看第四紀(jì)冰川在山東魯山南坡刮過的顫痕（科普?qǐng)D片）http://bbs.sciencenet.cn/home.php?mod=space&uid=39040&do=blog&id=547672 地質(zhì)學(xué)的真諦不是自圓其說，而是尊重事實(shí)。 本發(fā)現(xiàn)涉及到爭(zhēng)論80多年的中國(guó)東部第四紀(jì)冰川問題，因此歡迎感興趣的學(xué)者到現(xiàn)場(chǎng)考察，歡迎批判，但請(qǐng)亮出證據(jù)。 也請(qǐng)非地學(xué)專業(yè)的科學(xué)家（特別是從事物理學(xué)、力學(xué)、材料力學(xué)等相關(guān)專業(yè)）參與討論，如果有人論證本人發(fā)現(xiàn)的顫痕為非冰川成因而是泥石流等成因，本人非常感謝！ 本文并非SCI論文，但卻為論文作者野外考察首次發(fā)現(xiàn)，屬原創(chuàng)成果。若有學(xué)者受此原創(chuàng)啟發(fā)而在國(guó)外發(fā)表SCI論文，別忘記中文期刊的貢獻(xiàn)。 如果覺得文章太長(zhǎng)，請(qǐng)直接看里面的圖片，發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤請(qǐng)予指正。 謝謝！ ======================= 呂洪波，徐興永，易亮，李萍，2012. 山東魯山混合巖表面發(fā)現(xiàn)第四紀(jì)冰川剝蝕的直接證據(jù)—顫痕。地質(zhì)學(xué)報(bào)，86（3）：514—521。 山東魯山混合巖表面發(fā)現(xiàn)第四紀(jì)冰川剝蝕的直接證據(jù)—顫痕 呂洪波（1），徐興永（2），易亮（2），李萍（2） （1） 中國(guó)石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院（山東青島，266555） （2） 國(guó)家海洋局第一海洋研究所（山東青島，266061） 摘要： 本文首次報(bào)道了在山東魯山南坡山谷混合巖表面發(fā)現(xiàn)的顫痕。顫痕是冰川底部攜帶的巖石碎塊在下伏基巖表面刮鑿而形成的一系列弧形裂隙，顫痕的弧形突出方向與冰川運(yùn)動(dòng)的方向一致，而裂隙也是向下游方向深入基巖內(nèi)部，其中突出的中間部位裂隙最深，向兩端逐漸變淺直至消失。作者探討了顫痕的形成機(jī)理，認(rèn)為：顫痕相當(dāng)于主剪切面上的伴生構(gòu)造—R剪切面，在剖面上看就是一系列雁列式排列的R面，不僅是冰川在基巖上運(yùn)動(dòng)留下的重要證據(jù)，而且還能指示冰體的運(yùn)動(dòng)方向。除了顫痕外，在魯山山麓還分布著大量的冰磧地貌：巨漂礫、冰磧堤等，在魯山山脊上還見有典型的壺穴、沖刷槽等冰川融水侵蝕標(biāo)志等。這些標(biāo)志與顫痕一起構(gòu)成了強(qiáng)大的證據(jù)群，揭示了中國(guó)東部曾經(jīng)發(fā)育過第四紀(jì)冰川的歷史。中國(guó)東部是否發(fā)育過第四紀(jì)冰川？地學(xué)界已經(jīng)圍繞這個(gè)問題爭(zhēng)論了八十多年，而顫痕的發(fā)現(xiàn)為進(jìn)一步肯定中國(guó)東部第四紀(jì)冰川活動(dòng)提供了最直接的證據(jù)。 關(guān)鍵詞：山東魯山，混合巖，第四紀(jì)，冰川剝蝕，顫痕 1、引言： 2011年4月，本文作者與中國(guó)科學(xué)院海洋研究所趙松齡研究員一起在山東沂源縣北部的魯山考察第四紀(jì)冰川地貌，在山南側(cè)一條向南東延伸的和緩山谷之混合巖基巖表面發(fā)現(xiàn)典型的冰川剝蝕痕跡—顫痕，指示了當(dāng)?shù)氐谒募o(jì)冰川沿著135o山谷方向向下運(yùn)動(dòng)的歷史。本文將介紹顫痕的基本特征并探討其形成機(jī)理，闡明顫痕作為第四紀(jì)冰川侵蝕作用直接標(biāo)志的重要性，同時(shí)提請(qǐng)地學(xué)同仁前往觀測(cè)并展開討論與爭(zhēng)鳴。
2、顫痕的基本特征 2.1顫痕（chatter marks）的定義 顫痕（英文為“chatter marks”, 少數(shù)拼寫為“chattermarks”）是一系列小型、密集分布的短而彎曲的裂痕，由冰川底部攜帶的巖石碎屑在堅(jiān)硬而脆性的基巖表面震動(dòng)切削而成。每條顫痕大致與冰川的運(yùn)動(dòng)方向相垂直，而彎曲突出方向指示冰川運(yùn)動(dòng)的方向（Gary et al, 1972，p.120）。國(guó)際著名科技網(wǎng)站上也有類似的定義并提供了相應(yīng)的實(shí)例照片（Britannica, 2011; Wikipedia, 2011）（圖1）。 《英漢綜合地質(zhì)學(xué)詞匯》早在上世紀(jì)七十年代就收錄了“chattermark”，翻譯成“顫動(dòng)擦痕”（英漢綜合地質(zhì)學(xué)詞匯編寫組，1972），而《金山詞霸》和《石油大典》上都有“顫痕”的翻譯，因此本文作者建議使用“顫痕”一詞，對(duì)應(yīng)于英文的“chatter mark”。此外，“顫痕”一詞也用在機(jī)械加工領(lǐng)域，如刨床或軋鋼機(jī)在工件上留下的顫動(dòng)痕跡，不屬于本文討論范疇。
2.2 顫痕的特征及其在地質(zhì)學(xué)中的應(yīng)用 在網(wǎng)上搜索到巖石表面顫痕圖片就會(huì)發(fā)現(xiàn)，都標(biāo)注為第四紀(jì)冰川剝蝕的直接證據(jù)。如：南極冰川剝蝕形成的顫痕（圖1A）、美國(guó)緬因州第四紀(jì)冰川形成的顫痕（圖1B）（National Snow and Ice Data Center, 2011）和阿拉斯加近現(xiàn)代冰川形成的顫痕（圖1C）（USGS, 2011）等。在圖片中可以看到與顫痕相伴的磨光面，有的還有擦痕，而有些則僅保留顫痕，但都反映了顫痕定義的基本特征。 
圖1冰川剝蝕在基巖表面形成的典型顫痕（A—南極，B—緬因州，資料來(lái)源：National Snow and Ice Data Center, 2011；C—阿拉斯加，資料來(lái)源：USGS，2011） 國(guó)際地學(xué)界在相關(guān)研究中都將顫痕作為冰川剝蝕的直接證據(jù)，如：加拿大安大略省晚古生代砂巖表面的顫痕（Hill and Billings, 1985），美國(guó)內(nèi)華達(dá)州第四紀(jì)石灰?guī)r冰磧物中帶有顫痕的礫石（Van Hoesen and Orndorff, 2000; Van Hoesen et al., 2000），北卡羅萊納州更新世冰川留下的顫痕（Berkland and Raymond, 1973），南極第三紀(jì)晚期不整合面上保留的顫痕（Rutford et al., 1968），巴西東南部晚古生代冰磧巖巨礫表面的顫痕（Rocha-Campos et al., 1969），埃塞俄比亞高原發(fā)掘出的晚古生代冰磧礫石磨光面上的顫痕（Bussert, 2010），甚至在非洲北部晚奧陶世冰磧礫石層表面還保存有厘米級(jí)的顫痕（Denis et al., 2006）。這些顫痕往往與冰川擦痕相伴發(fā)育于基巖表面的磨光面上，為研究冰川侵蝕作用提供了良好的記錄，類似實(shí)例非常普遍，此處不再列舉。 3魯山顫痕及第四紀(jì)冰川地貌組合 3.1魯山顫痕的特征 魯山位于山東省淄博市南部沂源縣土門鎮(zhèn)北部，主峰海拔1108.3米，主體出露的基巖為泰山群混合巖（宋明春，王沛成，2003），而基巖表面的顫痕發(fā)現(xiàn)于魯山南坡一和緩的溝谷谷底，其經(jīng)緯度測(cè)量結(jié)果為： GPS: N36o17.480＇; E118o03.377＇; H748m; 點(diǎn)位誤差17m（2011.04.04測(cè)）。 前往觀測(cè)點(diǎn)路徑：從沂源市沿著236省道（S236）向北經(jīng)過土門鎮(zhèn)后向北東方向岔路口去公園，進(jìn)入魯山國(guó)家森林公園南門后沿著園內(nèi)公路向北上坡直至向山頂攀登的小路。沿著小路向上大約幾十米之西側(cè)和緩山谷基巖露頭既是（圖2中CM箭頭所指處）。 谷底基巖為條帶狀混合巖，露出寬度大約為10m，向南東傾斜，與溝谷向下的延伸方向一致，坡度大約10o。谷底的北東側(cè)有一塊長(zhǎng)度超過10m的巨大漂礫，與溝谷之外山麓處分散的大大小小的混合巖漂礫構(gòu)成典型的冰磧地貌（圖版I—1），而該大漂礫朝向溝谷的側(cè)面上可以看見向下坡方向延伸的近水平擦痕（圖版I—2中錘子右上方）。 谷底基巖宏觀上較為平坦，但局部因風(fēng)化而造成垂直節(jié)理附近下凹，故有微弱的起伏，見明顯的混合巖條帶，而表面分散著幾處大小不等的顫痕（圖版I—3），其中規(guī)模較小的顫痕長(zhǎng)度不超過10cm（圖版I—4），而規(guī)模較大的更為典型，單條顫痕長(zhǎng)度超過30cm，弧形向斜坡下游（135o方向）彎曲（圖3；圖版I—5）。不論是小型的還是大型的顫痕，它們?cè)诨鶐r表面的突出方向（圖版I—4中的筆指向，圖版I—5中的錘柄方向）都指向斜坡的下方，且小裂痕也都是向下方傾斜并向巖石內(nèi)部延伸，而中間的突出部位裂隙較深，向兩端則變淺直至消失（圖版I—4，I—5）。 
圖2 魯山國(guó)家森林公園及顫痕露頭點(diǎn)地理位置示意圖（底圖據(jù)Google Earth） 
圖3山東魯山混合巖表面的顫痕（箭頭示冰體運(yùn)動(dòng)方向,呂洪波2011.04.04攝） 3.2魯山發(fā)現(xiàn)的其他第四紀(jì)冰川地貌標(biāo)志 魯山混合巖表面的顫痕并非冰川活動(dòng)的孤立證據(jù)，而是伴隨有很多相關(guān)的第四紀(jì)冰川地貌標(biāo)志。舉例如下： 冰磧堤與巨漂礫：在魯山南麓風(fēng)景區(qū)南門附近就分布著大量混合巖巨漂礫，觀測(cè)點(diǎn)位置為： GPS: N36o16.383＇, E118 o 03.793＇, H469m，點(diǎn)位誤差8m（2011.04.04測(cè)）。 漂礫直徑從幾米到十幾米不等；在一條較大的溝谷兩側(cè)明顯地分布著側(cè)磧堤（圖版I—6）。這些巨漂礫和側(cè)磧堤顯然是第四紀(jì)冰川攜帶巨大石塊至堆積地融化后留下的證據(jù)，為典型的冰磧地貌，用泥石流和崩落難以解釋。 山脊上的壺穴：在魯山上半部的某些小山脊上保存有淺而帶有出水口的壺穴（圖版I—7），壺穴觀測(cè)點(diǎn)的具體位置為： GPS: N36o17.136＇, E118 o 02.741＇, H748m，點(diǎn)位誤差8m（2011.04.04測(cè)）。 山脊上匯水面積太小，不足以提供強(qiáng)大的水流來(lái)沖刷基巖而形成壺穴，唯一可以接受的條件是上面蓋著冰帽，在冰川消融期大量的冰川融水沿著冰裂隙下泄沖刷底部基巖而形成壺穴（呂洪波等，2008）。深入的研究表明，山脊壺穴可以作為冰川融水侵蝕的標(biāo)志（呂洪波等，2010a）。 陡崖邊緣的沖刷槽：在一處陡崖的頂部邊緣保存有明顯的沖刷槽（圖版I—8），其具體位置為： GPS: N36o17.686＇, E118 o 03.651＇, H990m，點(diǎn)位誤差10m（2011.04.04測(cè)）。 該點(diǎn)沖刷槽上下延伸，寬度超過30cm，深度超過10cm，其發(fā)育與節(jié)理縫無(wú)關(guān)（圖版I—8），這就排除了凹槽因球狀風(fēng)化而沿著裂隙發(fā)育的可能性。因此，這種沖刷槽要求來(lái)自懸崖之上的強(qiáng)烈水流對(duì)基巖進(jìn)行沖刷才能形成，而該點(diǎn)卻處于最高點(diǎn)，不具備匯聚大量降水的條件，唯一的可能是冰帽上的冰川融水沿著冰裂隙下泄而達(dá)到懸崖邊緣所留下的沖刷痕跡。鑒于此，沖刷槽應(yīng)該作為第四紀(jì)冰川融水侵蝕的重要證據(jù)（呂洪波等，2008；呂洪波等，2010a）。 上述第四紀(jì)冰川相關(guān)地貌證據(jù)與顫痕構(gòu)成統(tǒng)一的證據(jù)群，證明第四紀(jì)冰川曾經(jīng)覆蓋魯山地區(qū)，而顫痕則是固體冰川剝蝕最直接的證據(jù)之一。
4、顫痕的形成機(jī)制討論 雖然國(guó)際地學(xué)界將顫痕當(dāng)作冰川剝蝕的直接證據(jù)，但在理論上卻并未進(jìn)行深入的探討。本文作者在此利用構(gòu)造地質(zhì)學(xué)的剪切破裂理論對(duì)顫痕的形成機(jī)理進(jìn)行簡(jiǎn)單的討論： 4.1顫痕實(shí)際上是剪切面上的伴生破裂面—R剪切面 顫痕實(shí)質(zhì)上是脆性剪切面上發(fā)育的伴生構(gòu)造，其形成機(jī)理與斷層面上的反階步是一樣的，相當(dāng)于構(gòu)造地質(zhì)學(xué)中所介紹的與主剪面伴生的R剪切面（圖4）。 在走滑相關(guān)伴生斷裂分析模式圖中，R剪切面與主剪切面夾角一般為15o以內(nèi)，而且動(dòng)向一致（圖4），因此可以根據(jù)R面判別主剪切面的運(yùn)動(dòng)方向（David and Reynolds, 1996）。 
Major Shear—主剪面；R—R剪面；R＇—R面之共軛剪面；P—P剪面；σ1—主壓應(yīng)力；σ3—主張應(yīng)力 圖4 走滑構(gòu)造帶上的伴生構(gòu)造分析圖（據(jù)Davis and Reynolds, 1996，367頁(yè)，圖6.148A簡(jiǎn)化） 從縱剖面上看，基巖的表面相當(dāng)于走滑作用帶中的主剪切面，而顫痕就是一系列呈雁列式排列的R剪切面，所反映出的動(dòng)向（即：磨光面上顫痕由淺入深的方向）可以代表磨光面上的冰體相對(duì)于基巖的運(yùn)動(dòng)方向（圖5）。由此可見，顫痕不僅提供了冰川剝蝕的直接證據(jù)，而且能指示冰川的運(yùn)動(dòng)方向。 
4.2 顫痕與斷層面上反階步的異同 通過上述分析可知，顫痕與斷層面上反階步的形成機(jī)理是一樣的，反階步就相當(dāng)于走滑構(gòu)造帶上的R面，二者本質(zhì)上沒有差別。其實(shí)，類似的構(gòu)造在日常生活中也是常見的，如：推土機(jī)鏟地后在地表磨光面上留下的與運(yùn)動(dòng)方向相垂直的裂痕，用鐵鍬挖地時(shí)在潮濕而較硬的土塊上留下的裂痕，甚至用刨床加工木材或用軋鋼機(jī)碾壓鋼板時(shí)都可以留下相應(yīng)的顫痕。 上述裂痕都屬于剪切面上的相伴裂隙，也都相當(dāng)于R面。既然如此，在地學(xué)野外調(diào)查時(shí)又如何區(qū)分?jǐn)鄬用嫔系姆措A步和冰川剝蝕面上的顫痕呢？筆者認(rèn)為有兩點(diǎn)可以將顫痕和反階步區(qū)分開來(lái)： 第一：雖然反階步表面延伸與斷層運(yùn)動(dòng)方向（擦痕）也是垂直的，但反階步一般呈直線型排列，而顫痕總是呈現(xiàn)出弧線形分布，其突出方向指向下游（冰川運(yùn)動(dòng)）方向。 第二：反階步向斷塊深處延伸相對(duì)穩(wěn)定，而每條顫痕的不同部位向巖石中延伸的程度是不一樣的。顫痕的中間向深處延伸較大，而隨著向兩邊延伸其深度逐漸變淺直至消失。 這種差異的根本原因在于：斷層兩盤的相對(duì)運(yùn)動(dòng)為兩盤巖塊全面接觸的整體運(yùn)動(dòng)，故其形成的一系列反階步本身相互平行且與斷層運(yùn)動(dòng)方向垂直，向深處延伸的角度與深度都較為穩(wěn)定。而顫痕為磨光面上冰體底部包裹著的巖石碎塊局部與下伏巖石摩擦而產(chǎn)生的裂痕，因此以摩擦點(diǎn)為中心向前方左右呈弧形散開，如同用錘子敲擊均勻巖石表面某點(diǎn)而產(chǎn)生的弧形羽裂是一個(gè)道理。裂痕首先產(chǎn)生于冰體下部巖塊與下伏基巖的接觸點(diǎn)，然后呈羽裂式向前（同時(shí)向巖石內(nèi)部）延伸，而中間部分因裂隙深而表層部分巖石被揭掉，于是便在基巖表面形成一系列弧尖指向下游的顫痕（見圖1、圖3）。 在冰川侵蝕面上還伴有指示冰川滑動(dòng)方向的冰川擦痕，與顫痕相垂直。如果風(fēng)化作用強(qiáng)烈，基巖表面的擦痕就消失殆盡，而顫痕因向基巖內(nèi)部延伸較深而被保留下來(lái)，成為第四紀(jì)冰川侵蝕作用的直接證據(jù)。魯山的顫痕本身并無(wú)冰川擦痕相伴，說明該區(qū)風(fēng)化作用比較強(qiáng)烈。
5、魯山顫痕的地質(zhì)意義 中國(guó)地學(xué)界對(duì)顫痕的報(bào)道極少。熊黑鋼等報(bào)道了天山近代冰川羊背石表面的侵蝕標(biāo)志，文中描述的“新月型鑿口”從示意圖上看與典型的顫痕一致，是冰川剝蝕的重要標(biāo)志之一，盡管作者并沒指明其為顫痕（熊黑鋼等，1998）。筆者查閱相關(guān)資料發(fā)現(xiàn)，中國(guó)東部至今尚無(wú)顫痕發(fā)育的報(bào)道，因此本文很可能為第一篇討論顫痕與第四紀(jì)冰川關(guān)系的文章，希望這個(gè)實(shí)例引起第四紀(jì)學(xué)界注意，今后在中國(guó)東部發(fā)現(xiàn)更多類似的冰川剝蝕證據(jù)。 （此處省略部分請(qǐng)到地質(zhì)學(xué)報(bào)編輯部網(wǎng)站下載原文閱讀） 顫痕是冰川在基巖表面剝蝕的直接證據(jù)之一，在國(guó)際上已經(jīng)獲得公認(rèn)（Gary et al., 1972; Britannica, 2011; USGS, 2011），用斷層或泥石流等難以解釋。為了繼續(xù)有益的學(xué)術(shù)爭(zhēng)鳴，本文提供了顫痕發(fā)現(xiàn)點(diǎn)的詳細(xì)信息，以便地學(xué)界同行前往觀測(cè)，在野外事實(shí)面前提出或修改自己的認(rèn)識(shí)，或者挑戰(zhàn)前人的理論。如果說近年來(lái)在中國(guó)東部發(fā)現(xiàn)的第四紀(jì)冰川遺跡主要為冰川融水侵蝕地貌（如壺穴、沖刷槽等）或堆積地貌（冰磧物），本次顫痕的發(fā)現(xiàn)卻是運(yùn)動(dòng)中的固體冰川對(duì)基巖進(jìn)行剝蝕的直接證據(jù)，對(duì)第四紀(jì)學(xué)界關(guān)注的中國(guó)東部第四紀(jì)冰川問題必然產(chǎn)生重要的影響。 中國(guó)東部暴露地表的諸多冰川地貌標(biāo)志之所以能保留至今，是因?yàn)槠湫纬蓵r(shí)間為更新世晚期。為了確定這些地貌標(biāo)志的暴露時(shí)間，筆者等在赤峰、山東等地花崗巖山脊表面采集了石英樣品進(jìn)行宇宙成因核素測(cè)年研究。利用初步獲得的三對(duì)10Be/26Al測(cè)試結(jié)果計(jì)算出的暴露年齡均為幾萬(wàn)年，揭示了中國(guó)東部最終的冰川發(fā)育時(shí)間為110—10ka BP.之間，與全球的末次冰期時(shí)間吻合①。
6、結(jié)論 魯山混合巖表面發(fā)育的顫痕是中國(guó)東部首次披露的顫痕，是冰體底部攜帶的礫石在基巖表面刮鑿留下的痕跡，與冰磧堤、巨漂礫、壺穴和沖刷槽等構(gòu)成一套完整的證據(jù)群，指示了魯山地區(qū)第四紀(jì)冰川存在的歷史。 顫痕的形成與斷層面上的反階步、剪切破裂面上的伴生裂隙一樣，都是同旋向的剪切破裂面組合，剖面上看相當(dāng)于走滑帶中一系列雁列式的R剪切面。 顫痕不僅可以作為第四紀(jì)冰川冰體對(duì)基巖剝蝕的重要標(biāo)志，而且還能指示冰體的運(yùn)動(dòng)方向。因此，魯山顫痕的發(fā)現(xiàn)為中國(guó)東部曾經(jīng)發(fā)育過第四紀(jì)冰川提供了直接的證據(jù)，對(duì)促進(jìn)中國(guó)東部第四紀(jì)冰川地貌研究具有重要的意義。
鳴謝： 中國(guó)科學(xué)院海洋研究所趙松齡研究員提議并與作者一起對(duì)魯山的第四紀(jì)冰川地貌進(jìn)行考察，因而讓筆者發(fā)現(xiàn)了顫痕，作者在此向趙老師表示誠(chéng)摯的謝意。沂源猿人洞群風(fēng)景名勝區(qū)辦公室張安宏主任及其同事提供了熱情的幫助，作者在此深表謝意。
參考文獻(xiàn)和英文摘要略，以下為本文圖版：
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來(lái)自： 修一切 > 《地質(zhì) 礦產(chǎn)》
