地球科学概论课件冰川及其地质作用

1、冰川及其地质作用两个著名的北极冰席取芯计划 GRIP AND GISP2南极冰芯的取芯计划Petit et al., Nature, 1999EPICA community members,Nature,1999南极VOSTOK冰芯40万年的古气候记录南极DOME C冰芯74万年的古气候记录全球气候的遥相关全球气候的遥相关西太平洋暖池引擎开关冰盖驱动 与热带驱动未来的气候是变缓？还是变冷？各国政府和科学家都非常关心因为它关系国计民生，关系到人类的可持续发展90年代，是过去的1000年中最热的十年，全球因热发生的高温、干旱、大火、过量降雨、洪水、飓风和厄尔尼诺等重大灾害比低温的50年代多4倍，直

2、接经济损失多9倍。去年一年的经济损失为680亿美元。 未来的气候是变缓？还是变冷？101 概述102 冰川的类型103 冰川的剥蚀作用104 冰川的搬运与沉积105 冰川与气候Appendix: 地球轨道理论及古气候时间序列的数学分析方法1011 冰川与冰川地质作用概念1，冰川的概念冰川是在重力作用下由雪源向外缓慢移动的冰体冰川是水圈的重要组成部分，是淡水的主要资源地球上85的淡水以冰的形式储存在冰川中，世界上一些著名的大江大河都发源于冰川，所以冰川有固体水库之称天山一号冰川 现代冰川覆盖面积占陆地总面积的10，两极冰川占冰川总面积的90，其中南极约有1350万km2,北极约有208万km2。

3、此外，在3500米以上的山区及高纬度的高寒地带都有现代冰川分布。北极冰盖约208万km2南极冰盖约1350万km21022，冰川地质作用的概念 冰川活动破坏了地面的岩石，并且把破坏下来的产物搬运到一定的地方堆积起来。冰川是促使高纬度地区和高山地区地壳发生变化的主要外力作用，并且影响着气候及海平面的升降。 冰川活动既改造着地球，又建造着地球，所以它是地质作用的一个组成部分，称为冰川地质作用那么，冰川是怎样形成的？黄山1012 冰川的形成 1，雪原与雪线 高纬度和高山地区的气温终年在0以下，形成于常年积雪区，称为雪原。常年积雪区的下部界线称为雪线。 圣海仑斯山雪线天山雪线在雪线以上年降雪量年消融量

4、，不断积雪在雪线以下年降雪量年消融量，只能季节性积雪雪线就是年降雪量与年消融量相等的地带喜马拉雅雪线高58005900米冰川在雪线以上部分称为冰川的积累区雪线以下部分称为冰川的消融区雪线以上的雪不断积累，逐渐转变为冰川2，成冰过程雪是怎样转化为冰的？ 从天空降下来的雪花呈六边形的冰晶或冰针，新堆积起来的雪中的空隙高达90。当积雪加厚，下部雪层受上部雪层的压力，在压力作用下由摩擦可产生热量，从而发生压融现象。 首先松散的六边形雪花从尖部开始融化，融化下来的部分雪水，在原雪花的中心聚集，再结晶成椭园形的冰粒，称为粒雪（granular snow)。粒雪的体积比雪花小得多，但颗粒间仍有孔隙。 随着上

5、部积雪加厚，压力加大，粒雪逐渐被压紧，同时从上部压融下来的雪进入粒雪间孔隙发生冻结，粒雪变成粒状冰（firn)粒状,冰重结晶变成致密的冰川冰(glacier ice)。雪变冰川冰后体积缩小，比重加大。 可见，冰川冰的比重比雪大11倍，需有11m3的雪才能积成1m3的冰川冰。 冰川冰比一般冰的比重小些，是因为其中夹有一些孔隙。冰川冰的比重为0.909，结晶较粗，透明度较高，呈淡兰色。 雪 85kg/m3 雪冰（粒状冰） 200600kg/m3 冰川冰 900kg/m3 河冰 917kg/m3上部 新鲜积雪 中部 雪冰（粒状冰） 下部 冰川冰 冰川垂向剖面的特点：1013 冰川的运动高山山洼里积雪

6、成冰处粒雪盆 在粒雪盆里，下层冰川冰受上层雪和粒状冰重量的压力而具柔（可塑）性，冰层越厚，可塑性越强。冰川之所以会运动，就是由这种特性决定的。 当冰体厚度达50米左右时，在冰体重量驱使下可沿斜坡移动，形成冰川。粒雪盆 随粒雪盆中积雪的增加，压力也逐渐增加，于是下层的冰川冰就从冰层厚的地方向冰层薄的地方运动，实际上冰是从冰窝中挤出来的，刚被挤出时的冰，形如舌头，称为冰舌。 由于冰川源地的积雪逐年增加，所以冰川也连年不断地从粒雪盆里挤出，然后在重力作用下顺山坡向下滑动。故冰川运动的因素是压力和重力。 粒雪盆中积雪成冰的量与从粒雪盆中挤出的冰量之间就形成了一种平衡关系。 新形成的冰多，挤出的冰也增多

7、；冰川愈厚，其向下的运动就愈快。 冰川流到雪线以下，经过融化和蒸发，而逐渐消耗。刚过雪线时上层积雪先融化，逐渐露出粒状冰；粒状冰融化完，露出冰川冰；冰川的厚度逐渐减薄，最终消失，因此冰川向下运动是有一定限度的。天山冰川前沿阿拉斯加冰川终端的遥感照片喜马拉雅冰川 冰川的运动肉眼难察觉，移动0.5m需要几至几十昼夜天山冰川 冰川在运动的过程中形成的奇特景观： 当冰川面上有巨大砾块存在时，石块会保护下面的冰体，延迟其消融过程，造成周围冰体消融后留下一个冰柱托着一个大石块的冰蘑菇喜马拉雅冰川的冰蘑菇 当冰蘑菇上的石块跌落后冰柱逐渐消融变细，形成尖塔形的冰林,称冰塔。冰塔最高可达30-40米。喜马拉雅冰

8、川的冰塔冰塔冰川表面差异性消融可形成高低不平的冰牙喜马拉雅冰川的冰牙 由于冰川不同部位的运动速度不同，例如冰层的底部和两侧因受到基岩摩擦阻力，流动较慢；冰层的上部和中间的运动较快。这种运动速度的差异致使冰体开裂，形成冰裂(缝)隙冰裂(缝)隙102 冰川的类型92冰川的类型1021 大陆冰川 冰川按其地理位置、形态、规模及所处的地形进行分类。基本类型有：大陆冰川及山岳冰川 呈面状展布，由厚度大的冰川中央向四周厚度小的地方扩张运动的冰川，发育于大陆的极地区。 大陆冰川延展面积可达几百平方公里以上，冰层厚达数千米，压力巨大，冰川向四周运动，可越过较大的地形障碍，向上运动。 现代大陆冰川仅分布于北极圈

9、的格陵兰及南极大陆上。那里冰下地形有山脉和谷地，最低处比海平面低2000米，高的山峰高出冰面。南极大陆冰川北极圈内格陵兰的大陆冰川南极大陆冰川 大陆冰川向四周运动的原因： 1，长期保持积雪最多的地方，冰川冰的厚度最大，因此在成冰过程中产生的结晶膨胀压力最大，在这种压力的作用下，必然推动冰川向四周压力低的方向运动。 2，长期保持积雪最多的地方，也是较高的地方，随着冰层的加厚，其冰面高度也增加到最高，冰川在势能作用下运动。大陆冰川进入海洋成为飘浮在海上的冰山1022 山岳冰川1，冰斗冰川（cirgue glacier） 冰川主要部分在雪线附近的凹地（冰斗）内，溢出部分（冰舌）很短小，主要分布在降雪

10、较少的高山地区。 又称阿尔卑斯式冰川（Alpine glacier)，冰川由高处向低处运动，都发育在中低纬度的高山地带。山岳冰川按其发育规模及形态可分为：冰斗冰川、山谷冰川、平顶冰川及山麓冰川。 山岳冰川 冰斗为不规则圆形的盛雪凹地，它三面由陡壁围绕，一面较低为出冰的缺口。 冰斗内积雪增多时，冰舌从较低的缺口处挤出，当冰舌较短，停留在山坡上时，称悬冰川。冰斗冰川及其悬冰川是冰川发育早期的产物天山悬冰川喜山悬冰川2，山谷冰川（valley glacier） 冰斗冰川进一步扩大伸展，进入山谷，长度一般为2030km，似冰冻的河流，称山谷冰川。 山谷冰川可分单式和复式两类： 单式是由一个粒雪盆中流出

11、一条冰川； 复式由二个以上粒雪盆中流出的冰川汇合而成。单式复式3，平顶冰川（flat-topped glacier） 又称高原冰川(plateau glacier)，分布于高山的边缘山地或高纬度的高原之上。呈面上展布，冰川自中心向四周扩展，在高原的边缘会伸出悬冰川或山谷冰川。青藏高原平顶冰川4，山麓冰川（piedmont glacier 山谷冰川流出山口到达山麓地带后，与其它冰川汇合而成为面积比较广阔的冰川，是介于山岳冰川与大陆冰川间的过渡类型。阿拉斯加山麓冰川新疆山麓冰川天山山麓冰川103 冰川的剥蚀作用与剥蚀地貌93冰川的剥蚀作用与剥蚀地貌1031 冰川剥蚀作用1，挖掘作用 冰川剥蚀作用又

12、称刨蚀作用,包括挖掘作用和磨蚀作用。 冰川使冰床底部和两侧的基岩破碎，并将破碎物掘起带走的作用。冰川的重力及冰结晶时体积膨胀所产生的膨胀力对岩石产生的压力，冰层厚100米时，压力可达900kPa。冰融水进入岩石裂隙后，发生冰劈作用，使岩石破碎，碎屑物随冰川移动带走。2，磨蚀作用(abrasion) 冻结在冰川底部和边部的坚硬碎屑物，象挫力上的尖刺，可对冰床底部及两侧的基岩，进行刻划，刮削和研磨，使基岩表面留下擦痕、刻槽或把床底凸起的岩石棱角磨蚀掉，形成象羊背、牛背一样的光滑弧形磨光面。瑞士冰床底部基岩上的磨光面1032 冰蚀地貌1,冰斗(cirque)经冰川的刨蚀和磨蚀作用可塑造出各种冰蚀地貌

13、 雪线以上积累冰雪的洼地（粒雪盆），因冻裂崩解，洼地周壁后退而拓宽，底部加深形成冰斗。加拿大冰斗2，鳍（刃）脊与角峰 随冰川作用的发展，冰斗扩大，斗壁后退，相邻冰斗逐渐靠拢，冰斗之间的分水岭越来越窄，形成尤如鱼鳍般的山脊，称为鳍脊或刃脊。天山鳍（刃）脊法国的鳍（刃）脊西藏的鳍（刃）脊 同一山头周围有三个以上冰斗同时进行溯源侵蚀作用，从而形成锥性的孤峰，称为角峰昆仑山角峰加拿大角峰珠穆朗玛峰3，冰蚀谷（glacial valley） 由山谷冰川侵蚀基岩形成的谷地，称冰蚀谷。 冰蚀谷一般是冰期前的河谷或冲沟，由于冰川进入后的刨蚀作用，使谷底由窄变宽、谷壁变陡、横剖面由V形变成U形，同时弯道的凸岸被

14、削掉，谷地变直并加深。因此，冰蚀谷的特点是： 谷底宽而平直，谷壁陡立，横剖面呈U形，谷底和谷壁的基岩上留有擦痕及磨光面。V形谷地U形谷地天山U形冰蚀谷昆仑U形冰蚀谷喜山U形冰蚀谷 由于山谷冰川的主流比支流的刨蚀作用强，主谷底加深速度较快；支流因冰量少，冰体小，刨蚀作用弱，支谷底加深较慢，从而造成支谷悬挂在主谷谷壁上的现象，称为悬谷。悬谷可高出主谷数十米至300米。冰雪融化期悬谷中的流水可形成瀑布。美加州悬谷瑞士悬谷美加州悬谷瀑布4，羊背石（sarsen stone) 在冰床上突起的坚硬基岩受磨蚀后变成低缓的椭圆形小丘，远看似匍伏在地的山羊。美蒙太那羊背石 羊背石的长轴方向与冰川的流动方向一致，

15、其迎流坡较缓，并有冰擦痕和磨光面，而背流坡较陡。羊背石可指示冰川运动方向。冰川运动方向104 冰川的搬运和沉积作用94冰川的搬运与沉积作用1041 冰川的搬运作用 冰川将刨蚀下来的物质以及崩落在冰面上的风化物一并冻结在冰体中，随冰体在重力及结晶膨胀力的作用下向消融区方向运动，象传送带一样被带到冰川的前沿。冰川搬运的特点：冰川的搬运物都是碎屑物。被搬运物在冰体中都呈固着状态，基本上不能自由转动和位移，因而被搬运物在搬运过程中大多未被改造。只是因冰体不同部位的运动速度不同，碎屑物间可以局部发生摩擦；以及位于冰川底部和边部的碎屑物可以和冰床基岩发生摩擦，而出现磨蚀现象搬运介质是固体，虽然运动速度很慢

16、，但搬运能力很强，可将直径数十米的巨大石块搬运很长距离。1042 冰川沉积作用与冰磧物 引起冰川沉积的原因主要是冰川的融化。 此外，当冰川搬运物数量大增，从而使冰川的塑性降低，导致冰川的搬运能力减弱，也会发生冰川中过量搬运物的堆积。 经冰川搬运后直接从冰体中堆积下来的物质，称冰磧物。经固结成岩的冰磧物，叫冰磧岩。 按碎屑物在冰川中所处的部位可分为四类：位于冰川表面的称表磧；陷入冰川内部的称内磧；位于冰川底部的称底磧；位于冰川两侧的称侧磧；位于两条冰川交汇处中部的称中磧。 冰磧物的特点：都由碎屑物组成；碎屑物大小混杂，缺乏分选性，常是巨砾和泥质的混合；碎屑物无定向排列；不具成层现象，无层理；磨园

17、度差，呈棱角状；角砾表面可见擦痕和磨光面，擦痕的特点是一端粗而深，另一端细而浅，呈钉形，称钉形擦痕；有擦痕的砾石，又称条痕石。含寒冷气候区的生物化石，常见化石是寒冷型植物孢子。南极冰磧物冰磧物中的巨大岩块（一般直径大于1米者），叫漂砾(drift boulder)。天山漂砾纽约漂砾加拿大漂砾1043 冰磧地貌1，冰磧丘陵（moraine hill) 冰磧地貌是冰川的搬运物沉积后形成的特殊地形。常见类型有： 冰川融化后原来的表磧、内磧和中磧都沉落到底磧上，此时称为基磧（basal moraine)。由基磧形成的波状起伏的丘陵地形，称冰磧丘陵。阿拉斯加冰磧丘陵麻省冰磧丘陵2，侧磧堤（lateral

18、 moraine dam) 山谷冰川两侧的侧磧物堆积形成的沿冰川谷地延伸的条形岗地称侧磧堤。当冰川的冰面断续下降时，可形成阶梯状的侧磧堤，象河流的阶地。阿拉斯加侧磧堤3，终磧堤（terminal moraine dam) 冰川前端由冰磧物钩成的弧形高地称终磧堤。它是冰川前端的边界和标志。当冰川前端断续向源头方向退缩时，可形成多道终磧堤。 大陆冰川的终磧堤高可达3050米，长数百公里。山谷冰川的终磧堤高可达数十200米，长数百米。瑞士终磧堤夏威夷终磧堤 终磧堤封锁谷地后，冰川消融时冰水在谷地内蓄积可形成冰水湖。如果在谷地内有多道这样的终磧堤，则形成串珠状湖泊。新西兰的冰水湖美国加州串珠状冰水湖阿

19、尔卑斯山的冰水湖4，鼓丘（drumlin) 是分布在终磧堤内缘的由冰磧物组成的椭圆形高地。其长轴与冰川运动方向一致，高度由几米到几十米，长几百米。有的全部由冰磧物组成，有的在基岩突起的基础上堆积冰磧物。其迎冰面较陡，背冰面较缓。大多成群分布在大陆冰川的终磧堤内，山岳冰川区少见。美国纽约的鼓丘1044 冰水沉积物及其地貌1，冰水扇（outwash fan) 冰川融化形成的水流可携带部分碎屑物质在远离冰川前沿的低洼地带发生沉积，所形成的堆积物称为冰水沉积物,常形成三类地貌： 是冰川终磧堤外围呈扇形分布的冰水沉积体。 冰水进入平坦地形后，水流分散成没有固定河床的细流，从而搬运能力减弱，而发生沉积。当

20、多个冰水扇扩展相连时可形成冰水冲积平原。 冰水扇的沉积特征类似小型河流冲积扇，但碎屑物的磨园度较差，分选性较差，层理不发育。纽约的冰水沉积剖面加拿大冰水扇2，纹泥（varve) 是冰川前缘洼地中由冰水注入形成的湖泊的纹层状沉积。沉积特点是：层理细薄，但很显著;颜色深浅相间，似树木的年轮，每年一深一浅;以细碎屑为主，粗细相间。 纹泥的形成原因是气候的季节性变化。夏季冰融化快，水量大，搬运力较强，带来较大碎屑（细砂粉砂），形成粗粒层，厚度较大，同时因气温高氧化较强，故呈氧化色，色浅；冬季冰融仃止，只有悬浮的细粒物质（细粉砂泥）的缓慢沉积，形成细粒层，并且厚度很薄，因气温低氧化弱，呈还原色，色深。

21、根据每年一深（细）一浅（粗），统计出纹层的数量，量出纹层的总厚度，就可求出沉积速率。3，蛇形丘（esker) 是在冰体下部的冰融隧道中由冰融水将冰磧物冲刷、搬运，并再沉积形成的狭长而曲折的高地。 沉积特征为：堆积体两坡对称且较陡，蜿蜒延伸如蛇形。主要由砾石和粗砂构成，并具有一定的分选性和不规则的交错层理主要分布在大陆冰川作用地区，长度几十米到几十公里，北美最长的有400公里。蛇形丘阿拉斯加冰融隧道瑞士蛇形丘10.5 冰川与气候1051 冰期与间冰期深海冰芯黄土四十万年来大气二氧化碳、东亚季风及全球冰量大小呈现相似的冰期间冰期变化周期 最早的冰川作用发生在23亿年前的早元古代，随后是震旦纪、早古

22、生代、晚古生代和第四纪。 其中，目前认为最大的冰期有三次：距今67亿年前的震旦纪大冰期 震旦纪冰期形成的冰磧岩在南非、澳大利亚、北美、西伯利亚、印度、非洲及西北欧等地均有发现。我国的安徽、湖北、湖南、贵州、广西、云南、秦岭和山西五台山等地也有分布。距今2.53亿年前的石碳二叠纪大冰期 在晚古生代的冰川作用，经研究认为不少于50次，其中石碳二叠纪的冰期最重要。 石炭二叠纪的冰磧岩主要分布于南半球，如南非、南美和澳大利亚、在北半球除印度外还未找到可靠的冰川作用遗迹。1052 冰川活动对地质作用的影响 冰川的大规模进退，会引起一系列地质作用，主要表现如下：1，冰川作用会破坏地壳原有的均衡，促使地壳均

23、衡的调整，引发地壳的升降运动。 例如，加拿大哈得荪湾地区，冰体的巨大重量使该区地壳下陷到海平面以下，自冰体融化后，压陷的地壳以2mm/年的速率回升，出现地壳均衡调整。加拿大冰川2，冰川作用促使海平面反复升降 冰期，大量水体冻结在冰川内，海水量大减，海平面下降；间冰期冰川融化，补给海洋，海平面上升。海平面的大幅度升降对海岸带的地质和地貌的变化起了重要的作用。南极洲海岸3，冰川作用促使水系的改造 在冰期，冰体挺进，促使河流改道，并使一些河谷堵塞后成为湖泊，将大部分水系扰乱；在间冰期，融化的大量冰水在许多低洼地积蓄成湖，因此冰期后地球上湖泊数量大增。无论冰期，还是间冰期，冰川作用对水系的改造都很明显

24、的。冰水湖4，冰川作用促使生物变迁 大范围的冰川复盖致使生物的生存空间减少和营养物质供应的减少，不适应寒冷气候的生物会大量死亡并逐渐灭绝，剑齿虎在1万4千年前的冰期中灭绝，而寒冷生物则繁殖起来。5，冰川作用影响沉积作用的进行 冰川作用改变了古地理面貌，从而影响沉积相的分布。冰川的刨蚀和冰劈作用为沉积作用提供了大量粗碎屑沉积。第四纪冰期中灭绝的哺乳动物10.5.3 冰期与间冰期气候的原因 米兰科维奇理论地球轨道理论及古气候时间序列的数学分析方法地球轨道的三要素偏心率 斜率 岁差偏心率（eccentricity）10万和40万年的周期斜率（obliquity）4.1万年的周期岁差（precessi

25、on）1.9和2.3万年的周期太阳辐射（insolation）地球轨道参数ETP及其周期ETPNormalization(E+T-P)地球轨道理论 地球轨道理论实际上描述了一个简单的系统模型，模型的输入变量是地球轨道参数的变化或入射地球的太阳辐射量随季节和纬度的变化，模型的输出变量则是一个或多个气候替代性指标的变化，比如海水的表层温度和陆表冰量总体积的变化。对该系统模型的检验可以在时间域和频率域上进行。时间域上的检验对系统模型的精度要求过于苛刻，困难较大，主要的原因在于地质记录的时间标尺和模型的输入变量不准确。频率域上的检验是一种行之有效的方法，即在频率域上对比系统模型的输入变量和地质记录之间

26、的关系。如果该系统模型是线性的，那么在系统的输入变量中表现出来的周期在输出变量中也应该得到体现。地质记录中的周期地球轨道理论的预测周期深海记录中观测到的周期地球轨道参数线性响应模式简单非线性响应模式长偏心率413 ka350-500 ka短偏心率100 ka90-110 ka斜率41 ka41 ka40-42 ka岁差23 ka23 ka22-24 ka岁差19 ka19 ka18.5-19.5 ka常用时间序列分析方法 频谱分析 交叉频谱分析 数字滤波 小波分析 有一个时间序列，一系列具有不同周期的正弦曲线一个个的分别与该记录相匹配，对应的产生每个正弦曲线与整个时间序列的相关系数，如果该时间序列包含一个很强的周期，那么该时间序列必将与某一具有相同周期的正弦曲线线性相关。设定一个相关系数的标准，大于该标准的相关系数被认