2015, Vol.35
1 引言
目前第四纪冰川研究的热点问题是冰川发育的规模及时代，对于研究过去环境演化特征具有重要意义[1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12]。横断山脉因其独特的地理地貌单元、 第四纪冰川作用引起了国内外学者的广泛关注。横断山地区在地质构造上受到印度板块北移、 亚欧板块向南逆冲和太平洋板块向西推移的影响，成为地质构造复杂的过渡区。早第三纪时，该地区表现为独特的走滑拉张的构造体系，形成了一系列近南北走向的走滑拉分盆地； 在渐新世末-中新世的喜马拉雅构造运动中，该地区总体表现为汇聚逆冲作用及地块之间的斜向滑移，同时还具有褶皱作用的特点； 经过反复的山地上升与侵蚀夷平作用，到中新世-上新世，该地区与青藏高原一样形成了统一的夷平面； 在喜马拉雅运动期间，该地区地貌在地质构造的背景下形成两大地貌单元: 东南边缘的高山峡谷和中部的高山、 山原、 宽谷及盆地地貌[13]。因此横断山脉内部和边缘高山各山体的上升幅度、 时间和气候条件的不同对各个高山上第四纪冰川作用的次数、 类型和规模起到了控制作用[13]。已有研究成果显示，自横断山脉北段的雀儿山[14, 15]，向西南延伸至贡嘎山[16]、 螺髻山[17, 18]，至南段玉龙雪山[19]、 点苍山[20, 21, 22]等，冰期系列存在较大差异，在海拔超过4500m的一些山地中，存在至少3次冰川作用，最老的冰川发生时代可追溯到中梁赣冰期甚至是昆仑冰期[19, 23, 24]，而海拔4000～4500m的山地中，仅保存末次冰期的冰川遗迹。这些同处西南季风影响下的山地冰期系列的差异，研究者推断是构造抬升导致的山体高度不同，进而造成冰川发育的区域分异，即由于构造作用引起的青藏高原脉动式抬升，并配合冰期的气候条件，才出现不同时期的冰川作用[25]。然而，这一假设需要一些清楚的冰川地貌，并辅以不同测年方法确定的冰期系列来验证。白马雪山是横断山脉中部有确切第四纪冰川发育的关键地点，李吉均和苏珍[26]在《横断山冰川》一书中对白马雪山的第四纪冰川地貌进行过简单的描述。云南省地质矿产局第一区域地质调查大队[27]认为该区存在4次冰川作用，最早的一次发生时代相当于中更新世，沉积物下限可达2800～3000m。Iwata等[28]通过对研究区的地貌形态进行调查后认为，白马雪山只有末次冰期的冰川发育，其冰川沉积物范围在东坡可达到3300～3400m，在西坡可达到3500m。以上研究者对白马雪山地区冰川发生期次的不同判断，主要依据是地貌地层法，没有绝对年代的控制。因此，笔者根据2010～2011年先后3次对白马雪山主峰附近的冰川地貌进行实地考察结果，并运用电子自旋共振（Electron Spin Resonance，简称ESR）方法对该地区的冰川地貌进行测年，建立研究区的冰期系列，探讨该区冰川发育的基本特点。
2 研究区概况白马雪山位于滇西北迪庆藏族自治州德钦县和维西县境内(图1a)，西北与藏区内著名的梅里雪山隔江(澜沧江)相望，主峰扎拉雀尼(5429m)，整体区域平均海拔4000m以上，最低海拔2040m，相对高差3389m[29]。全区拥有海拔5000m以上的山峰20座，大部分地区曾有古冰川发育，冰川槽谷可达数十条。研究区在气候上属于寒温带山地季风气候，受西南季风影响强烈，研究区年平均降水量600～900mm，且东坡高于西坡(迎风坡)。年平均气温变化在-1～17℃之间，东西坡气温存在一定差异，相同海拔上东坡高于西坡，大约在1.5℃左右，总体呈现河谷温暖而山地严寒。海拔4500m以上地区被冰雪覆盖，现代雪线高度4800m左右。研究区地质构造主要受东侧近南北向白马雪山断裂、 西侧澜沧江断裂以及北侧北西向发育的德钦-尼西断裂3条主要断裂控制。地层主要以二叠系、 三叠系、 泥盆系的灰岩、 泥页岩、 砂岩以及花岗岩和超基性岩为主[27, 30]。
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图1 白马雪山研究区地理位置（a）与冰川地貌（b） Fig.1 Location（a）and glacial landforms（b）of the study area in Baimaxue Shan |
白马雪山主峰扎拉雀尼附近海拔3800m以上保存着典型的冰川遗迹。东坡侵蚀地貌以两条并列分布的长约6km的冰川槽谷A和B最为典型(图1b)，槽谷源头，冰斗和冰坎发育。堆积地貌主要分布在槽谷内以及槽谷出口的山麓地带，槽谷A中发育有明显的5套冰碛物(见 图1b)。
第一套冰碛物在海拔4450m以上，一道清晰的侧碛垄保存在海拔4620m到4400m，前缘延伸到一小型冰蚀湖，在冰碛垄和冰蚀湖之间发育一段短小宽浅的冰川槽谷。暴露的冰碛物剖面以砾石为主，棱角明显，基本上无磨圆，砾石上可见擦痕，细颗粒砂土较少，风化程度较低，主要成分为灰岩和砂岩等。
第二套冰碛物主要分布在海拔4400～4230m左右，延伸约1km，由三道冰碛垄组成。这三道终碛垄代表了这一时期冰川发育过程中至少有3次明显的退缩阶段。从冰碛垄暴露剖面的沉积物上看，沉积物粒径较大，以砾石为主，呈棱角状，风化程度较低。在槽谷谷坡的缓和处还生长有高山杜鹃等灌木。
第三套冰碛分布海拔4100m到3920m，由多道冰碛垄组成，这一时期的冰川地貌受到后期严重破坏，尤其是槽谷A底部发育有现代溪流，溪水冲开终碛垄，在河谷两侧留下数条切开的弧形终碛垄。在槽谷A南北两侧还断续保存着侧碛垄。这一时期冰川作用沉积物多为森林覆盖，暴露剖面符合冰碛物的基本特点，混杂堆积结构，基质含量相对增多，但砾石大多数还是呈棱角状，少数呈次棱角状。
第四套冰川沉积物主要分布在海拔4090m以下，末端海拔在3900m左右。侧碛垄起点位于白马雪山自然保护站东北方向，延伸约4km，走向基本与槽谷平行，最前端出谷口处有近500m走向变为 140°，横向拦住谷口。整条侧碛垄相对高约为100m，由于后期流水侵蚀，分割严重，且由于茂密的植被遮盖，形态不易辨识，但仍可清楚地辨别整条侧碛垄的轮廓，而且侧碛垄上的树木有明显起伏。侧碛垄表层发育土壤，表层以下是冰碛物，沉积物组成特征为混杂堆积，成分主要为小块砾石和砂砾，颗粒粒径较小，风化程度较高，在槽谷口还分布一条终碛垄。
第五套冰川沉积物主要分布在槽谷A出口的外侧，沉积物分布的下限在3800m。沉积物剖面基质组成以砂为主，带有少量(10 ％ ～20 ％ )砾石，且砾石的后期磨圆度较好，冰碛物的风化作用较深。这一时期大部分冰川地貌形态已被侵蚀破坏，只有部分冰川沉积物组成的垄状地形，其上游一端接近第四套沉积物中的冰川终碛垄末端，而下游则可到达山麓底部的珠巴洛河沿岸。这一时期保留的侧碛垄上布满高山植被灌丛，地表土壤层发育较厚。
4 ESR测年方法 4.1 样品的采集野外调查采用地貌与沉积物分析相结合的方法，利用1 ︰ 100000和1 ︰ 50000地形图、 航空影像以及Google地图等对白马雪山东坡冰川地貌进行判读。冰川沉积物的相对年代确定主要根据地貌的几何形态、 沉积物的组成特点以及风化程度等因素[31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38]。在地貌特征明显的冰碛垄上共采集14个样品进行ESR年代学测定。采样过程中除去冰碛物表层物质，避开粗大砾石，多选取冰碛中的沙质透镜体，避免阳光的直接照射，装入黑色塑料袋中避光运到实验室，运输过程中避免剧烈碰撞、 摩擦或受热。
BM-1采自第一套冰川沉积物中的侧碛垄上，BM-2采自第二套冰碛垄，位于冰斗前缘冰坎下方距离冰斗最近的一道终碛垄上，这一时期的地层沉积比较新； BM-3、 BM-4、 BM-6、 BM-8和BM-9采自第三套冰碛垄，新鲜剖面显示，沉积物成分主要以砾石和砂为主，砾石含量较大，砾石成分在50 ％ 以上，岩性主要为花岗岩和灰岩； BM-5、 BM-7、 BM-10、 BM-11、 BM-12和BM-13均采自第四套冰川沉积物中(部分采样剖面见 图2)，岩性为混杂堆积，基质成分相对增加； BM-14采自第五套冰川沉积物中的冰碛垄上游一端。样品信息见 表1。
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图2 研究区采样点及部分样剖面 Fig.2 Sample sites and photos |
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表1 白马雪山ESR测年结果 Table 1 Dating result of ESR in Baimaxue Shan |
样品的预处理在中国地震局地质研究所地震动力学国家重点实验室完成。具体方法与步骤见文献[39, 40]。处理好的样品在北京大学用 60Co 进行人工辐照，辐照剂量率为28.51Gy/分钟，辐照后的样品由中国地震局地质所地震动力学国家重点实验室进行测定，测试仪为德国Bruker公司生产的EMX1/6 ESR谱仪，选用石英颗粒中的Ge芯作为测年信号，测试条件及参数: 室温、 X波段、 微波功率为2.021mW、 中心磁场=3525G、 扫描宽度50G、 仪器频率=9.852GHz、 调制频率=100kHz、 调制振幅=1G、 时间常数=40.96ms、 扫描时间=10.486s。根据人工辐照剂量与其对应的ESR信号强度，用最小二乘法对所测得的数据进行曲线拟合，并用外推法将拟合的曲线外推到信号强度为零的横坐标得出古剂量(图3)。样品所在环境中U和Th元素的浓度与K2O的百分比，委托华中师范大学进行测定。年剂量率由测定样品的U、 Th浓度、 K2O的含量、 样品的含水量以及宇宙射线的贡献率[41]来换算。研究表明石英颗粒中的Ge对光照与研磨比较敏感，这两种机制都可使它的信号归零[42, 43, 44, 45, 46, 47]。本次测试的样品均采自海拔较高的地区，太阳光中紫外光的强度远比低海拔的地方大。因此，冰川沉积中石英颗粒的Ge芯理论上满足ESR测年中信号回零的这一先决条件，以往的研究也表明ESR技术对冰川沉积直接定年是可行和可靠的[48, 49, 50, 51, 52]。
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图3 白马雪山地区部分样品的ESR信号与辐照剂量的指数拟合曲线 Fig.3 Exponential curve fitting of ESR signal and irradiation dose of some samples in Baimaxue Shan |
ESR年代仅BM-1年龄与地貌出现较大偏差(图3和 表1)，结果与地貌明显不符，其余结果则基本符合地貌地层学推断的新老关系。
绝对年代结果指示，白马雪山地区晚第四纪以来至少发育5次冰川作用，分别对应中梁赣冰期、 倒数第二次冰期、 末次冰期早期、 末次盛冰期和新冰期/小冰期，地貌分布位置如 图1b。
第一套侧碛垄ESR测年结果为 32±4.5ka，与相对地貌法确定的冰期有一定出入，很可能是埋藏之前的信号没有归零，导致测得的年代数据较老。根据相对地貌位置以及冰碛物的结构特点与风化程度，认为该套冰碛垄形成较新，为新冰期/小冰期。第二套冰碛垄ESR测年为 19±2.5ka，这一时期的冰川沉积物形成于末次盛冰期(LGM)，相当于深海氧同位素MIS 2。第三套冰碛垄由多道终碛垄组成，其中5条终碛垄样品ESR测年分别为 57±6.8ka、 67±8.7ka、 81±11ka、 77±11ka和 64±7.7ka。冰碛物年代多集中在50～80ka，应为末次冰期早期冰川作用的产物，相当于MIS 4。第四套冰川沉积物ESR测年结果为 166±22ka、 142±17ka、 209±23ka、 153±15ka、 120±16ka和 180±20ka，这一时期的冰川沉积物属于倒数第二次冰期，相当于MIS 6。第五套冰川沉积物的ESR测年为 475±62ka，相当于MIS 12，地貌和沉积物的风化程度指示这一时期的冰碛物对应中梁赣冰期[13]。
6 讨论与结论白马雪山位于横断山脉腹地，其冰期历史对于恢复特定时段的气候环境具有重要的指示意义。研究表明，白马雪山与位于横断山脉南端的玉龙雪山、 中段的沙鲁里山有不同的冰期系列。玉龙雪山的主峰为5596m，而白马雪山的主峰为5429m。玉龙雪山的冰期系列最早MIS 16～20阶段的玉龙冰期，年代为 697.1±139.2ka B.P.，中梁赣冰期冰川发育的年代为448～524ka B.P.[19, 23, 24]。横断山脉中段沙鲁里山(稻城、 雀儿山等)海拔超过5000m 的山体中，冰川作用的启动时间相对较早，可以追溯到昆仑冰期(0.6～1.1Ma)，稻城库照日河谷附近的稻城冰期ESR测定的年代是571ka B.P. ，相当于MIS 16阶段[5, 53]。而白马雪山最早冰期开始则相对较晚，从MIS 12开始山体高度进入冰冻圈并有冰川发育，中梁赣时期冰川发育的时间为 475±62ka B.P.。说明在此时段，横断山脉发育了另外一次大规模的冰川作用，玉龙雪山、 稻城等地保存着该期的冰川遗迹。依次发生倒数第二次、 末次冰期早期、 末次盛冰期以及全新世的冰进。
通过对青藏高原地区及其周围山地的冰川研究，许多学者发现MIS 3b冷阶段(54～44ka)导致多处山地发生冰川前进，如横断山脉的其他一些邻近山地中，点苍山[20]、 千湖山[54, 55]、 雀儿山[56]、 贡嘎山[57]和沙鲁里山[58]等，以及青藏高原上的一些地区也有相关的研究数据[2, 59, 60, 61, 62]，这些都符合古里雅冰芯记录揭示MIS 3b的冷湿气候特征[63, 64]。但在我们的研究区中，本次没有发现末次冰期中期(MIS 3b)的年代数据，有待进一步深入工作。
白马雪山冰期系列的另外一个特点是，最早的冰川作用开始于中梁赣冰期，没发现更老的冰川作用遗迹，似乎暗示该区冰川发育受到构造隆升的控制，即该区是在450ka左右才进入冰冻圈，而海拔高于白马雪山的玉龙雪山、 沙鲁里山等地具有更早的冰川作用遗迹[5, 19, 23]，也可能与山体的抬升历史早，山体先进入雪线，从而更早地发育了冰川作用有关。青藏高原在第四纪期间的抬升是脉动式的，这种脉动式的抬升与北半球冰期的发生存在着某种共轭的关系[25]。研究表明，青藏高原的脉动式抬升是黄河周期性下切并溯源侵蚀的主要原因[65, 66, 67, 68]，兰州黄河的阶地T1(15000a)、 T2(50000a)、 T3(0.15Ma)和T4(0.6Ma)的形成时期分别相当于深海氧同位素的第2、 4、 6和16阶段[25]。青藏高原的脉动式抬升对北半球环流型式产生了重大影响，并对冰期气候和冰川发育起着强化作用。
结合青藏高原边缘一批海拔4000～4500m的山地只发育末次冰期的冰川遗迹[69]，也进一步表明，横断山脉第四纪冰川发育与青藏高原的脉动式抬升具有一定的对应关系。
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Abstract
In the Baimaxue Shan(5429m), the inner part of the Hengduan Mountains, typical glacial erosion and sedimentary landforms can be identified above the altitude of 3800m a.s.l., such as cirques, horns, aretes, U-shaped valleys, and lateral and terminal moraines. These glacial features indicate several glacial advances and a glaciated environment for Baimaxue Shan during the Late Quaternary. And these glacial landforms provide evidences not only for the evolution of the southwest monsoon but also for the correlation of different climate regions during the Quaternary glacial-interglacial cycles. The glacial sedimentary landforms mainly consist of moraines both in the glacial valley and in the piedmont. Five sets of moraines can be identified in the glacial valley A. The first set of moraines was formed above an altitude of 4450m a.s.l. The second set of moraines was deposited between 4400m a.s.l. and 4230m a.s.l. The third set of moraines ranges from 4100m a.s.l. to 3920m a.s.l. The fourth set of moraines spans an elevation from 4090m a.s.l. to 3900m a.s.l. The fifth set of moraines was deposited near the valley-mouth, and stretched to an altitude of 3800m a.s.l. outside of the valley. Fourteen samples were taken for electron spin resonance(ESR)dating from the five sets of moraines. Five and six samples were taken from the third and fourth set of moraines, respectively. And one sample was taken from each of the other three moraines.
According to the field investigation and ESR dating results, we ascertained the basic geomorphology features of the Quaternary glaciers and the glacial sequences in the study area. During the Late Quaternary, glaciers near the main peak of the Baimaxue Shan advanced at least five times. The five glacial advances can be assigned to the Zhonglianggan glaciation(MIS 12, MIS=Marine Oxygen Isotope Stage) (475±62ka)and the Penultimate glaciation(MIS 6)during the Middle Pleistocene(166±22ka, 142±17ka, 209±23ka, 153±15ka, 120±16ka, and 180±20ka), the early last glacial(57±6.8ka, 67±8.7ka, 81±11ka, 77±11ka, and 64±7.7ka, MIS 4)and the last glacial maximum(19±2.5ka, MIS 2)during the Late Pleistocene, and the neo-glaciation/Little Ice Age during the Holocene, respectively. Glacial advances during the Last Quaternary in the Baimaxue Shan might correlate with the uplift of the Tibetan Plateau.