科普园地 | 冰雪奇缘 ——冰期与冰川那些事
引言
相信很多人都看过电影《冰雪奇缘》吧? 这部改编自安徒生童话“白雪皇后”的 3D 动画电影，讲述了阿伦黛尔国因一个魔咒，被永远覆盖在冰天雪地之中。为寻回夏天，安娜公主和山民克里斯托夫以及他的驯鹿搭档组队，展开了一段拯救王国的历险……
白雪覆盖的世界看上去十分圣洁，激荡着无数人的浪漫情怀。当白雪越堆越厚、在雪线( 所谓雪线，是指当年的降雪和融雪达到平衡的高度)以上，形成永久不化的雪域时，白雪就会积累演化形成冰体，这种冰体沿底部界面滑动时就会出现另一种十分壮观的现象——冰川。现今陆地面积约有 1 /10 被冰川覆盖，主要分布在两极及中低纬度的高山地区。冰川既是一种固体水资源，又是一种具备特殊形态特征和地貌景观特征的旅游资源，具有重要的观赏价值和科学考察研究价值。将今论古，在我们赖以生存的这个已经 46 亿岁的地球上，经历了多少次冰雪覆盖的“雪球地球”时期? 那时候的冰川是什么样子? 现代冰川都分布在哪里? 让我们一起踏雪寻冰，追寻地球曾经历过的冰雪奇缘吧!
冰雪奇缘
——冰期与冰川那些事
旷红伟1 ，郑秀娟2 ，陈骁帅1
1.中国地质科学院地质研究所，北京
2.中国石油大学(北京) 期刊社，北京
一、地球历史上的主要冰期
地球从诞生至今，共经历5 次大冰期：
第一次冰期发生在大约距今 24～ 21 亿年的古元古代，因为首先在加拿大的休伦地区被发现，故称休伦( Huronian) 冰期，这一冰期持续了 3 亿多年。
第二次冰期发生在距今约 7. 20～ 6. 35 亿年的新元古代，称为瓦兰吉尔冰期( Cryogenian 或 Sturtian-Varangian) ，现在更多的是以发生在澳大利亚的斯图特( Sturtian) 和马里诺( Marinoan) 冰期来代表，持续了近 1 亿年，人们常说的“雪球地球”就缘于这次冰期的特征而得名。
第三次冰期发生在距今约 4. 5 ～ 4. 2 亿年的奥陶－志留纪，称为安第 － 撒哈拉 ( Andean-Saharan) 冰期( 古生代) ，持续时间仅仅 0. 3 亿年。
第四次冰期是发生在距今 3. 6 ～ 2. 6 亿年的卡鲁( Karoo) 冰期，持续时间也有1 亿年。
第五次冰期则和人类的进化息息相关，就是发生在距今 200 ～ 300 万年、结束于 1 万年以前的第四纪大冰期，持续时间只有几百万年。
现在我们正处在第四纪大冰期内两次小冰期之间的温暖期，称为间冰期。
1.1 第一次冰期: 休伦 ( Huronian) 冰期
在 24 ～ 21 亿年前发生的休伦冰期是影响最为深重的一次大型冰期。在南非、北美和芬诺斯坎底亚( 芬兰、挪威、瑞典和丹麦) 等地区都发现了古元古代低纬度冰川记录，特别是南非的Makganyene 和北美的 Huronian 冰碛砾岩，都证明了那时整个地球都被厚厚的冰层覆盖。有人认为，全球性冰期事件与古元古代早期的大气氧化事件( GOE) 有关: 古元古代初期 ( 约 24. 5 亿年) ，由于藻类极其发育使得氧气含量爆发性增高，从而降低了甲烷的含量( 氧与甲烷反应生成二氧化碳和水) ，同时，光合作用消耗了大量二氧化碳，最终由于温室气体的大大减少而发生冰期。
1.２ 第二次冰期: 雪球地球
约瑟夫·科斯温克( Joseph Kirschvink) 在1992 年首次提出“雪球地球” ( snowball Earth) 这一假说，哈佛的地质学家保罗·霍夫曼 ( Paul Hoffman) 将这一假说应用到纳米比亚新元古代的冰碛岩，并于1998 年在《科学》杂志发表了关于新元古代雪球地球的文章，其影响 30 多年经久未衰。
2010 年，弗朗西斯·麦克唐纳( Francis MacDonald) 报道了古地磁的数据，证明罗迪尼亚超大陆当时位于赤道附近，由此说明新元古代时期的整个地球如同一个“雪球”(图１）。
图 1 新元古代冰碛岩
上为澳大利亚斯图特期冰碛岩
下为湖北神农架马里诺期南沱组含坠石的冰碛岩
这次意义重大的冰期事件起源于 8 亿多年的罗迪尼亚超大陆裂解，剧烈的火山活动释放大量的二氧化碳，使海洋中的蓝细菌大量繁殖，逐渐释放的大量氧气使得二氧化碳极度消耗，新元古代的大氧化事件( NOE)基本上可以确定是本次冰期爆发的元凶。这次冰期在我国扬子和塔里木地区普遍存在，根据时间和地理位置分别被称为长安冰期、南沱冰期。此外，南沱冰期是不是一个完全冰封的地球也遭到了质疑; 在雪球事件之后的新元古代末，是否还有一次全球性冰期事件( 如罗圈冰期) ? 这些问题目前都是研究的热点，有待科学家们深入探讨。
1.３ 第三次冰期: 安第－撒哈拉冰期
第三次冰期—安第－撒哈拉( Andean-Saharan) 冰期横跨了奥陶纪中后期和志留纪早中期，生物大灭绝成为其标志性事件。其实奥陶纪早期延续了寒武纪温暖湿润的气候，很适合物种繁衍生息，但到了奥陶纪晚期，黑洞与中子星碰撞事件使得地球上空三分之一的臭氧层遭到破坏，大气圈重新洗牌，二氧化氮气体大量形成，气温迅速下降，一个浩大的冰期接踵而来。这次的冰川记录仅局限于冈瓦纳地区，在非洲、阿拉伯、欧洲和南美洲出现了冰川沉积记录的演替，其中在北非和阿拉伯地区( 如摩洛哥、土耳其、伊朗) 出露良好，几千千米的冰川记录似乎默默地向人类诉说着这段环境最恶劣之一的地球历史。
A 为利比亚高止山脉地区西穆尔祖克盆地巨型冰蚀谷川槽，可见平缓冰川剥蚀面( 波浪线) 上覆盖着两期冰川沉积物: 上部黑色部分代表了晚期冰进过程形成的楔状沉积，直到最后一次冰进，冰碛物也未将古凹陷填满; 冰期后，晚奥陶世—早志留世的沉积物又逐渐超覆在冰期地层之上
( Jean-Francois Ghienne et al.，2007) ;
B 为不整合面上高度在 1 m 左右的沟槽中发育了一系列顺沟槽方向排列的擦痕;
C 为脊状构造的起伏度( ＞1 m) ，表明它们是由于冰川作用形成的
( Le Heron et al., 2010) 。
1.４ 第四次冰期: 卡鲁冰期
1.５ 第五次冰期: 第四纪大冰期
二、冰川的主要类型
冰川冰的形成需要 2 个最基本的条件: 一是气温在 0 ℃ 以下，二是雪线以上的常年积雪区。当固态降水降落到雪线以上的地区时，便被保存下来形成雪盖。与此同时，新雪通过升华再结晶作用，棱角消失变圆，成为粒雪。之后，随着雪盖厚度的增加，下部粒雪受压，便以塑性变形来提高其密度，于是升华再结晶作用让位于重结晶作用，使粒雪晶体相互紧密地结合起来，形成冰川冰。当温度升高时，冰川冰就变得不稳定，就会出现冰、水、汽三相并存的局面。这时，如果地表或冰面有适当的坡度，一定厚度的冰体就会在重力作用下向雪线以下地区缓慢流动，伸出冰舌，形成冰川（图３） 。
冰川是一种固体流，尽管运动缓慢，但运动是其区别于其他冰体的最主要特征。按所在纬度和海拔，可分为大陆冰川和山岳冰川。大陆冰川如格陵兰岛冰盖和南极冰盖。山岳冰川是指发育在中、低纬度区高山雪线以上的冰川，在重力作用下运动，规模较小，分布受地形影响(图 4) 。
图 4 多种多样的山岳冰川景观
A 为冰斗冰川; B 为悬冰川;
C 为山谷冰川( 瑞士阿尔卑斯) ; D 为山麓冰川
( St． Elias mountains，Alaska)
按照冰川所处地区的气候条件、冰川的物理性质及冰川周围的环境等指标，可把山岳冰川分为海洋性冰川和大陆性冰川。前者主要分布在受海洋湿润气流影响的地区，冰川水分循环速度大，剥蚀作用强烈，侵蚀地貌发育; 而后者则主要分布在气候干燥的大陆内部，冰川的剥蚀作用微弱，而堆积地貌发育。按照形态，山岳冰川可分为以下 6 种类型:
( 1) 冰斗冰川, 是发育于雪线附近、停积在围椅状洼地中的冰体(图 4A) 。
( 2) 悬冰川, 是山岳冰川中数量最多、最常见的一种，多分布在山坡斜坡或山脊斜坡相对低洼的地方，一般规模较小，对气候变化的反应比较灵敏，容易产生，也容易消亡(图 4B) 。
( 3) 山谷冰川, 是山岳冰川中规模最大的一种。一般位于河流的源头，上游有宽阔的补给区，并有长长的冰舌溢到山谷底部(图 4C) 。
( 4) 山麓冰川, 当山谷冰川从山地流出，在山麓带扩展或汇合成一片广阔的冰原，叫山麓冰川。运动速度很慢，分布亦不受下伏地形限制。阿拉斯加就有许多山麓冰川，最著名的是马拉斯平冰川(图 4D) 。
( 5) 平顶冰川, 是山岳冰川中数量最少的一种。主要位于某些高山顶部，出现在较为浑圆平坦的古夷平面地区，当这种平顶隆升到雪线以上的高度时，冰雪就在上面堆积起来发育成平顶冰川。
( 6) 过渡型冰川, 如冰斗－悬冰川，冰 斗－山 谷 冰 川，山 谷－大 陆 冰川等。
三、冰川对地球的雕刻作用
3.1 冰川的剥蚀作用
剥蚀作用是冰川以纯机械方式对冰床岩石的破坏过程，形成的地貌有冰斗、角峰、冰蚀谷、刃脊等。
这些作用包括: ①挖掘作用，冰川从冰床基岩中挖出粗大岩块的作用，其结果是加深冰床，增大纵比降。②磨蚀作用: 冻结在冰体内的石块，流动时对冰床基岩进行刻划锂磨，使岩石破坏，同时本身也遭受磨蚀的作用; 磨蚀可将岩石磨成粉末状，岩粉又可作为磨料，使其岩石的磨蚀面变得很光滑，成为冰溜面。冰川擦痕和冰溜面是鉴别冰川的重要依据。
3.２ 冰川的搬运作用
冰川是固体流，托载能力强，能够把巨大的石块( 直径数十米至几百米、上万吨重的岩石) 搬运得很远，甚至从陆地搬运到海洋中，这就是冰川的搬运作用。
冰川搬运物的来源包括: 刨蚀冰床基岩( 冻入冰体一起流动）、两壁坍落（山谷两壁岩石落到冰体的表面）、冰川前端的堆积物 ( 洪积、坡积、冲积) 。
冰运以纯机械搬运的方式对冰碛物进行推运和载运，其特点一是无溶解，即碎屑固定在冰体内，不能转动; 二是无分选和无磨圆，即位移和搬运过程中均难以改造(图 1) 。
3.3 冰川的沉积作用
由于冰川融化，所携带的物质堆积下来，这些物质就称为冰碛物。冰碛物纯属机械堆积，其特点是: 分选性极差，无层理，砾石磨圆差; 无砾石的定向排列; 冰碛石上可看到冰川擦痕（其中保存好的孢子、花粉应是寒冷型的）。但如果冰川的运动并没有在陆地冰缘终止，也非底流形式被搬运到湖底或海底堆积，而是以冰山的形式在大海或大湖中漂荡，待冰化时，其中的冰运物最终垂直掉入海底( 或湖底) 的淤泥中，而使其压弯原有的纹层，而新的软泥沉积时也只能绕着坠落物堆积了。这时我们会看到层层叠叠的泥质纹层中夹着大小不等的石头，而且更有意思的是，这些小石子或石头总是尖朝下，与重心最稳的铅锤线方向保持一致(图 5) 。
图 5 冰川坠石
上为湖北神农架南沱组冰碛坠石;
下为河南洛阳上徐马罗圈组中坠石
四、冰川形成的主要地貌景观
冰川作用会形成一系列特殊的地貌，这些地貌基本上都依据其形态进行命名，主要的有十余种。
冰斗: 雪线附近的围椅状半圆形洼地。在雪线附近冰冻风的作用下，积雪洼地容易被冻裂崩解，崩解的岩块随冰川运动而被搬走，洼地四周后退而拓宽，底部蚀深，积雪洼地变成冰斗地貌(图 4A，图 7) 。
冰蚀谷: 直而宽、深而陡的“U”形谷。冰川的挖掘、磨蚀作用使冰床加深加宽，锉磨使冰床突起的基岩磨平，横剖面形成“U”形(图 3)。
悬谷: 支冰川汇入主冰川时，由于主冰川刨蚀能力强，谷底深，支冰川刨蚀能力弱，使支冰川的谷底高于主冰川的谷底。悬谷中冰川融化后可形成壮观的瀑布(图 4B)。
刃脊和角峰: 刃脊是指 2 个相邻冰川不断扩大，中间形成陡峭山脊( 类似于河流分水岭) ; 而角峰是指 3 个以上的环围冰斗同时扩展，中间形成陡峻的锥状山峰(图 6，图 7A) 。
图 6 冰川地貌景观( 阿尔卑斯东麓，奥地利）
冰蚀盆地、冰蚀湖: 大陆冰川在其下部基岩岩性较软、裂隙发育的地方挖掘强烈，形成的洼地称冰蚀盆地，冰融水充填后成为冰蚀湖(图 4C 前端) ，新疆的天山天池就是典型的冰蚀湖。
羊背石: 冰床上突起的坚硬基岩，在冰川的刨蚀作用下形成的椭圆岩丘，形如倒卧的山羊，故名羊背石。
羊背石长轴与冰川流向一致，两坡不对称。迎流面缓而光滑，以磨蚀为主; 背流面陡，呈陡坎状，以挖掘为主。利用羊背石可判断冰川流向。大面积分布的羊背石叫卷毛岩(图 6，图 7B) 。
图 7 冰川形成的多种地貌景观
A 为刃脊和角峰与冰斗( 北麓珠峰) ;
B 为羊背石( 阿尔卑斯东麓，奥地利) ;
C 为巨型冰溜面与冰川擦痕 ( 河南汝州石门沟)
冰溜面和冰川擦痕: 冰川运动过程的磨蚀作用会产生冰川擦痕和冰溜面。发育在冰溜面上的冰川擦痕(图 7C) 及其他系列痕迹(遗迹) 如凹槽、脊线、新月型刻痕、钉子痕和一些塑性变型等，能指示冰川运动的方向，是重建大陆冰川运动的重要线索。
冰漂砾: 指冰川搬运的直径大于 1 m 的岩块。冰漂砾表面常见擦痕，其岩性一般与当地截然不同，成为所谓“飞来石”—异地漂砾(图 8) 。
侧碛堤: 山谷冰川冰体融化后，在谷两侧堆积的长垅状高地(图 9)。
中碛堤: 当两条或两条以上冰川相遇后，其中相邻的两道侧碛汇合在一起而成的位于冰川中间的冰碛。冰川消融后，常形成沿冰川谷延伸的中碛堤(垅) (图 9)。
终碛堤: 冰前堆积的碛，组成向冰前方向凸出的弧形堤垅。冰川气候稳定时，冰前较固定，冰运物不断堆积下来，如果冰川间歇后退，就形成一落千丈条条相间的终碛堤(图 9)。
图 9 冰河与冰河床中冰碛产物
( Kaskawulsh Glacier）
鼓丘: 终碛堤外侧由冰碛物堆积而成椭圆形小丘陵。大陆冰川长轴平行于冰川流向，迎流面陡，背流面缓(与羊背石相反) 。
五、典型现代冰川赏析
5.1 天山一号冰川
新疆天山一号冰川位于乌鲁木齐西南 118 km 处的天格尔山中。该冰川形成于上新世，距今已有 480 万年历史。冰川上限海拔高度为 4,474 m，冰舌末端海拔高度 3,790 m，冰川长为 2. 4 km，面积 1. 85 km2。从面积上来说，天山一号冰川在天山冰川家族中是微不足道的。但这座冰川离乌鲁木齐市仅100 余 km，而且又有一条公路直达它的脚下，这在全世界都是独一无二的，自然成了我国观测、研究现代冰川和古冰川遗迹的首选地点。1957 年中国科学院兰州冰川冻土研究所成立，该所在此建立了冰川定位考察站—天山一号冰川观测点，这是世界上最完整的冰川追踪研究点之一。
天山不仅是乌鲁木齐河的源头，而且是著名的“冰川王国”所在地。这里除了一号冰川外，还有大大小小 70 多条现代冰川，分布于 4,000 m 以上的群峰之巅，是我国最大的现代冰川区。奇特的冰川景观，早就为学者和探险家所注目。清朝徐松曾在其所著《西域水道记》中，对天山的木札尔特冰川作了生动的描绘: “长百里，高百余丈，坚冰结成，层峦叠巘，高下光莹。冰有三色，一种浅绿，一种白如水晶，一种白如砗磲。”读之如身临其境。这里冰川晶莹蔚蓝，冰面裂隙纵横; 金字塔般的角峰、锯齿形的刃脊、弧形的冰川终碛和喧腾的冰川河随处可见(图 10A)
图 10 现代冰川赏析
A 为天山一号冰川; B 为海螺沟冰川;
C 和 D 为南极洲冰川
5. 2 海螺沟冰川
海螺沟冰川位于四川省甘孜藏族自治州贡嘎山主峰区东坡，全长 30 km 的海螺沟中，该冰川长达 14. 7 km，面积 16 km2。按地势高低分为三段: 海拔 4,800 m 以上的为巨大的粒雪盆; 中段海拔 4,800 ～3,700 m 为大冰瀑布，其高 1,080 m、宽1,100 m，为我国最大的冰瀑布，比著名的黄果树瀑布大十多倍，被喻为世界奇观; 3，700 m 以下为冰川舌，所到之处形成了冰石蘑菇、冰阶梯、冰刻槽、弧拱、冰珍珠湖、冰水晶宫、冰人冰兽等造型逼真的各类形态，具有很高的观赏和科学考察价值。最低点海拔 2,850 m，形成了世界低纬度地区罕见的冰川与珍稀动植物、温泉、瀑布于一体的奇景(图 10B) 。
5. 3 南极冰川
南极洲又称第七大陆，是地球上最后一个被发现、唯一没有土著人居住的大陆。南极大陆的总面积为 13,900,000 km2，居世界各洲第五位。整个南极大陆被一个巨大的冰盖所覆盖，冰盖的平均厚度为 2,000 m，最厚处达 4,750 m。南极夏季冰架面积达 2,650,000 km2，冬季可扩展到南纬 55 度，冰架面积达18,800,000 km2。总贮冰量为 29,300,000 km3，占全球冰总量的 90%。如其融化，全球海平面将上升大约 60 m。南极冰盖将三分之一的南极大陆压沉到海平面之下，有的地方甚至被压至1,000 m 以下。南极冰盖自中心向外扩展，在山谷状地形条件下，冰的运动呈流动状，于是形成冰川，冰川运动速度从 100 ～ 1,000 m /a 不等。每年因断裂而被排入海洋的巨型冰块则形成冰山。沿海触地冰山可存在多年，未触地冰山受潮汐与海流作用漂移北上而逐渐融化(图10C，10D) 。
南极洲一共有 4 个必争之点: 极点、冰点、磁点和高点(图 11A) 。
图 11 南极大陆四个“极点”和登上南极最高点“冰穹”的中国科考队员
A 为南极四点: 极点、冰点、磁点和高点
B 为中国人攻克“冰穹点 A”
美国在“南极点”建立了阿蒙森·斯科特站；法国在“南极磁点”建立了迪蒙·迪维尔站; 前苏联在“南极冰点”测到了－89 ℃的全球最低气温，建立了东方站。仅南极内陆海拔最高的地区—高点“DOME-A”，因是南极内陆距海岸线最遥远的一个冰穹，气候条件极端恶劣，被称为“不可接近之极”。
2005 年 1 月 9 日，在海拔 4,000 余米的南极最高点“冰穹 A”区域，12 名面容疲惫而又神情刚毅的中国人，第一次在这里踏上了人类的脚印 (图 11B) ，人类首次 “登”上南极内陆冰盖最高点! 中国人征服了“不可接近之极”—冰穹点 A，谱写了人类南极科考的新篇章。如今，极地研究、考察与旅游方兴未艾，让这块过去不可及之地成为了热闹非凡之所。
结语
看完了如此丰富的冰川，是不是要惊诧于现实生活中存在的神秘冰川了? 也许我们的足迹无法到达这些地区，但从图片上足以感悟到冰川的神奇。冰川不仅仅是地球上的奇妙风景，也是雕刻地球的神秘自然力量。总之，地球作为宇宙的一员，不仅其自身各圈层间的所有变化不是孤立的，而且与宇宙各天体之间也在不断地相互作用。让我们用科学的态度来了解它的运行规律，并与其和谐共处，共享美好地球家园。
当然，冰川沉积学作为我国一门正在兴起的地质边缘学科，通过将今论古，可恢复地史时期的古地理和古气候，为科学预测未来全球气候变化提供依据，从而为地球的宜居性发展提供科学参考。踏遍锦秀山川，欣赏自然美景，让我们的生活更加美好。
本文已在《矿物岩石地球化学通报》2021年第3期刊出
注: 本文为北京市科技计划课题－国际创新资源合作项目( Z201100008320007) ，国家自然科学基金项目( 42072135) ，中国地质调查局地质调查项目( DD20190002，DD20190005) 科普成果。
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