第11讲 冰川地貌与冰缘地貌3.ppt.Convertor.doc

第五章冰川与冰缘地貌第一节冰川的形成及其类型第二节冰川作用与冰川地貌第三节冰缘过程与冰缘地貌冰缘原指冰川边缘地区，现已泛指所有不被冰川覆盖的气候严寒地区，因气候寒冷，地层处于冻结状态，大致与多年冻土分布范围相当。在这样的区域内，地层的冻融过程是寒冷气候条件下特有的地貌过程，由此产生的地貌称为冰缘地貌，也可称为冻土地貌。冰缘(periglacial)的概念冰缘(periglacial)的由来The periglacial was first used by Polish geomorphologist Waleryvon Lozinzki in 1909 to describe frost weathering conditions in the Carpathian Mountains of Central Europe. In 1910, the idea of a periglacial zone was established at the Geological Congress in Stockholm to describe climatic and geomorphic conditions in areas peripheral to Pleistocene ice sheets.In modern usage, periglacial refers to a wider range of cold but glacial conditions, regardless of their proximity to a glacier.第三节冰缘过程与地貌一、冻土二、冰缘作用与冰缘地貌三、冰缘地貌的发育凡是温度在0或0以下，并含有冰的各种岩石和土壤称为冻土。按岩土冻结时间的长短，冻土一般可分为夏季融化的季节冻土和终年不化的多年冻土两类。1. 冻土的概念极地、亚极地地区和中低纬的高山、高原地区，气温很低，但在较强的大陆性气候条件下，降水量很少，地表没有积雪，当年平均气温和地温都处于0或0以下时，一定深度以下的土层处于长期冻结状态，这种土层称多年冻土(permafrost)。冻土随季节变化或昼夜变化而发生周期性的融冻，如果冬季土层冻结而夏季全部融化的，称季节冻土(seasonal frozen earth)。土体或岩石因周期性融冻作用发生的破坏、扰动和运移产生的地貌现象称冻土地貌。由于冻融作用多发生在冰川边缘地区，所以冻土地貌也称冰缘地貌(periglacial landforms)。冻土与工程冻土是一种对温度极为敏感的土体介质。周期性的冻融变化往往很容易导致路基和路面塌陷、下沉、变形、破裂。 所以，冻土工程中温度是一个关键参数。由此也决定了冻土工程的稳定性与气候变化的关系十分密切。冻土与工程冻土与工程青藏铁路是世界上海拔最高和线路最长的高原铁路，全长约1956km。穿越多年冻土区长度为632km，其中大片连续多年冻土区长度约550km，岛状不连续多年冻土区长度约82km。年平均地温高于-1.0多年冻土区275km，高含冰量多年冻土区221km，高温高含冰量重叠路段约为134km。高原、冻土和生态脆弱就成为青藏铁路修筑的三大难题，而冻土问题是青藏铁路成败的最关键问题。在极不稳定的冻土地段，采用铺设保温层、通风路基、清除富冰冻土、热棒制冷、以桥代路等综合技术措施。青藏公路上的“热棒林带”铁路路基的“热棒制冷”2. 冻土的分布世界多年冻土区面积约为3500万km2,占地球全部大陆面积的25%。俄罗斯和加拿大是冻土分布最广的国家。1927年,前苏联科学家苏姆金的苏联境内永久冻结土壤一书问世,标志冻土学开始成为一门独立学科。北半球的冻土分布Permafrostology 冻土学冻土学的研究内容：(1)冻土带和冻土层形成、分布和发展的规律；(2)冻土和正在冻、融土的成分、组织结构，及其物理力学、物理化学作用和性质；(3)冻土和正在冻、融土的地球物理、地质、地貌过程和现象；(4)在人类活动影响下，冻土和正在冻、融土的水热交换过程、力学过程及其控制方法。普通冻土学工程冻土学我国多年冻土分布在东北北部地区、西北高山区及青藏高原地区。冻土面积约215万平方公里，占全国总面积的22.3%。3. 冻土的厚度(影响因素:纬度、高度、自然地理条件)多年冻土的厚度从高纬到低纬逐渐减薄，以至完全消失。北极的多年冻土厚达1000m以上，年平均地温为-15，永冻层的顶面接近地面。向南，到连续冻土的南界，多年冻土厚度减到100m以下，地温为-3-5，永冻层的顶面埋藏加深。多年冻土的南界，年平均低温接近0，冻土厚度仅12 m。中、低纬度的高山高原地区，多年冻土的厚度主要受海拔高度控制。海拔越高，地温越低，冻土层越厚，活动层也越薄。加拿大南北向冻土剖面active layerpermafrostcontinuous permafrostdiscontinuous permafrostpermafrost islands52N在同一纬度和同一高度处的冻土厚度还有差别，这和其它自然地理条件有关：(1)气候的影响 (2)岩性的影响(3)坡向和坡度的影响(4)植被和雪盖的影响47N4. 冻土的结构冻融扰动构造（冰卷泥）1.季节冻结层；2.因聚冰作用而脱水的粗砂砾层；3.脱水的袋状砂砾；4.被扰动的含水砂层；5.多年冻结层由于季节性冻结自地表向下发展，导致它与多年冻土层之间的融层承受冻胀挤压作用而发生塑性变形，产生多种奇特的冻融扰动构造或称冰卷泥。几种冻融扰动构造A.沙粘土舌侵入上覆沙砾层 B.冰冻囊状构造C.不规则冰卷泥 D.与冻裂风化上升柱有关的花彩弧 冻融扰动构造5. 冻土的热状态多年冻土的热状态是由地热自然增温和气温的影响而变化的。多年冻土温度状况剖面6. 冻土的成因(origin of permafrost)(1)残留冻土现在世界上所见到的多年冻土绝大部分是第四纪冰期时的遗留物。在间冰期，在高山和高纬的气温很低的大陆性气候地区，仍保留下来大面积冻土，这部分没有融化而保存下来的冻土称为残留冻土。(2)新生冻土此外，还有一部分冻土是全新世以来形成的，称新生冻土。第三节冰缘过程与地貌一、冻土二、冰缘作用与冰缘地貌三、冻缘地貌的发育二、冰缘作用与冰缘地貌多年冻土区的地貌形成与冻融作用直接相关。 冻融作用是指冻土层中的水在气温周期性的正负变化影响下，不断发生相变和迁移，使土层反复冻结融化，导致土体或岩体的破坏、扰动和移动。 冻融作用是寒冷气候条件下特有的地貌过程(即冰缘作用过程，periglacial process)，并能形成各种冻土地貌。冻融作用过程有雪蚀作用、寒冻风化、冻胀冻裂、冻融分选、冻融蠕流、热融作用等具体表现形式。（一）冰缘作用过程1.寒冻风化作用寒冻风化是因气温正负温频繁交替过程中，岩石节理裂隙中水分冻结膨胀以及岩石中不同矿物颗粒差异膨胀及收缩而导致的岩石机械破碎过程。形成的冰缘形态有冰缘岩柱、冰缘岩堆、石海、石河、倒石堆、岩屑锥及岩屑裙等。2.雪蚀作用雪蚀作用与寒冻风化不同之处，在于有水分参与充分，由节理裂隙中水分冻结体积膨胀而导致岩石崩解破碎的过程要强于温差波动而引起岩石破碎的过程。雪蚀作用主要发生在雪线附近山坡上的积雪洼地周边。雪蚀作用往往形成雪蚀洼地，进一步发展可能演化为冰斗。3.冻融蠕流作用冻融蠕流作用的产生包括两个过程，其一是冻爬过程，即斜坡土体冻结时隆升，融沉时回落而产生向坡下移动；其二，由于融化期间季节融化层饱水受重力作用影响而顺坡向下的蠕流过程。形成的冰缘形态有泥流阶地、泥流舌、石冰川、石河等。冻融蠕流是多年冻土区坡面的主要冰缘过程。4.冻胀-冻裂作用在水分的参与下，岩层经过反复冻融作用产生体积膨胀或收缩的过程。形成的冰缘形态主要有冻胀丘、冰锥、多边形构造土、冰楔、砂楔等。5.冻融分选作用季节融冻层在频繁的正负温波动下反复冻结和融化，由于差异冻胀使不同粒度成分的物质产生分异、重新组合的过程。形成的冰缘形态主要有石环、石网、石条、石带等。6.热融作用冻土中地下冰因温度升高产生融化的过程。形成的冰缘形态主要有热融滑塌、热融洼地、热融湖等。（二）冰缘地貌类型1、石海、石河和石冰川2、多边形构造土3、石环4、冰核丘5、冻融泥流6、热融洼地1、石海、石河和石冰川石海(block field)在寒冻风化作用下，岩石遭受崩解破坏，形成大片巨石角砾，就地堆积在平坦的地面上，形成石海。石海形成的条件:(1)气温常在0上下波动，日温差大，并有一定湿度，使岩石沿节理反复寒冻崩解；(2)地形平坦，使寒冻崩解的岩块不易顺坡移动而保存在原地；(3)坚硬而富有节理的块状岩石，在寒冻作用下常崩解成大块岩块，得以保留在原地。石海（内华达）（A.Strahler，1999）石海往往形成于富有节理的花岗岩、玄武岩和石英岩等坚硬岩性地区，而在页岩等软弱岩性区则很难发育石海。石海常在同一走向、同一岩性和一定高度的山坡上部发育，有一条平整的界限，称石海线。泰山之巅，石柱林立古冰缘地貌黄山奇峰林立古冰缘地貌石河(block stream)在山坡上寒冻风化产生的大量碎屑滚落到沟谷里，堆积厚度逐渐加大，在重力作用下发生整体运动，形成石河。石河运动是石块沿湿润的碎屑下垫面或永冻层的顶面在重力作用下移动，温度变化起重要作用，引起碎屑空隙中水分的反复冻融和体积的胀和缩，促使石河向下运动。石河中的岩块经长期运动，可以搬运到山麓停积下来，形成石流扇。石河停止运动是气候转暖的标志之一。乌鲁木齐河源的石河（3550米）冰缘碎屑坡石冰川(rock glacier)当冰川退缩后，聚集在冰斗和冰川槽谷中的冰碛物，在冻融作用下顺谷地下移，形成石冰川。内部常夹有冰川冰，是由内部冰冻结起来的具棱角的碎屑物构成的巨型的叶状或舌状地貌。石冰川的运动和岩屑内部冰的流动有联系，也有的是岩屑整体沿底床滑动。石冰川平面形状很像冰川舌，并可在舌部形成弧形石带，形似冰川终碛。也有的教科书认为：大型的石河就是石冰川。昆仑山石冰川岩屑流（加拿大）（A.Strahler,1999）天山乌鲁木齐河源石冰川（3650米）天山玉希莫勒盖达坂石冰川（3600米）2. 多边形构造土 (Polygon)在第四纪松散沉积物的平坦地面上，由冻胀、冻裂作用，使地面形成多边形裂隙，构成网状，称为多边形构造土。从地表平面看，裂隙组成多边形，从剖面上看，裂隙呈楔形。根据楔子内的填充物的不同，又分为冰楔和砂楔。Aerial view of ice-wedge polygons in the Canadian Arctic冰楔(ice wedge)在多年冻土区，地表水周期性注入到裂隙中再冻结，使裂隙不断扩大并为冰体填充，剖面成为楔状，称为冰楔。一般地，冰楔的宽度和寒冻频度成正比，冰楔的深度和寒冷程度成正比。冰楔的增长速度很慢，根据南极大陆、加拿大和阿拉斯加等地的观测，冰楔增长速度大约为1 mm/a。现代活动的冰楔仅在年均温-6-8C多年连续冻土区，在不连续多年冻土区不发育或不活动。冰楔的形成条件(1)有深入到永冻层中的裂隙，并为脉冰所填充；(2)冰楔的围岩具可塑性，水在裂隙中冻结、膨胀，围岩不断受挤压变形，冰楔不断展宽；(3)需要严寒的气候条件，年平均温度一般为-6-8。冰楔形成示意图a.后生冰楔b.多层后生冰楔c.同生冰楔根据冰楔形成时间和围岩形成时间的先后关系，可将冰楔分为：后生冰楔和同生冰楔。先后先后同时形成更后砂楔 (sand wedge)砂楔与冰楔形态相似，但裂隙中填充的不是脉冰，而是松散的砂土，叫砂楔。砂楔的形成：(1)砂楔可从冰楔演变而来，当冰楔内的脉冰完全融化后，砂土代替冰体填充于楔内，形成砂楔，所以又把砂楔看成古冰楔。(2)砂楔也可在地面冻裂过程中，沙土直接填充在裂隙中。3. 石环(Stone circle)石环是由较细粒土和碎石为中心，周围由较大砾石为圆边的一种环状冻土地貌。石环形成在有一定比例细粒土的地区，细粒土一般不少于总体积的25%35%，且土层中含有充足的水分。A ground-level view of a plain filled with rock debris sorted into myriad stone circles 3-5 m in diameter. This striking example of patterned ground was photographed in west Spitsbergen, part of the Arctic Oceans Svalbard island chain that belongs to Norway.石环是冻土中颗粒大小混杂的松散砂砾层，由于饱含水分，经频繁的冻融交替，造成物质分选形成的。石环的形成： 垂直分选使岩块被抬举到表面垂直分选示意图水平方向的分选是在活动层上部和地表进行的。冻胀时，含水较多的细粒砂层冻胀要比含水较少的粗粒碎石大，故形成一个微凸的膨胀中心，分布在表层的砾石从膨胀中心向四周移动。解冻时，先融化的细粒砂土回到原来的位置，填充融化后的空隙，等到粗砾下部也融化时，粗砾则不能回到原来位置，只好向四周较低部位移动，最后形成以砾石和碎石为边缘的石环。石环的形成： 水平分选顶面岩块向四周移动，并汇集成环边4. 冰核丘(pingo)冻土层中常夹有未冻结层，未冻结层中的水在地下慢慢移动、聚集并凝结成冰体，使地面膨胀隆起，形成以冰为核心、地面有数十厘米至数十米高的土层或泥炭的小丘，称冰核丘(或冻胀丘)。冰核丘多为圆形椭圆形，顶部扁平，多发育方向不一的张裂隙，周坡较陡。冰核丘This prominent pingo, located in the Mackenzie River delta of the northwest Canada, certainly ranks in the largest size category exhibited by these periglacial landforms.有冰核的冻胀丘冻胀丘季节性冻胀丘冻胀丘遗迹诺尔盖岩屑坡小冻胀