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看第四纪冰川在山东鲁山南坡刮过的颤痕（科普图片）
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地质学的真谛不是自圆其说，而是尊重事实。
本发现涉及到争论80多年的中国东部第四纪冰川问题，因此欢迎感兴趣的学者到现场考察，欢迎批判，但请亮出证据。
也请非地学专业的科学家（特别是从事物理学、力学、材料力学等相关专业）参与讨论，如果有人论证本人发现的颤痕为非冰川成因而是泥石流等成因，本人非常感谢！
本文并非SCI论文，但却为论文作者野外考察首次发现，属原创成果。若有学者受此原创启发而在国外发表SCI论文，别忘记中文期刊的贡献。
如果觉得文章太长，请直接看里面的图片，发现错误请予指正。
谢谢！
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吕洪波，徐兴永，易亮，李萍，2012. 山东鲁山混合岩表面发现第四纪冰川剥蚀的直接证据—颤痕。地质学报，86（3）：514—521。
山东鲁山混合岩表面发现第四纪冰川剥蚀的直接证据—颤痕
吕洪波（1），徐兴永（2），易亮（2），李萍（2）
（1） 中国石油大学地球科学与技术学院（山东青岛，266555）
（2） 国家海洋局第一海洋研究所（山东青岛，266061）
摘要：
本文首次报道了在山东鲁山南坡山谷混合岩表面发现的颤痕。颤痕是冰川底部携带的岩石碎块在下伏基岩表面刮凿而形成的一系列弧形裂隙，颤痕的弧形突出方向与冰川运动的方向一致，而裂隙也是向下游方向深入基岩内部，其中突出的中间部位裂隙最深，向两端逐渐变浅直至消失。作者探讨了颤痕的形成机理，认为：颤痕相当于主剪切面上的伴生构造—R剪切面，在剖面上看就是一系列雁列式排列的R面，不仅是冰川在基岩上运动留下的重要证据，而且还能指示冰体的运动方向。除了颤痕外，在鲁山山麓还分布着大量的冰碛地貌：巨漂砾、冰碛堤等，在鲁山山脊上还见有典型的壶穴、冲刷槽等冰川融水侵蚀标志等。这些标志与颤痕一起构成了强大的证据群，揭示了中国东部曾经发育过第四纪冰川的历史。中国东部是否发育过第四纪冰川？地学界已经围绕这个问题争论了八十多年，而颤痕的发现为进一步肯定中国东部第四纪冰川活动提供了最直接的证据。
关键词：山东鲁山，混合岩，第四纪，冰川剥蚀，颤痕
1、引言：
2011年4月，本文作者与中国科学院海洋研究所赵松龄研究员一起在山东沂源县北部的鲁山考察第四纪冰川地貌，在山南侧一条向南东延伸的和缓山谷之混合岩基岩表面发现典型的冰川剥蚀痕迹—颤痕，指示了当地第四纪冰川沿着135o山谷方向向下运动的历史。本文将介绍颤痕的基本特征并探讨其形成机理，阐明颤痕作为第四纪冰川侵蚀作用直接标志的重要性，同时提请地学同仁前往观测并展开讨论与争鸣。
2、颤痕的基本特征
2.1颤痕（chatter marks）的定义
颤痕（英文为“chatter marks”, 少数拼写为“chattermarks”）是一系列小型、密集分布的短而弯曲的裂痕，由冰川底部携带的岩石碎屑在坚硬而脆性的基岩表面震动切削而成。每条颤痕大致与冰川的运动方向相垂直，而弯曲突出方向指示冰川运动的方向（Gary et al, 1972，p.120）。国际著名科技网站上也有类似的定义并提供了相应的实例照片（Britannica, 2011; Wikipedia, 2011）（图1）。
《英汉综合地质学词汇》早在上世纪七十年代就收录了“chattermark”，翻译成“颤动擦痕”（英汉综合地质学词汇编写组，1972），而《金山词霸》和《石油大典》上都有“颤痕”的翻译，因此本文作者建议使用“颤痕”一词，对应于英文的“chatter mark”。此外，“颤痕”一词也用在机械加工领域，如刨床或轧钢机在工件上留下的颤动痕迹，不属于本文讨论范畴。
2.2 颤痕的特征及其在地质学中的应用
在网上搜索到岩石表面颤痕图片就会发现，都标注为第四纪冰川剥蚀的直接证据。如：南极冰川剥蚀形成的颤痕（图1A）、美国缅因州第四纪冰川形成的颤痕（图1B）（National Snow and Ice Data Center, 2011）和阿拉斯加近现代冰川形成的颤痕（图1C）（USGS, 2011）等。在图片中可以看到与颤痕相伴的磨光面，有的还有擦痕，而有些则仅保留颤痕，但都反映了颤痕定义的基本特征。
图1冰川剥蚀在基岩表面形成的典型颤痕（A—南极，B—缅因州，资料来源：National Snow and Ice Data Center, 2011；C—阿拉斯加，资料来源：USGS，2011）
国际地学界在相关研究中都将颤痕作为冰川剥蚀的直接证据，如：加拿大安大略省晚古生代砂岩表面的颤痕（Hill and Billings, 1985），美国内华达州第四纪石灰岩冰碛物中带有颤痕的砾石（Van Hoesen and Orndorff, 2000; Van Hoesen et al., 2000），北卡罗莱纳州更新世冰川留下的颤痕（Berkland and Raymond, 1973），南极第三纪晚期不整合面上保留的颤痕（Rutford et al., 1968），巴西东南部晚古生代冰碛岩巨砾表面的颤痕（Rocha-Campos et al., 1969），埃塞俄比亚高原发掘出的晚古生代冰碛砾石磨光面上的颤痕（Bussert, 2010），甚至在非洲北部晚奥陶世冰碛砾石层表面还保存有厘米级的颤痕（Denis et al., 2006）。这些颤痕往往与冰川擦痕相伴发育于基岩表面的磨光面上，为研究冰川侵蚀作用提供了良好的记录，类似实例非常普遍，此处不再列举。
3鲁山颤痕及第四纪冰川地貌组合
3.1鲁山颤痕的特征
鲁山位于山东省淄博市南部沂源县土门镇北部，主峰海拔1108.3米，主体出露的基岩为泰山群混合岩（宋明春，王沛成，2003），而基岩表面的颤痕发现于鲁山南坡一和缓的沟谷谷底，其经纬度测量结果为：
GPS: N36o17.480＇; E118o03.377＇; H748m; 点位误差17m（2011.04.04测）。
前往观测点路径：从沂源市沿着236省道（S236）向北经过土门镇后向北东方向岔路口去公园，进入鲁山国家森林公园南门后沿着园内公路向北上坡直至向山顶攀登的小路。沿着小路向上大约几十米之西侧和缓山谷基岩露头既是（图2中CM箭头所指处）。
谷底基岩为条带状混合岩，露出宽度大约为10m，向南东倾斜，与沟谷向下的延伸方向一致，坡度大约10o。谷底的北东侧有一块长度超过10m的巨大漂砾，与沟谷之外山麓处分散的大大小小的混合岩漂砾构成典型的冰碛地貌（图版I—1），而该大漂砾朝向沟谷的侧面上可以看见向下坡方向延伸的近水平擦痕（图版I—2中锤子右上方）。
谷底基岩宏观上较为平坦，但局部因风化而造成垂直节理附近下凹，故有微弱的起伏，见明显的混合岩条带，而表面分散着几处大小不等的颤痕（图版I—3），其中规模较小的颤痕长度不超过10cm（图版I—4），而规模较大的更为典型，单条颤痕长度超过30cm，弧形向斜坡下游（135o方向）弯曲（图3；图版I—5）。不论是小型的还是大型的颤痕，它们在基岩表面的突出方向（图版I—4中的笔指向，图版I—5中的锤柄方向）都指向斜坡的下方，且小裂痕也都是向下方倾斜并向岩石内部延伸，而中间的突出部位裂隙较深，向两端则变浅直至消失（图版I—4，I—5）。
图2 鲁山国家森林公园及颤痕露头点地理位置示意图（底图据Google Earth）
图3山东鲁山混合岩表面的颤痕（箭头示冰体运动方向,吕洪波2011.04.04摄）
3.2鲁山发现的其他第四纪冰川地貌标志
鲁山混合岩表面的颤痕并非冰川活动的孤立证据，而是伴随有很多相关的第四纪冰川地貌标志。举例如下：
冰碛堤与巨漂砾：在鲁山南麓风景区南门附近就分布着大量混合岩巨漂砾，观测点位置为：
GPS: N36o16.383＇, E118 o 03.793＇, H469m，点位误差8m（2011.04.04测）。
漂砾直径从几米到十几米不等；在一条较大的沟谷两侧明显地分布着侧碛堤（图版I—6）。这些巨漂砾和侧碛堤显然是第四纪冰川携带巨大石块至堆积地融化后留下的证据，为典型的冰碛地貌，用泥石流和崩落难以解释。
山脊上的壶穴：在鲁山上半部的某些小山脊上保存有浅而带有出水口的壶穴（图版I—7），壶穴观测点的具体位置为：
GPS: N36o17.136＇, E118 o 02.741＇, H748m，点位误差8m（2011.04.04测）。
山脊上汇水面积太小，不足以提供强大的水流来冲刷基岩而形成壶穴，唯一可以接受的条件是上面盖着冰帽，在冰川消融期大量的冰川融水沿着冰裂隙下泄冲刷底部基岩而形成壶穴（吕洪波等，2008）。深入的研究表明，山脊壶穴可以作为冰川融水侵蚀的标志（吕洪波等，2010a）。
陡崖边缘的冲刷槽：在一处陡崖的顶部边缘保存有明显的冲刷槽（图版I—8），其具体位置为：
GPS: N36o17.686＇, E118 o 03.651＇, H990m，点位误差10m（2011.04.04测）。
该点冲刷槽上下延伸，宽度超过30cm，深度超过10cm，其发育与节理缝无关（图版I—8），这就排除了凹槽因球状风化而沿着裂隙发育的可能性。因此，这种冲刷槽要求来自悬崖之上的强烈水流对基岩进行冲刷才能形成，而该点却处于最高点，不具备汇聚大量降水的条件，唯一的可能是冰帽上的冰川融水沿着冰裂隙下泄而达到悬崖边缘所留下的冲刷痕迹。鉴于此，冲刷槽应该作为第四纪冰川融水侵蚀的重要证据（吕洪波等，2008；吕洪波等，2010a）。
上述第四纪冰川相关地貌证据与颤痕构成统一的证据群，证明第四纪冰川曾经覆盖鲁山地区，而颤痕则是固体冰川剥蚀最直接的证据之一。
4、颤痕的形成机制讨论
虽然国际地学界将颤痕当作冰川剥蚀的直接证据，但在理论上却并未进行深入的探讨。本文作者在此利用构造地质学的剪切破裂理论对颤痕的形成机理进行简单的讨论：
4.1颤痕实际上是剪切面上的伴生破裂面—R剪切面
颤痕实质上是脆性剪切面上发育的伴生构造，其形成机理与断层面上的反阶步是一样的，相当于构造地质学中所介绍的与主剪面伴生的R剪切面（图4）。
在走滑相关伴生断裂分析模式图中，R剪切面与主剪切面夹角一般为15o以内，而且动向一致（图4），因此可以根据R面判别主剪切面的运动方向（David and Reynolds, 1996）。
Major Shear—主剪面；R—R剪面；R＇—R面之共轭剪面；P—P剪面；σ1—主压应力；σ3—主张应力
图4 走滑构造带上的伴生构造分析图（据Davis and Reynolds, 1996，367页，图6.148A简化）
从纵剖面上看，基岩的表面相当于走滑作用带中的主剪切面，而颤痕就是一系列呈雁列式排列的R剪切面，所反映出的动向（即：磨光面上颤痕由浅入深的方向）可以代表磨光面上的冰体相对于基岩的运动方向（图5）。由此可见，颤痕不仅提供了冰川剥蚀的直接证据，而且能指示冰川的运动方向。
4.2 颤痕与断层面上反阶步的异同
通过上述分析可知，颤痕与断层面上反阶步的形成机理是一样的，反阶步就相当于走滑构造带上的R面，二者本质上没有差别。其实，类似的构造在日常生活中也是常见的，如：推土机铲地后在地表磨光面上留下的与运动方向相垂直的裂痕，用铁锹挖地时在潮湿而较硬的土块上留下的裂痕，甚至用刨床加工木材或用轧钢机碾压钢板时都可以留下相应的颤痕。
上述裂痕都属于剪切面上的相伴裂隙，也都相当于R面。既然如此，在地学野外调查时又如何区分断层面上的反阶步和冰川剥蚀面上的颤痕呢？笔者认为有两点可以将颤痕和反阶步区分开来：
第一：虽然反阶步表面延伸与断层运动方向（擦痕）也是垂直的，但反阶步一般呈直线型排列，而颤痕总是呈现出弧线形分布，其突出方向指向下游（冰川运动）方向。
第二：反阶步向断块深处延伸相对稳定，而每条颤痕的不同部位向岩石中延伸的程度是不一样的。颤痕的中间向深处延伸较大，而随着向两边延伸其深度逐渐变浅直至消失。
这种差异的根本原因在于：断层两盘的相对运动为两盘岩块全面接触的整体运动，故其形成的一系列反阶步本身相互平行且与断层运动方向垂直，向深处延伸的角度与深度都较为稳定。而颤痕为磨光面上冰体底部包裹着的岩石碎块局部与下伏岩石摩擦而产生的裂痕，因此以摩擦点为中心向前方左右呈弧形散开，如同用锤子敲击均匀岩石表面某点而产生的弧形羽裂是一个道理。裂痕首先产生于冰体下部岩块与下伏基岩的接触点，然后呈羽裂式向前（同时向岩石内部）延伸，而中间部分因裂隙深而表层部分岩石被揭掉，于是便在基岩表面形成一系列弧尖指向下游的颤痕（见图1、图3）。
在冰川侵蚀面上还伴有指示冰川滑动方向的冰川擦痕，与颤痕相垂直。如果风化作用强烈，基岩表面的擦痕就消失殆尽，而颤痕因向基岩内部延伸较深而被保留下来，成为第四纪冰川侵蚀作用的直接证据。鲁山的颤痕本身并无冰川擦痕相伴，说明该区风化作用比较强烈。
5、鲁山颤痕的地质意义
中国地学界对颤痕的报道极少。熊黑钢等报道了天山近代冰川羊背石表面的侵蚀标志，文中描述的“新月型凿口”从示意图上看与典型的颤痕一致，是冰川剥蚀的重要标志之一，尽管作者并没指明其为颤痕（熊黑钢等，1998）。笔者查阅相关资料发现，中国东部至今尚无颤痕发育的报道，因此本文很可能为第一篇讨论颤痕与第四纪冰川关系的文章，希望这个实例引起第四纪学界注意，今后在中国东部发现更多类似的冰川剥蚀证据。
（此处省略部分请到地质学报编辑部网站下载原文阅读）
颤痕是冰川在基岩表面剥蚀的直接证据之一，在国际上已经获得公认（Gary et al., 1972; Britannica, 2011; USGS, 2011），用断层或泥石流等难以解释。为了继续有益的学术争鸣，本文提供了颤痕发现点的详细信息，以便地学界同行前往观测，在野外事实面前提出或修改自己的认识，或者挑战前人的理论。如果说近年来在中国东部发现的第四纪冰川遗迹主要为冰川融水侵蚀地貌（如壶穴、冲刷槽等）或堆积地貌（冰碛物），本次颤痕的发现却是运动中的固体冰川对基岩进行剥蚀的直接证据，对第四纪学界关注的中国东部第四纪冰川问题必然产生重要的影响。
中国东部暴露地表的诸多冰川地貌标志之所以能保留至今，是因为其形成时间为更新世晚期。为了确定这些地貌标志的暴露时间，笔者等在赤峰、山东等地花岗岩山脊表面采集了石英样品进行宇宙成因核素测年研究。利用初步获得的三对10Be/26Al测试结果计算出的暴露年龄均为几万年，揭示了中国东部最终的冰川发育时间为110—10ka BP.之间，与全球的末次冰期时间吻合①。
6、结论
鲁山混合岩表面发育的颤痕是中国东部首次披露的颤痕，是冰体底部携带的砾石在基岩表面刮凿留下的痕迹，与冰碛堤、巨漂砾、壶穴和冲刷槽等构成一套完整的证据群，指示了鲁山地区第四纪冰川存在的历史。
颤痕的形成与断层面上的反阶步、剪切破裂面上的伴生裂隙一样，都是同旋向的剪切破裂面组合，剖面上看相当于走滑带中一系列雁列式的R剪切面。
颤痕不仅可以作为第四纪冰川冰体对基岩剥蚀的重要标志，而且还能指示冰体的运动方向。因此，鲁山颤痕的发现为中国东部曾经发育过第四纪冰川提供了直接的证据，对促进中国东部第四纪冰川地貌研究具有重要的意义。
鸣谢：
中国科学院海洋研究所赵松龄研究员提议并与作者一起对鲁山的第四纪冰川地貌进行考察，因而让笔者发现了颤痕，作者在此向赵老师表示诚挚的谢意。沂源猿人洞群风景名胜区办公室张安宏主任及其同事提供了热情的帮助，作者在此深表谢意。
参考文献和英文摘要略，以下为本文图版：
https://blog.sciencenet.cn/blog-39040-547672.html
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