基于加拿大中部第四纪地层记录的多个冰期-间冰期旋回中的劳伦泰德冰盖动力学

《Canadian Journal of Earth Sciences》：Laurentide ice sheet dynamics across multiple glacial–interglacial cycles from Quaternary stratigraphic records in central Canada

　　

第四纪陆相地层记录（Quaternary terrestrial stratigraphic records）是理解过去冰盖（ice sheets）超越最近一次冰期（most recent glaciation）的长期行为的关键。冰川沉积物提供了关于冰流方向（ice-flow direction）和扩散模式（dispersal patterns）的重要信息，而冰碛层间含有机质的沉积物则提供了关于过去无冰期（ice-free periods）气候条件的见解。哈德逊湾低地（Hudson Bay Lowland, HBL）位于被冰川覆盖的北美洲的地理中心附近，包含保存最完好且侧向延伸广泛的第四纪地层序列（Quaternary stratigraphic successions），这些序列沉积于至少三个冰期-间冰期旋回（glacial–interglacial cycles）中。HBL的广泛地层记录对于理解劳伦泰德冰盖（Laurentide ice sheet, LIS）的时间演化是理想的。在此，研究人员调查了西部HBL的一个偏远区域，并使用混合的岩石地层学-所有地层学方法（hybrid lithostratigraphic–allostratigraphic approach）构建了该区域的第一个地层框架（stratigraphic framework）。该地层框架由全新世（Holocene）沉积物组成，其下覆有九个冰川（冰碛）单元（glacial (till) units）、三个冰前单元（proglacial units）和三个间冰期单元（interglacial units）。地层和年代学约束表明，研究区在终止期II（Termination II, ～130 ka; MIS 6–5过渡）和终止期III（Termination III, ～243 ka; MIS 8–7过渡）之后可能被海水淹没，并且这两次海侵（marine incursions）均达到了比该地区全新世（终止期I, Termination I）海相界限（marine limit）更高的海拔。这些海水淹没事件之后是间冰期期间的河流和/或湖泊沉积。冰川记录表明，在冰期期间，冰流主要来自魁北克-拉布拉多冰穹（Quebec–Labrador dome）或位于哈德逊湾（Hudson Bay）的一个冰穹。这一基于野外工作的记录对于约束LIS的长期行为很重要，并为北美冰期的冰盖模拟提供了重要限制。

**论文解读**

**研究背景与问题**

劳伦泰德冰盖（Laurentide ice sheet, LIS）在晚更新世（Late Pleistocene）期间对全球海平面波动影响显著，但其在末次盛冰期（Last Glacial Maximum, LGM）前的长期演化因缺乏加拿大中部的地层和年代学数据而约束不足。大多数重建工作过度依赖最近一次冰期的数据和推断，而该冰期的LIS动态可能具有独特性（例如，首次与科迪勒拉冰盖汇合）。为理解LIS在多个冰期-间冰期旋回中的行为，需深入研究更新世沉积物厚度大且保存良好的关键区域。哈德逊湾低地（Hudson Bay Lowland, HBL）的西部拥有跨越至少三次冰期-间冰期旋回的地层记录，但丘吉尔河（Churchill River）至小丘吉尔河（Little Churchill River）区域的地质研究极为有限。针对此问题，研究人员开展了系统的第四纪地层调查，旨在建立首个区域地层框架，以揭示LIS的长期冰流动力学及其对海侵事件的响应。该论文发表在《Canadian Journal of Earth Sciences》。

**主要技术方法**

研究人员采用了混合岩石地层学-所有地层学方法（hybrid lithostratigraphic–allostratigraphic approach），通过野外剖面描述（16个露头）、冰碛物组构测量（73个冰流指示，包括碎屑组构和滞留碎屑上的擦痕）、碎屑岩性统计（2–8 mm粒级，平均每样品519个碎屑）、冰碛基质地球化学（<63 μm粒级，利用主成分分析（PCA）和k-均值聚类进行统计）以及光释光定年（optical dating，采用多颗粒石英单份再生剂量法（SAR））等技术手段。此外，研究人员还开展了花粉分析（pollen analysis，10份样品）和有孔虫（foraminifera）鉴定，以及X射线衍射（XRD）分析（用于风化基岩鉴定）。样本均采集自研究区丘吉尔河和小丘吉尔河沿岸的天然剖面。

**研究结果**

**Weathered bedrock（风化基岩）：** 在丘吉尔河剖面21-826底部识别出厚0.7米的风化花岗岩物质，其矿物组成以高岭石（48.8%）为主，通过化学风化指数（化学蚀变指数CIA^注和斜长石蚀变指数PIA^注）确认其强烈风化特征，表明该风化面可能形成于第四纪之前。

**Unit 1: interglacial sorted sediments（间冰期分选沉积物）：** 为最底部单元，由砂、砾石及含有机碎屑的沉积物组成。四段剖面中均发现异地木材和泥炭碎屑，且孢粉组合指示寒温带北方森林（boreal forest）和湿地环境，与现今类似。该单元被解释为间冰期沉积。

**Unit 2: till(s) deposited by southwest- and northwest-trending ice-flow...（冰碛物，由西南向和西北向冰流沉积）：** 由高过固结的冰碛物组成（深色基质含鱼鳞状页岩碎屑），碎屑岩性以哈德逊湾盆地（Hudson Bay Basin, HBB）碳酸盐岩为主，组构测量显示冰流方向为西–西北向（Unit 2a）和西南–南西南向（Unit 2b）。两期冰流方向无相对年龄关系。

**Unit 3: till deposited by south-southeast- to south-southwest-trending ice-flow...（冰碛物，由南东南–南西南向冰流沉积）：** 为高过固结冰碛物，富含花岗岩类碎屑，组构指示冰流方向为154°–194°，且底部存在古土壤发育（氧化带和基岩离子淋滤指数异常），表明冰退后暴露风化。

**Unit 4: interglacial sorted sediments and paleosol development in till（间冰期分选沉积物及冰碛物中古土壤发育）：** 由海相（Unit 4a）和陆相（Unit 4b）沉积物组成。海相单元含原地双壳类和底栖有孔虫（Elphidium, Buccella等）；孢粉分析显示夏季均温与今相似（14.3°C），年均降水略高。古土壤发育于Unit 3顶部（氧化带及碳酸盐和碱基离子淋滤）。

**Unit 5: proglacial bedded sorted sediments and diamicton（冰前层状分选沉积物和混杂砾泥）：** 由含坠石（dropstones）的砂砾和冰碛物互层构成，解释为冰进时冰前湖沉积。

**Unit 6: till deposited by west-southwest- to northwest-trending ice-flow（冰碛物，由西西南–西北向冰流沉积）：** 厚度达29米，含大量HBB碎屑，组构显示早期西–西南向（265°,250°）转为西北–北北西向（290–339°）冰流。该单元是MIS 6冰期的主要沉积。

**Unit 7: proglacial intertill sorted sediments（冰前冰碛层间分选沉积物）：** 为薄层砂和冰碛物，上下冰碛单元冰流方向近垂直（西向与南–西南向），解释为冰盖短暂后退时的冰前环境沉积。

**Unit 8: till deposited by south- to southwest-trending ice-flow（冰碛物，由南–西南向冰流沉积）：** 含HBB碎屑，组构方向174°–240°，厚度可达17.7米，同样归属于MIS 6冰期。

**Unit 9: till deposited by east-trending ice-flow（冰碛物，由东向冰流沉积）：** 富含花岗岩类碎屑，组构显示85°–88°东向冰流，指示MIS 6晚期冰盖局部向东流动（冰分水岭西移）。

**Unit 10: till deposited by west-trending ice-flow（冰碛物，由西向冰流沉积）：** 含HBB碎屑，组构265°–268°西向冰流，与Unit 9堆叠出现，表明冰流方向在MIS 6消冰期发生逆转。

**Unit 11: interglacial sediments（间冰期沉积物）：** 下部海相单元（Unit 11a）含海相贝壳（δ¹³C值2.0‰），上部陆相单元（Unit 11b）含河流沉积和木块（非有限¹⁴C年龄，>50 ka）。孢粉显示北方森林和湿地环境。光释光最小年龄约为41–173 ka，结合地层关系解释为MIS 5间冰期（海侵发生在终止期II）。

**Unit 12: till deposited by northwest-trending ice-flow...（冰碛物，由西北向冰流沉积）：** 含HBB碎屑和少量未分异绿岩-硬砂岩（undifferentiated greenstone and greywacke, UGG）碎屑，组构298°–348°，为末次冰期（MIS 5–1）早期冰进沉积。

**Unit 13: till deposited by west-trending ice-flow（冰碛物，由西向冰流沉积）：** 含HBB和UGG碎屑，组构261°–275°，紧随Unit 12之后，亦源自魁北克-拉布拉多冰穹。

**Unit 14: proglacial intertill sorted sediments（冰前冰碛层间分选沉积物）：** 为韵律层状砂和粉砂，解释为冰前湖沉积，后被冰进（Unit 15）覆盖。

**Unit 15: till deposited by a west-southwest- to south-trending re-advance（冰碛物，由西西南–南向再推进沉积）：** 含HBB碎屑，组构200°–245°，可能对应晚冰期（MIS 2末期或MIS 1早期）的冰流事件，与埃托韦尼-白帽冰碛物（Etawney and Whitecap moraines）形成时间相近。

**Unit 16: surficial glaciofluvial and post-glacial sediments（表层冰水-冰后沉积物）：** 为全新世（MIS 1）冰退后的冰水、冰湖和河流沉积，不属本文详细研究范围。

**Till-matrix geochemistry（冰碛基质地球化学）：** 通过PCA和k-均值聚类分析（剔除黑色和极端高花岗岩类样本后得到6个簇），验证了碎屑岩性推断的物源：高UGG含量与Na、K、Ti元素相关（指示东向物源），高花岗岩类含量与Fe、Si、Al、Ti元素相关（指示远源预寒武系物源）。聚类结果强调，由于继承和叠加效应（inheritance and overprinting），仅凭成分难以区分所有冰碛单元。

**Optical ages（光释光年龄）：** 石英光释光信号以热稳定快成分为主，采用饱和指数加线性（SEPL）剂量响应曲线。由于SEPL曲线可能导致年龄低估，将年龄视为最小年龄。Unit 4a的最小年龄为123±21 ka（MAM），结合地层位置解释为MIS 8–7过渡（终止期III）。Unit 11a的最小年龄范围为41–80 ka，但根据非有限¹⁴C年龄和地层关系，更可能对应于MIS 6–5过渡（终止期II）。

**讨论与结论**

**讨论总结：** 研究区地层框架包含16个单元，记录了至少三次冰期-间冰期旋回。通过对比海相δ¹⁸O记录和光释光最小年龄，将Unit 4海侵（MIS 7）和Unit 11海侵（MIS 5）分别与终止期III和终止期II对应。冰动力学方面：MIS 6冰期以魁北克-拉布拉多冰穹主导的冰流为主（西向和西北向），且后期出现冰流方向逆转（东转西），表明MIS 6消冰期冰分水岭可能曾位于研究区西部，导致更高程度的地壳沉降和海侵（最高达196 m asl）。末次冰期初期（MIS 5–4），研究区首先经历西北向冰进（Unit 12），随后转为西向冰流（Unit 13），之后大部分时段处于冷基冰或“粘滞点”状态，直至晚冰期才发生再推进（Unit 15）。这些发现挑战了冰盖生长主要受北极驱动的模拟观点，强调魁北克-拉布拉多冰穹在早期冰盖扩张中的核心作用。

**研究结论（翻译）：**
本研究建立了西部哈德逊湾低地（HBL）丘吉尔河至小丘吉尔河区域的地层框架，包含至少九个冰川（冰碛）单元，这些单元沉积于至少三个独立的冰期环境，同时识别出三个前全新世间冰期单元。该地层记录提供了关于晚第四纪冰期和非冰期事件的重要发现。本研究的主要发现包括：
* 在最末次冰期（MIS 5–2）期间，西北向冰流（Unit 12）首先流经研究区，随后转为西向冰流（Unit 13）。这些相对早期的冰流事件之后，地层记录显示直至晚冰期冰流活跃之前再无新的沉积作用。早期冰碛物和西向流线型地貌的保存表明，该研究区在末次冰期的大部分时间被冷基冰覆盖或处于粘滞点内，沉积物迁移有限——这一现象在西部HBL的Kaskattama高地也有记载。
* 在末次冰期（MIS 4或5）和倒数第二次冰期（MIS 6）开始时，冰盖从东或东南方向进入加拿大中部，表明加拿大中部的冰盖增长并非由北极驱动——这一过程常被模拟研究（如Stokes等，2012；Bahadory等，2021；Geng等，2025）所假设。
* 在MIS 6晚期，冰流首先向东流经研究区（Unit 9），这被解释为在MIS 6消冰期期间，流入哈德逊湾的冰流汇集的源头区可能比MIS 2消冰期更深入马尼托巴北部内陆，且要求一个位于丘吉尔河以西的冰分水岭。该冰分水岭后来穿越研究区，冰流向西流动（Unit 10），这约束了MIS 6晚期与MIS 2晚期截然不同的LIS消冰期构型：冰分水岭（可能为一个冰穹）位于马尼托巴北部。
* MIS 6消冰期后发生海相高位面事件，海水至少达到当前海平面以上196米（Unit 11a），高于该地区MIS 2海相高位面，支持了MIS 6冰盖较MIS 2更厚的观点；这可能是导致该时期北美冰盖向南扩展至更远界线的一个因素。
* 研究区在终止期III（~243 ka）被海水淹没，海水至少达到当前海平面以上161米（Unit 4a），这一海相沉积期之后是类似于现今的间冰期气候（Unit 4b）；这为理解这次冰期-间冰期转换（MIS 8–7）提供了重要约束，可用于指导LIS模拟。