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第31章 冰川堆积(14)

有一种观点认为“冰川在形成冰碛中所起的作用是微不足道的”,即冰川不是一个有力的侵蚀因素。意思是说大量的冰碛物是由寒冻风化所成,并通过各种方式进入冰川之中再变成冰碛。这无疑是有道理的,但在谈论冰川侵蚀能力时,如果完全忽略了岩性的条件则是不全面的。实际情况是,冰川侵蚀遇到硬岩就相对减弱,遇到软岩就相对增强。

故前者只有利于冰蚀地貌的形成,而冰碛地貌(主要是终碛)不发育;后者则冰碛地貌(也主要是终碛)发育,冰蚀地貌正地形不发育,而负地形则发育。

此外赵希涛等(2002)在念青唐古拉山对冰碛岩性组合的研究则描述了另一番景象,即冰碛岩性组合与山地抬升的关系,补充了作者此前关于槽谷演化的论述的另一层次的原因。他指出该山主峰地区的岩石地层按构造层次可分为三套,下部层主要由花岗岩构成;中部层由变质岩类为主构成,包括片岩、片麻岩;而上部层主要由沉积岩如白垩纪红层与火山岩、石炭—二叠板岩及浅变质砂岩组成(图3110)。而该地区相应的三次冰碛岩性组成则与此三种岩石层位产生对应关系(图3111),即倒数第三次冰期(50万aBP)冰碛物除有变质岩、花岗岩成分外,还有原盖层的砂岩、板岩;而倒数第二次冰期(20万—25万aBP)之冰碛物中以变质岩成分为主,也有较多花岗岩;而在末次冰期和现代冰川之冰碛中以花岗岩占绝对优势(80%—90%),甚至变质岩成分也很少(10%±)。这一现象和前天山、喜马拉雅山(珠峰地区)对槽谷演化、冰斗或粒雪盆溯源后退所表现在不同冰期中冰碛岩性成分变化是完全一致的。表明“倒三”冰期时冰川在山体外围或盖层的沉积岩区产生槽谷;其后在“倒二”和末次冰期以至现代冰川时,冰川槽谷向山体内部溯源并随着山体的隆升,冰川槽谷发育进入变质岩层以至山体核部的花岗岩区。中国西部各大山系岩石的构造层次顺序基本相似。可以说是一种规律性的表现。这对于深入认识冰期历史,冰碛岩性组合和构造抬升之间的关系极为关键。

五、小结

本节分析冰碛来源与基岩关系和冰川槽谷演化得到如下几点认识:

(1)不同岩性的表面碎屑在纵向上的规则分布和珠峰岩性柱状剖面有对应现象。

以及天山乌鲁木齐河1号冰川谷地冰碛岩性组合的变化均说明冰川源头溯源侵蚀的存在,也可能在极高山地区有某一强烈风化带“上限”存在,由于近期气候变化而引起该“上限”不断上升,在不同高度上带下不同岩性的碎屑。

(2)侧碛堤主要来自当地山坡的基岩风化产物。因为同一时期不同空间上的侧碛堤岩性很不一致,也说明侧碛堤迁移性较差。在珠峰个别地段可看出只迁移了3—4km。

因而侧碛堤很少参加到终碛堤中去。

(3)由两条冰川相汇而成的中碛堤,其迁移性较强。有的中碛堤可到达冰川末端,其物质成分也加入到冰川终碛堤中去(如东绒布冰川)。有的中碛堤则到达不了冰川末端,如中、西绒布冰川之间之中碛堤,也许不像海洋性冰川(如阿拉斯加海岸山脉,阿尔卑斯山)几乎任何一条小冰川及其间的中碛堤皆可到达冰川末端。

(4)同一冰川不同时期冰碛岩性成分的变化,可说明冰川演变历史,如据冰碛来源之分析,发现早期东绒布冰川和中绒布冰川的发育条件比较有利,冰川规模和活动能力比较大。在绒布寺和绒布德寺终碛堤时曾占有绒布冰川的主导地位。后来可能由于珠峰断块上升,6490m山口抬升阻挡了第二降水带(6000m)水汽北进,使冰川发育的有利条件向西转移。故东绒布冰川在绒布德寺终碛堤的最新阶段(指第一、第二道终碛堤)已与绒布冰川分离,中绒布冰川也被西绒布冰川挤到一侧而未达绒布冰川末端。

(5)据不同时期终碛堤岩性组合之不同,发现不同时期的粒雪盆位置有变化,故此探讨了粒雪盆的溯源侵蚀的过程和成因及其在高山地貌发育中的地位。初步推测自基龙寺终碛堤以来,30万a(Owen,2009),粒雪盆已向南溯源后退4km,即7.5万a溯源1km,75a溯源1m,达到13.4cm/a。比天山大西沟源头冰川溯源速率快34倍。认识到槽谷的形成表现为“溯源—推移”之统一形成过程。这对原有关于槽谷演化只重视横剖面的看法(Svensson,1959)也是一种补充和修正。

(6)终碛堤规模反映冰川侵蚀和堆积的强度,但冰川蚀、积与岩性关系很大。一般来说,“硬”岩区冰蚀地貌发育,冰碛并不多,而“软岩”区则相反。

(7)冰碛岩性组合的变化,真实而深刻反映了山体构造隆升与冰川槽谷向山体中心溯源,二者似同步进行,既反映冰斗溯源,也反映山体隆升,值得今后深入探讨。

(8)在我国东部地区对某些沉积物常有冰川与非冰川成因之争,可根据冰碛来源与基岩的关系进一步澄清此种争论。此论对在高山古、今冰川作用区寻找砂矿或追溯原生矿床也有参考价值。

(第七节)冰川海洋沉积模式与大陆冰盖融出碛

中国第四纪仅有山地冰川发育,但中国晚古生代都有冰川海洋沉积,故有本节内容之简单阐述。

一、冰川海洋沉积

冰川环境包括与冰川冰直接和间接接触的所有地区,无论是大陆冰盖的冰舌如南极和格陵兰或山地冰川频海而进入海洋的冰舌(如阿拉斯加和南美南端山地)。它有3个带:底部带或冰下带、冰上带和冰内带。冰川与冰床的接触关系无论在陆地或在海面以下均为接地的。围绕冰川边缘的冰前环境会受到冰川冰的强烈影响。冰前环境包括冰海环境(即冰川冰漂浮海水之上的地方),以及冰水环境和冰湖环境。冰川环境的特征沉积物是冰川沉积,由砾级、砂级及泥级颗粒混杂组成的沉积物,石化后的产物是混杂沉积岩。而在冰前海洋环境里,则形成由冰碛物经改造而产生的沉积物。

冰海环境包括濒海冰川或冰架邻接的海。这一环境可达数百千米宽,在现代的南极、格陵兰及阿拉斯加等冰川活动区的滨海地区均有发育。由于这一环境的宽度巨大,不同地区间的沉积作用变化也可以很大。其原因部分是由于直接供给的碎屑物质的变化,部分是由于冰山搬运碎屑的频率及大小随着与冰川距离的增大而减小。

冰海环境的沉积作用类似于大的冰湖,两者的主要差别是作用的规模和强度。

Brodzikowski等(1991)将冰海沉积物分为融出相、底流相、三角洲相和块体搬运相。

融出相起因于冰山或浮冰块携带的碎屑物质在冰融化后坠落海底而形成,它是冰海环境的特征沉积物,其分布面积大约占海底表面的20%。冰海融出沉积通常为块状的、基质支撑的混杂沉积物,偶尔呈现为碎屑支撑。沉积物分选极差,颗粒分布主要取决于冰川冰中携带的碎屑物质的特征。颗粒大小可由黏土变化到巨砾。砾石以棱角状和次棱角状为主,大砾石上常见冰川擦痕。冰海融出沉积的常见构造是变形构造,这是粗碎屑物质沉积于软的细稀海底沉积物之上而导致负载效应的结果(照片138)。在垂向剖面上冰海融出沉积与水下块体搬运沉积频繁互层,在横向剖面上它常与块体搬运沉积及其他冰成和非冰成沉积物呈穿插接触。

冰海沉积中的最具代表性的特征是冰筏落石沉积(图3112,图3113;照片138)。当然,落石有大有小,目前已知直径10cm的落石可以远离陆地到达深海底,如南非和南极之间深达4000m的海底,距南极大陆可达3000km。在著名的南极二叠系下冈瓦纳冰碛层中,清楚显示落石散落在细粒基质中(图3113)(Crewell,1978)。在国外相关研究如对前寒武纪中后期的冰碛层描述中,几乎都有含落石的纹层,而几乎全部前寒武纪冰川都是大陆冰川类型(Deynoux,1983;Edwords,1975;Frakes,1979)。

底流相主要包括冰下河口沉积和底流沉积,后者可渐变为块体流的沉积。冰下河口的沉积作用是冰下河流在海平面之下直接流入海底而发生的。当河水从冰下直接进人海水后,由于河水能量迅速变化,强烈地影响了沉积物的搬运,结果往往在河口的前方形成扇形沉积体。像在气下一样在扇的近端—扇顶主要由粗粒碎屑支撑的块状混杂沉积物组成,向扇形沉积的下游方向,随着水流能量的逐渐降低,粗碎屑物质的粒度减小,并出现波纹状的砂质夹层(图561)。

携带砂质沉积物的像曲流河一样建造天然堤,并产生细粒的“越岸沉积”。这些“越岸沉积”可具有小型交错纹层或平行纹层。

总之此类冰下三角洲与非冰川成因的三角洲无本质上的差异,其沉积物主要是粗粒的,其特征与扇三角洲类似。

在冰海环境中,冰山或浮冰的强烈融出过程会产生很高的沉积速率。因此,沉积物很不稳定,特别是分布在具倾斜表面的海底上的沉积物。块体搬运过程频繁发生,其沉积物可覆盖该区海底表面的80%。由于冰海环境中的块体搬运过程种类多,关系复杂,Brodzikowski和Loon(1991)将由其产生的沉积物统称为块体搬运相。

有关冰海环境中块体搬运相的研究和报道非常之多。其岩性可以从几乎纯质的砾石层变化到几乎纯质的泥,其中以混杂沉积为主。Eyles和McCabe(1989a、b)在混杂沉积中区分出4种类型:(1)具流动构造的块状或纹层状混杂沉积,含丰富的黏土和粉砂,局部砾石富集。这种类型是由于冰山或浮冰融出的碎屑沉积后,由于沉积坡面过陡导致失稳而被改造的结果。可能主要与滑塌和泥石流的再沉积作用有关;(2)由块状和纹层状混杂沉积组成,除具类型不一的特征外,尚有各种递变构造,底界为冲刷面。这种类型发育的高度明显不同于海底面,可能为泥石流的上游沉积;(3)同样由块状和纹层状混杂沉积组成,以发育粉砂和砂质透镜体、波纹层理的砂质单元和一些筛积(冲刷)层为特征。这种沉积体的形态类似于水道沉积的形式,可能主要是泥石流的下游沉积;(4)几乎完全由纹层状混杂沉积组成,既有牵引流活动的标志,又有丰富的变形构造(流动和拖曳褶皱、碟状构造、泄水构造、负载构造等)。这种类型的成因可能与泥石流及浊流有关。

块体搬运相在冰海环境的近岸带粒度最粗,向远离海岸方向逐渐变细。南极大陆坡的研究表明(Anderson,1982),在600—700km的宽度范围内,块体搬运过程形成的沉积物类似于一个海底扇(浊积扇)。其近端部分为块状的或缺少纹层的单元,可能主要形成于滑塌和泥石流过程;其远端部分则过渡为有序的具鲍马层序的典型浊积单元。

块体搬运相的分布可从大陆架到大陆坡,甚至到达深海平原。但其主要分布区邻近冰海融出相。在远离大陆方向上,块体搬运相呈楔状逐渐尖灭;在近岸地区,它与底流相和融出相呈穿插接触。

我国晚前寒武纪罗圈组杂砾岩的成因讨论,自20世纪80年代中晚期以来,日趋深入。王日伦等(1980)、Guanetal(1986)和吴瑞棠等(1988,1991)在前人工作基础上,将其沉积特征与北极区(Alaska,Spitsbergen)的一些现代冰碛物相类比。洪庆玉(1984)、洪国良等对此提出质疑,认其为浅海重力流的产物。有的甚至认为是吉尔伯特三角洲沉积。

罗圈组广布于华北地台南缘,主要由块状杂砾岩、层状杂砾岩和少量纹泥层岩及透镜状的砾岩、砂岩组成。其中,块状杂砾岩通常占剖面总厚的2/3以上。因此,认识块状杂砾岩的沉积作用过程,是分析罗圈组沉积环境的关键之一。作者通过对豫西地区罗圈组多条剖面的再次实测和沉积作用过程分析,更在早期确定的块状杂砾岩中识别出一种冰下融出构造。据形态和成因称其为冰下推挤型交错层理(“basalthrusting”crossbedding),可从冰下融出过程的分析入手,以探讨其形成过程及意义(葛道凯等,1993)。

二、罗圈冰碛层

在本书中如何处理大陆冰盖堆积和冰川海洋沉积需要斟酌,因为相关内容在欧洲和北美专门的冰川沉积书中已得到详细而全面的论述(Hambrey,1994;Miller,1996)。

而一般的沉积相书中,主要关注的也大多是大陆冰盖部分,因为它和全球变化关系明显,容易受到关注(Protheroetal,2004)。当然也有例外,Nichols(2009)在其书中主要谈的是山地冰川内容。针对上述情况联系中国实际,适当讨论大陆冰盖沉积和冰川海洋沉积是应该的。因为中国前寒武和石炭二叠的冰川沉积多属于冰川海洋沉积,而现代及第四纪又都是山地冰川,所以把山地冰川沉积与环境作为重点讨论也是必需的。故此作者在本书中就不追求这一部分内容的全面系统了。

近几十年来有很多关于中国前第四纪冰川沉积的研究成果(陆松年等,1982,1984,1985;王日伦等,1980;Guanetal,1986)。也有不少针对同一沉积对象有冰川成因或泥石流成因之争(洪庆玉,1984),并提出如何鉴别成因的意见(陆松年,1988;吴瑞棠,1991)。在国外,几十年前也曾讨论冰碛成因鉴别问题(Schluchter,1979)。作者曾现场考察的陕西咸阳奥陶系唐王陵砾岩,就有冰川和泥石流成因之争(洪庆玉,1984)。然作者现场观察,发现唐王陵砾岩是一套从混杂堆积到有序沉积岩的系列,从砾岩—含砾石透镜体的砂岩—砂砾层与页岩互层—页岩—灰岩的岩相变换,再到对砾岩的观测未发现任何冰川作用的迹象,作者认为唐王陵砾岩只是一套从陆地到水下的泥石流沉积的陆上部分。

前第四纪古老冰碛层在我国有广泛分布,如河南、湖北、贵州、青海、宁夏及新疆等地,作者曾涉猎其中部分地区,如河南鲁山罗圈组、湖北宜昌南沱组,以及新疆果子沟和贺兰山苏峪沟等。各相关冰碛层均具备应有特点,虽有反对冰川成因的讨论(洪庆玉,1984),但情况复杂,不可一概而论。尤其是罗圈组和南沱组的冰川成因之说,因为有大量证据,故有很高的可信度(吴瑞棠等,1988;Guan,etal,1986)。

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