地理学报  2015 , 70 (5): 739-750 https://doi.org/10.11821/dlxb201505006

Orginal Article

阿尔泰山喀纳斯河谷晚第四纪冰川地貌演化过程

张威12, 付延菁1, 刘蓓蓓2, 刘亮1, 崔之久2, 师源凰1, 王斯文1

1. 辽宁师范大学城市与环境学院,辽宁大连 116029
2. 北京大学城市与环境学院,北京 100871

Geomorphological process of late Quaternary glaciers in Kanas river valley of the Altay Mountains

ZHANG Wei12, FU Yanjing1, LIU Beibei2, LIU Liang1, CUI Zhijiu2, SHI Yuanhuang1, WANG Siwen1

1. College of Urban and Environmental Sciences, Liaoning Normal University, Dalian 116029, Liaoning, China
2. College of Urban and Environmental Sciences, Peking University, Beijing 100871, China

收稿日期: 2015-02-8

修回日期:  2015-03-25

网络出版日期:  2015-05-20

版权声明:  2015 《地理学报》编辑部 本文是开放获取期刊文献,在以下情况下可以自由使用:学术研究、学术交流、科研教学等,但不允许用于商业目的.

基金资助:  国家自然科学基金项目(41271093, 41230743, 40971010)

作者简介:

作者简介:张威(1969-), 男, 吉林松原人, 教授, 博士生导师, 中国地理学会会员(S110008848M), 主要从事环境与灾害地貌研究。E-mail: zhangweilnu@163.com

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摘要

阿尔泰山喀纳斯河流域在第四纪期间发生过多次冰川进退,丰富的侵蚀与堆积地貌为区域地貌演化过程分析提供了重要依据,同时,该区的第四纪冰川作用对全球环境变化研究具有重要的科学意义。通过对喀纳斯湖口以下主谷内古冰川地貌的实地考察,测定不同地段多级U型谷底(台地)的海拔高度以及冰川漂砾的上限与分布位置,并对主谷内不同地段不同期次的冰碛物进行电子自旋共振(ESR)测年,研究发生在主谷内的古冰川作用系列、规模及演化过程。结果表明:喀纳斯湖到驼颈湾地区的谷地中主要发生过4次冰川作用,时代分别对应中梁贛冰期(MIS12)、MIS8/10、倒数第二次冰期(MIS6)以及末次冰期。末次冰期冰川作用又可细分为3个阶段,分别对应MIS4、MIS3中期与MIS2;根据三级U型谷的分布特征推断,古冰川作用规模呈现渐次变小的规律,自冰川站至下游接近冰川末端,中梁贛冰期时冰川厚度达50~395 m,覆盖范围包括主谷及两侧的山梁和支谷,延伸的长度和宽度都最大,MIS8/10以及倒二冰期时的厚度分别在102~199 m和88~269 m之间,冰川末端到达驼颈湾附近;鸭泽湖附近坡地上保存完好的多级台地,说明发生在河谷内的古冰川活性大,流动性和连续性较强,具有温冰川的性质;喀纳斯主谷有明显的不对称性,与局部小气候和地形对冰川的发育影响有关。

关键词: 阿尔泰山 ; 喀纳斯河谷 ; 晚第四纪 ; 冰期系列 ; 地貌过程

Abstract

Multiple glacial advances/retreats have occurred in Kanas region of the Altay Mountains. Glacial erosive and accumulative landforms are not only very important for the analysis of the regional geomorphological process but also meaningful for the research on global change. According to the field investigation on the Quaternary geomorphology in the lower part of the Kanas Lake outlet in the main valley, this paper measured the altitude of multiple level U-shaped valley in different regions and confirmed the highest limit of glacial boulders and their spatial distribution. Using the electron spin resonance (ESR) method, we dated the glacial tills of the different moraines preserved along the main valley. Results of the glacial sequences, extent and glacial geomorphological process showed that four glacial advances occurred the lower part of the Kanas valley. Compared with the previous research results, these glaciations can be assigned as the Zhonglianggan glaciation, corresponding to the marine isotope stage 12 (MIS12), MIS8/10 glaciation, Penultimate glaciation (MIS6), and the last glacial cycle (LGC). LGC glacial advance can be further divided into three stages which correspond to MIS 4, 3, and 2. Based on the distribution of the three level U-shaped valleys, we concluded that the extent of glaciers decreased with time. The thickness of the glacier during Zhonglianggan glaciation was 50-395 m from the Glacial Station to the end of the glacier, and the length and width are also the largest at that time. The three-dimension extent showed that the glaciers were distributed in the main valley and on both sides of the ridges. The thickness was 102-199 m and 88-269 m during the MIS8/10 and the Penultimate glaciation, and the glacier reached near Tuojingwan. Well persevered multiple level U-shaped valley bottom on the eastern slope of the main valley near the region of Yazehu Lake indicated that the Quaternary glaciers have the warm glacier features such as strong activities, flowability and continuity. Clear asymmetry that occurred in the Kanas main valley showed that the development of the glacial valley was affected by regional climate and topography.

Keywords: Altay Mountains ; Kanas river valley ; late Quaternary ; glacial sequence ; geomophological process

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张威, 付延菁, 刘蓓蓓, 刘亮, 崔之久, 师源凰, 王斯文. 阿尔泰山喀纳斯河谷晚第四纪冰川地貌演化过程[J]. , 2015, 70(5): 739-750 https://doi.org/10.11821/dlxb201505006

ZHANG Wei, FU Yanjing, LIU Beibei, LIU Liang, CUI Zhijiu, SHI Yuanhuang, WANG Siwen. Geomorphological process of late Quaternary glaciers in Kanas river valley of the Altay Mountains[J]. 地理学报, 2015, 70(5): 739-750 https://doi.org/10.11821/dlxb201505006

1 引言

近年来,第四纪冰川研究中的热点问题是规模和时代[1-11],其中,冰期系列的确定主要是依据冰川沉积物的年代,而冰川规模主要是依据各个期次的冰川延伸长度,通过规模和时代,来讨论某一研究区的第四纪冰川地貌演化,最终达到研究特定时间段的气候环境特点。应该说,宇宙成因核素(CRN)、释光(OSL和TL)、碳十四(14C)与电子自旋共振(ESR)测年技术的发展与应用[12-23],使得研究者能够比较准确地确定某一研究区的冰期系列。然而,对于冰川发生的规模确定标准却相对单一,主要从平面上确定各个期次冰川的分布长度,而对于冰川的宽度和厚度往往只作定性描述,因而限制了第四纪冰川地貌的三维空间演化过程研究。阿尔泰山是中国现代冰川分布纬度最高的地区,第四纪冰川地貌类型特征明显,尤其是喀纳斯河谷两侧分布的多级U型谷,以及保存在不同期次谷底的冰川漂砾和冰碛垄,为恢复不同期次的冰川宽度和厚度提供了良好的条件,从而达到在三维空间上定量分析和讨论喀纳斯河谷冰川地貌演化过程的目的。

本文即在前人研究的基础上,选取喀纳斯河中下游为研究区,对谷地的第四纪冰川地貌进行详细考察与采样分析,以冰川侵蚀地貌为突破口,将冰川漂砾的分布上限和保存位置作为研究主线,依托新的年代数据,恢复该区第四纪冰川地貌的演化过程。

2 研究区概况

阿尔泰山是位于亚洲中部的一系列西北—东南走向的高大山系,横亘于中国、蒙古、俄罗斯与哈萨克斯坦四国境内,在中国境内的部分属于阿尔泰山的中段南坡,位于新疆北部,地理位置介于45°47′~49°10′N,85°27′~91°01′E之间(图1)。友谊峰和奎屯峰等高峰形成了阿尔泰山山系最大的现代冰川作用中心,本区现代冰川分布高度介于2950~3300 m,在中国为最低,平衡线附近年平均气温在-8°~-7°。阿尔泰山主要受西风气流的影响和支配,带来大量降水补给冰川,冬春季节北冰洋的极地气团带来低温和降雪天气,年降水量700~900 mm,冬春降水占45%~50%,高度2000 m以上的山地积雪厚度1.5~2 m,是中国积雪较厚、时间较长的地区[24-28]

图1   研究区位置及喀纳斯河谷多级U型谷平面分布图

Fig. 1   Study area and the distribution of U-shaped valleys in the Kanas river valley

阿尔泰山位于西伯利亚板块西南缘,在大地构造上隶属于阿尔泰—萨彦岭地槽褶皱区。西与哈萨克斯坦褶皱区为邻,南与准噶尔台地相连,东部为贝加尔—大兴安岭褶皱区。阿尔泰山主要经历了两次造山隆升运动:在上新世末—早更新世末,以古生代基底的断块活动占据主要地位,许多古老断层复活,出现了明显的差异性升降运动,山区与平原的地形差异增大,山体雏形基本形成;到中更新世—全新世,以间歇性隆升运动为主,特别是中更新世整个山体大幅度抬升,形成阿尔泰山的现代地貌轮廓[29]。该区主构造为北东—南西向的张性断裂,控制了喀纳斯河谷的走向;次一级断裂构造呈东西向或北西—南东向延伸,在平面上横切主构造断裂。本区出露的地层主要为寒武系哈巴群和泥盆系地层,哈巴群由片岩、花岗岩、玢岩或凝灰岩、细砂岩等组成;泥盆系的地层主要由绿泥石石英片岩、绢云母石英片岩和黑云母石英片岩组成,其间夹有细砂岩[30-31]

阿尔泰山西北部喀纳斯河流域属于中高山地带,河谷海拔1000 m以上,两侧山峰多在3000 m以上,喀纳斯U型谷是该地区最典型的冰川地貌,从喀纳斯冰川末端一直延伸到海拔约1200 m处,全长100 km。河谷两侧不仅有与主谷近直交的悬谷,而且河谷两侧山谷也呈现出台阶状分布,尤其东侧谷地。

3 材料与方法

3.1 样品的采集与谷地和冰川漂砾位置的确定

地貌与沉积物特征主要根据前人对冰川作用期次的判断[28-29, 32-34],利用1:50000地形图、航空影像以及Google地图等对喀纳斯河谷关键地貌部位进行判读。选取地貌关系清楚,沉积特点明显的冰碛垄上采集年代学样品。采样过程中避开粗大砾石和阳光的直接照射。本次共采集年代学样品6个,野外编号为KE13-01~KE13-07,除了KE13-03(02号为同一点)采自喀纳斯湖口滞碛之外,其余样品均采自冰水夹层,其中,KE13-01采自驼颈湾附近的终碛垄,KE13-02/03采自湖口的滞碛剖面,KE13-04采自喀纳斯湖口第三组终碛垄外围的冰水平原,KE13-05、KE13-06采自老图瓦村七级台地附近的侧碛垄和终碛垄,KE13-07采自喀纳斯河西侧花楸谷附近的侧碛垄(图2)。采集样品密封保存运到实验室,运输过程中避免剧烈碰撞摩擦或受热。采用1:50000地形图、航空影像以及Google地图等对河谷两侧的U形谷级数及分布海拔高度进行初步判别,并对冰川站(A剖面)、老图瓦村七级台地(B剖面)、鸭泽湖(C剖面)、卧龙湾(D剖面)、驼颈湾(E剖面)地区U形谷谷底的海拔高度进行实际测量,追踪最高冰川漂砾分布的海拔高度,用手持GPS记录测量点的经纬度和海拔高程,测量点与在图件中提取的高程相互校验,最终确定每一级U形谷底的位置和分布高程,把不同地区同一级U形谷底所确定的点和冰川漂砾上限进行连线,作出喀纳斯河谷内自喀纳斯湖二道湾至驼颈湾的三级冰川U形谷地平面分布图(图1)。

图2   研究区采样点及部分采样点剖面

Fig. 2   Sample sites and photos of some samples in the Kanas river valley

3.2 室内测定

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[35-36]。处理好的样品在北京大学用60Co进行人工辐射,辐射剂量率为28.51 Gy/分钟,辐射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EMX1/6ESR谱仪,选用石英颗粒中的Ge(KE13-03\05\06\07)和E`(KE13-04)芯作为测年信号,测试条件及参数:室温、X波段、微波功率为2.021 mW、中心磁场= 3525 G、扫描宽度50 G、仪器频率= 9.852 GHz、调制频率= 100 kHz\调制振幅= 1 G、时间常数= 40.96 ms、扫描时间= 10.486 s。根据人工辐射剂量与其对应的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。样品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来换算[37]。“研究表明石英颗粒中的Ge和E`对光照与研磨比较敏感,这两种机制都可使它的信号归零[38-39, 42]。冰川沉积中丰富的粉砂级岩屑物质正是由冰川研磨产生的[40-41]。本次测试的样品KE13-03采自湖口滞碛剖面,经历了较强的冰川研磨作用,而其余的样品均为冰水夹层,经历光照的机会和时间较多,因此,冰川沉积中石英颗粒的Ge和E`芯理论上满足ESR测年中信号回零这一先决条件,以往其它地区的研究结果也表明,ESR测年技术对冰川沉积物直接定年是可行和可靠的[43-46]表1)。

表1   喀纳斯河谷第四纪冰川沉积物ESR测年结果

Tab. 1   Dating results of the Quaternary glacial deposits in the Kanas river valley using the ESR method

实验室号野外编号采样地点经纬度坐标/N、E海拔/m物质UThK含水量/%年剂量/GY/Ka古剂量/GY年龄/Ka
14042KE13-03湖口滞碛48°42'41.21"87°1'21.42"1375细砂3.3518.51.800.124.06116±1728±4
14043KE13-04冰水平原48°41'21.82"87°0'42.02"1380细砂5.1245.91.680.186.35518±12081±18
14044KE13-05七级平台48°41'31.54"87°3'23.75"1615细砂4.2418.91.660.104.18916±184219±44
14045KE13-06七级平台48°41'31.15"87°3'0.13"1575细砂3.7215.72.200.064.33332±7176±16
14046KE13-07花楸谷48°35'25.76"87°4'22.33"1310细砂3.4317.01.820.154.00786±146196±36

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4 讨论

4.1 冰期系列

中国阿尔泰山地区的第四纪冰川研究由来已久,成果主要集中在冰川地貌沉积学特征、第四纪冰期划分以及环境重建等方面。其中,核心内容是以不同的方法对研究所进行的冰期系列划分,如20个世纪80到90年代,以刘潮海、崔之久等学者对该地区进行考察研究,做出了基于地貌年龄的冰期划分方案[28-29]。近年来,许向科、赵井东、江合理等应用光释光(OSL)、电子自旋共振(ESR)等手段对该区的冰川地貌进行了测年研究,为本区建立的冰期序列提供了重要依据[32-34]。相对地貌法认为喀纳斯河流域主要有五次冰川作用,依次是中更新世中期的布尔津冰期,中更新世晚期的倒二冰期和末次冰期以及全新世的新冰期和小冰期。其中布尔津冰期是依据地貌法并参考邻近地区的热释光(TL)年代确定的,其余几次冰期得到了年代学的支持。

本次测年结果支持并印证了前人对本区的冰期划分,从表2可以看出,湖口滞碛ESR年代为28±4 ka,与OSL数据完全吻合;采自老图瓦村附近终碛垄ESR年代为76±16 ka,与赵井东和许向科所测得的年代也是吻合的。年代结果进一步证实本次冰川作用发生在末次冰期早期,相当于深海氧同位素的4阶段(MIS4);以前的倒数第二次冰川作用的年代学证据主要来自驼颈湾终碛垄的两个ESR年代数据,虽然本次采集的样品KE13-01由于信号饱和导致测试失败,但本次新测得的老图瓦村侧碛垄和花楸谷附近的侧碛年代分别为219±44 ka和199±163 ka,支持此次冰川作用发生在倒数第二冰期。此外,在第三组终碛垄外围,新图瓦村周围发育的冰水平原堆积物年代为81±18 ka,也印证了倒数第二次冰期冰川作用的年代,本次测年结果并没有测出比倒数第二次冰期更老的年代数据,然而,从喀纳斯谷地分布的多级U型谷以及谷地分布的冰川漂砾位置,结合谷地内冰川堆积物的分布特征,可以推断,研究区存在早于倒数第二次冰期的冰川作用是确切无疑的。结合前人的研究成果并与邻近的天山、祁连山、蒙古阿尔泰山地区对比,认为发生在中梁赣冰期比较合理,关于喀纳斯河流域冰期的启动时间在下文做进一步证明。

4.2 喀纳斯河谷的第四纪冰川地貌演化过程分析

根据喀纳斯谷地多级U型谷的分布海拔高度、延伸长度、宽度、冰川漂砾的分布及具有确定年代数据的冰碛垄位置(图1,表2,表3),并结合冰川侵蚀地貌与堆积地貌之间的组合关系,对喀纳斯河谷第四纪冰川地貌演化过程进行分析(图3)。

图3   喀纳斯河谷冰川演化模拟复原图(a、b、c、d、e、f 分别对应MIS12、8/10、6、4、3、2)

Fig. 3   The glacier evolution mimetic diagram of Kanas river valley

表2   喀纳斯河谷冰碛物测年数据及邻近地区最老冰期

Tab. 1   Dates of glacial sediments in Kanas river valley and the oldest ice age in the adjacent regions

地区测年地点方法年代/kaMIS来源
白湖高侧碛垄OSL27.2±2.0 16.1±1.5MIS2[34]
湖口第一组终碛垄OSL
ESR
28.2±3.3
28±4
MIS2
MIS4
[32]
本文
湖口第二组终碛垄OSL34.3±4.2 38.1±4.5MIS 3a[32]
阿尔泰山OSL43.6±6.7 52.1±7.8MIS 3[33]
湖口第三组终碛垄OSL49.9±5.4MIS 3b[32]
OSL
ESR
73.1±6.6
76±16
MIS 4[33]
本文
驼颈湾终碛垄
花楸谷侧碛垄
老图瓦村侧碛垄
ESR
ESR
ESR
125±12 156±15
196±36
219±44
MIS 6[32]
本文
蒙古阿尔泰山TL467±51MIS12[47]



天山
乌鲁木齐河河源ESR459.7
477.1 a
MIS12[48]
托木尔河ESR418.9±40.2MIS12[49]
阿特奥依纳克河ESR453.0±45.3
440.6±41.7
MIS12[36]
祁连山摆浪河ESR462.9MIS12[50]
昆仑山昆仑山垭口ESR710±228MIS16[51]

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表3   喀纳斯河谷台地测量点参数

Tab. 3   Measuring point parameters of the terraces in Kanas river valley

考察地点编号纬度(N)经度(E)高度(m)宽度(m)相对高度(m)总厚度(m)

冰川站
A348°43' 49.79"87°3' 24.67"21655280395772
A248°43' 44.18"87°2' 56.89"17704010199
A148°43' 32.39"87°2' 22.80"15713090178
A048°43' 17.23"87°1' 48.89"1393

七级台地
B348°42' 22.54"87°3' 40.90"2160360764
B248°41' 1.37"87°3' 44.40"1800135
B148°41' 35.78"87°3' 22.58"1665269
B048°41' 35.39"87°2' 4.12"1396

鸭泽湖
C348°40' 9.77"87°2' 42.14"18624240151465
C248°40' 14.74"87°2' 32.86"17113670127
C148°40' 15.28"87°2' 9.02"15842520187
C048°40' 11.14"87°1' 42.28"1397

卧龙湾
D348°37' 24.78"87°3' 56.77"1743256068373
D248°37' 21.79"87°3' 32.36"16751890115
D148°37' 17.58"87°3' 17.06"15601250190
D048°37' 10.28"87°3' 6.84"1370

驼颈湾
E348°33' 24.73"87°8' 49.85"1450116050240
E248°33' 22.68"87°8' 45.71"1400945102
E148°33' 13.75"87°8' 39.01"129841388
E048°32' 58.08"87°8' 45.85"1210

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4.2.1 中梁赣冰期时(MIS12)冰川分布特征 表3统计数据显示,形成最高一级台地(最高一级U型谷底)时冰川规模最大(图3a),当时冰川达到图1中红线位置,在冰川站至鸭泽湖一带两侧山梁以及黑湖地区都有大量冰川漂砾分布,另外在喀纳斯河流域临近的哈巴河支流和禾木河支流两侧的山梁上也都发现有相似的冰川漂砾[28]。说明当时在喀纳斯湖湖口及其支谷地区是一个冰川汇集区,冰川呈半覆盖状分布。以冰川漂砾分布的上限海拔减去该级U型谷底的海拔高度,可以估算U型谷的深度。计算结果显示,冰川站附近最高一级U型谷深度为395 m,推断当时的冰川厚度至少在400 m左右,至老图瓦村七级台地附近变为360 m,至鸭泽湖附近冰川厚度迅速变薄为151 m,至下游的卧龙湾和末端驼颈湾附近厚度更薄,分别是68 m和50 m。从冰川厚度的变化来看,到下游驼颈湾附近冰川厚度的减小最为明显。冰川U型谷的宽度较大,自上游向下游宽度逐渐变窄,范围介于1160~5250 m之间。实地考察发现,驼颈湾附近与主谷垂直的山梁及其周边山梁上的平台,并没有在顶部发现有冰川漂砾,最高冰川漂砾只出现在海拔1460 m的地方,与主谷对岸最高漂砾1450 m的海拔相近。说明当时下游地区冰川规模要比上游地区小,没有覆盖到两侧山梁的位置,冰川主要被限制在谷地当中,延伸到驼颈湾下游一定位置。

4.2.2 MIS8/10阶段冰期冰川分布特征 中梁赣冰期之后(MIS12)的一次冰川作用,形成第二级台地(U型谷底),根据测算的冰川槽谷深度和宽度,冰川规模明显要小于中梁赣冰期(图3b),估算当时的冰川厚度在102~199 m之间,冰川厚度明显减小,当时冰川作用宽度介于945~4100 m之间。与本次冰川作用相关的堆积地貌下限位置无法确定,从该级U型谷地的延伸下限来看,基本上与最低一级U型谷的延伸下限相类似。即末端大致终止于驼颈湾附近,由于该级U型谷介于最高一级和最低一级U型谷之间,因此,本次冰川作用的时代可以用上下两级U型谷的形成时代进行限定,因为最高一级冰川谷的发育时间是中梁赣冰期,而最低一级U型谷的形成时间对应倒数第二次冰期,因此本次冰川作用应该是介于中梁赣冰期和倒数第二次冰期之间,很可能对应深海氧同位素8或者10阶段。

4.2.3 倒数第二次冰期的冰川分布特征 最低一级U型谷延伸下限位置至驼颈湾附近,保存着清晰的倒数第二次冰期和末次冰期不同阶段的冰碛垄。U型谷的宽度明显减小,介于413~3090 m,深度比第二级U型谷地略大,推断当时的冰川厚度大约在88~269 m之间,自上游向下游逐渐变薄(图3c,图4),该级U型谷地的形成时代易于确定,根据驼颈湾附近的终碛垄ESR年代为倒数第二次冰期(MIS6),则该级冰川U型谷时代上对应倒数第二次冰期或者不晚于倒数第二次冰期。根据冰川地貌的组合特点,本文倾向于该级U型谷形成于倒数第二次冰期。

图4   喀纳斯河谷典型地段剖面图

Fig. 4   Typical profiles of different parts in the Kanas river valley

喀纳斯河谷三级U型谷地冰川演化模拟复原图(图3)显示,发生在主谷内的冰川主要有4次6个阶段,冰川规模逐渐减小(图3)。图3a是喀纳斯河谷最老冰期(中梁贛冰期)冰川分布状况,冰川规模最大,在上游地区冰川覆盖整个主谷和支谷,河谷两侧山梁和平台都有冰川分布。到下游地区冰川主要集中于主谷中,并一直延伸到驼颈湾的下游地区。从喀纳斯河主谷中的U型套谷顶端边缘(上缘)的连线,当时河谷地区比较平缓,说明当时阿尔泰山处于隆起的初始阶段[29, 47],冰川下切不深,只是由北向南平铺在山坡上,在地势较低的谷底,才有冰川向下延伸。MIS8/10阶段的冰川规模略大于倒数第二次冰期(图3b、3c),虽然宽度要比最低一级U型谷地宽,但是深度却相对较小,从地貌上看,第二级U型谷地相对平缓,而最低一级谷地相对较陡,说明下切也比较强烈,可能与研究区中更新世末至晚更新世初构造抬升相对比较强烈有关。而到了末次冰期时(图3d、3e、3f),冰川的规模大幅度退缩至喀纳斯湖附近,呈现MIS4、3、2的冰川规模持续减小的趋势。

4.3 讨论

4.3.1 关于鸭泽湖和老图瓦村附近七级台地的成因 在分析区内3级主体U型谷的过程中,发现老图瓦村和鸭泽湖附近发育多级U型谷地,U型谷底以台地形式自上向下展布。冰川台地在老图瓦村附近转弯拐向黑湖支谷,又从鸭泽湖附近转弯拐回主谷,成因与发生在河谷内的古冰川性质有密切关系,多级台地分布的地方是主谷与支谷交界的地区,冰川从喀纳斯湖上游流下来在此聚集,当时冰川与支谷冰川汇合加厚,在该区形成类似于圆形的大冰潭(图1)。冰川地貌从最大规模时开始发展,随着时间推移,河谷内的冰川逐渐消融变薄,冰川一边消融一边向下游运动,侵蚀和堆积同时存在,由于冰川稳定在不同高度时间长短不同,便会侵蚀或者堆积出不同高度的台地。

关于喀纳斯河谷古冰川的性质,以崔之久为代表的研究者根据古冰川侵蚀地貌和堆积地貌特征认为,发生在喀纳斯河谷地区的古冰川具有流动性大,侵蚀能力强,冰温高,底部以滑动运动占优势的温冰川的特点[28]。具有代表性的地貌有:喀纳斯河流域有5级呈阶梯状分布的冰斗,古冰斗坎明显,有明显的反倾坡,不少冰斗底部已积水成湖。喀纳斯河谷谷型指数多在3.3~3.8之间,略大于或接近于乌鲁木齐河河源的谷型指数[28]。野外考察发现,在喀纳斯湖两侧和鸭泽湖附近谷坡上有成群的羊背石,羊背石不仅在迎冰面和顶部有擦痕和磨光现象,而且在背冰面也有磨光面。在喀纳斯湖口附近,广泛分布着末次冰期时形成的厚度可达10 m以上的滞碛(图4),上述地貌与沉积物特征说明当时温冰川的性质。

4.3.2 河谷两侧不对称地貌分析 在考察喀纳斯河谷时,发现谷地两侧地貌分布并不对称(图5)。U型谷地在河谷东坡保存完好,谷底多分布冰川漂砾,并发育有良好的草甸和灌木,而谷地西侧U型谷地地形不发育,多是沿坡面堆积的碎屑,上面生长茂密的西伯利亚落叶松,云杉,冷杉等植被,构成了暗针叶林~泰加林带,林线海拔在1800~2300 m,少数地段可升到2400 m[52]。河谷两侧地貌的差异可能是局地气候因素导致谷坡两侧接受太阳辐射不均,寒冬风化作用差异所造成的。喀纳斯河谷东坡是阳坡,接受的太阳辐射多于西坡的阴坡,分布在河谷里的冰川便是西坡厚于东坡,冰面由西坡倾向东坡,这样冰川对河谷西坡的侵蚀作用要强于东坡,东坡坡地多保存有冰川漂砾和冰碛物。加上西坡河谷多发育有冰斗冰川,侵蚀作用更加强烈,在冰川退出此段河谷之后,形成了西坡陡于东坡的不对称河谷,后期演化过程中,西坡由于河谷谷坡角度大,多易出现基岩崩塌和山体滑坡、泥石流等现象,逐渐形成沿坡面的堆积地貌,例如分布于河谷西坡的勃他木衣倒石堆(图6)、卧龙湾古泥石流堆积扇[53]。下游的驼颈湾也同样存在上述现象,形成原因除了河谷两侧的小气候差异外,还与该地区特殊的河谷地形有关,冰川推进到此处,呈“S”型在河谷中分布,在转折处西坡河谷冰川不断堆积后向下游推移,冰川厚度大于东坡,冰川对西坡的侵蚀强度也要强于东坡,形成河谷两坡差异地貌。上述谷地的不对称现象在珠穆朗玛峰绒布河谷[54]、乌鲁木齐河源1号冰川谷[55-56]等多个河谷两侧以及祁连山等地也有类似的表现。由此看出分析河谷冰川与河谷地貌关系时必须考虑冰川的性质、气候、地形及岩性差异等因素。

图5   喀纳斯河谷典型冰川地貌a. 喀纳斯河主谷中的U型套谷; b. 驼颈湾下游V型河谷以上的U型谷; c. 鸭泽湖附近地区多级台地分布; d. 喀纳斯河谷中侵蚀出的冰碛物剖面

Fig. 5   The typical glacial landforms of Kanas river valley

图6   喀纳斯河谷东西谷坡地貌对比

Fig. 6   Comparison of moraine landforms between east and west slopes in Kanas river valley

5 结论

通过对喀纳斯河谷两侧不同高度的冰川台地海拔高度测定,结合不同地段冰川沉积物的ESR测年,主要结论如下:

(1)喀纳斯湖到驼颈湾地区的谷地中主要发生过4次冰川作用,时代分别对应中梁贛冰期(MIS12)、MIS8/10、倒数第二次冰期(MIS6)以及末次冰期。末次冰期冰川作用又可细分为3个阶段,分别对应MIS4、3、2。

(2)喀纳斯河谷冰川地貌演化分析认为,研究区内的三级台地分别形成于三次冰期,其中最高一级台地是最老冰期(中梁赣)形成,当时规模巨大呈半覆盖式分布,第二级台地形成于MIS8/10,冰川规模明显减小,最低一级台地形成于倒数第二次冰期。根据三级U型谷的分布特征推断,自冰川站至下游接近冰川末端,中梁贛冰期时冰川厚度达50~395 m,覆盖范围包括主谷及两侧的山梁和支谷,延伸的长度和宽度都最大,MIS8/10以及倒二冰期时的厚度分别在102~199 m和88~269 m之间,冰川末端到达驼颈湾附近。

(3)鸭泽湖附近坡地上保存完好的多级台地,说明发生在河谷内的古冰川活性大,流动性和连续性较强,具有温冰川的性质。喀纳斯主谷地有明显的不对称性,与局部小气候和地形对冰川的发育影响有关,在后期崩塌,泥石流,流水等作用下逐渐形成现在的喀纳斯河谷。

致谢:参加野外工作的还有美国普度大学Jon Harbor教授,瑞典斯德哥尔摩大学Frank Preusser教授和 Natacha Gribenski博士,喀纳斯冰川站孙吉舟站长和张鑫硕士,对他们的帮助和指导在此一并表示感谢!

The authors have declared that no competing interests exist.


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