冰川及冰川作用
冰川的形成和类型

一、冰川的形成

　　海拔高于雪线以上的地区，长年积雪，随着时间的推移，积雪增厚。降到地表多角形的雪花因昼夜温度变化和压力作用，其边缘在白天增温而融化，在夜间又重新冻结，形成一层薄冰。当积累到一定厚度后，松散的雪花便逐渐形成粒状的冰，即粒雪。粒雪继续增厚，产生更大的静压力，排出空气，结成致密、透明，呈微蓝色的冰川冰。冰川冰具可塑性，冰川冰在压力和重力作用下顺山坡或谷地向下运动，便形成冰川。

http://ch.sysu.edu.cn/hope/sites/geoscience/content/UploadFiles_9724/201003/20100304090653577.gif
 
图12-2 新鲜雪、粒雪、冰川冰的转变过程

 1. 冰川的定义

　　冰川（glacier）是极地或高山地区沿地面运动的巨大冰体，是在高寒地区由降落在雪线以上的大量积雪再结晶聚积成巨大的冰川冰，因重力和压力使冰川冰流动而成为冰川。冰川所含的水量，占地球上除海水之外所有的水量的97.8%。

     如新疆的天山“一号冰川”是世界冰川组织在全世界范围内重点监测以研究世界气候变化的大陆冰川之一。

http://ch.sysu.edu.cn/hope/sites/geoscience/content/UploadFiles_9724/201003/20100304090653660.gif
   
 图12-3 天山一号冰川及冰舌对比（左摄于1980；右摄于2005）

 2. 雪线（snow line）

　　雪线是年降雪量等于年消融量的界限。雪线以上年降雪量大于年消融量，常年积雪。雪线以下年降雪量小于年消融量，不能常年积雪，只能季节性积雪。因此，冰川必须在雪线以上才能形成。一个地区的海拔高度没有超过雪线，就不可能有冰川。

　　 雪线高度在不同地区是不同的，它受温度、降水量及地形等因素的影响。地球表面的平均温度具有从赤道向两极和自平地向高山递减的规律，所以低纬度地区的雪线位置必然比高纬度和极地的雪线高，例如，南美20°～25°间的安第斯山雪线高达6400m，是世界上雪线最高的地方（图12-4），我国祁连山南坡雪线在5000m左右，北坡的在4600m。地形不仅影响温度，也影响降水分布，如由于喜马拉雅山阻挡了印度洋的西南季风，使南坡的降水量多于北坡，所以南坡雪线在海拔4400～4600m，北坡的雪线在5800～6000m。

http://ch.sysu.edu.cn/hope/sites/geoscience/content/UploadFiles_9724/201003/20100304090653396.gif
  
 图12-4  从南极到北极跨越美洲的陆地海拔和雪线高度变化

 3. 冰川的运动 

     （1）冰层滑动与基层滑动：在自身重力作用下，冰川携带着大量泥沙和碎石从高处缓缓地向下滑移，移动的主要原因是冰川冰是一种粘塑性体，由于重力作用，冰川冰发生粘塑性变形，或称蠕变，于是缓慢向下滑动。这种滑动包括冰层滑动和基层滑动两种。冰层滑动产生于冰川各冰层之间，基层滑动则产生于冰川底冰和山体岩床之间。冰川在重力作用下沿着山体斜坡岩床缓慢向下运动，如果冰川的底冰与岩床冻结在一起，则冰川冰面的运动速度超过底冰，使冰川产生差别运动。

（2）冰川的运动速度：山体岩床的坡度、冰川的温度、冰川的厚度都是制约冰川滑动速度的因素。具有一定厚度的冰川在重力作用下，山体岩床的坡度越大，冰川的运动速度也就相应增加。如果岩床的坡度相同，则大冰川的运动速度比小冰川快得多。在一般情况下，如果冰川的厚度从中间某处向末端逐渐变薄，则冰川的运动速度也从源头向末端逐渐变慢，如果冰流速度迅速衰退，则在末端甚至可以形成不流动的冰，称为“死冰”。冰川温度的高低也可以影响冰川运动的速度。

　　冰川运动的速度日平均为几厘米至数米。冰川在整个运动过程中，各个地段的运动速度不一样。纵剖面上，冰川运动速度最快的部分在雪线附近；在冰川的横剖面上，冰川运动最快的地方在冰川的中心线附近，从中心线向左右两侧速度相对地逐渐变慢；在冰川的垂直剖面上，冰川运动最快的地方在冰川上层，随着冰川深度的增加，它的流速也逐渐变慢。

　　冰川的运动速度，还随着每年的暖季与冷季，每天的白昼与黑夜而改变。冰川运动速度的年际变化，则主要与冰川的积累、消融的数量和速率、气候波动等因素有关。大陆型冰川的运动速度，明显地低于海洋型冰川。

    （3）冰盖的运动：冰盖的运动速度，一般比山岳冰川为慢。冰盖的运动，是由冰雪自身的重量所造成的差异运动，以及由地热和摩擦热而产生的冰体沿底床的滑动来实现的，其中以沿底床滑动的原因为主。冰盖运动的速度变化，一般是从它们的中心部位向边缘递增。
冰川监测。目前对冰川积累与消融的观测主要是采用花杆法。通过测量花杆离表层雪面的高度来计算冰川物质平衡。在20世纪80年代前，对冰川末端的变化主要采用基岩上凿孔作为永久标志，并以此为参考进行测量。近年来冰川末端进退的观测方法是通过在GPS测定的控制观测点进行重复距离丈量得出的；冰川厚度的测量主要使用冰川测厚雷达，利用无线电回波探测方法测量冰川厚度; 冰川表面运动速度是用精密光学经纬仪及全站仪进行测量的，前者，从冰川上的控制点对布设在冰内的花杆进行重复前方交会，以坐标法计算，求出花杆（冰体）在单位时间内的空间位移而得到的。后者，对冰川表面运动速度的观测使用全站仪进行测量，从控制点上对布设在冰川表面的测杆进行观测的，以座标法计算出冰体单位时间内的空间位移；冰川温度观测一般是在冰内钻孔，孔内埋设温度表，待温度平衡后开始观测。取得较为详细系统的测温资料后进行分析研究；冰川面积变化：20世纪60年代，用平板仪测量方法绘制冰川地形图；70年代，利用地面立体摄影测量方法绘制冰川地形图，进而研究冰川面积的变化。本世纪初，利用遥感测量的方法，对冰川进行绘图，研究冰川面积的变化。

二、冰川的类型

1. 按气候分类

　　根据不同原则可将冰川划分为不同类型。按发育的气候条件和温度状况，可将冰川分为海洋型冰川（temperate glacier）和大陆型冰川（cold glacier）两种：

    （1）海洋型冰川（暖冰川），发育在降水充沛的海洋性气候地区，粒雪线在年降水2000～3000mm 地区附近，冰川的形成以暖渗浸再结晶成冰过程为特征，冰川的温度接近压力融点，液态水可从冰川表面分布到底部。由于海洋型冰川补给量大，冰川运动速度快，一般为100 m/a，最快达500 m/a，冰川尾端常伸入到森林带中。这种类型的冰川侵蚀力量强，形成典型的冰川地貌。

    （2）大陆型冰川（冷冰川），发育在降水较少的大陆性气候地区，粒雪线在年降水1000mm以下的区域，冰川的形成以渗浸冻结为特征。主要标志为温度低，雪线附近年平均温度低于-8℃，由于气候干燥，降雪量少，雪线高，比海洋型冰川可高出1000米。这类冰川的活动性弱，消融慢，尾端进退幅度较小，冰舌相应短。堆积地形比侵蚀地形发育。冰川主体的温度经常保持在-10～-5℃，当融水向下渗入到低温的冰体时，迅速形成附加冰，成为冷渗透再结晶成冰过程。由于大陆型冰川冰温低，补给少，冰川运动速度缓慢，约为30～50 m/a，冰川尾端不会越过森林上限，冰川作用较弱，冰川地貌不及海洋型冰川作用形成的地貌那样典型。大陆型冰川雪线位置较高，有时可在森林上限以上1000m的位置，因而在森林带和高山灌丛草甸带以上到雪线间有广大范围的裸露地面，这里积雪少，年温差和日温差都较大，地面冻融作用强盛，发育许多冰缘地貌。一般地处大陆性气候下的高山地区，如中国西部和中亚的冰川，大多属于这种类型。

2. 按形态和规模分类

    按冰川的形态、规模和所处的地形条件，把冰川划分为以下四种主要类型：

（1）山岳冰川（Alpine glacier）：山岳冰川是发育在高山上的冰川，主要分布在中纬和低纬高山地区。山岳冰川的形态和所在的地形条件有很大的关系，根据冰川的形态和部位可分为冰斗冰川（cirque glacier）、悬冰川（hanging glacier）和山谷冰川（valley glacier）三种。

① 冰斗冰川是分布在雪线附近或雪线以上的一种冰川，规模大的冰川可达数平方公里。冰斗冰川的三面围壁较陡峭，在下方有一短小的冰川舌流出冰斗，冰斗内常发生频繁的雪崩，这是冰雪补给的—个重要途径。

② 悬冰川是发育在山坡上的一种短小的冰川，或当冰斗冰川的补给量增大，冰雪向冰斗以外的山坡溢出，形成短小的冰舌悬挂在山坡上，称悬冰川。这种冰川的规模很小，面积往往不到1km2。悬冰川取决于冰斗冰川供给的冰量，随气候变化面消长（图12-5）。

http://ch.sysu.edu.cn/hope/sites/geoscience/content/UploadFiles_9724/201003/20100304090653509.gif
 图12-5青海昆仑山口的悬冰川（郑卓摄）

③ 山谷冰川是冰雪补给充足，冰斗冰川迅速扩大，大量冰体从冰斗溢出并进入山谷形成的。山谷冰川以雪线为界，有明显的冰雪积累区和消融区，长可达数km至数十km，厚数百米。单独存在的一条冰川，叫单式山谷冰川，由几条冰川汇合的叫复式山谷冰川（图12-6）。

（2）大陆冰原（continental glacier）：大陆冰原（冰盖）（ice sheet）是在两极地区发育的冰川，它面积广，厚度大。冰川表面中心形状凸起形似盾形的，叫冰盾。规模更大、且表面有起伏的大陆冰体，叫冰原或冰盖。大陆冰盖比山谷冰川大得多，是从中心向外围极其缓慢移动的巨厚的面状冰体。格陵兰冰盖和南极冰盖是目前世界上最大的两个冰盖。这两个冰盖加起来的面积几乎达到了地球陆地面积的10％。

http://ch.sysu.edu.cn/hope/sites/geoscience/content/UploadFiles_9724/201003/20100304090653686.gif 
图12-6 山谷冰川

　　在格陵兰，冰盖体积为1.8106km3，几乎覆盖了格陵兰岛总面积的80％多（图12-7左）。格陵兰冰盖冰体的平均厚度大于1500 m。冰体像一个极宽大的凸透镜，岛屿中部最高点的冰厚度大于3200 m。通过格陵兰中南部的剖面AB显示出透镜状的冰原厚度。冰面从中部区域向四周倾斜，在海岸地带分解成舌状的冰川，最终到达海洋，破裂形成冰山。

　　南极大陆90％的地区被冰所覆盖，面积为12.67106km3，最大厚度超过4000 m，体积至少比格陵兰冰原大10倍（图12-7右）。南极洲东部冰层最厚达4267m，冰面平均海拔2610m，下伏陆地平均高度为500m。南极洲西部冰面平均海拔1300 m，但下伏地面大部分在海面以下，平均为-280 m。由于大陆冰川有很厚的冰体，在强大的压力下，从冰川中心向四周呈放射状流动。冰盖在中部高起，向四周倾斜。与格陵兰冰原不同的是冰流运动到达周边海洋后会形成与大陆冰盖相连的漂浮状冰架，其中最著名的是罗斯冰架。

http://ch.sysu.edu.cn/hope/sites/geoscience/content/UploadFiles_9724/201003/20100304090653307.gif
 图12-7 格林兰（左）和南极冰盖（右）的形态、厚度及其高程（据朱诚等，2003；Press et al., 1998）

（3）平顶冰川（flat-topped glacier）：发育在起伏和缓高地上的冰面平坦形如薄饼的冰川，称平顶冰川（图12-8）。冰川的周围伸出许多冰舌。如冰川规模很大，覆盖了整个山顶或山区大部分，又称冰帽。斯堪的纳维亚半岛上的约斯特达尔冰帽长90km，宽l0-12km，面积达1076km2，在冰帽的东西两侧伸出许多冰舌。冰岛东南部的伐持纳冰帽规模更大，面积达84l0km2。我国西部高山地区，常在古夷平面上发育平顶冰川，如祁连山西南部最大的平顶冰川面积为50多平方公里。

（4）山麓冰川（piedmont glacier）：当山谷冰川从山地流出，在山麓带扩展并汇合成一片广阔的冰原，叫山麓冰川。阿拉斯加在太平洋沿岸就有许多山麓冰川，最著名的是马拉斯乎冰川（图12-9），它由12条冰川汇合而成，面积达2682km2 ，冰川厚度达615m，冰川覆盖在一个封闭的低洼地上，这个洼地的地面比海面低300m，马拉斯平冰川目前处于退缩阶段，冰面多表碛，生长着云杉和白桦，有些树木已有100年左右。

    以上各种不同类型的冰川是可以互相转化的，当气候变冷，雪线降低，山岳冰川逐渐扩大并向山麓地带延伸，就成为山麓冰川。如果气候继续不断变冷变湿，积雪厚度加大，范围扩展，山麓冰川还可以不断向平原扩大，同时由于冰雪加厚而掩埋山地，就成了大陆冰川。当气候变暖时，则向相反的方向发展。但是，并不是所有冰川都按上述模式发展，大陆冰川可以在平原地区直接形成。例如北美第四纪大陆冰川的古劳伦冰盖中心在哈得逊湾西部，周围没有高地可作为冰川的最初发源地，因而认为劳伦冰盖的发育主要是受西风低压槽的控制，冰期时这里南北气流交换频繁，降雪量大增，在平原上首先形成常年不化的雪盖，然后逐年增厚形成广阔的大陆冰川。

 http://ch.sysu.edu.cn/hope/sites/geoscience/content/UploadFiles_9724/201003/20100304090653766.jpg
图12-8  平顶冰川

 http://ch.sysu.edu.cn/hope/sites/geoscience/content/UploadFiles_9724/201003/20100304090653805.gif
图12-9 阿拉斯加的Malaspina山麓冰川（SRTM Team NASA/JPL/NIMA）

三、冰川的分布

　　现代冰川在世界各地几乎所有纬度上都有分布。地球上的冰川，大约有2900多万平方公里，覆盖着大陆11%的面积。冰川冰储水量虽然占地球总水量的2.07％，储藏着全球淡水量的77.4％，是地球表面最重要的淡水资源,但可以直接利用的很少。如果将这些冰全部融化,将使世界洋面上升60多米。

　　根据《世界水量平衡和全球水资源》（1978）统计，冰川分布面积如表1所示，由表可见，南极大陆是世界上冰川最集中的地方，不仅冰川面积宽广，而且冰盖厚度巨大，平均厚度为2000m，最厚地方达4000m；非洲则是全世界冰川最少的大陆。这是由于非洲大陆纬度低，气温高而降水少，雪线位置高所致。北极附近则无冰盖，北极位于北冰洋中，北冰洋中的冰是海水上的浮冰，与大陆冰盖之冰是完全不同的。 

  表12-1 世界冰川分布

　　我国西部，高原雄踞，高山耸峙，孕育了许多山岳冰川，是世界上山岳冰川最发达的地区之一。据1999年最新的统计资料，我国总共有46298条冰川，总面积为59406平方公里。我国的冰川面积位于加拿大、俄罗斯和美国之后，居世界第4位。我国的冰川最西到帕米尔高原，最东到贡嘎山，最北到阿尔泰山，最南到云南丽江的玉龙雪山。

　　中国山岳冰川按成因分为大陆性冰川和海洋性冰川两大类。总储量约51300亿立方米。前者占冰川总面积的80%，后者主要分布在念青唐古拉山东段。按山脉统计，昆仑山、喜马拉雅山、天山和念青唐古拉山的冰川面积都超过7000平方千米，四条山脉的冰川面积共计40300平方千米，约占全国冰川总面积的70%，其余30%的冰川面积分布于喀喇昆仑山、羌塘高原、帕米尔、唐古拉山、祁连山、冈底斯山、横段山及阿尔泰山。