰川槽谷谷壁（图3）。采集含石英较多的花岗闪长岩或石英脉体，厚2 cm的表层岩石作样品，每件样品重约3 kg。

样品 （编号：FT02）采于佛塔谷孟家庄村后大型漂砾表面，采样地点见图3。样品为巨型冰碛砾石表面厚2 cm的片麻状花岗闪长岩，岩石表面坚硬，具有较强的抗风化能力，表面已无法观察到擦痕，表明其经历了长期的风化剥蚀作用。样品测试结果见表2，对获得的年龄按1 mm风化速率进行校正。经校驗，该测试数据可靠，样品实验室处理与测试过程见参考文献[12]。

2.3 14C测年样品采集与测试

样品采自汪家坡剖面底部黑色淤泥层植物残留体，呈长柱状，黑褐色，具有一定韧性，长2.2 cm，宽2 mm，厚0.5 mm，从淤泥中分离后与其他残块一并装入塑料封口袋，编号后送至实验室。在美国Beta实验室完成实验测试，实验过程符合美国ISO/IEC 17025：2005 Testing Accreditation PJLA #59423标准要求。

由于采集样品沉积时间久远，14C已接近放射性碳的衰变极限，检测到的含量已极其微弱，获得了> 43.5 ka的开放性年龄值（表3），鉴于14C检测极限一般约50 ka，表明沉积时间为43.5～50 ka。同层位获得的光释光年龄分别为46.0±4.6 ka和50.6±5.1 ka，从而约束该剖面底部黑色淤泥层的沉积年龄为46.0～50.6 ka，表明本文获得的14C测试数据具有参考价值。

以上年代学研究为该区沉积物与MIS对比研究提供了年代学数据支撑。尽管测试方法不同，但这些测年数据与冰碛遗迹的分布具有明显的规律性，自下而上，随海拔升高，形成时代越来越新，年龄值越来越小。

3 冰川、黄土、水系沉积物与MIS 对比

深海沉积物底栖有孔虫的δ18O 含量变化可推断不同时期温度和全球冰量的变化，反映冰期与间冰期的环境交替。MIS曲线奇数阶段为暖期，对应间冰期（阶）;MIS曲线偶数阶段为冷期，对应冰期（阶）。此外，MIS曲线完整记录了全球气候的演化规律[19]。将第四纪沉积物年龄与深海氧同位素阶段曲线（MIS）进行对比，可推断沉积作用发生时的环境特征。

3.1 全新世沉积与MIS 1的关系

湖北神农架大九湖泥炭沉积物元素地球化学、同位素地球化学和孢粉研究表明[20]，我国东部存在明显的8.2 ka与9.2 ka的降温事件，而9.2 ka事件降温幅度远超过8.2 ka事件，说明我国东部全新世早期强烈降温。湖北神农架大九湖全新世泥炭Rb/Sr地球化学气候记录曲线（图5）限定全新世中期降温事件发生在4.66～5.66 ka B.P.[20]，该降温期在蒙山海拔约750 m的山谷已形成冰碛垄，表明该时期蒙山地区海拔750 m的山谷存在冰川作用，对应清荣冰期[12]，该冰期发生在黑土湖组与临沂组沉积之间。在兰溪冰川槽谷下游形成拦马墙冰碛垄，光释光测年获得8.2 ka的年龄值，属于拦马冰期[9]。该冰碛宇生核素测年获得了7.01～9.95 ka的年龄值，为全新世早期，该冰期处于黑土湖组与大站组之间（图5）。黑土湖组形成时间为全新世早期，年龄值为7.6～7.8 ka，属于典型的MIS 1大暖期沉积。

3.2 晚更新世沉积与MIS 2、MIS 3和MIS 4的关系

晚更新世末次冰期阶段的冰期与间冰期氧同位素演化规律明显，其中SPECMAP 冰芯曲线记录与极地冰芯研究均显示末次冰期对应于MIS 2—MIS 4 （图6（a）、（b）、（c），青藏高原古里雅冰芯记录（图6（d））诠释了中更新世晚期以来的气温演化规律[21]，对于重建我国东部晚更新世沉积事件与MIS的关系具有重要的参考。

MIS 2阶段：汪家坡剖面上部黄土沉积属于晚更新世形成的马兰黄土。蒙山拦马墙下部冰碛沉积物年龄为18.2～22.5 ka，表明该段冰碛对应于末次冰期的MIS 2阶段（图6），即蒙山冰期，对应于末次盛冰期（LGM）。

MIS 3阶段：汪家坡剖面下部河流相沉积黄褐色砂、含砾砂层，其间黑色淤泥夹层中植物残体的14C年龄>43.5 ka B.P.，同层的2个样品光释光年龄分别为46.0±4.6 ka 和50.6±5.1 ka，确定该段河流相沉积时间为晚更新世，对应于末次冰期的MIS 3阶段（图6）。该时段，佛塔谷具有清晰的洪水作用痕迹，即在早期MIS 4阶段形成的冰碛垄上，形成明显的冲蚀弧。

MIS 4阶段：在拦马冰期、蒙山冰期冰碛垄外侧与下游冰碛垄上获得光释光年龄值为55～72 ka，对应于末次冰期MIS 4阶段，即东山冰期（图6）。

3.3 中更新世沉积与MIS间的关系

MIS 4之下的中更新世冰碛和地层沉积较古老，蒙山地区尚未发现完整的沉积剖面，也未获得有效的年龄值，故仅对该时段进行初步分析。

3.3.1 Ⅴ号带冰碛与MIS6-10

Ⅴ号带冰碛分布在环山路与孟家庄之间，获得的宇生核素年龄值为45.9 ka，属于MIS 3阶段。因样品取自冰碛垄石块，曾受MIS 3阶段洪水沉积干扰，样品FT01受后期影响，未获得测试数据。MIS 3在佛塔谷形成明显的洪水冲蚀弧，在汪家坡剖面形成大规模的洪水沉积，说明该年龄与MIS 3的覆盖与前期沉积有关。应为MIS6-10阶段的產物（图7），对应于国际通用的里兹冰期，在西部高原区称为倒数第二次冰期[21-22]，该冰碛对应于庐山冰期，具体沉积时间应为130～400 ka，为中更新世。

3.3.2 Ⅵ号带冰碛与MIS12-14

庐山冰期冰碛下游堆积的冰碛沉积，暂无测年数据。根据冰期划分，对应于MIS12阶段和MIS14阶段（图7），对应于国际通用的民德冰期，在西部高原区称为倒数第三次冰期[22-23]，对应于大姑冰期。根据MIS对比，其形成时间应为620～450 ka，为中更新世。

3.3.3 Ⅶ号带冰碛与MIS16-18

向下游延伸，冰碛沉积被黄土覆盖，局部沟谷可观察到VII号带冰碛。根据冰期划分，对应于MIS16阶段和MIS18阶段（图6），对应于国际通用的贡兹冰期和中国东部鄱阳冰期。根据MIS对比，其形成时间为750～680 ka，为中更新世。

4 讨论

4.1 MIS3在蒙山地区的存在形式

汪家坡剖面大站组底部砂砾石层厚约5.6 m，代表古洪水沉积相，古洪水发生的时间约为4.6 ka。佛塔谷冰碛分布区，在MIS 3阶段形成东山冰期冰碛垄上留下冲蚀弧（图3），是洪水冲蚀作用留下的印记，是MIS 3在蒙山地区的遗存标志。

4.2 蒙山地区最古老的冰碛

目前，蒙山地区规模最大的冰碛可能并不代表蒙山地区最古老的冰期遗迹。通过MIS对比，发现在鄱阳冰期（MIS16、MIS18和MIS20）之前存在更古老的降温时段（如MIS 22）（图7），但由于MIS16冰碛规模宏大，对更老的冰碛产生破坏与覆盖，将以往冰期遗迹“涂掉”。据此，推断蒙山地区应存在更古老的冰碛遗迹。

4.3 蒙山冰川作用与喜马拉雅山抬升的耦合关系

根据MIS对比分析，蒙山地区冰川作用与西部高原区冰川作用具有同步性，但东部冰川的控制气候因素为东亚冷槽[10]。东亚冷槽的形成是否与喜马拉雅山的隆升具有密切关系？根据笔者冰斗系统最新研究成果，发现即使青藏高原不隆升，我国东部在第四纪似乎仍存在冰川作用[24]，这需要进一步开展研究工作。

5 结论

（1）在沉积时序上，冰川、黄土与水系沉积物明显叠加，共同组成了我国东部沉积序列，是我国东部第四纪沉积的基本特征。

（2）蒙山地区存在第四纪冰川遗迹，我国东部中低山区曾存在第四纪冰川活动。

（3）蒙山冰川沉积物与MIS间具有密切的对应关系，我国东部和西部地区的冰川作用过程与全球气候变化之间具有同步性。

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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