地球最早冰川记录: 南非太古宙冰川沉积特征辨析及其启示^*

The earliest glacial record on Earth: sedimentary characteristics and implications of the Archean glaciation in South Africa

摘要

地球演化过程中共经历了6次主要的大型冰期或冰川事件,其中最早的冰川事件被认为是发生在2.9 Ga前的南非Pongola冰川,但目前对其知之甚少。为了厘清太古宙究竟有无冰川作用以及如何识别此次冰川作用,笔者通过辨析南非Kaapvaal克拉通Pongola超群Mozaan群(2.9 Ga)中杂砾岩的特征,总结了冰川沉积的识别标志,并讨论了太古宙Pongola超群的杂砾岩是否为冰碛岩。中太古界Pongola超群主要分布于南非Kaapvaal克拉通东南部,可进一步分为Nsuze群和Mozaan群。对Mozaan群杂砾岩进行岩石学和沉积学研究以及主量和微量元素地球化学分析,结果支持对Mozaan群杂砾岩的冰川成因解释。Mozaan群杂砾岩总体特征为: (1)厚度较小(<50 m);(2)块状混杂堆积; (3)砾石分选、磨圆差; (4)不同粒径、不同成分的砾石漂浮在细粒基质中; (5)具有多组方向擦痕和光面的砾石; (6)薄片中,石英颗粒有拉长或变形特征,细小的粉砂级颗粒环绕砂级颗粒分布(星云构造);(7)纹泥中发育坠石。元素地球化学研究表明,Mozaan群杂砾岩的投点在SiO₂/Al₂O₃图上分布局限,明显不同于经历了显著风化和分选的现代和古代沉积物的典型线性负相关关系; TiO₂/Al₂O₃图上的分布范围也很局限,主量元素组成类似,并且杂砾岩基质中富含Fe₂O₃(T),且明显亏损Ca和Na。依据杂砾岩和下伏页岩的三氧同位素(Δ¹⁷O)反演得出风化水的δ¹⁸O值与现代极地大气水同位素特征一致,指示寒冷气候。另外,CIA等指标表明Mozaan群杂砾岩几乎没有遭受成岩蚀变或化学风化,可代表物源区特征。依据上述结果构建出的冰川沉积模式为: 在低海平面时,冰川沿山谷向大陆架区域推进,携载的冰碛物中除了底碛、侧碛和冰川刨蚀基底产生的岩粉外,还包含了从陆架砂中混入的圆形石英颗粒以及一些来自铁质泥的细粒风化物质。有些冰碛岩来自冰缘地带冰川沉积物的直接卸载以及后期的改造,表现为冰碛岩与其基底截然接触,且在部分冰碛岩层下方存在变形层,而另一部分由厚层冰碛岩上部的坠石指示,属于被冰筏搬运到距海岸较远的环境沉积形成。

Abstract

The Earth’s evolutionary history has witnessed six major glaciations or glacial events,among which the earliest is believed to be the Pongola glaciation in South Africa,occurring approximately 2.9 billion years ago. A number of papers have been published on the last five major glaciations,yet understanding of the Pongola glacier remains limited. This raises key questions: did glaciation exist in the Archean,and how to identify it?By analyzing the characteristics of diamictites in the Mozaan Group(2.9 Ga)of the Pongola Supergroup in the Kaapvaal Craton,South Africa,this study summarizes the diagnostic markers of glacial deposits,and discusses whether the diamictites of the Archean Pongola Supergroup are glacial origin. Meanwhile,it aims to draw more attention from peers to the establishment and development of glacial sedimentology:a subdiscipline of event sedimentology in China. The Mesoarchean Pongola Supergroup is primarily distributed in the southeastern part of the Kaapvaal Craton and can be further divided into two groups: the Nsuze Group and the Mozaan Group. Petrological,sedimentological,and major/trace element geochemical analyses of the Mozaan Group diamictites support the interpretation of glacial origin. The Mozaan Group diamictites generally exhibit the following characteristics: (1)relatively thin thickness(<50 m);(2)massive mixed accumulation;(3)poor sorting and roundness of gravels;(4)gravels of varying particle sizes and compositions “floating” in a fine-grained matrix;(5)gravels with multiple sets of striations and polished surfaces;(6)quartz grains show elongation or deformation with silt-sized grains distributed around sandy grains in thin sections(referred to as a “nebular structure”);(7)dropstones developed in varves. Geochemical studies of elements reveal the following: the data points of Mozaan Group diamictites show a restricted distribution in the SiO₂/Al₂O₃ diagram,which is significantly different from the typical linear negative correlation observed in modern and ancient sediments that have undergone significant weathering and sorting;The distribution range of TiO₂/Al₂O₃ is also narrow,and the major element compositions are similar;The matrix of the diamictites is rich in total iron(Fe₂O₃(T))and shows a marked depletion of calcium(Ca)and sodium(Na). The mathematical inversion of measured δ¹⁸O and δ¹⁷O values in the diamictite and the underlying shale yields δ¹⁸O values of weathering water consistent with the isotopic characteristics of modern polar meteoric water,indicating cold climatic conditions. In addition,indicators such as the Chemical Index of Alteration(CIA)suggest that the Mozaan Group diamictites have barely experienced diagenetic alteration or chemical weathering,thus well representing the characteristics of their provenance. Therefore,the following glacial depositional model is proposed based on the above findings: during periods of low sea level,glaciers advanced along valleys toward the continental shelf. The till(glacial sediment)consisted of not only basal till,lateral till,and rock flour produced by glacial abrasion of the bedrock,but also rounded quartz grains mixed from shelf sands and fine-grained weathered materials derived from ferruginous mud. Some diamictites originated from the direct deposition of glacial sediments in periglacial zones and subsequent modification,characterized by a sharp contact between the diamictites and the underlying bedrock,with deformed layers present beneath parts of the diamictites. Another part of the thick diamictite layers,indicated by dropstones in the upper part,was transported by ice rafts to ice-distal glaciomarine environments.

Graphical abstract

关键词

Pongola冰川 / 冰川识别标志 / 太古宙 / Mozaan群 / 南非

Key words

Pongola glaciation / identification marks of glaciation / Archean / Mozaan Group / South Africa

0 引言

地球自诞生以来至少经历了6次主要的大型冰期或冰川事件(图 1;Eyles,2008),其中最早的冰川事件是南非中太古界Pongola超群Mozaan群(~2.9 Ga)中的Pongola冰川(Young and Nesbitt,1998),随后2.4-2.1 Ga的Huronian(休伦)冰期是地质史上影响最严重且持续时间最长的一次冰期,研究程度最高的是被称为“Snowball Earth(雪球地球)”的新元古代成冰纪冰期,与人类关系最为密切的是末次(第四纪)冰期。

冰期事件不仅与超大陆的聚合—裂解紧密相关,而且与生物进化关系密切,地质时期的任何一次生命演化都与冰期具有不可分割的关系。同时,不同时期的冰川都形成了独具特色的剥蚀—搬运—沉积记录,它们是重建冰期全球古地理、古气候和古环境的重要依据。虽然现今地球上的大陆冰川已退缩到两极地区,但温室气候加剧导致的全球气候变暖和冰融型海平面快速上升对人类生存构成了巨大威胁,是全人类必须共同面对的严峻议题,也让笔者更加深刻地认识到研究冰期冰川的形成演化、运动规律、沉积特征以及其与气候和环境之间关系的重要性,而这也正好是冰川沉积学、古地理学等学科的核心内容之一。

对休伦冰期以来的5次主要冰期前人均有大量著述发表(Brenchley et al., 1994;Hoffman et al., 1998;Fielding et al., 2008;崔之久等,2011;Le Heron et al., 2019;旷红伟等,2021;Kuang et al., 2024),特别是对新元古代冰川沉积作用的研究已经逐渐深入(Chen et al., 2020,2021,2023)。然而,关于南非中太古代冰川事件目前却知之甚少,这主要是由于该冰川形成时间过于久远,地质记录很难良好保存且资料严重缺乏所致。学者们对Pongola冰川是否存在一直持有不同看法:持反对意见的学者认为,Pongola超群的杂砾岩不具备显著的冰川特征,其只是受山岳冰川作用影响下的水下重力流沉积; 反之,则认为Kaapvaal地区在3.0 Ga经历了早期的克拉通化,包括构造作用和深成岩浆事件,这可能导致大气中CO₂含量减少,最终为大陆冰川的发展提供了合适条件(von Brunn and Gold,1993)。Young等(1998)依据各种冰川识别标志和地球化学指标,论证了南非Pongola超群Mozaan群冰川记录的存在。支持太古宙存在冰川的研究者认为,太古宙比现代更冷,当时年轻的太阳仅释放出比现在低25%~30%的热量(Sagan and Mullen,1972;Young,1991;Kasting,1993)。Kopp等(2005)、Kasting和Howard(2006)推测,太古宙和古元古代的冰川作用是由于大气中氧浓度的升高抵消了富甲烷大气的温室效应而引发的。然而,针对太古宙的气候模拟表明,一个“热温室”支配了太古宙和元古宙的大部分时间,并阻碍了大范围冰川作用的发生(Kasting,1987;Kramers,2002)。

Robert和Chaussidon(2006)通过Si、O同位素测试发现,地球从3.5 Ga以来一直处于降温状态,特别是在3.5-2.5 Ga之间,温度从70 ℃降低到了50 ℃。通过Li同位素示踪发现,南非Kaapvaal盆地Pongola超群Nsuze群3.0-2.9 Ga形成的碳酸盐岩δ⁷Li值为~1‰,而Transvaal超群2.6-2.5 Ga形成的碳酸盐岩δ⁷Li值为0~7‰,比3.0-2.9 Ga时高出8‰,表明从中太古代到晚太古代,大陆风化作用减弱、海水温度降低(付露露等,2021),这从另一个角度支持了Robert和Chaussidon(2006)的观点。

太古宙究竟有没有发生冰川作用,以及如何准确判断冰川的存在,使得冰川标志的识别至关重要。本文旨在通过对南非Kaapvaal盆地Pongola超群Mozaan群中杂砾岩特征的辨析,讨论该杂砾岩是否为冰碛岩,并在此基础上总结冰川沉积的识别标志。同时,希望抛砖引玉,引起同行更多关注冰川沉积学这一沉积学分支学科在中国的建立和发展。

1 地质背景

作为世界上保存完好的古老克拉通,南非克拉通是研究地球早期演化的宝地,保存了3.5 Ga以来的古老变质岩、岩浆岩与沉积地层层序。南非共和国的大部分地区为Kaapvaal克拉通,南部位于被动大陆边缘(图 2)。中太古界Pongola超群主要分布于Kaapvaal克拉通东南部,是保存最古老的克拉通火山-沉积岩序列之一,可进一步分为Nsuze群和Mozaan群。Nsuze群主要由滨岸砂岩、潮坪相的叠层石硅质白云岩夹火山岩及铁质泥岩组成。Mozaan群主要由不等厚、双向交错层理发育的滨岸砂岩与铁质泥岩互层组成。有关Nsuze群和Mozaan群的关系,有学者认为是上下关系,即Nsuze群时限更老,Mozaan群整合或不整合覆于Nsuze群之上(Wilson et al., 2013),也有观点认为二者很可能是平行关系(Mukasa et al., 2013)。无论这两个群的关系如何,依据Pongola超群下伏花岗岩类年龄(3.1-3.3 Ga)和顶部花岗岩年龄(2.9-2.8 Ga)(Mukasa et al., 2013),可将Pongola超群的沉积年龄限制在3.1-2.9 Ga。

实际上,Pongola超群在Kaapvaal克拉通东南部的分布,还可以进一步划分出南、北2个次级盆地(图 3-a)。在南部的White Mfolozi河谷,Pongola超群不整合沉积于花岗岩类基底上,并被二叠系卡鲁超群沉积岩所覆盖。Pongola超群下部的Nsuze群厚约1400 m,主要由沉积岩与火山岩组成,可分为5个组(图 3-b)。Nsuze群中部厚450 m的Chobeni组主要由4个不同厚度的潮坪砂岩和碳酸盐岩沉积旋回构成,岩性为叠层石白云岩和白云质砂岩、页岩—砂岩及火山角砾岩与砾质杂砂岩,偶夹脉状层理、交错层理和泥裂(von Brunn and Mason,1977;Beukes and Lowe, 1989;Hicks et al., 2011;Siahi et al., 2016),以叠层石大量发育而著称,被称为“最古老的碳酸盐岩潮坪”(图 4)。Pongola超群上部的Mozaan群在White Mfolozi剖面厚700 m左右,发育厚约20 m的杂砾岩(diamictites),与Nsuze群的关系不清楚,有可能是断层接触。

在该区北部Swaziland等地区,Pongola超群同样不整合沉积于花岗岩类基底上,顶部则被Ventersdorp超群(2.72 Ga)不整合覆盖。上部的Mozaan群主要由沉积岩组成,在Swaziland的Hartland地区厚度可达4800 m(Gold,2006),其角度不整合覆于Nsuze群之上,由下往上可分为9个组,主要由砂岩、页岩、泥岩组成,局部发育条带状铁建造(BIF)与火山岩夹层(Beukes and Cairncross,1991),在南部的浅海环境中局部发育叠层石白云岩(von Brunn and Hobday,1976;Beukes and Lowe,1989;Hicks et al., 2011)(图 3-c)。厚达80多米的杂砾岩赋存于Mozaan群Odwaleni组中(图 3), 可能记录了中太古代(~2.9 Ga)的冰川作用(Young et al., 1998)。

2016年,作者有幸在第35届国际地质学大会后,考察了这条由南非Pretoria University(普利托利亚大学)Wladyslaw Altermann教授组织的White Mfolozi河谷会后考察路线,在Pongola超群Mozaan群杂砾岩中观察到冰碛岩的特征。结合前人对该观察剖面北部Swaziland的Hartland地区Mozaan群杂砾岩的研究成果,笔者对其是否为冰川沉积进行了简要讨论。

2 Mozaan群杂砾岩特征

2.1 南部White Mfolozi河谷

在2016年的地质考察中,笔者沿White Mfolozi河谷由南向北,先是见Nsuze群的叠层石硅质白云岩向上变为厚层滨岸砂岩夹火山岩与泥岩、白云岩等,总体为一套潮坪—海滩层序。Nsuze群与Mozaan群可能为断层接触,但未观察到。行进到大约500 m、邻近大桥附近的一个山坳处,可见几百米厚、双向交错层理发育的滨岸中—粗砂岩,之上发育厚约2 m、黑色、略显纹理、轻微板岩化的含铁粉砂质泥岩(图 4-a,4-b);向上过渡为厚5 m、双向交错层理发育的灰色细砂岩,局部含有黑灰色泥砾,泥砾成层分布,长轴平行层面,砾径为5~10 cm(图 4-c);上覆表面呈土黄色的块状杂砾岩,其与细砂岩截然接触(图 4-d,4-e);杂砾岩之上地层由黑灰色水平和波状纹层发育的含微细紫红色赤铁矿条带的泥岩组成(图 4-f),层面上可见菱铁矿结核(图 4-g)。另外,一些砾岩夹层尽管分选性和磨圆度不太好,但成层性明显,并具有一定的粒序(图 4-h,4-i)。

在该剖面上,Mozaan群总体为一套砂泥互层沉积,中部夹厚约20 m的杂砾岩。杂砾岩特征为: (1)块状堆积、不具成层性(图 4-d);(2)砾石成分以燧石和石英为主,可见白云岩;(3)砾石分选、磨圆差,呈漂浮状(图 4-j至4-m);(4)发育星云构造(Galaxy structure)(图 4-k至4-l);(5)有的砾石表面具碎裂结构(图 4-l);(6)可见疑似坠石(图 4-m)。

2.2 北部Swaziland地区

2.2.1 岩石学特征

在Swaziland的Hartland地区,Mozaan群主要由砂岩和泥岩互层组成,含少量火山岩、卵石质砾岩,夹铁矿层(图3;Beukes and Cairncross,1991)。

杂砾岩赋存于Mozaan群Odwaleni组,厚达80多米,通常含有铁质黑色泥岩,与石英砂岩和杂砂岩互层(图 3)。共识别出4套杂砾岩,其上整合覆盖厚200 m的高成熟度砂岩,或中等成熟度的粉砂岩和石英砾岩,其中砂岩中交错层理与波痕发育,指示古水流方向主要向南。最底部的杂砾岩位于砂岩之上,其他的被铁质泥岩层所覆盖。杂砾岩的岩石学特征表现为(图 5): (1)砾石分选很差,呈次圆—棱角状,最大砾径达75 cm;(2)砾石成分复杂,除石英和燧石外,还有石英岩、BIF、泥岩、片麻岩、花岗岩和火山岩等各种类型的碎屑(Von Brunn and Gold,1993;Young et al., 1998),而如此不均匀的砾石碎屑组成完全不同于地层序列中的其他砾岩(图 5-a至5-d);(3)不同粒径、不同成分的砾石漂浮在非常细粒的基质中(von Brunn and Gold,1993)(图 5-a至5-d);(4)在黑色的泥岩和杂砾岩中,发现带擦痕和光面的砾石,且擦痕方向不限于1组(图 5-a,5-b);(5)细粒沉积物中的石英砾石有磨圆的迹象(图 5-c);(6)薄片中,石英颗粒有拉长或变形特征,细小的粉砂级颗粒环绕砂质颗粒分布(图 5-d);(7)纹泥中发育坠石,有些坠石的周围还有溅起和变形特征(图 5-e,5-f)。

2.2.2 地球化学特征

在理想情况下,通常需要用大块样品来代表分选差、富含砾石的冰碛岩,但这种取样方式很难在现实中实施。因此,从实际考虑,一般将冰碛岩的基质作为冰碛岩的简单代替(需注意的是,如果某些特定岩石种类存在差异性的机械破坏,则它们在基质中的丰度则可能会被相应的放大)。Young 等(1998)主要研究了Hartland地区Mozaan群中杂砾岩的基质及其伴生泥岩样品的主、微量元素分布规律,同时将其与Mozaan群其他层位泥岩进行对比,以消除样品可能因数量少而不完全具有代表性的影响。该部分内容主要为Young等(1998)的研究结果。

2.2.2.1 主量元素分析方法与结果

1)与Mozaan群其他层位的泥岩及老于3.5 Ga前的太古宙上地壳的SiO₂与Al₂O₃相关性对比分析表明,Mozaan群的杂砾岩和伴生泥岩在该对比图(图 6-a)上分布相对局限,其他层位泥岩则表现出明显的负相关关系。

2)从现代冰川与非冰川沉积物SiO₂与Al₂O₃的对比图(图 6-b)中可以看到,来自加拿大巴芬岛北部Guys Bight地区(北极地区)的现代冰川河流沉积物分布局限,但是来自澳大利亚东南部温带地区的Mallacoota盆地的样品在经历化学风化和机械分选后,SiO₂和Al₂O₃呈线性负相关关系。

3)在主量元素蛛网图(图 6-c)中,泥岩和杂砾岩的组成非常相似,最显著的差异是泥岩中Na亏损和K富集。杂砾岩中Ca、Na、P明显亏损,K的亏损程度相对较低。Mozaan群杂砾岩的主量元素的平均含量比太古宙页岩高。

4)在TiO₂和Al₂O₃相关关系图(图 6-d)中,冰碛岩和伴生泥岩的TiO₂、Al₂O₃含量较高,分布非常局限; 而Mozaan群其他泥岩的TiO₂、Al₂O₃含量高,显示出更分散、大致呈线性的分布。杂砾岩和伴生泥岩中TiO₂和Al₂O₃含量低,可能是由于Fe的稀释所造成的,当对7%的Fe₂O₃(T)进行“校正”后,杂砾岩和伴生泥岩中的TiO₂和Al₂O₃含量分布更接近3.5 Ga前的地壳估计值。

5)主量元素的三角图分析。(1)Mozaan群杂砾岩样品的CIA(化学蚀变指数)值介于58~76之间,平均为66.8,低于太古宙页岩的平均估计值(70~75)(Condie,1993);同样,Mozaan群杂砾岩伴生泥岩的CIA值也较低,平均为66.34;相比之下,来自Mozaan群的其他泥岩却有着相对较高的CIA值(图 6-e左图)。(2)将Mozaan群杂砾岩及伴生泥岩的主量元素投点在三角图及Fedo等(1995)的PIA(斜长石蚀变指数)图上时,显示杂砾岩和伴生泥岩的钙长石组分远高于Mozaan群其他泥岩,且不与杂砾岩伴生的Mozaan群泥岩分布在三角图顶部附近,具高铝低钙的特征,显示有钠长石的成分(图 6-e中图)。(3)为了解释Mozaan群冰碛岩的异常组成,绘制了“镁铁质三角图”(图 6-e右图),选取Al₂O₃、CaO^*+Na₂O+K₂O和Fe₂O₃(T)+MgO的摩尔比例做数轴,结果显示杂砾岩及其伴生泥岩样品靠近虚线(将长石点与FM顶点相连),同时Mozaan群杂砾岩具有异常高的Fe₂O₃(T)含量,主要成分是FeO(图 6-e右图)。

2.2.2.2 微量元素分析方法与结果

Mozaan群杂砾岩基质和伴生泥岩中多数微量元素相对缺乏,Sr和Sc的亏损尤其强烈(图 7-a)。其中,Mozaan群部分杂砾岩(和伴生泥岩)的Th/Sc值与一般太古宙页岩的Th/Sc值相似,但多数略低于3.5 Ga前上地壳Th/Sc平均估算值(Condie,1993),而显生宙页岩平均成分的估计值则高得多,接近现今地壳Th/Sc平均值(图 7-b)。估算的太古宙和更年轻页岩中的Sc含量均略高于其源岩,Th/Sc值略低于其源岩(如图 7-b中箭头所指示),推测页岩中Sc含量的增加可能反映了黏土矿物的富集(Fedo et al., 1997),与太古宙、元古宙和显生宙砂岩相比成分有明显不同。

3 杂砾岩特征辨析

3.1 冰川沉积的识别方法

冰川沉积物是冰川事件的基本地质记录,也是研究冰川事件的主要证据,因此如何将地质记录中的冰川沉积物识别出来至关重要。通常,通过岩石学、矿物学、沉积岩(物)的结构、沉积构造、砾石形态、冰川沉积序列、冰川侵蚀地貌、冰下变形构造和地球化学等一系列特征来辨别冰川沉积物。表 1对一些常见冰川沉积特征、冰川侵蚀地貌和地球化学指标进行了总结。

根据表 1中归纳的地貌或冰碛岩(物)主要特征可以大致识别出冰川沉积,但应用它们来判断一套杂砾岩是否为冰碛岩时情况可能会变得复杂,因为许多看似典型的判别标志往往存在多解性,所有这些特征都不是绝对的(吴瑞棠和杨玉卿,1990;Von Brunn and Gold,1993;Young et al., 1998;Molén,2023)。例如,擦痕可由冰川的磨蚀作用形成,也可能由重力流的刮擦形成,甚至构造作用形成的擦痕比冰川擦痕更为常见。而且在冰碛岩中并不是所有的冰成沉积特征都会同时出现,即使典型的冰川识别标志也可能有多解性,比如,非冰川成因的碎屑流或泥石流沉积物成分也很复杂,砾径大小不一,也可能含有大砾石,甚至出现擦痕。因此采用表 1中的特征进行冰川事件识别,在实际应用中需特别注意,防止误判。实际上,冰川磨蚀产生的擦痕与构造或泥石流作用产生的擦痕还是有区别的(郑本兴和马正海,1985;周尚哲,2021): 冰川砾石上的擦痕系在冰川运动的巨大力量作用下,不同硬度岩块相互磨蚀刻划而成,因而擦痕比较粗而深,且密集定向分布; 若砾石在冰层中发生多次位移,则会在砾石表面形成多组交叉擦痕,擦痕形状呈细长而深、绳形、微弯曲、扫帚状、钉字形等。而泥石流中的砾石表面擦痕是在砾石运移过程中相互碰击推挤造成的,因其受力方向多变、受力时间短促,是阵发性或突然受力刻划或撞击而成的,故其擦痕多为浅而细或粗而短的不光滑刻纹擦痕和打击斑痕(郑本兴和马正海,1985;周尚哲,2021)。因此,冰川擦痕常比泥石流产生的擦痕更深,具有2或3个运动方向,而构造运动产生的擦痕往往只有1个方向。

在没有冰川擦痕指示且未见坠石的情况下,可以通过成分、结构、粒度和物源分析来判断是否为冰川沉积物,也可以通过一些地球化学手段进行辅助。如硅质沉积物的地球化学组分可以反映古气候条件,因为在寒冷环境中物质的化学风化作用相对较弱,未分选的物质若是冰川成因,则未遭受成岩蚀变或是化学风化,可很好地代表物源区的特征,作为物源指标。基于此,Mozaan群冰碛岩采用主量与微量元素分析进行辅助判别(图 6;图 7)(Young et al., 1998)。当然,应用地球化学特征判断冰碛岩的风化程度、从而进一步推测其形成时的古气候背景时,可能仍存在许多局限,如样本量是否足够,或者样本的原始性如何保证。从目前已发表的文献资料来看,由于冰碛岩具有杂乱的成分和结构以及可能受到后期成岩作用的影响,因此一直以来地球化学方法较少被应用于冰川沉积特征研究。

3.2 Mozaan群杂砾岩的冰川识别特征

3.0 Ga时,陆壳已经开始增生并克拉通化,形成早期大陆(Williams et al., 1991;Cawood,2020)。研究区Mozaan群主要由潮间带砂泥岩韵律组成,是早期克拉通化背景下发育的海相沉积(McLennan et al.,1983;Wronkiewicz and Kent,1989)。古地磁研究表明,Kaapvaal克拉通当时处于中高纬度地区(de Kock et al., 2021)。因此,其具备发育冰川所需的大地构造条件,即厚度足够大以及坚固的基底支撑。

Kaapvaal克拉通Mozaan群杂砾岩及其伴生泥岩岩石学特征为:

1)Mozaan群杂砾岩在研究区的厚度为20~80 m,更接近于冰碛岩或受冰川影响的杂砾岩的特点; 相比之下,非冰川成因的杂砾岩(如沉积物重力流)常厚度巨大(可达数百米至数千米),多发育于构造盆地或斜坡带(Molén and Smit,2022)。

2)Mozaan群杂砾岩中含有带擦痕、光面和冰川磨蚀的砾石。砾石表面的擦痕通常具有2个以上的方向(图 5-a,5-b),而且条痕比较深。砾石是否保留冰川磨蚀、搬运的典型痕迹,以及具有例如子弹状、熨斗状、多面状等形态,是判断杂砾岩为冰川直接成因的核心依据之一(Kennedy et al., 2019),有时还可见碎屑铺层(clast pavement)发育且砾石长轴与擦痕平行(Isbell et al., 2021)。由于冰川擦痕常比泥石流擦痕更深,具有2或3个方向,而构造作用产生的擦痕往往只有1个方向,因此,Mozaan群杂砾岩中的砾石可以排除泥石流或构造作用的影响,最大的可能是冰川运动造成的。然而,相比北部Swaziland地区,南部White Mfolozi河谷Mozaan群杂砾岩中少见发育擦痕的砾石且后者数量较少,这可能是由于其在冰缘环境中遭受进一步改造所致。此外,冰川成因杂砾岩的另一核心证据,即冰下底床表面的冰溜面及伴生冰川侵蚀形貌,在研究区并未发现。

3)Mozaan群杂砾岩中的砾石具有多样化的砾径与砾石组分(Young et al., 1998),相比之下,Pongola盆地中其他砾岩的砾石主要成分是石英和燧石,砾径与砾石成分都比较单一。通常,冰碛岩的砾石一般成分复杂且分选差,具有明显的盆外砾石特点。但也有学者强调,必须结合杂砾岩发育地层的构造背景、垂向和横向相变与沉积相综合判断,这是区分冰川与非冰川杂砾岩的首要前提(Eyles et al., 2004)。另外,虽然Kaapvaal克拉通南部属于被动大陆边缘,在其演化早期的裂陷盆地内同样可以形成非冰川成因重力流(Eyles and Januszczak, 2004),然而,Mozaan群中不同砾径、不同成分的砾石漂浮在细粒的基质中,区别于普通的重力流,而和地史上出现的冰碛杂砾岩更相似(图 4;图 5)。虽然不能完全排除泥石流性质,但是如此杂乱的物源若是来自一个稳定陆架背景似乎完全不可能。Mozaan群受到构造作用抬升,重新沉积并产生了成熟度更高的沉积物,很可能含有石英和燧石,但这些杂砾岩中成分复杂且分选差的碎屑岩套不太可能是由这种再沉积作用产生的。

4)Mozaan群杂砾岩宏观或镜下观察均可见到星云构造(galaxy structure),其也被称为旋转构造(rotation structure),是大多数冰碛物中普遍存在的微结构,指示冰碛物曾经历塑性变形,且大概率形成于温暖、松软的冰下变形层中(Menzies and Meer, 2018),是冰下沉积环境中应力作用与颗粒运动的直接微观证据。星云构造表现为冰下细小的砂质或粉砂质颗粒由于冰川运动过程的粘滞力作用而定向拉长,而一些更小的碎屑由于冰川的搬运作用,好像银河系的旋臂一样,环绕散布在大颗粒的边缘(图 5-d)。这种现象在宏观上也可以观察到(图 4-k,4-l),常可看到砾石周围环绕更小的砾级、砂级或粉砂级物质,这是因为砾级或砂级颗粒在冰下滚动过程中会带动周边物质一起运动。

5)Mozaan群杂砾岩顶部泥岩中坠石的出现是冰川成因的有力证据,特别是压实性和“溅起性”特征在碎屑两侧发育,表明碎屑垂直侵位于未固结或部分固结的层状泥质沉积物中。这通常是携带碎屑荷载的漂浮冰筏进入水体表面后由于融化而使碎屑物质掉落所致。但是,相比北部Swaziland地区,南部White Mfolozi河谷Mozaan群杂砾岩中少见坠石记录,Swaziland地区的少量坠石也可能是由重力流前端产生的少量先锋碎屑堆积(outrunner clasts)(Sohn,2000)。

6)Mozaan群杂砾岩中含有磨圆度较好的石英砾石,这可能说明了其在搬运过程中对冰底携带碎屑物质的加入和改造,可辅助说明其冰川(下)直接成因。

3.3 Mozaan群杂砾岩地球化学特征

硅质沉积物的地球化学成分可以反映古气候状况(Young,1969;Nesbitt and Young,1996;Panahi and Young,1997),同时也可以作为物源指示。然而,本质上未分选的物质,如杂砾岩,则未经历分选过程中的矿物和化学分异(Nesbitt and Young,1996;Nesbitt et al., 1996)。前人研究了冰碛岩的基质及其伴生泥岩样品中主、微量元素的分布规律,表明杂砾岩基质与其邻层泥岩所含主量和微量元素类型及含量均一致,杂砾岩基质中的SiO₂/Al₂O₃和TiO₂/Al₂O₃值和较低的CIA值均说明其未经历明显的化学风化。

3.3.1 主量元素组成与含量(图 6-c)

在Kaapvaal克拉通Mozaan群中,与冰碛岩伴生泥岩和杂砾岩的主要元素组成相似,冰碛岩中Ca、Na、P元素明显亏损,K元素少量亏损,主量元素比太古宙页岩的平均含量高,表明组成杂砾岩基质的物质经历了一定的风化作用; 而泥岩中Na的强烈亏损与K的富集,与泥岩中混入较多的风化物质有关。因此,从主量元素含量看,Mozaan群的杂砾岩及其伴生泥岩仅经历了中度风化。此外,将杂砾岩主量元素平均值与太古宙地盾(>3.5 Ga)页岩估计值(Condie,1993)进行比较时,杂砾岩中Fe含量急剧增加,与许多其他冰海沉积序列(如古元古代冰期事件)特征相同(Li et al., 2016;Le Heron et al., 2022a)。

3.3.2 元素相关性分析

从图6可以看出,Mozaan群冰碛岩和伴生泥岩的投点分布相对局限,没有相关性,而Mozaan群其他泥岩(数据来自McLennan et al.,1983;Wronkiewicz and Kent,1989;Young et al., 1998)和砂岩的特征(数据来自Wronkiewicz and Kent,1989)则呈线性分布,与冰碛岩和伴生泥岩完全不同。对比来自加拿大Labrador下元古界Ramah群的砂岩和泥岩(Hayashi et al., 1997),其SiO₂与Al₂O₃呈典型负相关关系。Mozaan群杂砾岩和伴生泥岩的TiO₂和Al₂O₃分布非常局限(聚集在一起),Ti/Al值的分布范围与更新世冰碛岩相似(Young and Nesbitt,1998);而Mozaan群其他泥岩(风化的硅质碎屑沉积物组合)的TiO₂和Al₂O₃含量较高,并显示出更分散、大致呈线性分布的特征,Ti/Al值则以线性分布为主(Nesbitt et al., 1996;Young and Nesbitt,1998)。上述其他沉积岩的线性分布可通过风化过程中岩石矿物的组合来解释: 原生硅酸盐中产生的次生铝质黏土矿物经过分选,在不同程度上将粒度较细的铝质黏土与富含硅的残余矿物分离,从而使矿物呈线性分布。而Mozaan群的杂砾岩和伴生泥岩的局限分布则是来自结晶基底的冰川沉积物的典型特征,可能反映了其缺乏化学风化和分选作用。这一特征可以从图 6-b中得到印证,来自加拿大北极地区巴芬岛北部Guys Bight地区的现代冰川河流沉积物(Nesbitt and Young,1996)分布局限,但是来自澳大利亚东南部温带地区的Mallacoota盆地的样品(Nesbitt et al., 1996),在经历过化学风化和机械分选后,SiO₂和Al₂O₃呈线性负相关关系。图 6-a表明,Mozaan群杂砾岩和伴生泥岩几乎没有受到化学风化作用,这一发现与其冰川成因相一致。

3.3.3 风化作用指标分析

Nesbitt和Young(1982)提出的化学蚀变指数(CIA),是量化风化剖面(Nesbitt and Young,1989; Nesbitt and Wilson,1992)以及沉积物和沉积岩(Nesbitt and Young,1982;Nesbitt and Young,1996;Nesbitt et al., 1996)风化过程的一种方法。从本质上讲,CIA可以衡量次生铝土矿物与主要硅酸盐矿物(例如长石)的比例。许多研究者都用该指数来分析沉积岩的风化程度(冯连君等,2003;齐靓等,2015;Wang et al., 2020),并据此来鉴别经历过较少风化的古代冰川沉积物(Nesbitt and Young,1982,1996;冯连君等,2006;Bahlburg and Dobrzinski,2011;孙娇鹏等,2016;王玉冲等,2018;Zhang and Zheng,2022)。Mozaan群杂砾岩及伴生泥岩CIA值较低,平均为66.08~66.34;相比之下,Mozaan群其他泥岩却具有相对较高的CIA值(图 6-a至6-e)。从图6中可以看到,Mozaan群杂砾岩和伴生泥岩的风化程度远不如其他层位的泥岩,而且大多数杂砾岩和伴生泥岩的CIA值也明显低于太古宙页岩的平均估计值。Mozaan群杂砾岩基质的CIA值相对较低,这与冰川成因的解释相符。但是Mozaan群杂砾岩的CIA值略高于其他一些冰川沉积物,可能反映了随着冰川在沉积盆地中前移,Mozaan群的泥质沉积中混入了细粒的风化物质。岩石学的观察结果也表明,在杂砾岩基质中存在圆形的石英颗粒(Von Brunn and Gold,1993;图 6-a)。

一般认为,地质历史早期化学风化作用强烈,这可能与当时的大气成分有关(McLennan et al., 1983;Wronkiewicz and Kent,1989;Maynard et al., 1991;Fedo et al., 1996)。如果太古宙确实存在这种强烈的风化条件,那么Mozaan群杂砾岩和伴生泥岩中较低的CIA值就需要一个特殊的解释,比如冰川成因。

将Mozaan群杂砾岩及伴生泥岩的主量元素投点在三角图以及Fedo等(1995)的PIA(斜长石蚀变指数)图(图6-e)时,杂砾岩和伴生泥岩呈高钙低铝特征,指示低风化程度,而其他泥岩为高铝低钙特征,说明经历了高度风化。在“镁铁质三角图”(图6-e)中,Mozaan群冰碛岩及其伴生泥岩样品再次说明了其未风化的特性,而Mozaan群其他泥岩远离长石点与FM顶点的连线,也说明了此类泥岩的风化程度较高。镁铁质三角图(图6-e)中同时还显示了Mozaan群杂砾岩具有异常高的Fe₂O₃(T)含量,且主要成分是FeO。目前这种铁的来源尚不清楚,但类似的富铁泥岩和铁建造通常与新元古代早期冰川成因的冰碛岩有关(Young,1981,1988;Breitkopf,1988;Stanistreet et al., 1991;Klein and Beukes,1993)。这种富含铁的岩石被归因于富含铁的海水上升流被下降的冰川影响的冷洋流所取代(Young,1981),就像活跃在南极地区的洋流一样(Kort,1972;Kennett,1982)。也有学者认为(Cloud,1976;McLennan,1980;Veizer,1984),在太古宙,由于受到高热流和与洋脊快速运动相关的强烈热液循环的影响(Veizer,1984),深海可能溶解有大量铁。值得注意的是,Witwatersrand盆地(Government亚群)杂砾岩中的页岩同样也富含铁。鉴于Pongola盆地的杂砾岩与西部Witwatersrand盆地中页岩之间可能存在的某种联系,Morris等(1988)提出,富铁水体的上涌和浅层含氧环境的降水可能是铁富集的主要原因。

3.3.4 微量元素含量指示的风化程度

Th是一种不相容元素(Taylor and McLennan,1985),倾向于在岩浆岩序列后期形成阶段富集,而Sc则是相容元素,一般在镁铁质矿物中被浸染,因此Taylor和McLennan(1985)认为沉积岩中的Th/Sc值可以指示物源。Mozaan群杂砾岩及其伴生泥岩与3.5 Ga前上地壳估计值之间的平均微量元素含量对比表明,沉积岩中大多数微量元素都相对缺乏,原因可能是铁的稀释作用。同时,Sr和Sc的亏损尤其强烈,其中Sr通常与Ca密切相关,因此Sr的亏损可能与上述提到的Ca的损耗有关(图 7),而Ca的亏损似乎是冰川沉积物的共同特征(Pettijohn and Bastron,1959;Young,1969)。Mozaan群杂砾岩及其伴生泥岩样品具有较低的Th/Sc值,可能是样品中缺乏真正的黏土矿物,而不是黏土级别的岩粉。平均页岩估算值和Mozaan群样品中较低的Th/Sc值,反映了其可能混入了来自镁铁质物源的物质,因为在平均页岩值的情况下,镁铁质来源的物质更容易遭受化学风化,更有可能发生物理破碎并掺入到冰碛岩基质和相关的冰川泥中。

3.4 氧同位素特征

三氧同位素(Δ¹⁷O)分析表明,Mozaan群杂砾岩和之下页岩的δ¹⁸O平均值分别为4.7‰±1.4‰和2.9‰±0.3‰,低于目前已知的所有碎屑岩。依据数学反演,其风化水的δ¹⁸O值为-18.9‰~-20.9‰,与现代极地大气水同位素特征一致,指示寒冷气候条件(Hofmann and Bindeman,2023)。

3.5 Mozaan群杂砾岩特征

综合前人研究成果,笔者认为Pongola超群Mozaan群冰碛岩具有以下特征: (1)厚度一般较小; (2)含有多种成分的砾石; (3)发育擦痕和多面状砾石; (4)在纹层状泥岩中发育坠石; (5)砾石分选极差,泥质基质中存在分散的圆形石英颗粒; (6)冰川沉积物在SiO₂/Al₂O₃图(图6-a)上的分布较聚集,明显不同于经历了明显风化和分选的现代和古代沉积物,后者具有典型的线性负相关; (7)TiO₂/Al₂O₃的分布范围(图6-d)也很局限,主量元素组成类似,并且杂砾岩基质中富含Fe₂O₃(T),且明显亏损Ca和Na;(8)CIA和PIA指数也能指示冰川成因,在A-CNK-FM三角图中可以明显看出杂砾岩和其他泥岩富铁; (9)杂砾岩和之下页岩的δ¹⁸O平均值约为3‰,反演得到风化水的δ¹⁸O值约为-20‰;(10)Kaapvaal东南部在2.9 Ga之前经历了早期克拉通化,古地磁研究指示其处于中高纬度地区,这为冰川的广泛发育提供了一个厚度足够大、出露良好且坚固的基底。

4 Pongola冰川形成机制讨论

4.1 杂砾岩成因判别特征

长期以来,冰成杂砾岩(冰碛岩)与非冰重力流沉积的区分一直存在争议(Eyles and Januszczak,2004;Carto and Eyles,2012;Kennedy et al., 2019),分选差、成分混杂和含巨砾等特征并非冰成杂砾岩专属,需要结合沉积背景、岩石结构、沉积序列、地球化学及构造特征等多指标综合判别。在区分冰碛岩与重力流沉积的判别指标中,比较典型的指标包括地层厚度和展布、地层序列(纹泥中是否伴生坠石)、砾石成分和结构成熟度、擦痕和冰川磨蚀砾石发育、冰下软沉积物变形构造等。此外,有学者还提出了一些冰碛岩可能独有的特征: (1)冰碛砾石的双迎背构造(double stoss-lee forms),即砾石两端均呈现“迎冰面(stoss)平缓、背冰面(lee)陡峭”的不对称结构,这是冰川磨蚀与挤压共同作用的独特产物,非冰川过程(如沉积物重力流)无法模拟(Molén,2023)。(2)微观尺度下,石英砾石会由于“冰川磨蚀而非撞击”而形成同步发育的新鲜裂缝与不规则磨蚀痕迹,裂缝边缘粗糙且伴随无定向的磨蚀面,扫描电镜下可见纳米级黏土涂抹层;而非冰重力流仅能形成“单纯裂缝”或“规则磨蚀(如水流导致的圆化)”(Eyles and Januszczak,2004; Molén,2023),砾石表面更常见“拼图状纹理”(碎屑被挤压破裂后拼接),砾石和基质之间也形成如同拼图一样的结构(Molén,2021)。

4.2 Mozaan群杂砾岩成因

Von Brunn和Mason(1977)对White Mfolozi河谷Pongla超群Mozaan群描述时并未提及冰碛岩的存在,甚至连粗碎屑岩是否存在也未涉及。他们描述的Mozaan群完全是一种浅海潮汐环境的产物,只是在有些泥岩中含有一些泥砾。在Swaziland的Hartland地区近5000 m厚Mozaan群中发现的4套杂砾岩,先被解释为构造作用下重力失衡导致陆架边缘斜坡滑塌形成的碎屑流,后来von Brunn和Gold(1993)在黑色泥岩中发现带有擦痕和光面的砾石,虽然总体看是碎屑流沉积,但推测也很可能是由于该杂砾岩沉积时盆地处于构造沉降阶段,边缘受构造影响,高原上的冰川碎屑物质与碎屑流沉积物混到了一起,被再次搬运后,顺斜坡沿陆架边缘运移后逐渐沉积下来。与Pongola超群大致同期的Witwatersrand超群(~2870—~2940 Ma)中也有冰成杂砾岩的报道,但同样有学者根据其中无冰川擦痕砾石、坠石、冰蚀面、外来砾石等冰川典型标志,也提出了非冰川作用的形成方式,例如黏性碎屑流(cohesive debris flows)成因(Martin et al., 1989)。

根据前述对Mozaan群杂砾岩的分析和论证可知其整体符合冰川成因特征,但是其纹泥中坠石发育较少且分布局限,表明冰川沉积从冰缘延伸到了冰川远缘深水环境,可能是冰海冰筏沉积,但也不排除其是受冰川影响下的水下碎屑流中的前锋碎屑; 较少发育和分布不均的具擦痕砾石也可能是杂砾岩在冰下经由冰缘环境中水下碎屑流搬运改造所致。同时,受成岩作用和变质作用影响,Mozaan群杂砾岩还经历了轻到中等程度的化学风化(Rainbird et al., 1990;Fedo et al., 1995)。另外,Mozaan群受潮汐影响的巨厚潮坪—滨岸相沉积物的成分成熟度和结构成熟度都很高(von Brunn and Hobday,1976),受到强烈化学风化。相比之下,杂砾岩分选极差,成分成熟度与结构成熟度均低,揭示了其可能为冰川成因;泥质基质中存在分散的圆形石英颗粒,可能是运动过程中混入了潮滩环境中的沙砾,这也进一步揭示该冰碛岩经历了一定距离的搬运。综上,南非的Mozaan群杂砾岩记录了中太古代(~2.9 Ga)的冰川作用,同时也包括局部受冰川影响的水下碎屑流沉积,很可能是迄今为止地球上最早的冰川沉积记录。

冰川作用的记录在很大程度上取决于地层记录的完整性(Crowell,1983)。然而,对于古代冰川事件只能获得这类地层记录的一小部分,而且通常是跨地区和全球的碎片性记录(Modie,2002)。该套冰川沉积仅在南非的Kaapvaal东南部和南非西北部Botswana的Witwatersrand超群发现,在其他大陆或是南非其他地区并未有同期冰川沉积的报道。Pongola冰川不具备跨区域的冰川沉积记录响应和长期气候冷却信号,更可能是与被动大陆边缘相关的短期区域性或局部性冰川事件。值得指出的是,有学者在研究区北部的巴伯顿绿岩带Onverwacht群Hooggenoeg组H6段长英质火山碎屑岩系中识别出了以冰筏纹泥为代表的冰川沉积(de Wit and Furnes,2016),其时代(~3.5 Ga)要老于Mozaan群杂砾岩。然而,也有学者提出了反对其为冰川沉积的意见,认为杂砾岩的结构、“坠石”和纹泥的形态特征等并非冰川成因所致(Lowe and Byerly,2020)。

太古宙其他冰川活动证据的缺乏部分可能是地层保存的原因,但也很难去进行全球性拓展。关于冰的性质问题,如冰是来自大陆冰原和山脉,还仅是岸边或河流上的冰,目前还不能解决。对于一个局部或区域性冰川,其开始时间及冰盖的范围和性质仍然是一个容易发生争论的议题(Eyles,1993),故成因也同样很难得到统一的认识。理论上,太古宙“微弱的太阳”可以导致寒冷的气候条件(Sagan and Mullen,1972;Kasting,1993)。可是,在太古宙,地球上几乎没有冰川活动的证据(或可以用保存不好来解释),但也可以解释为大气中二氧化碳含量过高,引起相关的温室效应增强(Young,1991;Kasting,1993)并最终反转,造成大陆风化作用加剧,消耗的CO₂(氧化作用)远远大于风化产生的反馈作用,因而使地球表层降温并逐渐寒冷冰冻(Shields et al., 2022)。地球上第1次冰川的形成也可能与大气中CO₂含量的减少有关。Raymo和Ruddiman(1992)认为,过去40 Ma的气候降温是由于构造作用所导致大气CO₂含量的减少。

大气中CO₂含量减少可归因于喜马拉雅、青藏高原等山地冰川作用产生的细碎物质的风化作用增强,同时早期大陆的造山运动也会导致大气中CO₂含量的显著下降(Young,1991),从而使地表温度降低到地球第1个冰期的起点。另外,Kopp等(2005)、Kasting和Howard(2006)推断太古宙和古元古代的冰川作用是由大气中O₂浓度的升高抵消了富CH₄大气的温室升温效应而引发的。

4.3 冰川沉积模式

在低海平面期,冰川除向大陆架地区搬运(物源来自南部),其裹挟的一部分碎屑物质和从古老岩石的物理研磨中得到的岩粉外,冰碛物中还包含了从陆架砂中混入的圆形石英颗粒,以及一些来自铁质泥的细粒风化物质。部分冰碛物在冰缘环境触地卸载并被进一步改造,冰碛岩与基底或下伏沉积呈截然接触关系,部分冰碛岩层下方存在变形层。另一部分被冰筏搬运到冰海远缘环境(图8)。大多数Mozaan群层序的典型特征是由前Mozaan群基底未风化的冰川碎屑和一些相对风化的沉积物质混合而成。Panahi和Young(1997)通过对苏格兰西部新元古界Port Askaig组冰碛岩的地球化学调查,也推断出同生陆架沉积物与冰碛岩有类似的组合。

5 研究意义及展望

冰川事件是指在地质历史的某些时期,由于大幅度的急剧降温,在大区域甚至全球范围出现冰川并形成冰川堆积物的地质事件。在漫长的地质时期中,冰碛物显示出独特的性质,是地质历史中的特殊事件,具有重要的研究意义。基于冰川事件不仅可以确定地史上恶劣的严寒气候阶段,分析古气候演变对地球圈层相互作用、环境、生物演化及成矿的影响,而且还可以将冰碛岩作为地层划分和对比标志,探讨某些地史断代的分界。另外,研究冰川发生与超大陆聚散过程的关联,恢复古板块位置,可为全球或区域古板块和古地理重建提供证据。特别是通过鉴古论今,为应对现今全球气候变化提供参考。

中国具有得天独厚的研究全球不同时代、不同属性冰川地貌及其沉积特征的优越条件。通过研究中国不同时代、不同规模的冰碛岩、冰溜面、冰川沉积构造与冰碛沉积层序,探索区域性和全球性古地理格局,不仅可以揭示深时古环境、古气候及其对生命演化的意义,而且对现今应对全球变化、预测未来气候、环境与生命演化规律、探索地球宜居性条件等,均具有重要科学意义。近年来,中国学者在以新元古代和晚古生代大冰期为代表的深时冰川事件沉积学研究中取得了巨大进展。以新元古代成冰纪“雪球地球”和埃迪卡拉纪冰期为例,在沉积地层格架(Yu et al., 2020;旷红伟等,2023;李王鹏等,2023)、冰期启动的沉积响应(王玉冲等,2018;Wang et al., 2023a)、冰川作用判别和冰川侵蚀形貌(Chen et al., 2020,2025;Wang et al., 2022)、冰川沉积旋回的动态变化(Lang et al., 2016;Hu et al., 2020;Chen et al., 2023)、冰川沉积环境演化和古地理重建(朱茂炎等,2016;王剑等,2019;Wang et al., 2023b)、生命演化与气候环境的转变(Ye et al., 2015;叶云涛等,2017;Kuang et al., 2024;Zhang et al., 2024;Lu et al., 2026;Zhu et al., 2026)以及间冰期和冰后沉积矿产的形成(余文超等,2020;朱光有等,2021;杜远生等,2025)等方面取得了大量成果。有关显生宙晚古生代冰期,由于该时期冰碛岩只在高纬度地区发育,在低纬度地区更多地体现为海平面升降、碳循环-水圈-气候变化(郄文昆等,2010;杨兵等,2016;Zhong et al., 2024),因此,中国有关晚古生代冰碛岩的沉积学研究主要集中在拉萨地块,学者们在冰川沉积相的识别与划分和冰川沉积环境演化等方面做了大量工作(张予杰等,2013;李跃,2016;Wang et al., 2020;何柯衡等,2025)。相比之下,冈瓦纳大陆晚古生代冰川事件在华南的沉积响应和演化过程主要采用冰川性海平面变化、层序地层学、同位素地球化学循环和大陆风化方法等进行研究(郄文昆等,2010;Chen et al., 2025;Gao et al., 2025)。

目前,国际上有关深时冰川沉积学的研究正朝多手段交叉细化研究方向发展,例如,使用无人机数字影像对新元古代冰川触地线进行刻画以及垂直运动幅度的判别,探讨冰川进退行为对轨道变化的敏感性(Tasistro-Hart et al., 2025);激光雷达(LiDAR)和航天飞机雷达地形测绘任务(SRTM)数据以及数字高程模型(DEM)分析等技术的交叉应用为冰蚀形貌的高精度定量化研究以及古冰川重建提供了新的研究范式(Le Heron et al., 2022b)。同时,冰川沉积学研究尺度也在向微观层面发展,通过镜下观察揭示冰川剥蚀—搬运—沉积和后期变形过程的冰川显微沉积学在深时冰川沉积研究中得到广泛应用,结合数值模拟和地球化学分析,能够建立微观结构与冰下动力学过程的定量关联,并为解决杂砾岩的冰或非冰成因提供可能的解决方法(Menzies,2023)。然而,目前有关冰碛岩的沉积地球化学研究一般通过CIA、主量元素比值、Fe同位素、S同位素和⁸⁷Sr/⁸⁶Sr^*等指标来间接指示其沉积物是否经历低化学风化的寒冷环境,而这些风化指标同时受母岩性质、地貌、暴露时长、风化与搬运过程等多种因素控制,故开发新的直接指示冰川环境的地球化学指标是亟待解决的问题。迄今为止,中国对于深时冰川沉积学的详细研究还较少,且和国际研究现状相比仍没有形成独立的学科体系。因此,希望有更多学者关注和参与到该领域的研究中来,结合对现代冰川的认知,将今论古,识别和鉴别沉积记录中冰碛岩特征。在此基础上,以地球系统科学为指导,在沉积圈科学大背景下,在中国建立冰川沉积学科体系已成为冰川事件沉积、环境与气候研究的迫切需求。

6 结论

在回顾前人对Pongola超群Mozaan群杂砾岩是否为冰碛岩的研究过程的中,总结了识别冰川沉积的标志性特征,通过对Mozaan群杂砾岩的岩石学、沉积学与地球化学特征的分析与甄别,认为Pongola超群Mozaan群杂砾岩具有冰川沉积的识别特征,并同时受到冰川作用影响的水下碎屑流改造,可将其划归为冰川沉积。在此基础上,进一步认定南非的Mozaan群记录了中太古代(~2.9 Ga)的冰川作用,是迄今为止地球最早的冰川沉积记录。

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基金资助

*国家重点研发计划项目(2022YFF0800302)

国家自然科学基金项目(42472150)

国家自然科学基金项目(42072135)

国家自然科学基金项目(42302123)

北京市科技计划课题—国际创新资源合作项目(Z201100008320007)