第四纪地质与环境：第六章 第四纪冰川与环境

1、第六章 第四纪冰川与环境第六章 第四纪冰川与环境第一节 第四纪冰期气候的开始第二节 冰冻圈及其环境意义 第三节 现代冰川的形成和分类第四节 冰川地貌第五节 冻土地貌第六节 重建第四纪冰冻圈第七节 冰芯记录第一节 第四纪冰期气候的开始一、岩石圈板块和板块运动 岩石圈板块的几何形态和运动特征是影响地球环境的主要内因之一。大海侵；洋流格局改变；火山活动促使大气CO2浓度增加。二、板块演化对大气和海洋的影响改变地表的海陆比例；影响全球热平衡；对全球和区域性气候也有重要影响。三、全球变冷和南极冰帽的扩张38Ma年前始新世末，有一次重要的变冷事件，是南极周围海面出现冰冻及大面积海冰形成的标志。30Ma前渐

2、新世，德雷克海峡形成，环南极流加强，南极冰盖规模加大。中中新世中期，面积广大的南极冰盖形成。中新世晚期，再一次明显的全球降温，气候变冷与海退。四、第四纪冰期气候的开始在接近第四纪开始的2.4MaB.P.时，北半球的中等规模的冰盖已经形成。由冷向暖的波动具有41ka的周期。从0.9MaB.P.以后，冰盖规模增大。气候的波动频率减小，具有约100ka的周期。第二节 冰冻圈及其在全球变化 和社会发展中的意义一、冰冻圈Cryosphere自然界所有的雪、冰以及陆地和海洋表面上、下的永久冻土组成的圈层称之为冰雪圈，又名冰冻圈。冰冻圈是气候系统的组成部分之一。定义：它由在一定低温条件下固态水冰川、冰盖、积

3、雪、海冰、河湖冰等以及地下冰掺杂的多年冻土、季节冻土等组成的特殊圈层。两极地区 冰盖变化 海冰监测 和冰山统计 积雪变化 冻土变化 北极土地利用和土地 覆盖变化 北半球雪盖变化（MODIS卫星资料） 冰冻圈关键地区（一）青藏高原 冰川变化， 积雪变化，冻土变化, 重大自然灾害监测 （雪灾、冰湖溃决等）三江源地区土地覆盖变化(草场退化、土地沙化）冰冻圈关键地区（二）冰冻圈组成积雪、冰盖、冰架、 冰川、海冰、河/湖冰、冻土积雪海冰冻土冰架冰盖冰川冰冻圈（全部）冰川冰盖 冰架永久冻土海冰 积雪 当前，多年冰雪覆盖了全球海洋面积的7，陆地面积的10左右，多年冻土占有陆地面积的24，季节性冰雪在1月覆盖

4、陆地面积的15，在7月覆盖9，而季节冻土更为广泛。二、冰冻圈与气候冰雪圈虽是气候的产物，但一经生成，又对气候有重要的反馈作用冰冻圈是地球系统五大圈层之一古气候和古环境的重要信息库气候系统变化的灵敏的指示器通过冰雪的反射率和冰川融化起作用 通过水循环影响气候 1、通过冰雪的反射率和冰川融化起作用 干净冰雪的反射率（50%-80%）比土（10%）和水（30）大得多，每年到达地面的太阳能大约有30消耗于冰雪圈中。由于冰川融化热和水的汽化热分别是同体积液态水升高1所需热量的80倍和539倍，因而冰雪圈在地表热量平衡中有举足轻重的作用。冰冻圈是地球表面与大气的天然绝缘层，导致大气层与岩石圈和水圈的相互作

5、用减少，并通过调节海洋与大气的水汽和热量交换来影响气候模式和大气环流。冰雪下垫面的变化主要是冰盖、海冰和积雪的收缩与放大，对能量平衡为基础的气候模式有重要影响。例如青藏高原积雪异常对东亚大气环流、印度降水以及长江中下游梅雨都有相当的影响。1、通过冰雪的反射率和冰川融化起作用 2、 通过水循环影响气候全球变暖、冰川和冰盖融化促使海平面上升，海洋面积扩大，蒸发增加，由海洋上水汽输送到大陆，大陆降水亦相应增加据计算，目前全球冰川的平均年消融量约3000km3，近乎全球河流水量的3倍。冰盖消融量的增减，将直接影响海平面的升降。如在2万年前的末次冰期盛时，水分集中在冰盖上，海面比现在低140米左右，现在

6、渤海、黄海、东海等大部分转为陆地，台湾与大陆联成一片，夏季风萎缩，陆地上降水量大幅度减小，从东北到长江流域的降水可能不足现代的一半。气候较现代冷、干 云Sun冻土海洋海冰大气-海冰耦合生物体大气-冻土耦合冻融过程 地面特性、反射率、植被等变化大气-冰雪耦合冰川积雪CH4 CO2 N2O太阳幅射大气-陆面耦合面积、反射率等变化储存环境记录水份循环海平面 海洋温度敏感指示器冰冻圈与气候系统H2O N2 O2 CO2 O3面积、反射率等变化冰盖-雪冻土和多年冻土热量交换气体交换积雪表层能量和水平衡径流河冰和湖冰能量交换径流输送冰川/冰盖/冰架/冰山物质平衡海冰表层能量平衡，生长与融化 海 洋海面变化

7、、海面温度和盐度、大洋环流 大 气气温、降水、辐射、环流、云陆 地土地覆盖、地形、地面温度、土壤水分冰冻圈与气候系统相互作用示意图冰冻圈研究的意义冰雪圈虽是气候的产物，但一经生成，又对气候有重要的反馈作用，成为气候形成的重要因子冰冻圈与大气圈、水圈、岩石圈和生物圈共同构成地球系统五大圈层气候系统变化的灵敏的指示器（冰川末端进退、厚度增减、面积扩缩可反映气候变化状况）冰冻圈是古气候和古环境的重要信息库，储存有很多气候与环境变化的信息。 如在南极冰盖钻取的Vostok冰芯、Dome C冰芯中分别包含了地球42万年和72万年以来的气候变化信息。 冰川是宝贵的淡水资源 南北极冰盖是地球上最大的潜在的淡

8、水资源，占全球总淡水量的77%，相当于71m的世界海平面变化。我国的冰川冰储量约为5590km3，占亚洲冰川总量的一半多。在西北内陆流域，冰川融水量约占河川径流量的1/4，是一些绿洲农业赖以生存和发展的生命线。冰雪灾害妨碍交通、旅游的发展，危害工农业生产。 如雪灾、道路风吹雪、雪崩灾害以及冰湖溃决洪水、冰川泥石流等严重影响我国西部地区的农、牧业生产和交通、通讯的安全。冰凌和海冰、冰山等对航运、海上采油等造成危害。（泰坦尼克号邮轮的沉没等）第三节 现代冰川的形成和分类 一、冰川的形成二、现代冰川的分类三、现代冰川的分布特征四、冰川学在全球变化研究中的作用一、冰川的形成冰川是分布在陆地表面能够长期

9、存在并具有运动特性的自然冰体，它是大气中各种形式的降水在特定地形单元内经沉降、压实、变质等过程转化成的具有运动特性的自然冰体。冰川是在一系列外部条件和内部因素长时间作用过程下形成的。其中外部条件主要包括：较低的气温、丰富的降水和一定的地形和地势；内部因素包括：粒雪化过程和成冰过程。(一)外部条件1.较低的气温：使冰雪消融量减少以至停止2.丰富的降水：冰川形成和发育所必须的物质基础3.一定的地形和地势：对于极地地区来说，由于常年低温和固体降水量积累，这一条件要求不高；但对于山地冰川来说，地形和地势仍然是影响冰川的形成、发育、形态、规模和性质的重要条件。一、冰川的形成一、冰川的形成(二)内部因素1

10、.粒雪化过程新降的雪呈现为多种形态，是一种极不稳定的固体降水形态。随着时间和外界条件的变化，雪花的晶体形态和大小也逐渐改变，成为球状的晶粒，称为粒雪。这一转化过程称为粒雪化过程。粒雪化过程还可以进一步细分为以下3种变质作用：融化-冻结变质作用；凝华再结晶作用；积雪沉陷作用.2. 成冰过程即粒雪变成冰川冰的过程。根据温度状况和融水参与的程度，成冰作用基本分为以下两种：重结晶成冰作用即冷而干的粒雪依靠不断增加的雪层重力而缓慢压实成冰的。压力增大使粒雪晶粒之间产生位移和变形，宏观上表现为雪-粒雪层的沉陷。在此过程中晶粒间的接触点变粗，形成的联接键使系统的总表面积减少，称为烧结。随着压力的增大，密度增

11、加，孔隙减少，分子扩散和晶粒内部变形占主导地位，其进一步发展可使孔隙完全封闭而形成冰川冰。一、冰川的形成(二)内部因素2. 成冰过程渗浸冻结成冰作用当气温达到或超过0C时，冰雪发生消融，融水向下渗浸，融水释放的热量部分融化了粒雪，温度降低冻结成冰，成为渗浸冻结冰，这个过程叫做渗浸冻结成冰过程。根据温度的高低和融水量的大小（即热力条件的强弱），它可以再细分为冷渗浸-重结晶、渗浸-冻结、暖渗浸-重结晶等不同的成冰过程。渗浸冻结成冰作用的雪层剖面内有冰层、冰片、冰透镜体等特征结构体，成为识别不同成冰过程形成的冰川冰的标志。一、冰川的形成(二)内部因素(三)密实化过程雪转变成冰的每一个过程都伴随着密度

12、的增大，我们称为密实化过程，它是雪向冰转化过程主要特征之一的形象表述。一、冰川的形成(三)密实化过程密实化过程可以用密度随深度变化曲线图加以说明。右图中赛特2站位于格陵兰的干雪线附近，可以代表重结晶成冰作用的密实化过程；另一地点是位于育空地区的一条温性冰川的湿雪带内，可以代表渗浸冻结成冰作用中的密实化过程。（椐Paterson,1994） 一、冰川的形成从图中可以看出：湿雪带内密实化速度要比干雪带内的快很多，粒雪变成冰（密度830kg/m3）的深度，在上斯沃德冰川约为13m，但在赛特2站则达66m。如果考虑积累率的影响，雪变成冰的时间在上斯沃德冰川为3-5年，但在赛特2站则需要100年以上。赛

13、特2站的密度随深度迅速增大，当到达550 kg/m3左右以后，变化有所减缓；在达到 830kg/m3以后又进一步减缓。研究表明， 550kg/m3为机械压密阶段转变为塑性变形和再结晶阶段的临界密度，通常称为第一临界密度； 830kg/m3为雪层内空隙封闭为气泡的临界密度，称为第二临界密度。若压力继续增大，随着冰内气泡不断被压缩，密度可一直增大到917kg/m3，即纯冰密度。这时，原来气泡中的气体被压缩到晶格边界上且以液态存在，成为极为珍贵的古大气成分的“化石”。若压力减小，气泡又可重新恢复，从冰芯中收集气泡中的气体为全球变化研究做出了重要贡献。 (四)冰川成冰作用带谱现代冰川自上游源头到冰川末

14、端冰舌，跨跃数百米乃至数千米的高度范围，其水热条件必然发生变化，因此在不同高度上冰川表面的成冰过程必然不同，即冰川表面的成冰作用按高度呈带谱状分布。典型的大陆型冰川自冰川末端到冰川顶部可以划分出消融带、附加冰带、湿雪带、渗浸带和干雪带。一、冰川的形成冰川成冰带分布图，（椐Paterson,1994） 冰川的形成（续）1.消融带，是指平衡线以下至冰川末端之间的冰体。位于冰川下游，气温高，消融强烈。暖季冰面无积雪，为冰川消耗最严重的区域，冷季表层可形成季节性附加冰。2.附加冰带，冰的形成主要靠渗浸一冻结成冰作用，是大陆型冰川占优势的成冰作用带。下界位于平衡线附近，上界为粒雪线，附加冰对冰川有补给作

15、用。3.湿雪带，成冰作用以融水渗浸作用为主导，主要由渗浸冰和部分附加冰组成，该带下界为粒雪线。4.渗浸带，表面仍有融水参与雪层改造，但融水不能透过一个年层的积雪，渗入雪层融水再冻结后形成冰透镜体或渗浸冰层，成冰年龄较长。5.干雪带，又称重结晶带，即使在夏季也不发生融化，因而无融水渗浸作用，成冰作用依靠雪一粒雪晶体间的物质迁移来实现，成冰时间漫长。是极地内陆地区和青藏高原极高海拔地带的主要成冰作用带。 一、冰川的形成 (五)冰川的物质平衡各种相态的降水在冰川上的堆积，即冰川的物质收入部分称为冰川的积累。冰川的消融是指冰川上的雪、粒雪和冰川冰等由于温度上升而融化、蒸发所造成的冰川物质的支出过程。冰

16、川上各种相态水的收入和支出之间的数量关系，即积累量和消融量的代数和，称为冰川的物质平衡。它不仅直接反映了冰川作用区的气候变化，导致冰川的进退，而且与冰川表面的热量平衡、冰体内的水文状态、成冰作用、活动层的温度状况，以及冰川运动速度等密切联系。一、冰川的形成在一个物质平衡年内，冰川上物质平衡等于0的点的连线称为物质零平衡线，简称平衡线（equilibrium line）。平衡线以上为冰川积累区，以下为消融区。雪线为消融期末冰川表面上粒雪的下限。严格来说，它们之间还有一个附加冰带；但在实际工作中，常常由于附加冰带很小和雪线容易确定等原因，使用雪线来代替平衡线。 (五)冰川的物质平衡一、冰川的形成冰

17、川成冰带分布图，（椐Paterson,1994） 冰川的形成（续）多年积雪区和季节积雪区之间的界线称雪线。气温、降水量和地形是影响雪线高度的三个主要因素。大陆冰川（大陆冰盖） 主要是指南极冰盖和格陵兰冰盖两大冰盖。它们占地球上冰川总面积的97%，总体积的99%。山地冰川 主要分布在地球中、低纬度的山地上，其中亚洲山区的冰川数量最多。山地冰川由于受到发育地形的限制，在空间上表现形态各异，规模大小不等。二、现代冰川分类 地理分类极地冰盖山地冰川 二、现代冰川分类 物理分类 主要根据冰川的冰温状况或热力特征因素，包括引起冰温状况差异的自然地理因素进行冰川分类。按冰川热力特征可以将冰川分为以下3类：暖

18、型冰川是指冰川整个纵剖面上都具有相应压力下的冰融点温度；冷型冰川是指冰川活动层直到底部为低于冰融点的温度所控制；过渡型冰川是指冰川表层是冷的而底部达到了相应的压力融点。 二、现代冰川分类 物理分类 按照水热条件和物理性质可以将冰川分为以下3类：大陆型冰川具有降水量少、气温低、雪线高、消融弱和冰川温度恒为负温等特点，成冰过程以渗浸冻结作用为主，可以进一步分为极大陆型冰川和亚大陆型；海洋型冰川具有降水量多、气温高、雪线低、消融强和冰川温度处于压力融点等特点，成冰过程以暖渗浸作用为主；复合型冰川是指亚洲中部一些长度在20km以上的大型山谷冰川。它们从高山源地下降到冰川末端，往往跨越几个垂直气候带，同时具有大陆型和海洋型冰川的一些特性。海洋性冰川遗迹（据苏珍和施雅风，2000；郑本兴，2001 ）玉龙山则普冰川南迦巴瓦贡嘎山根据冰川的规模、形态、地貌部位、地理环境等，分为：1 山岳冰川 主要分布在中低纬度地区高山上，形态受地形的严格限制。冰斗冰川：发育在围椅状洼地（冰斗）中的冰体，都有一个陡峭的后壁，那里经常发生雪崩或冰崩。悬冰川：从冰斗中伸出较长的冰舌，前端停滞在高悬的山坡上或支沟谷之中的冰川。对气候变化十分灵敏。山谷冰川：在有多量冰雪补给的情况下，一条冰斗冰川的冰舌或数条冰斗冰川汇合顺山谷伸延比较远的冰川。 三、现代冰川分类2 大陆冰川 目前只发育在两极地区。面积