冰川作用

第十二章冰川及冰川作用第一节研究简史冰川是地球大气的温度计，冰川消长与地球气候变化的关系极为密切。

然而，对地球冰川以及古气候的认识，曾有过较长时间的困惑，走过了迷惘的路程。

其研究历史，还得从欧洲平原上的大砾石谈起。

北欧大平原上分布着许多大小不一的砾石，小者好几米，大者几十米、几百米甚至几公里！地质学证据表明，它们并非原地，而是外来的。

究竟是什么力量把巨大的砾石搬运过来？18世纪～19世纪中叶普遍认为，这些砾石是由洪水搬运而来，地球表面曾经被巨大的洪水所淹没，发生过巨大的灾变，其依据主要来自《圣经》。

《圣经》记载了洪水的时间、规模和原因。

难怪许多人都十分肯定地把巨大的砾石看作是“诺亚洪水”的证据，并称之为“洪积物”（diluvium），甚至地层中的古动物和古人类化石也被看作洪水的佐证，剑桥大学的数学教授还根据砾石大小计算了大洪水的流速、流量和深度。

然而，当“洪水说”盛行之时，以著名地质学家莱尔（第三章）为首的少数学者却提出了“冰山说”（ice berg）（如电影《泰坦尼克号》里触沉大船的冰山），认为巨大砾石是北极圈浮冰带来的。

当冰山漂浮到南部，逐渐溶化后砾石坠落。

达尔文在南大洋考察时亲眼目睹了冰山，所以他是“冰山说”的坚决拥护者。

冰山论者把砾石称为“漂积物”（drift），意指“漂过来的物质”。

但是，在解释冰山砾石为何分布在高山时遇到了困难。

当“洪水说”与“冰山说”激烈交锋时，瑞士鱼类化石学家阿加西（Jean Louis Rodolphe Agassiz, 1807- 1873）（图12-1）（早年研究鱼化石时曾得到过法国古生物学家、灾变论的代表人物居维叶的帮助），于1837年欧洲的一次地质年会上爆出冷门，突然提出了“冰川说”，他说那些大砾石并非洪水冲来，也非冰山搬运，而是被冰川携带而来。

他说，北欧平原曾被格林兰那样的大冰川覆盖过，砾石表面大量擦痕便是冰川的证据，并把这些砾石取名为“冰碛物”（till）。

人们原以为他要谈鱼类化石的新发现，而他却大谈冰川，其论点当然地遭到了绝大多数与会者的反对，被说成是“胡说八道”，“不务正业”。

但阿加西没有被反对声音所动摇，他考察了阿尔卑斯山、汝拉山等地的现代冰川和苏格兰的古冰川遗迹，于1840年欧洲的另一次年会上，用更翔实的证据证明他的“冰川说”。

当时他想，这是最后斗争，如果得不到承认，将回到鱼化石的研究中，再也不问冰川之事。

但万万没有想到的是，“洪水说”的铁杆人物、欧洲当时很有名望的牛津大学巴克兰老教授（William Buckland, 1784 –1856）（他曾系统研究了恐龙化石，也是“寒武纪生命大爆发”的提出者，第三章），听完阿加西报告后，却突然宣布支持“冰川说”，他一百八十度大转弯顿使全场大乱，紧接着分出“泾渭分明”的两大派，开始了“冰川”与“洪水”的大争论。

而阿加西干脆住进了阿尔卑斯山中，在阿尔卑斯山现代冰川上搭起了一座简陋的木棚，起名为“浓霞台宾馆”，一住就是七年。

简陋的木棚随着冰川的缓慢移动而移动，而他关于冰川的知识也在不断地增长和积累，他不但测量了冰川的运动速度，现代冰川学中的许多名词，也是阿加西当年创造的，并且阿加西的后半生，也完全献身于冰川学。

争论的结果，科学界逐渐抛弃了“洪水说”而接受了“冰川说”。

“冰川说”向人们揭示，在北欧广阔的平原上，曾经被巨大的冰盖所覆盖，当时的北欧很像现在的南极，是茫茫无际的白色世界。

后来又发现，北美和西伯利亚也有类似的大冰盖，说明当时地球比现在冷得多，被称为冰河时代或冰期。

由于阿加西的杰出贡献，被后世誉为“现代冰川学之父”，他的研究不但奠定了现代冰川学的基础，也是第四纪地质学研究的重要里程碑。

然而，人们并不满足于地球上存在过冰河时代的认识，接下来的问题是：冰川发生于何时？来过多少次？其成因是什么？更重要的是，冰川还会不会卷土重来？地质学的这场争论不但深深地吸引着地质学家，而且也吸引了其他领域的科学家。

英国当时有一位学者叫克罗尔（James Croll, 1821 – 1890），此人出身贫寒，13岁辍学，曾经先后当过挤奶工、木匠、保险费的推销者，开过茶叶店、旅店；然而他天资聪明，勤奋好学，虽不是科班出身，但也被地质学那场大争论深深地吸引着，并试图解开冰川之迷。

他的经营连连亏本，而他的研究却在不断地深入。

最后他提出了关于冰川成因的天文说，认为地球围绕太阳旋转的岁差和偏心率联合作用，造成了地球上冰期、间冰期的交替变化，并计算出冰川消长的周期。

由于他的成就，被接纳为英国皇家学会会员。

不幸的是，他生命的最后十年，是在严重的头痛病中度过的。

克罗尔去世了，然而，他未完的思索和事业被另一位学者，塞尔维亚（前南斯拉夫）岩土工程师和气象学家米兰科维奇（Milutin Milanković , 1879 – 1958）延续下去。

米兰科维奇曾参加过第一次巴尔干战争，1914年一战爆发后，被奥地利-匈牙利联军俘虏到德国。

但他在监狱里思考的不是出狱和自由，而是冰川的成因和周期，虽然身陷囹圄，但思想却在无垠的太空中自由地翱翔。

他认为冰川形成除了岁差和偏心率等天文因素的影响外，还有地球的轴倾斜，据此综合计算出了气候变化的米兰科维奇曲线。

然而，他的曲线正确与否？与此同时，德国有位地质地貌学家A. 彭克（Albrecht Penck, 1858 – 1945, 著名地貌学家W. 彭克（Walther Penck）之父）（第十、十一章），在研究阿尔卑斯山北坡的古冰川后，用地质地貌学的方法，划分出贡兹、民德、里斯和雨木等四次冰期，并作出了一条古气候变化曲线，他发现，他所作的曲线与米兰科维奇曲线很相象，可以相互验证，于是两人都非常高兴。

然而，正当他们庆祝胜利的时候，科学界发明了同位素测年，测年结果修改了彭克的曲线，两条曲线又出现了差别。

那么，是A.彭克错了呢？还是米兰科维奇错了？或者两人都错了?二战结束后，科学家把军舰改造成了海洋调查船，开始了对当时一无所知的大洋的考察。

一位名叫埃里克森（David B. Ericson）的有孔虫专家，用反映气候变化的大洋有孔虫作出了一条古气候曲线，他发现他的曲线与米兰科维奇曲线有点象。

但同时，另一位叫埃米利亚尼的学者（Cesare Emiliani, 1922 - 1995），却作了大洋有孔虫壳体的氧同位素变化曲线。

他认为氧同位素变化可以反映海水水温的变化，从而反映古气候变化。

不幸的是，两人的曲线虽然都与米兰科维奇曲线类似，但两者之间又相差较远。

于是，各持己见，互相指责，争吵起来。

究竟谁对谁错？有一位叫柏瑞（John Imbrie, 1925-）的美国学者站出来说，我来作个“仲裁实验”。

几年之后，结果出来了，他准备在1969年巴黎召开的国际第四纪学术讨论会上宣布其仲裁结果。

但却有意卖乖，故意迟到。

没想到，宣读论文的那天天空突然放晴，巴黎的金秋深深吸引了与会代表，大部分人已无心会议，出外游玩，结果会场只有两位听众，其中一位还不懂英语。

无论如何，柏瑞的工作是一个里程碑，“仲裁”结果表明：埃里克森错得较多，不能用单个有孔虫作古气候的变化指标，而且还要考虑盐度等因素的影响；而埃米利亚尼也只对一半，除考虑氧同位素的温度效应外，还要考虑冰川效应。

在柏瑞领导下，海洋古气候的研究取得了很大成功，证明米兰科维奇天文理论的正确性，并根据大洋的研究，划分出了20多个冰期。

可是，当年A. 彭克在大陆只划分出了4次冰期，难道大陆错了？还是大陆与海洋的气候变化不同步？中国著名学者刘东生（1917-2008）（第十二章）回答了这个问题，他默默无闻地在中国的黄土高原上辛勤工作了几十年，发现中国的黄土发育之好，举世无双。

根据黄土中留下的记录，他也作出了一条古气候变化曲线，终于解开了大陆古气候变化之谜：黄土古气候变化曲线与大洋乃至与米兰科维奇曲线有很好的一致性，A. 彭克早年的工作错了。

近年来，随着科学技术的发展，科学家们又在南极、北极和山岳冰川上钻探，取出古老的冰芯，作古气候分析。

冰芯古气候记录除了能与大洋和大陆对比之外，还发现了更多细微尺度（几十年）的冷暖波动，天文学说难以解释。

其原因是什么？另外，根据上述的古气候变化曲线，科学家发现，地球气候变化的周期大致为10万年，其中9万年为寒冷，1万年为温暖。

历史上最后一次冰期的结束至今已有一万余年了。

那么，这是否意味着我们现在所处的温暖期快要结束、新的冰期是否即将来临呢？有的学者说，新冰期不可避免地很快就要来临，有的学者甚至说，我们已经听到了冰川的脚步声了！但目前，地球又面临着全球变暖，气温升高，海面上涨，未来究竟如何？这是当今科学研究的热点和前缘。

通过上面的叙述，不但可以了解冰川以及古气候研究的基本知识以及来龙去脉，同时也能感受到科学发现的历程。

一些人眼里，形态各异的“漂砾”可能是亭台楼阁的良好陪衬，或是吟诗作画的极佳素材。

但正是一些好奇之士，对“漂砾”的“无聊”争论，促进了第四纪地质学的诞生，引起了全球变化的思考，并成为地球系统科学诞生的基石，最终推动了科学的发展和人类的进步。

想当年，爱迪生笨拙的灯泡，给人类带来了光明；法拉第把磁铁放入线圈的实验，发现了感应生电的现象；伽利略两个凸透镜的组合，打开了广袤无垠宇宙大门；哥白尼把地球和太阳的换位，引发了科学的革命和人类思想的大解放，……。

上述例子在科学历史上不胜枚举。

好奇是人类的天性，无意的发现可能有不可估量的价值，而人类将会在科学的不断进步中受益。

第二节冰川的形成和类型一、冰川的形成海拔高于雪线以上的地区，长年积雪，随着时间的推移，积雪增厚。

降到地表多角形的雪花因昼夜温度变化和压力作用，其边缘在白天增温而融化，在夜间又重新冻结，形成一层薄冰。

当积累到一定厚度后，松散的雪花便逐渐形成粒状的冰，即粒雪。

粒雪继续增厚，产生更大的静压力，排出空气，结成致密、透明，呈微蓝色的冰川冰。

冰川冰具可塑性，冰川冰在压力和重力作用下顺山坡或谷地向下运动，便形成冰川。

图12-2 新鲜雪、粒雪、冰川冰的转变过程1. 冰川的定义冰川（glacier）是极地或高山地区沿地面运动的巨大冰体，是在高寒地区由降落在雪线以上的大量积雪再结晶聚积成巨大的冰川冰，因重力和压力使冰川冰流动而成为冰川。

冰川所含的水量，占地球上除海水之外所有的水量的97.8%。

如新疆的天山“一号冰川”是世界冰川组织在全世界范围内重点监测以研究世界气候变化的大陆冰川之一。

图12-3 天山一号冰川及冰舌对比（左摄于1980；右摄于2005）2. 雪线（snow line）雪线是年降雪量等于年消融量的界限。

雪线以上年降雪量大于年消融量，常年积雪。

雪线以下年降雪量小于年消融量，不能常年积雪，只能季节性积雪。

因此，冰川必须在雪线以上才能形成。

一个地区的海拔高度没有超过雪线，就不可能有冰川。