1、第六章 第四紀(jì)冰川與環(huán)境第六章 第四紀(jì)冰川與環(huán)境第一節(jié) 第四紀(jì)冰期氣候的開(kāi)始第二節(jié) 冰凍圈及其環(huán)境意義 第三節(jié) 現(xiàn)代冰川的形成和分類第四節(jié) 冰川地貌第五節(jié) 凍土地貌第六節(jié) 重建第四紀(jì)冰凍圈第七節(jié) 冰芯記錄第一節(jié) 第四紀(jì)冰期氣候的開(kāi)始一、巖石圈板塊和板塊運(yùn)動(dòng) 巖石圈板塊的幾何形態(tài)和運(yùn)動(dòng)特征是影響地球環(huán)境的主要內(nèi)因之一。大海侵；洋流格局改變；火山活動(dòng)促使大氣CO2濃度增加。二、板塊演化對(duì)大氣和海洋的影響改變地表的海陸比例；影響全球熱平衡；對(duì)全球和區(qū)域性氣候也有重要影響。三、全球變冷和南極冰帽的擴(kuò)張38Ma年前始新世末，有一次重要的變冷事件，是南極周圍海面出現(xiàn)冰凍及大面積海冰形成的標(biāo)志。30Ma前漸

2、新世，德雷克海峽形成，環(huán)南極流加強(qiáng)，南極冰蓋規(guī)模加大。中中新世中期，面積廣大的南極冰蓋形成。中新世晚期，再一次明顯的全球降溫，氣候變冷與海退。四、第四紀(jì)冰期氣候的開(kāi)始在接近第四紀(jì)開(kāi)始的2.4MaB.P.時(shí)，北半球的中等規(guī)模的冰蓋已經(jīng)形成。由冷向暖的波動(dòng)具有41ka的周期。從0.9MaB.P.以后，冰蓋規(guī)模增大。氣候的波動(dòng)頻率減小，具有約100ka的周期。第二節(jié) 冰凍圈及其在全球變化 和社會(huì)發(fā)展中的意義一、冰凍圈Cryosphere自然界所有的雪、冰以及陸地和海洋表面上、下的永久凍土組成的圈層稱之為冰雪圈，又名冰凍圈。冰凍圈是氣候系統(tǒng)的組成部分之一。定義：它由在一定低溫條件下固態(tài)水冰川、冰蓋、積

3、雪、海冰、河湖冰等以及地下冰摻雜的多年凍土、季節(jié)凍土等組成的特殊圈層。兩極地區(qū) 冰蓋變化 海冰監(jiān)測(cè) 和冰山統(tǒng)計(jì) 積雪變化 凍土變化 北極土地利用和土地 覆蓋變化 北半球雪蓋變化（MODIS衛(wèi)星資料） 冰凍圈關(guān)鍵地區(qū)（一）青藏高原 冰川變化， 積雪變化，凍土變化, 重大自然災(zāi)害監(jiān)測(cè) （雪災(zāi)、冰湖潰決等）三江源地區(qū)土地覆蓋變化(草場(chǎng)退化、土地沙化）冰凍圈關(guān)鍵地區(qū)（二）冰凍圈組成積雪、冰蓋、冰架、 冰川、海冰、河/湖冰、凍土積雪海冰凍土冰架冰蓋冰川冰凍圈（全部）冰川冰蓋 冰架永久凍土海冰 積雪 當(dāng)前，多年冰雪覆蓋了全球海洋面積的7，陸地面積的10左右，多年凍土占有陸地面積的24，季節(jié)性冰雪在1月覆蓋

4、陸地面積的15，在7月覆蓋9，而季節(jié)凍土更為廣泛。二、冰凍圈與氣候冰雪圈雖是氣候的產(chǎn)物，但一經(jīng)生成，又對(duì)氣候有重要的反饋?zhàn)饔帽鶅鋈κ堑厍蛳到y(tǒng)五大圈層之一古氣候和古環(huán)境的重要信息庫(kù)氣候系統(tǒng)變化的靈敏的指示器通過(guò)冰雪的反射率和冰川融化起作用 通過(guò)水循環(huán)影響氣候 1、通過(guò)冰雪的反射率和冰川融化起作用 干凈冰雪的反射率（50%-80%）比土（10%）和水（30）大得多，每年到達(dá)地面的太陽(yáng)能大約有30消耗于冰雪圈中。由于冰川融化熱和水的汽化熱分別是同體積液態(tài)水升高1所需熱量的80倍和539倍，因而冰雪圈在地表熱量平衡中有舉足輕重的作用。冰凍圈是地球表面與大氣的天然絕緣層，導(dǎo)致大氣層與巖石圈和水圈的相互作

5、用減少，并通過(guò)調(diào)節(jié)海洋與大氣的水汽和熱量交換來(lái)影響氣候模式和大氣環(huán)流。冰雪下墊面的變化主要是冰蓋、海冰和積雪的收縮與放大，對(duì)能量平衡為基礎(chǔ)的氣候模式有重要影響。例如青藏高原積雪異常對(duì)東亞大氣環(huán)流、印度降水以及長(zhǎng)江中下游梅雨都有相當(dāng)?shù)挠绊憽?、通過(guò)冰雪的反射率和冰川融化起作用 2、 通過(guò)水循環(huán)影響氣候全球變暖、冰川和冰蓋融化促使海平面上升，海洋面積擴(kuò)大，蒸發(fā)增加，由海洋上水汽輸送到大陸，大陸降水亦相應(yīng)增加據(jù)計(jì)算，目前全球冰川的平均年消融量約3000km3，近乎全球河流水量的3倍。冰蓋消融量的增減，將直接影響海平面的升降。如在2萬(wàn)年前的末次冰期盛時(shí)，水分集中在冰蓋上，海面比現(xiàn)在低140米左右，現(xiàn)在

6、渤海、黃海、東海等大部分轉(zhuǎn)為陸地，臺(tái)灣與大陸聯(lián)成一片，夏季風(fēng)萎縮，陸地上降水量大幅度減小，從東北到長(zhǎng)江流域的降水可能不足現(xiàn)代的一半。氣候較現(xiàn)代冷、干 云Sun凍土海洋海冰大氣-海冰耦合生物體大氣-凍土耦合凍融過(guò)程 地面特性、反射率、植被等變化大氣-冰雪耦合冰川積雪CH4 CO2 N2O太陽(yáng)幅射大氣-陸面耦合面積、反射率等變化儲(chǔ)存環(huán)境記錄水份循環(huán)海平面 海洋溫度敏感指示器冰凍圈與氣候系統(tǒng)H2O N2 O2 CO2 O3面積、反射率等變化冰蓋-雪凍土和多年凍土熱量交換氣體交換積雪表層能量和水平衡徑流河冰和湖冰能量交換徑流輸送冰川/冰蓋/冰架/冰山物質(zhì)平衡海冰表層能量平衡，生長(zhǎng)與融化 海 洋海面變化

7、、海面溫度和鹽度、大洋環(huán)流 大 氣氣溫、降水、輻射、環(huán)流、云陸 地土地覆蓋、地形、地面溫度、土壤水分冰凍圈與氣候系統(tǒng)相互作用示意圖冰凍圈研究的意義冰雪圈雖是氣候的產(chǎn)物，但一經(jīng)生成，又對(duì)氣候有重要的反饋?zhàn)饔?，成為氣候形成的重要因子冰凍圈與大氣圈、水圈、巖石圈和生物圈共同構(gòu)成地球系統(tǒng)五大圈層氣候系統(tǒng)變化的靈敏的指示器（冰川末端進(jìn)退、厚度增減、面積擴(kuò)縮可反映氣候變化狀況）冰凍圈是古氣候和古環(huán)境的重要信息庫(kù)，儲(chǔ)存有很多氣候與環(huán)境變化的信息。 如在南極冰蓋鉆取的Vostok冰芯、Dome C冰芯中分別包含了地球42萬(wàn)年和72萬(wàn)年以來(lái)的氣候變化信息。 冰川是寶貴的淡水資源 南北極冰蓋是地球上最大的潛在的淡

8、水資源，占全球總淡水量的77%，相當(dāng)于71m的世界海平面變化。我國(guó)的冰川冰儲(chǔ)量約為5590km3，占亞洲冰川總量的一半多。在西北內(nèi)陸流域，冰川融水量約占河川徑流量的1/4，是一些綠洲農(nóng)業(yè)賴以生存和發(fā)展的生命線。冰雪災(zāi)害妨礙交通、旅游的發(fā)展，危害工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。 如雪災(zāi)、道路風(fēng)吹雪、雪崩災(zāi)害以及冰湖潰決洪水、冰川泥石流等嚴(yán)重影響我國(guó)西部地區(qū)的農(nóng)、牧業(yè)生產(chǎn)和交通、通訊的安全。冰凌和海冰、冰山等對(duì)航運(yùn)、海上采油等造成危害。（泰坦尼克號(hào)郵輪的沉沒(méi)等）第三節(jié) 現(xiàn)代冰川的形成和分類 一、冰川的形成二、現(xiàn)代冰川的分類三、現(xiàn)代冰川的分布特征四、冰川學(xué)在全球變化研究中的作用一、冰川的形成冰川是分布在陸地表面能夠長(zhǎng)期

9、存在并具有運(yùn)動(dòng)特性的自然冰體，它是大氣中各種形式的降水在特定地形單元內(nèi)經(jīng)沉降、壓實(shí)、變質(zhì)等過(guò)程轉(zhuǎn)化成的具有運(yùn)動(dòng)特性的自然冰體。冰川是在一系列外部條件和內(nèi)部因素長(zhǎng)時(shí)間作用過(guò)程下形成的。其中外部條件主要包括：較低的氣溫、豐富的降水和一定的地形和地勢(shì)；內(nèi)部因素包括：粒雪化過(guò)程和成冰過(guò)程。(一)外部條件1.較低的氣溫：使冰雪消融量減少以至停止2.豐富的降水：冰川形成和發(fā)育所必須的物質(zhì)基礎(chǔ)3.一定的地形和地勢(shì)：對(duì)于極地地區(qū)來(lái)說(shuō)，由于常年低溫和固體降水量積累，這一條件要求不高；但對(duì)于山地冰川來(lái)說(shuō)，地形和地勢(shì)仍然是影響冰川的形成、發(fā)育、形態(tài)、規(guī)模和性質(zhì)的重要條件。一、冰川的形成一、冰川的形成(二)內(nèi)部因素1

10、.粒雪化過(guò)程新降的雪呈現(xiàn)為多種形態(tài)，是一種極不穩(wěn)定的固體降水形態(tài)。隨著時(shí)間和外界條件的變化，雪花的晶體形態(tài)和大小也逐漸改變，成為球狀的晶粒，稱為粒雪。這一轉(zhuǎn)化過(guò)程稱為粒雪化過(guò)程。粒雪化過(guò)程還可以進(jìn)一步細(xì)分為以下3種變質(zhì)作用：融化-凍結(jié)變質(zhì)作用；凝華再結(jié)晶作用；積雪沉陷作用.2. 成冰過(guò)程即粒雪變成冰川冰的過(guò)程。根據(jù)溫度狀況和融水參與的程度，成冰作用基本分為以下兩種：重結(jié)晶成冰作用即冷而干的粒雪依靠不斷增加的雪層重力而緩慢壓實(shí)成冰的。壓力增大使粒雪晶粒之間產(chǎn)生位移和變形，宏觀上表現(xiàn)為雪-粒雪層的沉陷。在此過(guò)程中晶粒間的接觸點(diǎn)變粗，形成的聯(lián)接鍵使系統(tǒng)的總表面積減少，稱為燒結(jié)。隨著壓力的增大，密度增

11、加，孔隙減少，分子擴(kuò)散和晶粒內(nèi)部變形占主導(dǎo)地位，其進(jìn)一步發(fā)展可使孔隙完全封閉而形成冰川冰。一、冰川的形成(二)內(nèi)部因素2. 成冰過(guò)程滲浸凍結(jié)成冰作用當(dāng)氣溫達(dá)到或超過(guò)0C時(shí)，冰雪發(fā)生消融，融水向下滲浸，融水釋放的熱量部分融化了粒雪，溫度降低凍結(jié)成冰，成為滲浸凍結(jié)冰，這個(gè)過(guò)程叫做滲浸凍結(jié)成冰過(guò)程。根據(jù)溫度的高低和融水量的大小（即熱力條件的強(qiáng)弱），它可以再細(xì)分為冷滲浸-重結(jié)晶、滲浸-凍結(jié)、暖滲浸-重結(jié)晶等不同的成冰過(guò)程。滲浸凍結(jié)成冰作用的雪層剖面內(nèi)有冰層、冰片、冰透鏡體等特征結(jié)構(gòu)體，成為識(shí)別不同成冰過(guò)程形成的冰川冰的標(biāo)志。一、冰川的形成(二)內(nèi)部因素(三)密實(shí)化過(guò)程雪轉(zhuǎn)變成冰的每一個(gè)過(guò)程都伴隨著密度

12、的增大，我們稱為密實(shí)化過(guò)程，它是雪向冰轉(zhuǎn)化過(guò)程主要特征之一的形象表述。一、冰川的形成(三)密實(shí)化過(guò)程密實(shí)化過(guò)程可以用密度隨深度變化曲線圖加以說(shuō)明。右圖中賽特2站位于格陵蘭的干雪線附近，可以代表重結(jié)晶成冰作用的密實(shí)化過(guò)程；另一地點(diǎn)是位于育空地區(qū)的一條溫性冰川的濕雪帶內(nèi)，可以代表滲浸凍結(jié)成冰作用中的密實(shí)化過(guò)程。（椐Paterson,1994） 一、冰川的形成從圖中可以看出：濕雪帶內(nèi)密實(shí)化速度要比干雪帶內(nèi)的快很多，粒雪變成冰（密度830kg/m3）的深度，在上斯沃德冰川約為13m，但在賽特2站則達(dá)66m。如果考慮積累率的影響，雪變成冰的時(shí)間在上斯沃德冰川為3-5年，但在賽特2站則需要100年以上。賽

13、特2站的密度隨深度迅速增大，當(dāng)?shù)竭_(dá)550 kg/m3左右以后，變化有所減緩；在達(dá)到 830kg/m3以后又進(jìn)一步減緩。研究表明， 550kg/m3為機(jī)械壓密階段轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄宰冃魏驮俳Y(jié)晶階段的臨界密度，通常稱為第一臨界密度； 830kg/m3為雪層內(nèi)空隙封閉為氣泡的臨界密度，稱為第二臨界密度。若壓力繼續(xù)增大，隨著冰內(nèi)氣泡不斷被壓縮，密度可一直增大到917kg/m3，即純冰密度。這時(shí)，原來(lái)氣泡中的氣體被壓縮到晶格邊界上且以液態(tài)存在，成為極為珍貴的古大氣成分的“化石”。若壓力減小，氣泡又可重新恢復(fù)，從冰芯中收集氣泡中的氣體為全球變化研究做出了重要貢獻(xiàn)。 (四)冰川成冰作用帶譜現(xiàn)代冰川自上游源頭到冰川末

14、端冰舌，跨躍數(shù)百米乃至數(shù)千米的高度范圍，其水熱條件必然發(fā)生變化，因此在不同高度上冰川表面的成冰過(guò)程必然不同，即冰川表面的成冰作用按高度呈帶譜狀分布。典型的大陸型冰川自冰川末端到冰川頂部可以劃分出消融帶、附加冰帶、濕雪帶、滲浸帶和干雪帶。一、冰川的形成冰川成冰帶分布圖，（椐Paterson,1994） 冰川的形成（續(xù)）1.消融帶，是指平衡線以下至冰川末端之間的冰體。位于冰川下游，氣溫高，消融強(qiáng)烈。暖季冰面無(wú)積雪，為冰川消耗最嚴(yán)重的區(qū)域，冷季表層可形成季節(jié)性附加冰。2.附加冰帶，冰的形成主要靠滲浸一凍結(jié)成冰作用，是大陸型冰川占優(yōu)勢(shì)的成冰作用帶。下界位于平衡線附近，上界為粒雪線，附加冰對(duì)冰川有補(bǔ)給作

15、用。3.濕雪帶，成冰作用以融水滲浸作用為主導(dǎo)，主要由滲浸冰和部分附加冰組成，該帶下界為粒雪線。4.滲浸帶，表面仍有融水參與雪層改造，但融水不能透過(guò)一個(gè)年層的積雪，滲入雪層融水再凍結(jié)后形成冰透鏡體或滲浸冰層，成冰年齡較長(zhǎng)。5.干雪帶，又稱重結(jié)晶帶，即使在夏季也不發(fā)生融化，因而無(wú)融水滲浸作用，成冰作用依靠雪一粒雪晶體間的物質(zhì)遷移來(lái)實(shí)現(xiàn)，成冰時(shí)間漫長(zhǎng)。是極地內(nèi)陸地區(qū)和青藏高原極高海拔地帶的主要成冰作用帶。 一、冰川的形成 (五)冰川的物質(zhì)平衡各種相態(tài)的降水在冰川上的堆積，即冰川的物質(zhì)收入部分稱為冰川的積累。冰川的消融是指冰川上的雪、粒雪和冰川冰等由于溫度上升而融化、蒸發(fā)所造成的冰川物質(zhì)的支出過(guò)程。冰

16、川上各種相態(tài)水的收入和支出之間的數(shù)量關(guān)系，即積累量和消融量的代數(shù)和，稱為冰川的物質(zhì)平衡。它不僅直接反映了冰川作用區(qū)的氣候變化，導(dǎo)致冰川的進(jìn)退，而且與冰川表面的熱量平衡、冰體內(nèi)的水文狀態(tài)、成冰作用、活動(dòng)層的溫度狀況，以及冰川運(yùn)動(dòng)速度等密切聯(lián)系。一、冰川的形成在一個(gè)物質(zhì)平衡年內(nèi)，冰川上物質(zhì)平衡等于0的點(diǎn)的連線稱為物質(zhì)零平衡線，簡(jiǎn)稱平衡線（equilibrium line）。平衡線以上為冰川積累區(qū)，以下為消融區(qū)。雪線為消融期末冰川表面上粒雪的下限。嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，它們之間還有一個(gè)附加冰帶；但在實(shí)際工作中，常常由于附加冰帶很小和雪線容易確定等原因，使用雪線來(lái)代替平衡線。 (五)冰川的物質(zhì)平衡一、冰川的形成冰

17、川成冰帶分布圖，（椐Paterson,1994） 冰川的形成（續(xù)）多年積雪區(qū)和季節(jié)積雪區(qū)之間的界線稱雪線。氣溫、降水量和地形是影響雪線高度的三個(gè)主要因素。大陸冰川（大陸冰蓋） 主要是指南極冰蓋和格陵蘭冰蓋兩大冰蓋。它們占地球上冰川總面積的97%，總體積的99%。山地冰川 主要分布在地球中、低緯度的山地上，其中亞洲山區(qū)的冰川數(shù)量最多。山地冰川由于受到發(fā)育地形的限制，在空間上表現(xiàn)形態(tài)各異，規(guī)模大小不等。二、現(xiàn)代冰川分類 地理分類極地冰蓋山地冰川 二、現(xiàn)代冰川分類 物理分類 主要根據(jù)冰川的冰溫狀況或熱力特征因素，包括引起冰溫狀況差異的自然地理因素進(jìn)行冰川分類。按冰川熱力特征可以將冰川分為以下3類：暖

18、型冰川是指冰川整個(gè)縱剖面上都具有相應(yīng)壓力下的冰融點(diǎn)溫度；冷型冰川是指冰川活動(dòng)層直到底部為低于冰融點(diǎn)的溫度所控制；過(guò)渡型冰川是指冰川表層是冷的而底部達(dá)到了相應(yīng)的壓力融點(diǎn)。 二、現(xiàn)代冰川分類 物理分類 按照水熱條件和物理性質(zhì)可以將冰川分為以下3類：大陸型冰川具有降水量少、氣溫低、雪線高、消融弱和冰川溫度恒為負(fù)溫等特點(diǎn)，成冰過(guò)程以滲浸凍結(jié)作用為主，可以進(jìn)一步分為極大陸型冰川和亞大陸型；海洋型冰川具有降水量多、氣溫高、雪線低、消融強(qiáng)和冰川溫度處于壓力融點(diǎn)等特點(diǎn)，成冰過(guò)程以暖滲浸作用為主；復(fù)合型冰川是指亞洲中部一些長(zhǎng)度在20km以上的大型山谷冰川。它們從高山源地下降到冰川末端，往往跨越幾個(gè)垂直氣候帶，同時(shí)具有大陸型和海洋型冰川的一些特性。海洋性冰川遺跡（據(jù)蘇珍和施雅風(fēng)，2000；鄭本興，2001 ）玉龍山則普冰川南迦巴瓦貢嘎山根據(jù)冰川的規(guī)模、形態(tài)、地貌部位、地理環(huán)境等，分為：1 山岳冰川 主要分布在中低緯度地區(qū)高山上，形態(tài)受地形的嚴(yán)格限制。冰斗冰川：發(fā)育在圍椅狀洼地（冰斗）中的冰體，都有一個(gè)陡峭的后壁，那里經(jīng)常發(fā)生雪崩或冰崩。懸冰川：從冰斗中伸出較長(zhǎng)的冰舌，前端停滯在高懸的山坡上或支溝谷之中的冰川。對(duì)氣候變化十分靈敏。山谷冰川：在有多量冰雪補(bǔ)給的情況下，一條冰斗冰川的冰舌或數(shù)條冰斗冰川匯合順山谷伸延比較遠(yuǎn)的冰川。 三、現(xiàn)代冰川分類2 大陸冰川 目前只發(fā)育在兩極地區(qū)。面積