冰河与环境

嘉明湖
位于台湾台东县海端乡嘉明湖是一个冰斗湖,附近可以找到很多冰河侵蚀、堆积形成的地形特征。照片是眺望当初冰河的出口,出口处有两道堤,外侧的是岩石堤,内侧是冰河消失前最后阶段留下来的堆积堤。依据定年,冰河消失的时间大约在距今7000年前左右。(齐士峥摄影)

冰河之所以称为「河」,大概是因为我们经常看到的都是像河川一样有条长长流路的山岳冰河吧!但其实冰河冰的移动和水的流动不同,在第四纪末次冰河时期(末次冰期),欧洲和美洲大陆北部的大陆冰河像帽子一样覆盖广大的范围,冰厚度可达数千公尺,并不像高山上的冰河有明显的槽状流路,而且我们现在能够看到的冰河地形,几乎都是第四纪冰期的冰河消融、后退以后才露出来的。所以,接下来我们就来谈谈第四纪冰期、冰河的形成和冰河地形,当然我们也要谈谈台湾的第四纪冰河地形遗迹。

地球的最后一个时期

第四纪是地球历史的最后一个时期,也是人类演化最重要的时期,第四纪开始于大约距今250万年前,可以再区分为「更新世」和距今约1.2万年到现在的「全新世」。更新世发生很多次冰期和间冰期的循环,冰期的时候气温下降、冰河扩大、海平面降低;间冰期的时候气温增高、冰河消融、后退、海平面上升。更新世最后一个冰期,称为「末次冰期」,大约开始于距今11万年前,结束于距今1.4万年前。学者认为发生末次冰期的原因包括太阳辐射降低、地轴更接近于垂直黄道面、地球与太阳距离更远和超级火山爆发,气温较低的夏季使冬季冰雪无法消融。一般又将末次冰期再分为前、后两期,因为距今2万~1.8万年前左右的末次冰期后期,欧、美洲北部的冰河覆盖面积最大,全球平均气温最低,故称为「末次冰期最盛期」。不过东亚、南亚冰河覆盖范围最大的时期,大致上是在距今约5~7万年前的末次冰期前期,学者推测是当时有较显著的夏季季风,供应更丰沛的水气(降雪)的缘故。

冰河的形成

在高山、高纬度地区,初降的雪非常松软,比重多在0.1以下,长年积累的雪,受自己重量和气温的变化影响,经过挤压变形、重新排列、再结晶、重复融冻等等过程,慢慢的转变为比重大约0.5的粒雪,最后才变成比重大约0.9的冰。冰是固体,不会流动,而巨厚冰的移动、形成冰河,是因为冰塑性、破裂变形与滑移而造成的。

冰河最简单的分类就是大陆冰河和山岳冰河。南极和格陵兰是现代最大的大陆冰河,大陆冰河像帽子一样覆盖在地表,我们也称它们是冰帽或冰盖。依据学者研究,南极冰帽的平均厚度接近2000公尺,最厚超过4000公尺,在数千公尺冰的重压之下,冰帽底部呈洼地状,中央最低处的高度远低于海平面,若南极的冰融化,全球海水面会升高接近60公尺。格陵兰冰帽底部也是洼地状,冰的平均厚度约1500公尺,最大厚度超过3000公尺,格陵兰的冰全部冰融化,全球海平面会上升6公尺左右。这些最大厚度接近或超过1000层楼的冰帽,就像放在桌上的很大很大一坨麻糬,麻糬会因为自己的重量,产生变形、向四方扩展,大陆冰河的「流动」大致上就可以这样想像。山岳冰河有明显的倾斜槽状流路,坡度对冰的「流动」有显著的影响,冰的厚度不到百公尺就会「流动」了。若接近海洋、较高温的冰河,底部的冰会因为重压、融点降低而形成水膜,冰就会发生更快速的「滑动」。无论哪种移动方式,冰河流动速率都很缓慢,每天移动距离常必须用公分计算,最快通常也只有数公尺。

冰河的雪线

接近冰河源头是降雪量大于融雪量的冰雪供应、积累区,也是冰河的主要侵蚀区;靠近冰河末端是融冰量大于供应量的消融区,也是冰河的主要堆积区;积累区和消融区中间是供应量大约等于消融量的「平衡线」或「雪线」,愈高纬度的地区,平衡线或雪线的海拔高度愈高,探讨特定时间的「平衡线」或「雪线」高度,是冰河研究很重要的目的之一。我们现在可以观察到的冰河侵蚀、堆积形成的地形,大部分都是冰期结束、平衡线升高、冰河逐渐消融和后退而露出来的。不过要特别注意,「冰河后退」是指冰河的前缘后退、冰河范围缩小,并不是指冰河移动方向改变。

冰河侵蚀与堆积

冰河移动会铲、拔地面物质,产生的沉积物对地表的刮、磨作用,更增强冰河的侵蚀力。除此之外,在山地地区,因为裸露地表受到剧烈的霜冻作用使岩石破裂,所以岩体的物理风化作用和陡峻边坡崩塌作用也非常盛行。冰河堆积作用主要包括三类,第一类是崩塌和受剪力作用而从冰河底部被送到冰河表面的碎屑物,它们在冰河前缘会向倒垃圾一样的倾泻堆积;第二类是冰河刮、拔、铲起的沉积物,受重压而冰河底部形成非常紧密的堆积物;第三类是多受流水作用的堆积物,主要分布于冰河末端的底部、表面和冰河的前缘。因此,冰河从来源区的侵蚀到末端的堆积,会产生一序列具有特定空间配置关系的地质、地形特征,学者就是通过研究冰河消融后露出的这些特征,重建过去冰河活动与退却的历史。

大陆冰河在冰雪积累区或侵蚀区形成的地形是广大、土壤浅薄的地面,常常可以见到裸露、光滑且具有刮痕(擦痕)的岩石面和大小深浅不等的洼地,洼地蓄水则形成湖泊。千湖之国芬兰,还有北美洲狭长、平行于古冰河移动方向的指状湖、面积极大的五大湖,都与大陆冰河的侵蚀有关。这个区域常会出现称为羊背石的岩石小丘,规模常在数公尺到数十公尺,较缓面指向冰河来源、较陡面指向冰河远去的方向。靠近冰河末端,是覆盖厚层冰碛土的广大平原,常见鲸背山、蛇形堤、冰积埠、锅穴、端碛堤、外洗扇和湖泊等地形。鲸背山是冰河底部堆积物形成的地形,规模常在百公尺以上,呈蛋形,迎冰面较陡、背冰面较缓。蛇形堤是呈蛇状的蜿蜒小丘,是融水在冰河底部形成河川,由河川沉积造成的。冰积埠是孤立的小丘,大多是冰河表面的洼盆或湖泊堆积体,在冰河消融后堆叠于地面。锅穴是洼陷的坑,是冰河后退时,埋在冰碛物中的断裂冰块消融、地表塌陷形成的。端碛堤是在冰河末端长期停留的地方,由融冰堆积形成的冰碛堤;融冰的季节性水流,会在端碛堤外形成冲积扇,称为外洗扇;若在数道端碛堤之间蓄水成湖,冰河湖中会随着季节变换,沉积颗粒粗细、颜色浅深不同的冰河季候泥。

山岳冰河侵蚀区的典型地形有冰斗、角峰和刃岭。冰斗是倾斜碗状的冰河源头区地形,因为冰斗口有岩石堤,斗底常会蓄水成湖。台湾的玉山、雪山、南湖大山、合欢山、秀姑峦山分布非常多冰斗,嘉明湖则是典型的冰斗湖。冰斗围绕的山峰因为冰斗扩大、斗壁后退的侵蚀与崩塌作用,形成尖锐的金字塔状,称为「角峰」。

(据 齐士峥/《科学月刊》,原文标题“从末期冰期至今变化, 看全球冰河地形”)

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