冰川及冰川作用
冰川的地质作用及冰川地貌

一、冰川侵蚀作用

　　冰川和它所携带的岩石碎块对地面进行掘蚀和磨削称为冰川的侵蚀作用，冰川有很强的侵蚀力，形成的地貌特征显著，如陡峭的山峰、尖锐的山体、宽大的U形谷、切割山嘴，此外，还有大量的磨光面、擦痕等。根据冰岛河流含沙量的分析，冰源河流含沙量超过非冰源河流的5倍。冰川的侵蚀作用方式分两种，即挖掘作用和磨蚀作用。

1. 挖掘作用（plucking）

　　挖掘作用又称拔蚀作用，是冰床底部或冰斗后背的基岩，沿节理反复冻融而松动，如果这些松动的基岩再与冰川冻结在一起时，冰川向前运动就把岩块拔起带走。冰川的压力可以使岩石破碎。同时渗入到岩石裂隙中的冰融水冻结膨胀，促使岩石破裂及冰劈作用。破裂的岩石被冰体挖掘出来，冻结在冰川底部或侧部，随冰体移动。所以，拔蚀作用是冰川侵蚀破坏最强的一个过程，也是大岩块和岩屑带入冰内或冰川底部的主要方式。

2. 磨蚀作用（abrasion）：

　　冰川所以能侵蚀地表，主要依靠冰中所含有的岩石碎块（冰碛）（moraine），特别是冰川底部冰中所夹岩石碎块突出冰外时，就成为铁犁和挫刀一样的有力工具，就像砂轮一样在运动过程中不断锉磨冰床，这种作用叫磨蚀作用。特别是大陆冰盖在巨厚冰川的自重压力下，这种磨蚀作用更为强烈。这种作用在山地冰川中，海洋型冰川的磨蚀作用要比大陆型冰川强烈得多。磨蚀作用主要造成一些细粒物质，其主要组成是砂、粉砂和粘土等细颗粒物质，这种作用也是磨光面、羊背石、槽谷等冰川地貌类型的塑造动力。
     
 二、冰川侵蚀地貌

　　由冰川的侵蚀作用塑造的地貌称为冰蚀地貌。常见的冰蚀地貌有冰斗（cirque）、刃脊（knife-edge crest）和角峰（horn peak）、冰蚀谷（U-shaped valley）（U-shaped valley）、串珠湖（paternoster lake）、悬谷（hanging valley）、冰川磨光面（polish plane）和冰川擦痕（glacial striate），羊背石（roche moutonnée）等。

 1. 冰斗、刃脊和角峰

　　主要是冰斗冰川在发展过程中塑造的地貌。其中，冰斗由冰斗壁、盆底和冰斗出口处的冰坎所组成，外形呈三面由陡壁所围，开口朝向坡下的围椅状。冰斗形成于雪线附近的积雪凹地，其形成原因是在地势低洼处，剧烈的寒冻风化作用，使基岩迅速冻裂破碎。崩解的岩块随着冰川运动搬走，洼地周围不断后退拓宽。底部被蚀深，并导致凹地不断扩大形成冰斗。当冰川消退后，冰斗底部往往积水产生冰斗湖。由于冰斗底部高度与雪线分布高度近于一致，所以经常以古冰斗来推断古雪线的位置。

　　思考：为什么冰斗可以代表雪线的位置？

　　由于冰斗后壁受到不断的挖蚀作用。斗壁发生溯源侵蚀，使斗壁不断后退。当两个冰斗或冰川谷地间的岭脊变窄，最后形成薄而陡峻的刀刃状山脊称为刃脊（图12-10），也叫鳍脊；当不同方向的数个冰斗后壁后退，发展成为棱角状的陡峻山峰，叫做角峰（图12-10，11）。

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 图12-10 角峰、刃脊、悬谷、三角面 
 
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图12-11  角峰

 3. 冰蚀谷（U 形谷）

　　由山谷冰川剥蚀作用所形成平直、宽阔的谷地，叫冰蚀谷，因其横截面是U形，故又称U谷或幽谷（图12-12），它是山谷冰川最主要的地貌特征。山谷冰川总是循原有的沟谷流动，具有强大压力．携带大量的冰碛物质，对谷地进行剥蚀，使沟谷由原来的V形变成U形，两壁呈陡峻的三角面。在谷底或谷坡基岩上可能有冰擦痕或磨光面，谷底纵剖面有时呈阶梯状，相间分布着洼地和突起。被冰斗或幽谷切割的岩坎称冰坎，也是冰川谷的重要特征之一。

 3. 串珠湖

　　又称冰川梯级湖，是指在同一个冰川谷中，冰斗上下串连或冰碛叠置地区，不同高度上排列着两个以上的冰成湖群。

　　思考：为什么冰蚀谷中会发育串珠湖？

4. 悬谷

　　悬谷的形成是来自于冰川侵蚀力的差异，主冰川因冰层厚、下蚀力强，故U型谷较深；而支冰川因为冰层薄、下蚀力弱，故U型谷较浅。因为在支冰川和主冰川的交汇之处，常有冰川底高低的悬殊，当支冰川的冰进入主冰川时必为悬挂下坠成瀑布状，称之为悬谷。
 

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  图12-12  Hulahula河U形谷 （after Douglas Yate 1988）

　　思考：河谷两侧会出现类似冰川的“悬谷”吗？

5. 冰川磨光面和冰川擦痕

　　在羊背石上或U型谷谷壁及在大漂砾上，常因冰川的作用而形成磨光面，当冰川搬运物是砂和粉砂时，在较致密的岩石上，磨光面更为发达；若冰川搬运物为砾石，则在谷壁上刻蚀出条痕或刻槽，称之为冰川擦痕（槽）（图12-13），擦痕的一端粗，另一端细，粗的一端指向上游。
 

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图12-13 川西贡嘎山冰川谷壁上的磨光面和巨大擦槽（傅建利摄）

6. 羊背石

　　是由冰蚀作用形成的石质小丘，特别在大陆冰川作用区，石质小丘往往与石质洼地、湖盆相伴分布，成群地匍匐于地表，犹如羊群伏在地面上一样，故称羊背石。它由岩性坚硬的小丘被冰川磨削而成。顶部浑圆，形似羊背。具有卵形的基部。纵剖面前后不对称，迎冰坡一般较平缓和光滑，背冰坡较陡峻和粗糙。羊背石的长轴方向，与冰川运动的方向平行，因而羊背石也可以指示冰川运动的方向。

三、冰川的搬运作用

　　冰川将刨蚀的产物以及坠落冰面的风化物一齐冻结于冰体之中，像传送带一样将它带到冰川的前端，为冰川的搬运作用。冰川搬运物都是碎屑物，在冰川中呈固着状态。除因冰体不同部分运动速度有所差异，某些粗大碎屑物相互之间可以局部发生摩擦，以及位于冰川底部和边缘的碎屑物可以和冰床基岩发生摩擦以外，绝大多数搬运物在冰体内不能自由转动和位移，不能相互作用，因而在搬运过程中难以受到改造。这是冰川搬运和水流搬运的重要区别。

　　其次，由于冰川是固体介质，尽管其流速很慢，但其搬运能力很强，它可以将直径达数十米的巨大石块搬运很长距离。大陆冰川以冰山的形式伸入高纬度地带的海洋中，将大量粗大的碎屑物带入海洋中沉积，能造成异常的海底沉积物分布。这是冰川搬运和流水搬运的又一重要区别。

    搬运物按其所在冰体中所处部位，可分为不同类型。位于冰川表面者称为表碛（surface moraine）；陷入冰体内部者称为內碛（internal moraine）；位于底部者称为底碛（ground moraine）；分布在冰川两侧者称为侧碛（lateral moraine）（图12-14）。两条冰川汇合后，相邻的两条侧碛在汇合点以下并合成一条，成为位于冰川中间的中碛（medial moraine）。

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 图12-14 冰川堆积的底碛、侧碛、中碛

四、冰川堆积作用及冰川堆积地貌

1. 堆积作用

 　　冰川搬运的碎屑物质，由于过多、过重，或因冰川受阻，或因气温升高融化，从冰川体中分离堆积下来的作用，称为冰川的堆积作用。直接从冰川中堆积下来的物质，称为冰碛物（图12-15）。

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图12-15 内布拉斯加冰期的花岗岩冰川漂砾（红箭头处），美国中部大平原并无花岗岩
露头，说明该砾石来自遥远的地方（张珂摄于美国内布拉斯加州机场广场）

2. 冰川堆积物（冰碛物）特征

（1） 缺乏分选（不等于没有分选），在各种较细的基质中，常含有大小不等的岩屑（包括卵石）；

（2） 结构趋向于块体状，没有平整的纹理或均匀的层理；

（3） 成分为各种矿物和岩石的混合物，其中有些曾经长途搬运而成多面体岩块，亦有未经长途搬运而成磨圆卵石（冰下冰碛物中）；

（4） 冰碛物中有擦痕石和具有微弱擦痕的颗粒；

（5） 长条形碎屑物可能有一个共同的方向；

（6） 由于沉积期间承受了巨大的压力，因此，可能比周围其他沉积物更为坚实；

（7） 由于搬运期间的频频破裂和局部磨蚀，岩屑形状以次棱角占优势；

（8） 冰碛层可能位于具有擦痕的基岩或沉积底床上。

    以上特征仅系一般情况而言，而各个地区或同—地区不同时代的冰碛物的构成细节又各具特色。

3. 冰碛物与冲积物的对比

　　冰碛物皆由碎屑物组成；大小混杂，缺乏分选性，经常是巨大的石块或细微的泥质物的混合物；碎屑物无定向排列，扁平或长条状石块可以呈直立状态；无成层现象；绝大部分棱角鲜明；有的角砾表面具有磨光面或冰擦痕，擦痕的长短不一，大的擦痕长数十厘米以上，小的擦线细似头发丝；冰擦痕形状多样，有的呈钉形，一端粗而深，一端细而浅，具有擦痕的冰碛砾石称为条痕石，有的砾石受冰川压力长期作用而弯曲，称为“猴子脸”；根据扫描电镜观察，冰碛物中的石英砂粒形态不规则，棱角尖锐，表面具有碟形凹坑，坑内有贝壳状断口及平行阶坎；含有适应寒冷气候的生物化石，如寒冷型的植物孢子等。而河流冲积物具有分选性较好；磨圆度较好；成层性较清楚；具很好的韵律性；具有流水成因的沉积构造。

 4. 冰川堆积地貌

　　由冰川堆积作用形成的地貌，主要由冰碛物组成，包括冰碛丘陵、侧碛堤、终碛垄和鼓丘等。
　　（1）冰碛丘陵（基碛丘陵）（moraine hill）。冰川消融后，原来的表碛、内碛和中碛都沉落到冰川谷底，和底碛一起统称基碛。这些冰碛物受冰川谷底地形起伏的影响或受冰面和冰内冰碛物分布的影响，堆积后形成波状起伏的丘陵，称冰碛丘陵或基碛丘陵（图12-16左）。
大陆冰川区的冰碛丘陵规模较大，高度可达数十米至数百米，例如北美的冰碛丘陵高400 m。山岳冰川也能形成冰碛丘陵，但规模要小得多，如西藏东南部波密，在冰川槽谷内的冰碛丘陵，高度只有几米到数十米。冰碛丘陵之间的洼地，如果是漂砾和粘土混合组成，透水性很小，常能积水成池。

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图12-16 冰碛丘陵（左）与蛇形丘（右）

（2）侧碛堤（lateral moraine dam）。由于冰川对谷壁的剥蚀作用及崩塌作用，在冰川两侧及冰川表面边缘聚集了大量碎屑物质。当冰川融化时，这些物质就以融出的方式堆积在冰川谷的两侧，形成与冰川平行的长堤状地形称侧碛堤。当冰川两侧发育着边沿沟槽时，槽中流水可将侧碛堤完全毁掉或加工成冲积物，或仅仅冲掉侧碛堤的靠山坡部分。有的地区在山坡的不同高度上存在着多道侧碛堤，它们可以是同一冰期不同融化阶段的产物，也可以是不同冰期的产物。

（3）终碛堤（尾碛堤）（terminal moraine dam）  当冰川的补给和消融处于相对平衡状态时，冰川的末端较长时期停留在某一位置，这时由冰川上游搬运来的物质，在冰川尾端堆积成弧形的堤，称终碛堤（尾碛堤）（图12-17）。

    大陆冰川终碛堤的高度约30一50 m，长度可达几百公里，弧形曲率较小。山岳冰川的终碛堤可高达数百米，长度较小，弧形曲率较大。

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 图12-17 综合的大陆冰川的边缘地貌（据Wikimedia百科略改，2009）

　　终碛堤成因和冰川的进退有关。当冰川处于平衡状态时，冰舌处的大量底碛和内碛沿冰体剪切面被推举到冰川表面形成表碛，另一部分内碛由于冰川表面消融而出露为表碛。这些表碛如滚落到冰川末端边缘堆积下来，待冰川退缩时，就形成弧形的终破堤。这种成因的终碛堤称冰退终碛堤。如果冰川的积累大于消融，冰川前进，除一部分冰碛沿冰体剪切面被推举到冰川表面再滚落到冰川末端边缘外，同时冰川以外的谷地中的砂砾或过去的冰碛层也被推挤向前移动，形成终碛堤，称推挤终碛堤。

（4）鼓丘（drumlin）（图12-17）。鼓丘是由一个基岩核心和冰砾泥组成的丘陵。它的平面呈椭圆形，长轴与冰流方向一致，纵剖面呈不对称的上凸形，迎冰面一坡缓，是基岩，背冰面一坡陡，是冰碛物。它的高度可达数十m。北美的鼓丘高度为15-45m，长450-600 m，宽为150-200 m。欧洲有些鼓丘高只有5-10 m，但长度可达800-2600m，宽300-400m。

　　鼓丘分布在大陆冰川终碛堤以内的几km到几十km范围内，常成群分布。山谷冰川终碛堤堤内也有鼓丘分布，但数量较少。鼓丘的成因是冰川在接近末端，底馈翻越凸起的基岩时，搬运能力减弱，发生堆积而形成。

 5. 冰水堆积地貌

 　　冰水堆积地貌是冰融水将原来冰川搬运堆积的物质经过再搬运堆积而成。经冰水搬运，沉积在冰川内部或附近的堆积物，称冰水沉积物。冰水沉积物可分为冰前沉积和冰川接触沉积两类。

     （1）冰前沉积。是冰水流出冰川以后，在冰川外围堆积起来的沉积物。其主要地貌为冰水扇（outwash fan）、冰水冲积平原（glacial fluvial alluvial plain）、冰水阶地及冰湖沉积等。如果冰川外围是平坦开阔的地形，冰水流出冰川末端后，立即分散为没有固定河床的细小股流，形成辫状水系。冰水携带的碎屑物质就在冰前堆积起来形成平缓的扇状地形，称冰水扇（图12-18）。一系列冰水扇连接起来就构成冰水冲积平原。

     （2）冰水阶地（fluvial glacial terrace）。冰川前为谷地时，则冰川触水在谷中形成冰水阶地。冰水阶地冲积物属辫状河沉积，具有厚度大、易风化岩石数量多、分选差等特点，在剖面上、下粗上细的粒序层多次重复。

     （3）冰湖沉积（glacio-lacustrine deposit）。包括冰湖三角洲沉积和冰湖底沉积。当冰水河流流入冰湖，或冰川直接濒临湖畔，在冰湖岸边就会产生冰湖三角洲沉积，这种沉积与普通三角洲沉积没有多大差别。所不同者冰湖三角洲沉积含有冰川砾石。

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   图12-18  冰水扇（据USGS）

     
 6. 冰川接触沉积 

　　冰川接触沉积又名冰界沉积，是冰川区内或紧靠冰川的冰水沉积物。因此这种冰水沉积与冰碛物相互混杂、交叉和重叠，还经常受到冰流的搅动，原生堆积形态和沉积构造常被破坏，特别是沉积物四周冰的融化，导致沉积物本身的崩塌或塌陷，更加剧了这种破坏程度。冰川接触沉积的最大特征是沉积期后变形。这种沉积构成如下几种常见地貌形态。

    （1）锅穴（kettle）（图12-17）。锅穴是指边缘陡峭的盆形或碗状孔洞或凹陷，由冰川退缩过程中停滞于冰川沉积物中的巨大冰块融化而形成。锅穴大部呈圆形，直径一般约几十米。在加拿大平原地区有很多第四纪冰川退缩所形成的锅穴湖泊（kettle lake）。

（2）蛇形丘（esker）。蛇形丘主要是发育在大陆冰川区的地形，状如铁路路基的狭而长的垅状高地，并随地形高低起伏变化（图12-16右，图12-17）。它由经过分选和冲洗的砾石、砂组成，有明显的不均匀斜交层理，是冰下河道在出水口处的冰水沉积物，随冰川后退而堆积增长。山谷冰川的蛇形丘规模不大，大规模的蛇形丘是大陆冰川的重要遗迹。