漫说冰川遗物与冰期

沈建林

5000多万年前，地球表面并无冰川存在。此时向北运动的印度次大陆板块与亚欧大陆板块发生碰撞，喜马拉雅山脉和青藏高原在此背景下逐渐隆起形成。与此同时，地球表面的平均温度却在逐渐降低（图1）。258万年前第四纪大冰期到来，液态水不断转变成固态的冰雪而致海平面降低。海平面最低时比目前约低130米，全球约有30％的陆地面积被大陆冰川（冰盖）和山岳冰川占据。

图1 新生代期间地球表面平均温度变化概况

1万多年前冰期结束，地球表面温度升高，冰雪大量融化导致海平面上升。目前大陆冰川只存在于南极洲和格陵兰岛，山岳冰川则分布于海拔较高的山区。如果地球上现有的冰川全部融化，海平面还将上升约66米。 根据多年来的观测数据可知，地球表面的平均温度仍在缓慢上升，现存的冰川大多处在不断消融和退缩之中。例如位于海拔3800米之上的新疆天山一号冰川，原为两支冰川相连构成，因不断消融而于1993年退缩成两支独立的冰川（图2、图3）。预计50年以后，天山一号冰川将会彻底消失。

图2 天山一号冰川1993年之前由两支冰川相连构成（来源于网络）

图3 退缩成两支独立冰川的天山一号冰川。照片中可见冰舌前堆积的冰碛物和冰川融水形成的溪流（2011年7月）。

冰川虽为固体，但却可在重力的作用下向低处运动，每年位移的距离为数米至上千米之间。重量巨大的冰川在运动过程中，会对所接触的岩石发生强烈的侵蚀和磨擦作用，产生岩石碎块、冰川擦痕、磨光面等。冰川擦痕多呈钉头鼠尾状，一端粗而深，一端细而浅，可指示冰川的运动方向。

山岳冰川所在的山谷遭受冰川长时间的侵蚀之后，在剖面上呈现为谷底宽缓的U型谷。与之相对应，遭受流水强烈下切侵蚀的山区河谷，在剖面上呈现为谷底狭窄的V型谷（图4）。

图4 乌鲁木齐河上游河谷是典型的V型谷（2011年7月）

在山岳冰川的源头，冰川的侵蚀作用通常会掘出一个三面被峭壁相围的凹地，形似半圆形的剧场，称为冰斗。随着冰川侵蚀作用的发展，冰斗不断扩大，斗壁后退，相邻冰斗间的山岭变成狭窄陡峭的山脊，称为刃脊。由多个冰斗围成的金字塔形山峰称为角峰（图5）。

图5 冰斗、角峰、刃脊地貌示意图

四川省著名的贡嘎山主峰即是冰川侵蚀作用形成的角峰（图6）。其海拔高度为7556米，周围发育有数十条现代冰川，长约14千米的海螺沟冰川即为其中之一。

图6 冰川侵蚀作用造就的贡嘎山角峰（来源于网络）

海螺沟冰川的中段，有一高1080米、宽1100米的冰瀑布（图7），景色非常壮观，游人到此大多都要与之合影留念（图8）。在海螺沟冰川两侧的岩壁上，多处可见冰川与其磨擦产生的擦痕和磨光面（图9）。

图7 海螺沟冰川全貌(源自微信公众号星球研究所)

图8 以海螺沟冰瀑布为背景留影（2019年4月）

图9 海螺沟冰川两侧岩壁上的擦痕与磨光面（2019年4月）

冰川侵蚀作用产生的岩块、岩屑以及来自冰川两侧山地的坠落物等，被冰川裹挟而随冰川一起运动，称为冰川的搬运作用。由冰川搬运并最终沉积下来的岩块、岩屑等统称为冰碛（qì）物，可细分为：

(1)表碛：冰川表面的冰碛物（图10）。

(2)内碛：夹在冰川内的冰碛物。

(3)底碛：冰川谷底的冰碛物。

(4)侧碛：冰川两侧的冰碛物。

(5)中碛：两条冰川汇合后，其相邻的侧碛合并而位于冰川中部，称为中碛（图11）。

(6)终碛：冰川末端沉积的冰碛物。

图10 海螺沟冰川冰瀑布以下的部分几乎完全被表碛覆盖（2019年4月）

图11 瑞士阿莱奇冰川呈条带状展布的中碛（来源于网络）

冰川消融后，冰碛物即沉积在冰川曾经覆盖的地区。冰碛物中的岩块和岩屑大小混杂缺乏分选性，大部分岩块棱角鲜明而被称为角砾。沉积下来的冰碛物固结成岩后，称为冰碛岩或冰川角砾岩（图12）。

图12 非洲纳米比亚新元古代地层中的冰碛岩

冰川末端的冰碛物（终碛）常呈堤状或垄状高于周围地表，称为终碛堤或终碛垄（图13）。位于山谷中的终碛堤可拦蓄水流形成冰碛堰塞湖，新疆博格达山北坡的天池即属于这类湖泊。其北岸由高达286米的终碛堤构成（图14、图15），湖面海拔1910米，最大水深103米，蓄水量超过1亿立方米。

图13 冰川消退与终碛堤示意图

图14 新疆天池空中鸟瞰，其北岸（右端）由终碛堤构成（来源于网络）

图15 新疆天池北岸终碛堤上的冰碛物（来源于网络）

在博格达山北坡，冰川末端的海拔高度目前为3800米左右（图16）。根据天池北岸终碛堤的相关数据推算，第四纪冰期结束以来，博格达山北坡冰川退缩的距离达15千米以上，冰川末端垂直上移了2000多米。

图16 新疆博格达山北坡的现代冰川（来源于网络）

对于已经完全消融的第四纪冰川，可根据冰川侵蚀作用造就的角峰、冰斗、U型谷等地貌特征和冰川漂砾（图17）等指示冰川环境的沉积物来识别。对于数亿年前的古冰川，相关地貌特征大多已经消失，判定其存在的最重要依据就是冰碛岩。

图17 青海年保玉则国家地质公园中的冰川漂砾（来源于网络）

19世纪，在南非卡鲁盆地发现石炭-二叠纪时期的冰碛岩，之后又在南美洲、澳大利亚和印度发现了同时期的冰碛岩，说明这些地区当时存在古冰川。对冰川擦痕的分析表明，南美洲、印度和澳大利亚的古冰川运动方向是从海岸指向内陆。 1912年，德国气象学家魏格纳提出大陆漂移学说，并于1915年发表《海陆的起源》一书予以系统论述。魏格纳认为，在中生代之前，非洲、南美洲、南极洲、澳大利亚、印度、马达加斯加等彼此相连构成冈瓦纳古陆（Gondwanaland）。石炭-二叠纪期间，冈瓦纳古陆上位于南极附近的地区发育大陆冰川，以非洲南部为中心呈放射状向四方运动。中生代以来冈瓦纳古陆裂解为多个陆块，这些陆块逐渐漂移到目前的位置。之所以存在古冰川从海岸向内陆运动的现象，其实是冈瓦纳古陆裂解后，原来的内陆变成了海岸的缘故（图18）。

图18 魏格纳用大陆漂移学说解释石炭-二叠纪冰碛岩的分布特征

1957年，在南极大陆也发现了石炭-二叠纪冰碛岩，证实魏格纳的判断是正确的。1968年板块构造学说问世，人们得以从更高的角度认识到，大陆漂移实际上是由岩石圈板块的运动所致。

通过分析世界各地冰碛岩的地质年代，人们得知地球表面从24亿年前至今发生过5次大冰期，即古元古代大冰期、新元古代大冰期、奥陶-志留纪大冰期、石炭-二叠纪大冰期、第四纪大冰期（图19）。每一大冰期包括若干冰期和间冰期。例如新元古代大冰期包括4次冰期，即拉伸纪的凯噶斯冰期（Kaigas冰期，7.57-7.41亿年）、成冰纪的司图特冰期（Sturtian冰期，7.18-6.60亿年前）和马林诺冰期（Marinoan冰期，6.51-6.35亿年前）、埃迪卡拉纪的噶斯奇厄斯冰期（Gaskiers冰期，5.83-5.82亿年）。其中马林诺冰期对应于通常所说的“雪球地球”事件，此时地球表面几乎完全被冰雪覆盖。1907年在长江三峡地区发现的南沱冰碛岩,即是马林诺冰期的冰川遗物。

图19 地球表面从24亿年前至今发生的5次大冰期

参考文献

[1] 星球研究所.什么是贡嘎.微信公众号:星球研究所,2018-12-05.
[2] 陈廷愚,沈炎彬,赵越,任留东.南极洲地质发展与冈瓦纳古陆演化[M].北京:商务印书馆,2008.
[3] 李江海,王盟楠.地球历史上的五次大冰期.微信公众号:世界地球之旅,2021-10-08.
[4]张志越.那些年,有个“雪球地球”.微信公众号:中国科学院地质地球所,2021-10-08.

沈建林

2022年6月6日于新疆克拉玛依