董晓朋，李振宏*，崔加伟，黄 婷，马兆颖,3，寇琳琳

(1. 中国地质科学院地质力学研究所,北京 100081; 2. 自然资源部古地磁与古构造重建重点实验室，北京 100081; 3. 中国地质大学(北京) 地球科学与资源学院，北京 100083)

0 引 言

冰缘遗迹是古寒冷气候环境的重要指示标志，所蕴含的气候地层信息对地貌演化过程具有重要的指示意义，在重建一定区域和时间段的气候状况以及划定多年冻土边界等方面有不可替代的作用。在中国北方中纬度的华北地区、鄂尔多斯高原及周缘、河西走廊地区和巴丹吉林沙漠，以及中高纬度的内蒙古呼伦贝尔地区和东北地区，保留了大量末次冰期与多年冻土有关的冰缘遗迹现象，如砂楔、古冰楔、寒冻裂隙和融冻褶皱等，记录了晚更新世末的寒冷气候信息。

基于中国北方中高纬度地区大面积冰缘遗迹群的统计研究，崔之久等提出中国北方20 ka以来中高纬度多年冻土南界的东段沿38°N～40°N延伸，西段沿37°N～39°N延伸。而金会军等则认为末次冰期最盛期冻土南界东段沿41°N～42°N延伸，西段则由鄂尔多斯高原南部的靖边、盐池进入陇东，到达37°N～38°N以南。其中，张珂等在宁夏清水河流域下游谷地发现的晚更新世末融冻褶皱，是末次冰期最盛期冻土南界西段划分的重要证据。课题组在宁夏清水河流域中上游谷地发现了末次冰期最盛期发育的冰缘遗迹群(包括融冻褶皱和古冰楔等)，本文通过C测年和光释光测年对冰缘遗迹群的形成时代进行了精确限定，并且深入分析了成因机制，探讨了其对古气候和末次冰期中国北方多年冻土南界划分的指示意义。

1 区域地质概况

青藏高原东北缘弧形构造带由弧形展布的海原断裂带、香山—天景山断裂带、烟筒山断裂带和牛首山—罗山断裂带以及相间分布的山间盆地组成(图1)。清水河起源于海原断裂带以南的六盘山构造带，流经香山—天景山断裂带和烟筒山断裂带之间近SN向展布的狭长谷地，在宁夏中卫地区汇入黄河。

F1为海原断裂带；F2为香山—天景山断裂带；F3为烟筒山断裂带；F4为牛首山—罗山断裂带 图1 宁夏清水河中上游区域地质简图Fig.1 Geological Sketch of the Middle to Upper Reaches of Qingshuihe River, Ningxia

中晚更新世时期，六盘山构造带南段经历了快速地幕式抬升过程，发育约541、约477、约279和约60 ka B.P.多期河流阶地。受晚更新世末以来青藏高原东北缘快速的构造抬升和侧向挤出影响，不仅六盘山构造带发生频繁的断裂活动和快速的走滑变形，而且清水河流域发育了四级河流阶地(T1—T4，约147.5 ka B.P.以来)。清水河流域在1.8～1.1 Ma冰期、间冰期气候差异不大，基本处于干冷气候状态，而在约0.8 Ma B.P.以来，气候变化整体呈现高频振荡特征，冰期、间冰期气候两极分化，冰期更干冷，间冰期更温暖。

2 冰缘遗迹群分布及特征

在清水河中上游宁夏回族自治区海原县三营镇唐堡村剖面(经纬度为(36°22′5″N，106°8′25″E),海拔为1 399 m)发现多处古冰楔(图2～4)；在唐堡村剖面北侧7 km处的三岔河剖面(经纬度为(36°25′53″N，106°8′34″E),海拔为1 378 m)发现多处融冻褶皱(图5、6)。该冰缘遗迹群的发现位置在清水河流域下游冰卷泥构造发现位置南侧约52′，径向上距离相差约97 km。

图2 唐堡村剖面楔状体-1野外照片及其素描Fig.2 Field Outcrop and Sketch of Ice Wedge Pseudomorph-1 in the Tangbaocun Section

2.1 唐堡村剖面

在唐堡村剖面[图2(a)]中，层(1)，0～330 cm，灰白色厚层块状黏土质粉砂，无明显层理，较坚硬；层(2)，330～375 cm，棕红色粉砂夹薄层深棕红色黏土质粉砂，与下伏层(1)不整合接触；层(3)，375～482 cm，灰白色薄层黏土质粉砂与浅棕红色粉砂质黏土互层，其中黏土质粉砂单层厚8～10 cm，粉砂质黏土单层厚3～5 cm；层(4)，482～507 cm，浅棕红色细砂层；层(5)，现代耕植土。

楔状体-1(图2)发育于层(1)灰白色厚层块状黏土质粉砂层中，深度大于285 cm，宽56～102 cm；出露地表的部分呈楔形，上宽下窄，楔壁不平直，凹凸不平。同时，楔体中充填有周围地层的碎块和棕红色粉砂，无明显层理。楔壁凹凸不平可能是形成发育过程中受冻胀作用影响，周围地层破碎塌陷造成的。周围地层崩塌的碎屑充填于楔体中。在临近两侧楔壁的周围地层中还发育裂隙，自上而下逐渐尖灭[图2(b)]。这些裂隙的顶部与层(1)、层(2)间的不整合面近乎垂直，向下逐渐向楔壁弯曲，但均未与楔壁相交[图2(b)]。裂隙中还充填有与上覆地层相同的粉砂[图2(a)]。这些裂隙与自下而上发育的活动断层和与主干断层相交的伴生断层不同。由于古冰楔是脉冰融化后充填而形成，并且楔体中常充填周围地层塌落的块体，所以这些裂隙可能是周围地层向楔体内塌落前形成的。综合判断该楔体为古冰楔。

在图2中，楔状体-1北东侧(53°方向)约18 m处新开挖的田地旁发现3处楔状体(楔状体-2～4)，相互间隔1.8～5.0 m。该处地层序列为[图3(a)]：层(1)，0～110 cm，灰白色厚层块状黏土质粉砂，层理不清，未见底，并且顶部被水流冲刷，发育侵蚀面；层(2)，110～160 cm，棕红色、浅棕红色细砂与棕红色黏土互层，细砂单层厚3～15 cm，棕红色黏土单层厚3～5 cm，发育平行层理、斜层理和透镜状层理；层(3)，160～350 cm，灰白色粉砂夹多层薄层状棕红色细砂，其中粉砂单层厚15～18 cm，而细砂单层厚约2 cm；层(4)，350～365 cm，紫红色细砂，偶夹细砾，发育平行层理和斜层理；层(5)，365～545 cm，棕红色厚层块状黏土质粉砂，夹灰白色薄层或透镜状细砂或粉砂；层(6)，545～635 cm，灰白色粉砂与棕红色黏土质粉砂互层，其中灰白色粉砂单层厚5～8 cm，棕红色黏土质粉砂单层厚10～15 cm；层(7)，635～785 cm，棕红色厚层块状粉砂质黏土，夹透镜状细砂；层(8)，785～825 cm，浅棕红色黏土质粉砂；层(9)，825～855 cm，棕红色黏土，发育少量石膏晶体；层(10)，855～875 cm，青灰色黏土层，发育大量石膏晶体；层(11)，875～955 cm，棕红色粉砂质黏土与黏土质粉砂互层，其中粉砂质黏土单层厚8～10 cm，而黏土质粉砂单层厚5～8 cm。

图3 唐堡村剖面楔状体-2～4野外照片Fig.3 Field Outcrops of Ice Wedge Pseudomorph-2-4 in the Tangbaocun Section

从地层序列和岩性特征来看，楔状体-2～4与楔状体-1所在剖面的层(1)均为灰白色厚层块状黏土质粉砂，顶部均发育侵蚀面(图2、3)，层(2)均为棕红色细砂或粉砂与黏土质粉砂或黏土互层，顶部均发育含大量石膏的青灰色黏土层。因此，其地层序列可以对比，区别在于地层厚度不一致。

楔状体-2～4[图3(b)～(d)]均发育在侵蚀面之下的层(1)，楔体内均被棕红色粉砂、棕红色黏土质粉砂或粉砂质黏土充填。楔状体-2上宽下窄，楔体顶部宽约5 cm，深度约90 cm；楔壁平直、整齐，周围地层未发生明显变形[图4(b)]；楔体中无周围地层碎块。楔状体-3也呈现上宽下窄的形态特征，但是楔壁形态不规则[图4(c)]；楔体顶部宽约13 cm，深度约30 cm；楔壁相对整齐平滑，楔体内充填棕红色细砂和棕红色黏土。楔状体-4形态不规则，总体来看也呈现上宽下窄的形态特征，顶部宽约15 cm，向下稍变宽后立即变窄，深约78 cm[图4(d)]；楔体内充填有棕红色细砂，含少量周围地层碎块。

图4 唐堡村剖面楔状体-2～4素描Fig.4 Sketches of Ice Wedge Pseudomorph-2-4 in the Tangbaocun Section

楔状体-3和楔状体-4的楔壁形态不规则，楔壁凹凸不平，周围地层中层理发生明显变形[图4(c)、(d)]。这可能是在古冰楔发育过程中受脉冰挤压和冻胀作用影响，周围地层发生变形造成的。在靠近楔状体-3和楔状体-4的周围地层中还发育少量裂隙，充填有少量与上覆地层相同的棕红色细砂或黏土。裂隙仅发育在层(1)中，未穿入层(2)，形态不规则，但均未与楔壁相交，自下而上逐渐尖灭[图4(c)、(d)]。因此，这些裂隙与楔状体-1两侧周围地层中的裂隙成因一致，是周围地层向楔体内塌落前形成的。

楔状体-2～4内，充填有棕红色细砂夹棕红色黏土，其层理与楔壁近于平行或斜交。这说明楔体先形成，在多年冻土的消融过程中，沉积物沿楔体内脉冰与楔壁之间空隙多次充填，形成与楔壁近于平行或斜交的层理[图4(b)～(d)]。

根据以上特征综合判断，楔状体-1～4为古冰楔。受热胀冷缩作用影响，在极端寒冷干燥的气候条件下，地表多年冻土收缩形成裂隙，并且裂隙中的脉冰不断生长挤压周围地层，造成楔壁凹凸不平，而在气候条件逐渐变暖之后，多年冻土逐渐消融，楔体被沉积物充填。

2.2 三岔河剖面

三岔河剖面[图5(a)、6(a)]中，层(1)，0～74 cm，灰白色粉砂夹薄层棕红色黏土，发育平行层理；层(2)，74～122 cm，浅棕红色粉砂，夹薄层棕红色黏土；层(3)，122～187 cm，浅褐黄色粉砂，夹薄层浅棕红色黏土；层(4)，187～247 cm，灰白色粉砂与浅棕红色黏土互层，其中粉砂单层厚20～30 cm，黏土单层厚5 cm；层(5)，247～279 cm，浅棕红色黏土层；层(6)，279～359 cm，灰白色粉砂，夹薄层浅棕红色黏土；层(7)，359～439 cm，青灰色石膏质黏土层，与层(6)不整合接触；层(8)，439～484 cm，棕红色石膏质黏土层；层(9)，484～544 cm，青灰色粉砂层，含大量石膏；层(10)，544～569 cm，棕红色石膏质黏土层；层(11)，569～639 cm，浅棕红色粉砂层，夹薄层棕红色黏土层。其中，层(6)与层(7)之间发育侵蚀面，褶皱发育在层(2)和层(3)中。

褶皱层距侵蚀面172～230 cm，距地表约280 cm。层(2)中褶皱层水平延伸连续，但褶皱大小不一，形态各异，有对称的波浪状或丘状[图5(d)、6(d)]，也有不对称的舌状[图5(b)、6(b)]，褶皱轴面倾向多变；褶皱间距30～120 cm不等，高30～50 cm，宽40～110 cm。层(3)中褶皱层水平延伸连续，褶皱规模普遍比层(2)中大，形态以波浪状或丘状，多对称[图5(c)、6(c)]；褶皱间距40～100 cm不等，高30～50 cm，宽40～120 cm。层(2)和层(3)褶皱轴面倾向产状杂乱，无统一指向；轴部无明显加厚或减薄，翼部未发生层间滑动；褶皱层顶部未发育截切现象，层间褶皱未发育层间逆冲或正断裂，符合冻融作用形成的褶曲变形特征，而与典型滑塌褶皱有明显区别。根据以上特征综合判断，层(2)和层(3)中褶皱层为融冻褶皱。

3 冰缘遗迹群形成时代

唐堡村剖面(图2)中，在层(1)底部和顶部采集光释光测年样品TB-Qp-1和TB-Qp-2，测年结果分别为(15.98±1.88)和(14.06±1.08)ka B.P.；在层(2)采集光释光测年样品TB-OSL-1，测年结果为(10.76±1.04)ka B.P.；在楔体中采集光释光样品TB-OSL-7和TB-OSL-8，测年结果分别为(11.27±1.10)和(11.45±1.32)ka B.P.(表1)。

表1 唐堡村剖面光释光测年样品信息及测年结果Table 1 OSL Dating Results of Samples Collected from the Tangbaocun Section

三岔河剖面 [图5(a)、6(a)]中，在层(3)、层(6)和层(7)底部分别采集C测年样品SCH-C1、SCH-C6和SCH-C2，测年结果分别为(14 210±40)、(13 500±40)和(11 570±40)a B.P.(表2)。

表2 三岔河剖面14C测年样品信息及测年结果Table 2 AMS 14C Dating Results of Samples Collected from the Sanchahe Section

古冰楔和融冻褶皱作为冰缘遗迹现象，无法直接测定其形成时代，而只能通过地层以及填充物质的年龄来限定其上限和下限年龄。对于古冰楔，其形成时代应是楔体内开始充填之前的某一段时间，而融冻褶皱的形成时代则只能根据褶皱层的上下地层及特殊界面来推测。唐堡村剖面中发育古冰楔的层(1)顶界年龄约为14.06 ka B.P.，层(2)年龄约为10.76 ka B.P.，而楔体内填充地层的年龄为11.45～11.27 ka B.P.。据此可推断古冰楔的形成时限为14.06～11.45 ka B.P.。三岔河剖面中[图5(a)、6(a)]发育融冻褶皱的层(3)年龄约为14 210 a B.P.，侵蚀面之下层(6)的年龄约为13 500 a B.P.，侵蚀面之上层(7)底界的年龄约为11 570 a B.P.。融冻褶皱发育在多年冻土上限以上活动层内，发育位置距地表一般不会超过2～3 m范围。三岔河剖面中融冻褶皱层距现今地表约452 cm，距层(6)与层(7)间侵蚀面约172 cm。故推断该侵蚀面可能是融冻褶皱发育时期的古地面。根据融冻褶皱层[层(3)]和侵蚀面之上沉积底界[层(7)]年龄，可以推断融冻褶皱的形成时限为13 500～11 570 a B.P.。

图5 三岔河剖面融冻褶皱野外照片Fig.5 Field Outcrops of Cryoturbations in the Sanchahe Section

图6 三岔河剖面融冻褶皱素描Fig.6 Sketches of the Cryoturbations in the Sanchahe Section

4 古气候指示意义

宁夏清水河流域中上游发现的冰缘遗迹群主要包括古冰楔和融冻褶皱，形成于河流相沉积地层中。根据光释光测年和C测年结果，古冰楔的形成时限为14.06～11.45 ka B.P.，融冻褶皱的形成时限为13 500～11 570 a B.P.。新仙女木事件(Younger Dryas)为末次冰期最盛期后晚冰阶内发生的最后一个极冷事件，此阶段持续时间为12.9～11.7 ka B.P.，降温幅度较大。通过对比本研究测年结果与新仙女木事件持续时间可发现，不仅发育古冰楔的地层沉积时代(早于约14.06 ka B.P.)和发育融冻褶皱的地层沉积时代(早于约13 500 a B.P.)均早于新仙女木事件的开始时间(约12.9 ka B.P.)，而且不整合面之上地层沉积时代(晚于约11 570 a B.P.)或楔体内的填充地层沉积时代(晚于约11.45 ka B.P.)又晚于新仙女木事件的结束时间(约11.7 ka B.P.)。据此可推断，受到新仙女木事件的影响，清水河流域在末次冰期晚冰阶仍然发育大面积的多年冻土。根据冰缘遗迹类型与围岩岩性、古温度环境的关系综合判断，古冰楔发育时古地温不超过-5 ℃～-4 ℃，以地气温差2.5 ℃～3.0 ℃推算，冷事件期间古气温为-8.0 ℃～-6.5 ℃。

5 对中国北方末次冰期多年冻土南界划分的指示意义

目前，晚更新世末末次冰期最盛期中国北方中纬度多年冻土南界的西段，在鄂尔多斯地区向南凸出至陕西省榆林市、靖边县(37°N)附近(内蒙古自治区乌审旗县城南15 km)，在河西走廊地区由宁夏回族自治区中卫市(37°14′N)进入甘肃省酒泉市、敦煌市和内蒙古自治区阿拉善盟(39°N～40°N)。金会军等认为在25～13 ka B.P.鄂尔多斯高原及周缘气温达到最低，多年冻土范围可向南扩展至37°N～38°N以南。其中，在宁夏清水河流域下游(37°14′N)发现的晚更新世末融冻褶皱为末次冰期最盛期多年冻土南界的划分提供了重要依据。而本次研究中，在清水河流域中上游(36°22′5″N～36°25′53″N)发现的末次冰期最盛期冰缘遗迹群为中国北方中纬度多年冻土南界西段的划分提供了新的证据。清水河流域中上游冰缘遗迹群的发现位置在宁夏中卫地区融冻褶皱发现位置(37°14′N)以南，纬度上相差约52′，径向上距离相差约97 km。因此，末次冰期最盛期清水河流域中上游发育大面积的多年冻土，并且分布范围至少到达36°22′5″N以南。

6 结 语

(1)宁夏清水河流域中上游发育末次冰期最盛期冰缘遗迹群，包括古冰楔和融冻褶皱等，形成时代分别为14.06～11.45 ka B.P.和13 500～11 570 a B.P.。本次冰缘遗迹群的发现表明在新仙女木事件的影响下清水河流域在末次冰期最盛期发育大面积的多年冻土。

(2)末次冰期最盛期清水河流域中上游发育的多年冻土分布范围至少到达36°22′5″N以南。末次冰期最盛期中国北方中纬度约20 ka以来冻土南界西段可以向南推移至少约52′(径向上距离约97 km)。

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