黄山花岗岩体发育成壮年期地貌——黄山剥蚀面,相邻地区的断陷盆地中则堆积了白垩系浦口组砂砾岩。表明当时地区高差始而较大,继而逐渐低平,后来又一次抬升,老第三纪宣南组砂砾岩沉积,较长时间稳定造成广泛的“皖南夷平面”。第四纪初,又一次更为强烈的抬升与下切,始奠定今日黄山高山深谷的地貌景观(崔之久等,2009)。山前相应的堆积物皆显示湿热环境下剥蚀堆积而成。以南麓谭家桥一带堆积为例,主要的动力是流水作用,由于花岗岩地区缺多细粒物质,故以洪积和稀性泥石流为主,黏性泥石流只在局部地段形成。晚更新世以来的抬升和下切并不十分强烈,但寒冷气候的影响在山地顶部造成许多“怪石”现象,可认为是冰缘气候的寒冻风化产物。
同时在山坡坡麓大量发育成层坡积和部分泥石流堆积。多种第三纪喜暖动植物孑遗种的存在也证明此处未经历严寒的冰期气候。
三、实例三:太白山山麓混杂堆积的成因误判
秦岭主峰太白山(海拔3767m)以其重要的地理位置成为中国东部古冰川研究的重点地区之一。目前,多数学者对于该区晚更新世末次冰期的冰川作用持肯定意见,并命名为“太白冰期”。但对是否存在更老冰川作用以及冰川作用范围及规模意见不一(田泽生,1981)。在此以直接发源于太白山北麓的几套砾石层为研究对象,有人认为是冰碛(张保升,1958;严阵,1964;齐矗华,1980),也有人从其沉积特征和理化指标方面对其成因进行解释,进而讨论该区第四纪古气候演变和古冰川问题(阎永定,1982;徐建辉等,1987;夏正楷,1989)。
(一)砾石层的沉积特征
分布于太白山北坡石头河、坝王河、黑峪河河谷、出山口及附近山麓地带海拔800m左右,所见第四纪砾石层根据其风化程度及上覆黄土的时代可作以下分类:
(1)极强风化砾石层。出露于石头河流域河流凹岸的个别部位和山前洪积台地前缘,构成山区河流的四级阶地和山前洪积台地。此砾石层断续分布于基岩之上,其厚度变化较大。砾石以花岗岩类为主,粒径大者1—2m,小者10cm,一般0.5m,磨圆度为圆级。砾石间呈点接触关系,无明显排列方向。砾石和充填物均完全风化,二者在硬度上已无差别,砾石只具轮廓已无法单独取出,故剖面开成后整齐如墙,其充填物中重矿物的风化系数几近于零。此砾石层为山麓洪积物。
(2)风化砾石层。此砾石层广泛分布在山区河流第四级阶地上。在石头河中游温家山、栎树垭、箭沟口、火烧滩等处覆盖在极强风化砾石层组成的阶地基座上,海拔高度为780—840m(包括黄土厚度),高出石头河现代河床(703m)80—140m。在坝王河流域直接覆盖于基岩之上而未见与极强风化砾石层接触(图594)。该层中砾石虽保持原有形状,但已彻底风化,敲击即碎,充填物呈棕红色,充填物中重矿物的风化系数为1—1.5。砾石磨圆度为极圆—圆级,砾石具定向排列,倾向上游,剖面中可见小型砂透镜体和斜层理。砾石层上覆厚层红色土,夹多层棕红色古土壤条带,剖面中可见三层连续的古土壤层。
图594太白山高庙—坝王河地貌第四纪综合示意剖面(齐矗华,1980)这套黄土覆盖的强风化砾石层出山后形成山前第四级洪积台地,海拔约750m,高出渭河现代河床约200m。渭河两岸自宝鸡至眉县第四级阶地均有分布,砾石顶面高程由宝鸡800m至蔡家坡—眉县一带为670m,上覆几十米的黄土,阶地砾石层分选好,磨圆度高。张宗祜(1989)分出砂砾石层的四套沉积韵律,代表中更新世早期固定河槽水流的水文特征。可见当时的渭河已经发展成为一条贯通东西的大河,同时支流水系也已形成。主支流堆积旺盛,主流形成具四套河流沉积韵律的砂砾石层,支流形成厚层冲洪积相砂砾石。第四级阶地砾石层上覆黄土包括中更新世到晚更新世的连续沉积,其界限应放在第五层古土壤“红三条”的顶面。卢演俦等(1979)将陕西洛川黄土剖面中第五层古土壤进行年代测定,其热释光年龄为178000aBP。对比可知本区的黄土以“红三条”为界,其下为中更新世早期堆积,其上为中更新世晚期至晚更新世的连续黄土堆积。黄土下覆强风化砾石层的时代应划到中更新世早期,相当于蓝田地区泄湖组地层(Q21a1)。而极强风化砾石层应划为早更新世山麓沉积。
(3)弱风化砾石层。此砾石层组成石头河、坝王河三级阶地,海拔约750m。层中砾石多为花岗岩类,个别砾石风化完全;但核部未风化者居多,磨圆度为圆级,粒径30cm左右,较强风化砾石层粒径小。充填物中重矿物的风化系数为7.5左右,充填物为橘红色砂。砾石层上覆黄土状物质。三级阶地在坝王河流域保存较好,呈内叠阶地分混杂堆积与环境布于响水石村一带,时代为晚更新世早期。
(4)未风化砾石层。该层分布于渭河支流二级阶地,剖面呈现急流洪流相特征,砾石均未风化,充填物中重矿物的风化系数在8左右。砾石层上覆黄土状土,为晚更新世晚期沉积。
综上所述,源出秦岭北麓的几套砾石层形成于不同的地质时期,经历过不同程度的风化作用,分布于现代河流两岸不同高度的河流阶地上,具有较高的磨圆度,具有明显的河流沉积特征。推断不同时代河流作用的性质和规模应是早更新世以山麓洪积为主,与当时秦岭地区的新构造抬升相适应;中更新世河流作用旺盛,形成了厚达十几米的河流相沉积物;晚更新世初期其规模较中更新世为小;晚更新世晚期以急流洪流作用为主,显示山区洪流沉积特征。与冰川成因之说相去甚远。
(二)砾石层的理化特征
鉴于对强风化砾石层和弱风化砾石层尚有冰川、冰水不同解释,认为它们分布属于中更新世初期大殿冰期和晚更新世初期斗母宫冰期(齐矗华,1980,1985)。作者采集了坝王河高庙—营头段和石头河流域这几套砾石层样品70余块,下面试从沉积物理化分析的角度进一步探讨其成因和沉积环境。
1.沉积物粒度特征及其成因
本区沉积物的粒度组成偏粗,其中强风化砾石层的充填物为中细砂质粗砂、中值粒径变化在0.25—0.35mm(0.75—1.36),粒径变幅较小。弱风化砾石层充填物粒径为0.25—0.75mm(0.57—2.0),粒径变幅较大,物质组成粗细交替,反映当时水流状态不稳定;未风化砾石层中值粒径在0.5—0.75mm(0.4—1.0),粒径变粗,推测当时水流搬运能力加强。在以粒度参数作为解释沉积物成因的标志时,菲克特鲍尔(Fi ichtbauer)曾作过下列划分:河流沉积的分选系数大部分大于1.2,不稳定河流的分析系数大于1.3,而冰川沉积为5.48。本区的分选系数多为1.5—3,应属不稳定河流沉积。姚檀栋(1982)指出,大陆冰盖沉积标准差的取值范围是2.9—5.0,平均值为3.7。山谷冰川的标准差值最小为3.0,最大为5.5,平均值为4.4。本区沉积物标准差值分布在0.5—1.8,一般为1.0—1.5,远较冰碛物低。本区沉积物的频率曲线为正态分布的高峰双峰式,在粗砂级(0—1)出现最高峰值,达15%—20%。山区河流沉积常呈现这种形态。据张林源等(1982)研究,冰碛物以粉砂级为主,粒度频率曲线往往在4—6出现最高峰值,达15%。对比可知,本区沉积物的粒度参数及概率曲线展形十分接近河流沉积而与冰碛物差别较大。
2.重矿物特征及其物源区
太白山上冰碛物、冰缘沉积和山下砾石层充填物的重矿物分析结果见图595。
山上样品采自太白山南坡海拔3060m、3080m、3350m、3480m不同高度晚更新世冰碛垄及现代冰缘沉积。物源为拔仙台周围的混合花岗岩,其重矿物组合有如下特征:(1)以不稳定矿物为主要成分,60%左右的大量角闪石及2%—5%的少量辉石;(2)以无色柘榴石、透辉石、次铬透辉石等为特征矿物;(3)几乎无黑云母,风化矿物含量低,占7%。
山下砾石层重矿物组合特征为:(1)以不稳定矿物为主,其普通角闪石含量变化较大,占40%—80%,辅以少量辉石,少量黑云母;(2)稳定矿物、风化矿物含量增加;(3)以粉色柘榴石、透闪石为特征矿物;(4)有较多的绿帘石、磷灰石、磁铁矿及少量蓝晶石、十字石等变质岩矿物。
山地上下沉积物的重矿物组合均以花岗岩类矿物为主,普通角闪石占绝对优势,这是因为燕山期花岗岩是太白山的主体。山下沉积物的重矿物组合明显比山上样品成分复杂,表现在稳定矿物、风化矿物含量增加和变质岩矿物的混入。变质岩矿物的来源主要应为山麓地带的下宽坪群绢云母片岩等近绿物质。这一点与冰碛物不同,冰川堆积区应基本保持冰川形成区的矿物组合。
从特征矿物种类可以看出,山上3000m以上不同高度冰碛物中均有无色石榴石、透辉石、次铬透辉石等特征矿物,而山下几套砾石层的样品均以粉色柘榴石、透闪石等为特征矿物。说明晚更新世的冰碛物未达到北坡山麓地带,这一点也可作为太白冰期冰川作用限于3000m以上的一个旁证。
3.化学特征及水热状况
本区沉积物的黏土矿物组合、黏粒的硅铝率、硅铝铁率、可溶盐含量、碳酸钙含量等指标均与当地现代土壤值相近,属褐土类,其所需的年均温为11—14℃,年降水量500—700mm,属暖温带半湿润气候区。
由图596可见,早更新世到中更新世晚期,硅铝率逐渐增高,为3.1—4,硅铝铁率为2.0—3.0,到晚更新世晚期未风化砾石层沉积时达最高值4。根据土壤学研究,硅铝率和硅铝铁率随着气候变冷而升高,如海南岛其值均为1点多,长江流域为2点多,黄河流域和关中一带硅铝率为3点多,硅铝铁率2.5—2.8,新疆天山一带硅铝率为5.7—6.7,硅铝铁率4—5。在天山现代冰川样品中硅铝率可达8.66。本区沉积物中硅铝率的变化反映了第四纪气候变化的两个特点:(1)气候逐渐变冷,至晚更新世晚期达到最低值;(2)气候变化的幅度并不大,始终与温带气候环境相适应。晚更新世末期至现代,硅铝率逐渐降低,与冰后期气候逐渐转暖相吻合。
作者之所以在此列出三个实例来辨别泥石流沉积或冰川沉积,是因为若有误判则会对古环境重建带来严重误解,冰川和泥石流堆积成因分辨是一个国际、国内学术史上常见的问题。虽然泥石流发育本身就会有多种环境条件的差别,如在中国各种气候带都有不同性质的泥石流发生,同一区域不同时代,也会有不同环境和类型的泥石流发生(Chenetal,2008)。
但泥石流和冰川堆积之区别始终是第一位的问题。由于泥石流堆积是一种“泛生种”,任何纬度、任何高度的山区都可以发生,因此即使是高山、高纬冰川区也有众多的泥石流活动,如何不把泥石流堆积当做冰碛物认识,也是一个重要的问题。20世纪60年代,美国西部Mt.Rainer山下就曾把泥石流堆积当成冰川堆积(1)(照片526),而在南极大陆边缘的晚上新世泥石流堆积边界位置演化作为南极冰盖热模式的证据问题,涉及对一系列混杂堆积的成因判别,也深刻反映了人们对此问题的重视的广度和深度(Rebescoetal,2008)。