2021新年第一篇：大兴安岭赛罕乌拉国家级自然保护区石海剖面解剖

    2019年，我和朋友们对大兴安岭赛罕乌拉国家级自然保护区北部乌兰坝石海边缘首次进行了剖面解剖，揭示了石海的结构特征，并利用其结构特征与发现于山东蒙山的拦马墙巨石堆进行了结构对比，进而论证了拦马墙的冰缘地貌成因。该文发表在《地质论评》2020年第 6 期，链接如下：

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

    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.

    从这项研究中感悟到：中国地学界对冰川地貌的认识水平还是相对落后的，而对冰缘地貌的认识就更加不足了。其结果是：有的研究论文将冰川地貌、冰缘地貌乃至滑坡和泥石流等都混为一谈，最初的认知性错误直接导致错误的成因判断。该项工作就是在国内地学界被忽略的冰缘地貌领域做了几十年前就该做的基础研究探索，简介如下：

  内容提要：石海（felsenmeer, block field, block stream, 石河/冰石河）作为冰缘地貌的重要标志之一，在国内地学界尚未引起足够的重视，以至于缺少介绍石海结构特征的中文文献，更未建立判别标准，在地貌认知阶段就发生很多误判。为了揭示石海的剖面结构特征，我们对位于大兴安岭南段的赛罕乌拉国家级自然保护区北部的乌兰坝石海首次进行了开挖解剖，从而归纳了原生石海的基本结构特征：岩块棱角鲜明，呈镂空状堆积，岩块直径总体上上大下小。根据野外调查确认，赛罕乌拉海拔1800m 以上的区域至少还存在着局部现代石海，也就是说，还残存着不连续冻土带，而且保持年平均气温0oC左右的气候环境。根据赛罕乌拉现今气候记录和石海分布，我们估算了全新世初期赛罕乌拉石海开始发育时的地表温度在0oC至-4oC之间，而今天年平均气温已经升高到2oC，升温幅度2至6摄氏度。根据赛罕乌拉石海剖面结构特征，我们对蒙山石河进行了结构对比，认为二者剖面结构基本一致，排除了前人近年来争议明显的冰川侧碛堤和泥石流成因说。结构对比揭示山东蒙山境内全新世早期至少局部存在过冰缘气候环境，而这也为山东境内更新世冰川地貌研究提供了重要的信息。此外，本研究也为中国冰缘地貌解剖和资源调查提供了一个可以参考的研究实例。

    下面就用照片简单介绍我们的野外工作概况和论文要点：

先交代一下石海的定义：

Blockfield or Felsenmeer（石海，冰石河，石河）

    A felsenmeer is a flat or gently sloping area covered with a continuous veneer or large angular and subangular blocks of rock derived from well-jointed underlying bedrock by intensive frost action and usually occurring in situ on high, flat-topped mountains or plateaus above timberline in middle and high latitudes (Gary et al., 1972, p.256).

        本定义来自文献：Gary, M., McAfee, R. Jr., and Wolf, C. L. 1972. Glossary of Geology. American Geological Institute, Washington, 1972: 1~805.

        石海（石河，冰石河）是一片平坦或缓倾的被棱角状或次棱角状岩块覆盖的区域，而这些岩块是中高纬度林线之上的平缓高山或高原区域节理发育的下伏基岩原地遭受强烈冰冻作用的结果(Gary et al., 1972, p.256)。

    Felsenmeer来自于德语，意思是“sea of rock”，翻译成“石海”。如果呈线状分布于山谷或断裂带，则称为石河（block stream, boulder stream）或冰石河。

    上个世纪中后期中国境内有很多报道，其中地质学界使用“冰石河”，相当于地理学界所说的“石河”，二者都是指冰缘气候下形成的地貌景观。需要注意的是，著名景区“兴文石海”却用错了词，兴文地质公园大片裸露的石灰岩应为石灰岩岩漠，而非石海。

再看看冰缘地貌的定义：

       Periglaciation（冰缘作用）(also referring to places at the edges of glacial areas) describes geomorphic processes that result from seasonal thawing of snow in areas of permafrost, the runoff from which refreezes in ice wedges and other structures. Tundra（苔原）is a common ecological community（生态群落）in periglacial areas（冰缘地区）.

        （上述定义主要参考维基百科等资源）

    冰缘地貌（periglacial landform）是紧邻冰川覆盖区的无冰区或冰川刚刚退缩后的区域在寒冷气候条件下形成的一系列与地下冻土相关的特殊地貌，如：石海、岩冰川、石环、冰楔构造等。中国现代的冰缘气候带主要位于青藏高原和其他高寒山区的冻土带，远离人们的视野，但随着气候变暖和人类活动范围扩大，很多更新世冰川退缩后形成的冰缘地貌今天已经成为人们观光旅游常见的地质景观。这些冰缘地貌是冰川退缩后寒冷气候的记录，具有重要的古环境意义。然而，由于中国地学界本身对现代冰缘地貌观察不够，在遇到古冰缘地貌时往往做出错误的认知判断。以石海（石河）为例，如果当作冰碛物，就错将冰缘环境判定为冰川环境；如果当作泥石流堆积，则更是离谱。

    为了让朋友们对石海有更清晰的认识，我们选择大兴安岭南段中部的赛罕乌拉国家级自然保护区进行野外调研，以保护区北部乌兰坝景区近现代石海为对象，进行简单的现场挖掘解剖，揭示其剖面结构特征，看看标准的石海的宏观特征和剖面结构吧：

    赛罕乌拉国家级自然保护区位于内蒙古自治区赤峰市巴林右旗北部，属于大兴安岭南段中低山区（图1）。保护区面积1004km2，最高点位于保护区北部乌兰坝林区二林达巴望火楼附近的山头，海拔1957m，次高点位于中东部的罕山山顶，海拔1951m，二者为大兴安岭仅次于主峰黄岗梁（2029m）的高峰（图2）。赛罕乌拉又称赛罕汗乌拉、罕山，蒙古语“赛罕汗乌拉”为“美丽而神圣的山”之意。蒙古语“乌兰”为“红色”之意，巅连之处有隘口称为“坝”，得名乌兰坝。蒙古语“二林”为“狭窄”之意，“达巴”为“隘口”之意，得名“二林达巴”（李桂林，2005）。

 本文作者野外现场考察发现，保护区内主要出露中生代中酸性火山岩或火山角砾熔岩，还有少量变质岩和花岗岩。在保护区北部乌兰坝出露的是安山玢岩，在罕山山顶熔岩台地上出露的是火山角砾熔岩，而在王坟沟一带则出露有花岗岩。上述三个区域都有石海（石河）分布：以乌兰坝南坡的石海规模最大，已经连片分布成群；罕山熔岩台地上有零星的石河分布，而台地周缘却分布着大片的石海或石河，但因为坡度陡而多演变成岩屑坡；王坟沟沟谷中有火山岩和花岗岩石河分布。这些石海或石河在海拔高的局部区域因冻融作用继续而还在发育，而海拔低的部分已经不再活动。本次考察选择保护区最大的石海进行解剖，该石海位于保护区北部乌兰坝南坡（图3）。

  乌兰坝位于赛罕乌拉国家级自然保护区北部边缘，最高点为靠近二林达巴望火楼附近海拔1957m的山峰。乌兰坝南坡为弧形山脊围成的半个漏斗状曲面，山坡下部靠近沟谷有一些乔木生长，而林线位置大约在海拔1500m的高度，上面山坡除了零散的灌木丛外已经没有树木生长。从海拔1500m以上到山脊之间的广阔山坡断断续续地分布着一片片石海，整个南坡东西长超过2500m，南北宽超过500m，是赛罕乌拉保护区内最大的连片石海区（图3）。乌兰坝南坡出露的岩石为中生代安山玢岩的棱角状岩块（图4A），具有超浅成火山岩的特征，在现代石海周围或连片的石海之间，绿色的草地上也布满了棱角状岩块，实际上也是过去的石海留下的痕迹（图4B）。我们选择石海群东部边缘靠近盘山路的草地作基准点，GPS值为：44°26′13″N；118°41′56″E；H=1653m（图3）。草地上有散落的岩块（图4B）意味着现代石海周围是“古”石海，在该点向西大约20米即是这片近现代石海的边缘（图4C），有几丛灌木生长，我们选择在这里用挖掘机开出一个剖面，以揭示从石海表面到基岩的垂向剖面结构特征。考虑到石海边缘挖掘机容易到达，而且厚度相对较小，容易挖掘到基岩顶部进行测量而且便于填平恢复原样，我们选择在此挖掘剖面。下面是2019年08月04日野外开挖现场：

下面是论文中使用的重要图片：

        除了保护区北部乌兰坝，在其他地方还存在着活的石海或石河。如：保护区东部海拔1900米以上的罕山山顶：

下面照片展示的是王坟沟花岗岩山谷中保存的石河（冰石河）：

下面重点回到乌兰坝石海解剖剖面：

根据开挖剖面所展示的石河剖面特征，我们作剖面示意图展示石海的结构特征如下：

  经过挖掘显示剖面特征如下：

  1、石海表面为棱角状岩块，上表面有微弱的风化而颜色变淡且长满了地衣，整体呈灰色，而向下的面没有地衣，表面附着一层土黄色的“铁锈”和尘土（图4F）。打开新鲜面则呈现出深灰色并显示灰白色斜长石斑晶（图4A），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（图4）。

  3、开挖的剖面总深度超过2m，其中堆积岩块层（即石海活动层）深度1.8m，其下为发育节理的基岩。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（但不是“反粒序”），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（图5）。

  4、基岩顶部可见明显的破碎裂隙，将与活动层岩块一样的火山岩分割成不规则的块体，岩块虽然紧密相嵌但却已经开始松动，裂缝内充填着土壤（图4E）。

    5、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（图5）。

    6、长时间不动的表面岩块上面长满了地衣，而坡度超过20度的地方有的岩块近期有翻转，朝下的面有轻微的土黄色氧化膜（图4F）。这说明地衣不能在岩块下面生长，只能在持续多年暴露的表面才能缓慢生长。

让我们再回顾一下国际上地学同仁们总结的石海特征及其环境指示意义：

 石海（felsenmeer/block field）这个概念几十年来虽然有所演变，但基本意义不变。

 国际学者根据过去几十年的文献记载对石海的基本特征进行了梳理和归纳：石海是下伏节理发育的基岩在冰缘环境下反复冻融而掘起的棱角状岩块堆积层，其中呈线状分布的则称为石河（block stream, boulder stream）。尽管有的石海看上去可以具有杂基支撑结构，但最典型的石海之岩块堆叠却显示镂空结构（openwork），而且岩块越大越是如此。由于冰冻分选作用（frost sorting）导致垂向剖面上岩块直径上大下小，细小的碎屑甚至黏土充填于活动层底部而直接盖在基岩顶面之上。石海岩块的大小取决于节理密度，节理越稀疏岩块就越大。

 石海是高寒山区现在或过去的冰川地貌区的常见特征，具有与今天气候环境明显不协调的组成和外观。过去的冰川覆盖区附近甚或残留漂砾的强烈冰川侵蚀区都可以发育石海，为中高纬度区域气候演化提供重要的信息（Rea, 2013）。

 前人的观察研究证实，石海就是冰缘地貌的标志之一，而全新世的冰缘地貌一般在更新世末期都曾是冰川环境。

 研究发现，镂空结构除了石海之外也仅在山崖崩落形成的大型倒石锥外缘局部出现，但倒石锥总位于陡崖根部与谷底交汇的地方。

下面归纳一下石海的形成机理

    从前面的介绍可知，石海（石河）是冰点上下气温变化的冻融风化作用导致表层岩块破裂而形成的棱角状巨石堆积层，其根本原因是在冰缘环境下降水沿着地下裂隙反复冻融的冰劈作用。其先决条件是：冰缘环境下地下存在着冻土带，阻碍了降水向深层渗透，只能保存在冻土顶面之上岩块之间的裂隙中，同时近地表岩石发育节理缝，节理缝含水。而冻土顶面之上的活动层，就是石海发育的场所。

    每年秋天开始结冰，冰劈作用就会将含水的岩石节理缝撑宽，被节理缝切割的岩块被顶开，只能向上方的自由空间倾斜甚至翻转，而破碎的小的石块就落入张开的节理缝中，第二年春夏气温回升致使裂缝中的冰融化，岩块也无法恢复原状，因为有小岩块夹在裂隙中。被加宽的裂缝在夏季就可以容纳更多的水，秋冬季结冰后就会引发岩块更大的位移。随着表面岩块被顶起，夏季热空气就会向下侵入更深，冻土带顶面就会逐渐向下，导致表面活动层加大，因此石海就向深处发展。年复一年随着反复冻融的活动层加深，石海厚度也在加大，表面温度对深处的影响也逐渐减弱，最终达到一个基本平衡的活动层深度，这就是石海的深度。在石海发育和持续过程中，每年地下结冰的向上撑举作用都会使得相对细小的碎块向下掉落，包括原来地表的浮土和风带来的黄土也都一起向下掉落，这便是石海特有的冰冻分选现象，导致冻土带之上的活动层岩块上大下小，而细小碎屑和土壤停积在下部基岩顶面之上，石海岩块层呈现明显的镂空结构，其中上部更加明显。

        野外观测证实，石海常常被改造，如：发育石海的山坡如果坡度超过25o，就会发生明显的位移而形成岩屑坡（scree slope），甚至演变成大型岩屑坡。即使斜坡坡度很小（如：10o），石海表层岩块也容易发生向下游的倾倒而呈现叠瓦状定向排列。因此，坡度超过10o的石海（或石河）表面大岩块具有叠瓦状定向排列特征是常见现象，不能因此就将其判断为异地堆积的产物。

        石海发育时的气候有何特点？欧洲山区长年观测显示，石海（包括岩冰川）表面年平均气温为0oC左右，而地面以下2.5米深处年平均温度为−1.4oC。看来，地表年平均气温在0oC左右，而地下存在着冻土层是冰缘气候的重要特征。

    如果冰缘气候环境足够长，这种冰冻分选就会一直持续下去，最终导致石海活动层下部以各种碎屑为主，而底部则保留了一层厚厚的黏土层，将基岩顶面与石海活动层隔开，国际上有很多这样的例子。且当底部黏土层足够厚时，即使下部冻土消失，上面水体也不再下渗而形成上层滞水，可以局部形成小湖泊或沼泽，这就是某些高山湖泊和沼泽形成的原因之一，东北平原某些湿地沼泽就是位于冻土之上的实例。赛罕乌拉主景区罕山山顶就有这样的湖泊：

 赛罕乌拉是否还存在着活动石海？至少在海拔1800米以上的区域还存在着不连续冻土带，石海（石河）还在发育，罕山山顶（见前面照片）就存在局部活动石海，说明其下部至少有局部冻土带。

根据石海和赛罕乌拉气候测量，我们探讨一下石海形成以来本区的气候变化：

前人研究显示，年均气温至少有6度的摆动范围（-4oC~+2oC）内可以有冰缘活动。赛罕乌拉年均气温经过研究计算为1.9oC，局部还有正在发育的石河，山洞内夏天还有冰钟乳，但显然已经为残余冰缘地貌，而大规模发育的环境主要在年均零度到零下4度的范围内。对比今天气温，该区从全新世以来至少已经升温2~6oC。当然，我们尚未对石海岩块进行暴露时间测年，而只能从全新世初期开始估算。上述认识只是结论，数据和计算过程请见论文中详细介绍。这里强调：石海是古气候（古环境）研究的重要素材。

    当然，石海本身就是重要的冰缘地貌，如果将其当做其他地貌，就会误将冰缘气候当作其他气候来重建了。因此，本文提供的石海结构特征就是让大家学会识别石海（石河），千万别出现第一步认知性错误。

下面归纳一下石海、冰碛物、泥石流堆积物的根本区别：

    现代冰缘气候带的石海在更新世晚期往往就是冰川侵蚀区，而冰川堆积物和石海等在高寒山区因反复的冻融作用更容易遭受滑坡或泥石流等地质灾害，冰缘地貌与冰川地貌甚至后期的泥石流等本身就可能掺杂在一起，这就需要认真进行野外考察判别以揭示其本来面目。为此，必须弄清三者之间的关键差异才能避免地貌认知错误。

        石海的大岩块之间可以有杂基支撑，但在剖面上岩块上大下小的规律不变，这点与冰碛物的杂乱堆积还是有区别的，而具有镂空结构的堆积体就只能是石海了。石海常常成片分布，少数沿着断裂线状分布则叫石河（冰石河）。

        研究显示，高寒山区的泥石流往往就是对原来冰缘地貌堆积体的改造形式之一。现代滑塌和泥石流堆积研究实例显示，所有泥石流堆积体的共性是：岩块大小混杂，棱角明显，从未见镂空结构的泥石流堆积体。根据现代山区滑坡堆积的野外照片看，其混积物（diamicton）总是大小混杂分选极差，呈现明显的杂基支撑结构，还有巨大砾石散落在地表。滑坡事件形成的地貌组合是：上游源头有弧形的滑塌断崖，中部有较为光滑平直的滑塌通道，下游则形成扇形堆积体，而且泥石流堆积体总是位于坡度突然变缓处，如出山口外的巨大扇体。泥石流形成的滑塌断崖、搬运通道和下游的堆积体是不可缺少的组合体，在地貌上容易找到相关组合。

    冰川沉积的冰碛物特色明显。根据现代冰碛物野外现场描述和提供的照片看，冰碛物最重要的特点是“四差”（分选差、磨圆差、成层差、定向差）：岩块大小混杂几无分选，大岩块之间充满了小岩块和杂基，本身不透水。根本不可能具有镂空结构。

    经过本文的讨论介绍，我们应该容易识别石海（石河，冰石河）了吧？别急，下面给一张蒙山拦马墙巨石堆的照片请大家看看，是石河还是冰碛垄抑或是泥石流堆积体？

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用这篇博文再次祝朋友们新年快乐！

吕洪波（2021.01.01晚上于黄岛）

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