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争论不休的蒙山拦马墙巨石堆:冰碛垄还是泥石流堆积体? 精选

已有 3120 次阅读 2021-1-6 21:04 |个人分类:地学探讨|系统分类:论文交流

争论不休的蒙山拦马墙巨石堆:冰碛垄还是泥石流堆积体?

    上篇博文介展示了我们在大兴安岭赛罕乌拉国家级自然保护区开挖的一个石海解剖剖面,并介绍了其结构特征、形成机理和古气候意义,强调了石海(石河)是冰缘气候的典型代表。博文链接:

http://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=space&uid=39040&do=blog&id=1265267 

    本篇博文重点用赛罕乌拉石海剖面与山东蒙山拦马墙巨石堆进行结构对比,证明二者具有相同的成因机理,都是冰缘气候下的自然产物。

我们的论文发表在《地质论评》2020年第 6 期:

    吕洪波,高于,浦津,孟和达来,欧阳江城,巴特尔,刘波,张云喜,李桂林. 2020. 大兴安岭南段赛罕乌拉石海剖面分析及其与蒙山拦马墙石河结构对比。地质论评,66(6):1572—1588.链接如下:

http://www.geojournals.cn/georev/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=20206606009&flag=1

感兴趣的朋友请自己下载阅读。

下面就介绍论文后半部分的内容(为了便于对比,保留上篇博文中几张重要图片):

  先归纳一下乌兰坝石海剖面的基本结构特征:

  1、石海表面为棱角状岩块,打开新鲜面则呈现出深灰色并显示灰白色斜长石斑晶,应为安山玢岩。

  2、岩块大小混杂,但最上面以大岩块为主,石海表面除了少量直径不足10cm岩块外,多数直径超过20cm,有很多长条状岩块直径超过50cm。

  3石海剖面从地表向下总体上看,岩块直径呈现上大下小的趋势,越到下面细小碎屑越多,在基岩表面甚至还有一层黏土覆盖。

  4、整个石海剖面岩块之间不是杂基支撑,而是呈现明显的镂空(openwork)状,剖面上部岩块之间的空隙很大,下部岩块之间有小的碎屑充填却仍有明显的空隙,以至于所有岩块表面都有一层土黄色的浮土附着,然而岩块却非常新鲜,没有明显的化学风化。

    6、坡度超过20度的地方有的岩块近期有翻转(向山坡下游倾倒而弱定向)。这说明石海岩块虽然来自原地,但一旦地面坡度偏大就会导致岩块向下游蠕动乃至翻转,甚至形成岩屑坡(scree)。

    再放几张赛罕乌拉石海的照片增加感性认识:

下面是石海形成机理示意图:

一、拦马墙巨石堆的位置和基本特征

   拦马墙巨石堆位于山东省蒙山南麓的一条近东西向沟谷中间。用Google Earth图上定位,该处位置GPS值为:N 35o33′25″; E 117o48′57″; H = 380m (图8)。

 拦马墙巨石堆主体长100m,最宽15m,最高高出两侧河谷超过3m,下端海拔375m,上端海拔393m,该段河谷坡度10°左右,野外测量拦马墙巨石堆表面坡度局部15°左右。

 本人三次现场考察发现:巨石堆北侧鹅卵石铺就的河床有自东向西流淌的季节性小溪,流过拦马墙后不远即与其西北侧的支流汇合而向南转折。南侧的支流早已被修改成农田,不再有水流流过。河谷北岸为较为和缓的山坡,有树林分布;而河谷南岸为含有巨大漂砾的混积物构成的三四米深的陡崖,陡崖南边岸上为散落着大量漂砾的平缓台地,有树木分布,但未见明显的基岩露头(图8)。

 拦马墙石河由片麻岩、混合岩大岩块组成,岩块呈棱角状和次棱角状。表面岩块直径多80cm以上,最大直径超过2m,在剖面上岩块直径呈现上大下小趋势,下部岩块之间夹有小碎屑。巨石堆南北两侧不对称,南侧相对和缓而北侧形成陡崖,似被洪水侵蚀而缺少部分岩块(图8A、8B)。岩块虽然杂乱分布,但有些向上游和北侧(即NE)倾斜的趋势(图8E)。岩块之间颗粒支撑明显,构成镂空状堆叠,上部的空隙内没有杂基充填(图8A、B、E、F)。蒙山世界地质公园请工人在北侧河谷紧贴巨石堆底部开挖出深度超过半米的凹坑,显示地表之下岩块从直径30cm左右的砾石迅速转变为10cm左右的角砾,而砾石之间的空隙充填以黏土而非细砾和砂(图8C),缺少河床细砾和粗砂组分,更深的地下详情未知。

    我们归纳一下拦马墙巨石堆的结构特征:

   1)、从揭示的剖面看,拦马墙巨石堆底部并非河床砾石和粗砂,而是镂空结构被土壤充填(图8C),从本质上讲仍然是镂空结构,只是比上部岩块小得多而已。这一特征与赛罕乌拉乌兰坝石海剖面特征(图5)一致。从巨石堆线状排列方式看,与赛罕乌拉王坟沟花岗岩石河(图4h)类似。

 (2)、拦马墙巨石堆表层大岩块虽然有一些向NE倾的趋势,但该处河谷坡度10度左右,巨石堆局部段落坡度超过15度,再加上线状石河堆积体岩块向上托举时边缘必然向两侧倾倒,这就是拦马墙大岩块因自身重力而弱定向排列的原因(图8E)。

 (3)、大岩块表面保留了多个方向的短而深浅不一的刻痕(图8D),这恰恰是冰冻作用导致某些岩块掘起时棱角顶在相邻大岩块表面转动造成的。冰劈作用顶起过程中,大岩块不容易调整,在旋转过程中表面被相邻岩块尖角顶住再旋转,势必形成短的刻痕,反复旋转就可见多个方向的擦痕,这和冰川砾石沿着某些方向定向排列的长条擦痕是明显不一样的。

 (4)、拦马墙石河可见不同颜色的岩块(图8F),因此会让人误认为是多来源混合搬运的结果。然而,蒙山的主要岩石就是片麻岩、混合岩类,其中深色的镁铁质组分与浅色的长英质组分分离成带是常见现象,某些基性岩块能新鲜地保留下来说明化学风化很弱,从地下因冰冻作用而原地掘出是容易理解的,不代表异地搬运。

 根据这些特征判断:正如前文对赛罕乌拉石海的结构分析一样,镂空结构是石海(石河)常见的现象,而泥石流堆积和冰碛物却无法形成这样的结构。偶尔可能形成类似镂空结构的地方是倒石锥外缘,条件是两侧有大的陡崖,其上大型崩落的岩块滚落到谷底可以形成镂空式堆叠,然而拦马墙两侧没有大型陡崖,这就否定了其崩落堆积的可能性。

    看看新疆巨型倒石锥下部边缘的镂空结构实例:

二、拦马墙巨石堆的发现和争议回顾

    2016年,沂蒙山世界地质公园总工程师王照波在蒙山发现拦马墙巨石堆,并将其看作冰碛物—侧碛堤(王照波等,2017a)。紧接着,王照波等在拦马墙巨石堆下延60多米的南岸边巨大漂砾下取样(见王照波等,2017b),根据光释光测年给出年龄为8.2ka BP,并因此认为蒙山发育过全新世冰川。王照波和王江月(2017)根据蒙山的测年数据和海拔高度等重建了中国东部全新世古雪线高程图。后来,王照波等又在拦马墙巨石堆上取样,用宇宙成因核素测年方法给出拦马墙巨石堆暴露年龄为7.01±1.74 ka BP(王照波和王江月,2019)。

        这下可不得了,要知道,全新世(距今一万前以来)除了南北两极和高山区,早已没有现代冰川发育。如果在蒙山海拔几百米的地方还存在着全新世冰川,今天却完全消失了。这样的气候变化事件一旦发生过,其影响范围绝不仅限于山东蒙山,而应在中国东部乃至世界上很多地方都有大量的遗迹存在。从这个意义上讲,拦马墙巨石堆的发现应该是近年来轰动世界的重大发现!

    确实,王照波的论文发表后立即引起地貌学界的关注----强烈的反对!王乃昂等(2017a)认为“8.2ka BP的拦马冰期”不符合全新世现代间冰期的“公认范式”而否认其冰川成因,而且与施雅风等老一代一样,认为中国东部第四纪冰川研究不符合“技术规范”,属于“泛冰川论”。同一年稍后王乃昂等(2017b)又专门发文质疑山东中低山丘陵古冰川遗迹,认为可能是1668年7月25日郯城大地震保存下来的群发性灾害遗迹。

    2018年,张志刚等发表了一篇拦马墙测年论文,暴露年龄为5.0~6.0ka BP,但他强调是温暖环境下非冰川成因。

    两年后,王乃昂等(2019)以《山东中低山丘陵古冰川遗迹质疑》为题再次发文,明确指出:山东中低山丘陵不存在第四纪冰川遗迹,主要依据是山东全省海拔高度都低于施雅风院士确立的2000m“古雪线”高度。

    王照波和王江月(2019)再次发文回复王乃昂等的质疑,并强调“拦马墙巨石垄为典型的冰上融出碛构成的侧碛垄”。

    针对王照波和王江月(2019)的答复,王乃昂等(2020)再次撰文,分析了对方的逻辑谬误,并坚持判定拦马墙为泥石流堆积体。

    最近,王照波等(2020)又发文反驳了王乃昂(2020)的论文……。

    尽管双方发文总数已经十几篇,但似乎仍然各执己见而无法说服对方,论战仍有不尽不休的势头!

    至今与拦马墙相关的论文(可能不是全部)已经有十几篇,清单如下

         王照波,卞青,李大鹏,王金玉,刘彩玲,郭启鹏. 2017a. 山东蒙山第四纪冰川组合遗迹的发现及初步研究。地质论    评,631):134~142.

         王照波,张剑,王江月,张盈松,卞青,郭启鹏. 2017b. 山东蒙山第四纪冰川遗迹光释光测年研究及冰期划分与对比。地质论评,633):694~702.

         王照波,王江月. 2017. 中国东部末次冰期雪线高程重建与成冰气候分析。山东国土资源,3311):1~5.

         王照波,王江月. 2019. 山东蒙山冰川遗迹的类型、特征和年代答王乃昂教授、李吉均院士质疑。地质论评,653):603~622

         王照波,王江月. 2019. 山东蒙山与四川海螺沟冰川擦痕特征对比及成因分析。山东国土资源,(6):??

    王照波,田晓明,赵向阳,李宝杰. 2020. 论冰川与泥石流堆积体的宏观展布、磨光面、平行擦痕等遗迹的差异性——兼答王乃昂教授“蒙山‘冰川遗迹’辨识中的逻辑谬误分析”。地质论评,66(6):1589—1600.

        WANG Zhaobo, WANG Jiangyue, HE Lelong, ZHANG Jian. 2020. Glacier Relics of the Last Glacial and Holocene Periods Discovered in the Middle-low Mountains of Eastern China: Sedimentary Sequences and Environmental Evolution of Mengshan Mountain in Shandong Province since 80 ka. ACTA GEOLOGICA SINICA, 94 (1): 141-151.

        王乃昂,戴霜,张律吕,余莺潇,于昕冉,田璐,尹丽颖. 2017b. 第四纪冰川遗迹的判别标准与方法问题兼论蒙山巨砾堆积堤之成因。冰川冻土,396):1289~1297

    王乃昂,于昕冉,庄立超,张文佳,郭子萍. 2020. 蒙山“冰川遗迹”辨识中的逻辑谬误分析—以“山东蒙山冰川遗迹的类型、特征和年代”一文为例。地质论评,66(3):555~569.

    王乃昂,张律吕,余莺潇,于昕冉,田璐. 2019. 山东中低山丘陵古冰川遗迹质疑。地理科学,39(2):221~231。

    王乃昂,赵井东,余莺潇,于昕冉,张文佳. 2017a. 渐趋完善的第四纪冰川研究范式—记第四届中国第四纪冰川与环境变化研讨会。冰川冻土,39(5):1029~1038。

    张志刚,梅静,张梦媛,王立志. 2018. 蒙山国家地质公园拦马墙砾石堆积体暴露测年研究。地质论评,64(5):1217~1224.

    吕洪波,高于,浦津,孟和达来,欧阳江城,巴特尔,刘波,张云喜,李桂林. 2020. 大兴安岭南段赛罕乌拉石海剖面分析及其与蒙山拦马墙石河结构对比。地质论评,66(6):1572—1588.

    通过双方的质疑与答复可以看出,蒙山拦马墙巨石堆与1668年郯城地震没有关系,但其成因却形成两个明显对立的观点:一方强调拦马墙巨石堆为全新世冰碛垄,另一方认为是近现代泥石流堆积体,分歧更加明显。

    难道蒙山拦马墙巨石堆的成因就那么难以判别吗?非也!那就是一条冰缘气候带下形成的石河(冰石河)。

    下面我们就讨论一下,为何既不是泥石流堆积体也不是冰碛垄。

三、为什么拦马墙不是泥石流堆积体?

 王乃昂等(2019)明确指出拦马墙为泥石流堆积,但却用洪水和雨水冲刷解释其镂空结构(王乃昂等,2020),更没有给出被冲刷过的证据,无法令人信服。前人研究显示:泥石流堆积物不可能具有镂空结构。

 拦马墙所处的位置并非坡度明显变化的出山口,不是泥石流突然降速沉积的场所。拦马墙向东北沿着兰溪谷向上1000米的距离内沟谷坡度多在20o以内,而更上游也都是基岩裸露的支流,偶尔两侧有大岩块崩落,但无法提供大型泥石流发育的物源,也没见有大型滑塌断崖的痕迹。

 况且,兰溪谷上游汇水面积也不够大,即使降暴雨发洪水也无法形成泥沙俱下的黏性泥石流;在缺少黏土物质的情况下洪水的搬运力更小,无法长距离搬运拦马墙那种直径大于2米的岩块,除非山谷坡度超过50°,这与蒙山拦马墙及其上游地貌情况不符。

 泥石流发育需要有形成区(侵蚀区)、搬运区和堆积区,在拦马墙及其上游并未找到相关地貌标志。既然王乃昂等(2017b)将拦马墙与1668年的郯城大地震相联系,认定其发生于三百多年前,为何没有在蒙山找到相应的断崖、通道和堆积裙?要知道,滑塌地貌保留几千年是很容易的事情,而在以片麻岩裸岩为主的蒙山地区这种地貌更容易保存,为何至今王乃昂教授也找不出一处典型的地貌实例?

 我们还可以从另一个角度考虑问题,在中国东部特别是山东境内,以花岗岩(如崂山、大珠山、小珠山为例)或片麻岩、混合岩为主(以泰山、蒙山、鲁山等为例)由裸岩和山林组成的山区有人类历史记录以来报道过类似的泥石流堆积体吗?没有啊!山东有多处古地震遗址,为何没有类似的滑坡泥石流组合实例可以参考?王乃昂等一直强调中国东部海拔低于2000米的中低山区不具备发育第四纪冰川的条件,那为何不考虑一下这些地方的现代环境更不具备发育大型泥石流的条件?在中国东部类似的山区找到一个现代有记录的堆积体与拦马墙类比是否更令人信服?遗憾的是强调泥石流成因的学者却未能找到这样一个实例。

  综上所述,泥石流成因说根本无法解释拦马墙巨石堆的成因。下面看看前人总结的滑塌模型:

也可看看现代国际上的实例(本人分析并标注了滑塌断崖、滑塌通道、泥石流体):

    如果拦马墙是泥石流堆积,应该很容易在其上游找到滑塌断崖和滑塌通道标志吧?为何找不到?

    回过头来再看看拦马墙的特征:

四、为什么说拦马墙巨石堆不是冰碛物?

  1、根据前人的测年结果,拦马墙巨石堆形成于全新世的5ka—8.2ka BP,考虑到测年数据精度较差,那也是几千年到一万年左右的范围吧?如果是冰川堆积形成的拦马墙,不足一万年的冰川地貌一定保留着非常完美的冰斗、刃脊和 U形谷组合。然而,拦马墙上游的兰溪谷却是并不宽缓的 V形谷,谷底还保留着两侧岩块崩塌而堆积的巨大岩块。

  2、兰溪谷上游也未见典型的冰斗地貌。而被当作冰川 U形谷侧壁的“蒙山槽谷”展示擦痕的陡崖本身就是一个保存完好的直立断裂面,其断面上有几条不连续的刻痕,但刻痕相对毛糙,且断裂面本身并未见光滑的冰川磨光面,说明缺少冰体挤压磨光作用(看看后面我展示的梅里雪山现代冰川 U形谷谷壁上的擦痕,明显不同)。几条擦痕可能是发洪水偶尔携带巨大岩块划过留下的痕迹,但看其高度有限,即使发洪水也未达到泥石流的规模。

    3从照片中也看出陡崖下方是明显的裸岩斜面组成的 V形谷,根本没有U形谷的特征。从我们截取的从拦马墙向东的侧向视图所展示的附近地貌(图10)看,如果拦马墙上游是U形谷,那么在同一高度相邻的①、②、③三条沟谷必然都应该是典型的U形谷,而沟谷之间应该是刃脊,沟谷源头应该是冰斗,最后应该是角峰。但图像中除了显示断裂控制的 V形谷外,并无任何山谷冰川的地貌标志。

    4就拦马墙巨石堆而言,如果是不足一万年前山谷冰川搬运的侧碛堤,其北侧显然需要留下冰舌经过的痕迹:侵蚀的边缘线(trim line)或者北侧对称的侧碛堤,然而现场却缺少这些地貌单元。

    5、拦马墙巨石堆所具有的镂空结构更是无法用冰碛物解释,因为冰碛物结构具有典型的四个差(分选差、磨圆差、成层差、定向差)的特点。

 让我们看照片说话吧!

    上图揭示的拦马墙地下部分,如果是在河床上堆积的泥石流或者冰碛物,下部河床的沙砾哪里去了?为何反而是镂空结构的小岩块之间充填以黏土?这不正是石河的特征吗?

    上图的大岩块表面纷乱的刻痕正是地下岩块遭受冰劈作用后翘起过程中被其他岩块尖角顶住旋转造成的,泥石流或冰碛物无法形成这样的刻痕。

    有人看见上面照片中颜色明显不同的岩块就说是异地搬运的冰碛物或泥石流,殊不知蒙山的混合岩本身就有浅色的长英质组分和深色的镁铁质残留体,它们本来在地下就一起存在(后面有照片展示这样的露头,别忘记比较啊)。

    看看上面的蒙山卫片截图,显示为明显的 V形谷,哪里有冰斗、U形谷等山谷冰川地貌组合?

    上面照片展示梅里雪山山谷冰川的边缘线、U形谷和冰舌的关系。蒙山有这样的地貌标志吗?

    上面照片显示:冰斗和 U形谷一旦出现,就不是孤立的,而且相邻冰斗高度基本一致,U形谷并排发育。蒙山有这样的地貌吗?如果没有,凭什么说是山谷冰川?凭什么重建的古雪线?猜测吗?

    上下两张照片就是2017年夏天发生的蒙山大岩块崩塌事件,就在兰溪谷。这是崩落可以形成镂空结构的典型实例,不能当作冰碛物吧?不能当作泥石流堆积吧?

    上面照片展示的是2017年蒙山岩块崩塌留下的擦痕,凡是整体运动的岩块其擦痕都是方向稳定的,冰川搬运也是如此。这就告诉我们:拦马墙大岩块表面的乱向擦痕不是冰川搬运造成的。

    上面一张和下面两张照片展示了山谷中的崩落岩块,具有镂空结构。这当然不能当作泥石流或冰碛物!同时可以看见,这沟谷是典型的 V形谷吧?

    上面照片就是蒙山南麓路边的一处露头,这样的岩块从地下被掘出自然就展示为明显不同的“岩性”,能看作异地搬运的吗?

    上面是拦马墙上游兰溪谷谷壁直立的断裂面,上面孤立的几条擦痕与下面照片梅里雪山 U形谷壁上的冰川擦痕明显有别吧?差异在哪里?有无冰体的抛光作用啊!

    通过比较就可看出,兰溪谷断裂面上偶见的擦痕不能看作冰川擦痕吧?

五、拦马墙的石河成因简述:    

 那么,拦马墙具备石河形成的条件吗?显然具备。从卫星影像(图09)就可以看出,拦马墙巨石堆恰好位于蒙山南侧一条NW向大断裂与多条NE向断裂的交汇处,地下岩石被多条断裂切割成大小不等的岩块。在第四纪冰川退缩后,蒙山一带转变为典型的冰缘气候带,沿着上游兰溪谷而来的季节性水流在拦马墙巨石堆处充满在地下的岩石裂缝中,冬季结冰将岩块逐渐顶起,多年持续的冻融作用就形成了拦马墙巨石堆。尽管今天山东属于典型的温带气候,拦马墙石河却指示了全新世早期蒙山一带存在过典型的冰缘气候的历史,尽管其规模和强度无法与大兴安岭赛罕乌拉相比。

    由上述分析可以推测,既然拦马墙巨石堆是全新世早期冰缘气候带下的石河,那么在更新世晚期的末次冰盛期和更早的第四纪冰期蒙山存在着第四纪冰川地貌也就不足为奇了。拦马墙南岸的混积物由大小混杂的岩石碎屑和巨大漂砾组成平缓的台地。根据其所在位置地貌特征,这些混积物无法用简单的山谷冰川地貌进行解读,前人报道过的中国东部第四纪大陆冰川信息(如:吕洪波和杨超,2005;吕洪波等,2006,2010,2012;徐兴永等,2004;李乃胜等,2006;LU Hongbo et al., 2007)值得参考,当然还需要做更细致的工作。

 同时还应注意到,从冰川经冰缘环境再到现在的间冰期环境,冰缘阶段的岩冰川和泥石流等是常见现象,对以前形成的冰川地貌进行改造和破坏,特别是泥石流与冰碛物混合在一起或交错分布时,以前的环境判别就非常困难,此时千万别忙于下结论,要找出排他性证据后再说话。

    当无法确切地肯定到底是什么成因时,我们应该说:还不清楚!对于学者而言,在证据不足的情况下坦诚地说“不知道”,其实要比乱猜更加真实可信!

    关于中国东部是否存在第四纪冰川,国内第四纪学界已经争论了近百年,而且形成明显对立的两大阵营:以李四光为首的地质学界认为中国东部存在过第四纪冰川,而以施雅风院士为首的地理学界则予以否定。从上世纪九十年代中国地科院韩同林研究员发现“冰臼”以来,东部又发现很多第四纪冰川标志,同样被以地理学家为主的主流群体否定。这种因观点不同而划分的两大阵营发展到极致时都无法在一起开一次讨论会,因为会上就是贬低和批判。大约十年前经过同仁们呼吁,先后组织了五次第四纪冰川学术讨论会,经过交流,这种以观点站队抱团的趋势有所缓解。我曾在讨论会上呼吁:学术观点不同不是划分阵营的理由,学术界的共同敌人不是观点差异,而是造假、剽窃、学阀等学术不端行为。我们应该找到更充分的证据,就像说服自己不再犯同样的错误一样用事实说服别人,然后才能共同进步,挖掘出第四纪环境变化的真实历史。

    同时我们也应尽量找到排他性证据后再下结论,不要忙于发表漏洞百出的论文。只有脚踏实地才能求出真相,只有基本功到了才能解决实际问题。针对拦马墙巨石堆这样的一个简单地貌现象连发十几篇论文仍然看不出真伪而争论不休,这不是“百花齐放、百家争鸣”的繁荣景象,而是我们地学界整体研究水平不够的表现!同仁们,还需努力啊!


吕洪波    (2021.01.06晚完稿上传,2021.01.07上午修订


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