漫话南极洲板块（8）
胡经国
㈢、南极冰雪世界
1、相关基本概念
⑴、冰川
①、冰川的概念
广义冰川（Glacier），俗称冰河（Ice River），泛指在极地或高山地区陆地地表多年存在并且终年处于沿陆地地面运动状态的各种各样的天然冰体；而狭义冰川则是指类似河流那样沿着陆地地面一定的槽谷终年存在和运动着的冰川，即似河流型冰川。冰川是由多年积雪经过压实、重结晶、再冻结等成冰作用而形成的。它具有一定的形态和层次，并且具有可塑性，在重力和压力作用下，产生塑性流动和块状滑动。冰川是地表重要的淡水资源。国际冰川编目规定：凡是面积超过0.1平方千米的多年性雪堆和冰体都应编入冰川目录。
②、冰川的结构
山岳冰川一般可分为源头的粒雪盆和从粒雪盆流出的冰舌两部分。
粒雪盆，是指雪线以上区域的地洼地形；从天空降落的雪和从山坡上滑落下来的雪，容易在这种地形低洼的地方聚集起来；并且由于低洼地形一般都是状如盆地，因而在冰川学上称其为粒雪盆。粒雪盆是冰川的发育地和源头，被称为冰川的摇篮。
冰舌（Glacier Tongue），是指山岳冰川从粒雪盆流出的舌状冰体。冰舌区是冰川作用最为活跃的地段，大部分也是冰川的消融区。冰舌的最前端部分（也称为冰川末端），其冰面常发育冰面流水、冰裂隙等；冰舌前端有陡峭的冰崖，其下方有冰洞，涌出大量的冰川水；在冰体内还能形成冰洞、冰钟乳、冰下河。
从大陆冰盖周围发育和向外流出的冰川属于冰盖外流冰川，其源头为大陆冰盖。在南极大陆有众多南极冰盖外流冰川。例如，查尔斯王子山脉附近流过的兰伯特冰川是世界上最大的冰川；
③、冰川运动
冰川冰有一定的可塑性，在重力和压力作用下发生流动。在山区，冰川顺山谷下流，其流速每年几米至数百米不等。
物体在受力情况下，为了适应或消除外力，可以作三种变形，即：弹性变形、塑性变形和脆性变形（或称破裂）。
就冰川冰来说，由于它容易实现晶体的内部滑动，因而有利于表现出塑性变形或塑性流动。但是，当外力突然增高时，很容易超过冰的破裂强度，从而发生脆性变形（断裂）。只有在缓慢加荷并且长期受力的情况下，冰才能充分显现出塑性变形的特性。当物体在长期受力时，哪怕这种力较小，也会产生塑性变形。在冰川下部，由于上部冰层的压力和上游冰层的推力，总是处于受力状态，使下部冰层的塑性表现得比较充分。同时，下部冰层的融点由于受压力作用因而比上部冰层稍低，使得下部冰层更接近于融点，从而塑性变形更易于实现。这样，冰川下部出现塑性带就不难理解了。而冰川表层，缺乏长期受力这个重要条件，当外力突然增加时，往往作弹性或脆性变形，形成为脆性断裂带。
在一条畅通的山谷中，当冰川流动时最大流速出现在冰川表面，愈近谷底速度降低。这种运动方式叫做重力流。如果冰川在运动过程中，在前方遇到突起的基岩或运动变缓的冰块的阻塞，就会在那里形成前挤后压的剪应力。这种流动方式叫做阻塞重力流。在发生阻塞重力流的地方，冰体中常发育有许多逆断层，甚至还会有复杂的褶皱出现。
冰川运动速度总的来说十分缓慢。冰川运动速度日平均不过几厘米，多的也不过数米，以致肉眼发觉不出冰川在运动。冰川运动速度是有季节变化的，夏快冬慢。
格陵兰的一些冰川，运动速度居世界之首；但是每年也不过移动千余米而已。其它地区的冰川，像比较著名的某些阿尔卑斯山的冰川，年流速不过80～150米。中国冰川大多数是大陆性冰川，由于冰川积累不丰富，冰川上物质循环较为缓慢，因而导致冰川运动速度比较低。
美国阿拉斯加州安克雷奇和瓦尔迪兹之间的哥伦比亚冰川长54千米，宽4.8千米，最高点海拔为910米。1999年，它平均移动速度为35米/天，在过去的20年中它的移动速度加快了一倍。
④、冰川分类
按照冰川的规模和形态，冰川分为大陆冰盖（简称冰盖）和山岳冰川（又称山地冰川或高山冰川）。山岳冰川主要分布在地球的高纬山和中纬山地区。其类型多样，主要有悬冰川、冰斗冰川、山谷冰川、平顶冰川。
按照冰川的物理性质（如温度状况等）分为：①、极地冰川，整个冰层全年温度均低于融点；②、亚极地冰川，除了表面可以在夏季融化以外，冰层大部分温度低于融点；③、温冰川，除了表层冬季冰结以外，整个冰层处于压力融点。极地冰川和亚极地冰川，又合称为冷冰川；多分布南极和格陵兰。温冰川主要发育在欧洲的阿尔卑斯山、斯堪的纳维亚半岛、冰岛，阿拉斯加和新西兰等降水丰富的海洋性气候地区。
⑵、冰盖与冰原
冰盖，又称为大陆冰盖，是指长期覆盖在陆地上的面积大于5万平方千米的极厚的冰体（层），一块巨型的圆顶状冰体（层）。其覆盖面积大于5万平方千米的又叫做冰原。南极冰盖和格陵兰冰盖为现今地球上尚存的两大冰盖。冰岛的瓦特纳冰原也是一个冰盖的例子。
大陆冰盖分布在气候寒冷、有一定降雪量的两极和高纬地区，除了少数山峰突出冰面以外，几乎全部地面均为厚达数百米至数千米连续的冰层所覆盖。大陆冰盖中心部分为积累区，边缘部分为消融区。冰盖冰几乎不受下伏地形影响，自中心向四周外流，形成外流冰川；从冰盖边缘部分自陆地向海洋伸展，一部分固定漂浮在海上的冰体称为冰架（陆缘冰）、冰棚或冰障。从冰架断裂崩解后落入海中的冰体形成冰山。在两极和极区附近岛屿上，形态和特点与大陆冰盖相似、但是规模小得多的冰体，称为冰帽或冰穹。
冰盖并不拘泥于地理特征，比如并不一定要在山峰的顶端。但是，它们的圆顶一般以山丘的最高点为中心；冰层会从最高点向边缘移动。
资料显示，在晚更新世末次冰期最盛时期，除了南极冰盖和格陵兰冰盖以外，还形成有北美洲的劳伦泰德冰盖、北欧的斯堪的纳维亚冰盖及南美洲的科迪勒依冰盖。
⑶、冰穹
冰穹（Dome），又叫做冰帽（Ice Cap）或冰冠，是指一种规模比大陆冰盖小、外形与其相似、而穹形更为突出的覆盖型冰川。在压力不均匀的情况下，其冰体内的冰从中心向四周呈放射状漫流。它是大陆冰盖和山岳冰川之间的过渡类型。冰穹大多分布在一些高原和岛屿上，因此又有高原冰帽和岛屿冰帽之分。冰岛的伐特纳冰川即是一例。
在南极大陆除了最著名的冰穹A（Dome-A）以外，还有：冰穹B（Dome-B）、冰穹C（Dome-C）、冰穹F（Dome-F）以及Siple冰穹（Siple Dome）、Taylor冰穹（Taylor Dome）。
⑷、冰架
冰架（Ice Shelf），又叫做冰棚，探险家们称之为冰障（Ice Barrier），是指陆地冰体或与大陆架相连的冰体延伸到海洋的那部分冰体；是从冰盖边缘向向海洋伸展、固定漂浮在海洋上面的陆缘冰。其崩解后的冰体成为冰山漂浮在海面上，也就是说冰山的来源就是冰架崩解。
探险家们将冰架称为冰障（Ice Barrier）。不过，有的将冰架临海的冰体称为冰障，例如有“罗斯冰架临海的罗斯冰障障”的说法。
冰架有大有小，大的冰架可达数万平方公里。两极地区是冰架最为集中的地区。冰架崩解是一种自然现象。冰架分为正常冰架、半残留冰架、残留冰架和剩余冰架4种。
冰架厚度从海岸边向冰架前沿方向逐渐减小；高出海面2～50米或更高。前苏联科学家认为，其根部厚度为200～1300米，前沿处厚度为50～400米。通常，冰架的水平范围很大，其表面平滑或略有起伏。冰架通过冰上积雪的硬化而增加厚度。世界上最大的冰架是南极洲的罗斯冰架和菲尔希纳冰架，其面积均为数十万平方米。
南极洲冰架的总面积为15417008平方公里。南极洲的三大冰架是：罗斯冰架、龙尼－菲尔希纳冰架和埃默里冰架。此外，还有拉森B冰架等。
2、南极冰盖
⑴、概述
南极冰盖覆盖面积达1398万平方公里，平均厚度在2000～2500米之间，最厚的有4800米，总体积达2450万立方公里。这顶巨大的“冰帽”，在自身重力的作用，以每年130米的速度，从内陆高原向四周沿海地区滑动，形成了几千条冰盖外流冰川。
另有资料显示，南极洲地表被大范围的常年不融化的冰雪所覆盖。南极冰盖开始形成于渐新世末。至少在距今500万年前就已经达到目前规模。该冰盖绝大部分分布在南极圈内，直径约为4500千米，面积约为1398万平方千米，约占南极大陆面积的98%。其平均厚度为2000～2500米，最大厚度达4000（或4200）多米。该冰盖的总体积约为2450万立方千米，占世界陆地冰量的90%，淡水总量的70%。在该冰盖外围发育有面积约为150多万平方千米的陆缘冰，主要有：罗斯冰架、菲尔希纳冰架和埃默里冰架等。在内陆冰盖的补给和推动下，冰架边缘不断崩坍出大量的平顶冰山。
南极冰盖如果全部融化，那么全球海平面将升高60米，地球上的陆地面积将因此而缩小2000万平方千米。这将会给世界上人口相对稠密的低海拔地区造成巨大灾难。
另有资料显示，南极大陆的98%被冰雪覆盖着。经过科学家多年的测量计算，南极冰盖的总体积为2800万立方千米；平均厚度为2000米，最大厚度达到4800米。最厚的冰盖位于东南极洲的澳大利亚凯西站以东510千米处。
南极大陆常年被冰雪覆盖着，使得南极大陆，特别是东南极洲形成一个穹状的高原；平均高度为2350米，成为地球上最高的大陆，比包括青藏高原在内的亚洲大陆的平均高度要高2.5倍。但是，如果不计这巨大的冰盖，南极大陆的平均高度仅有410米，比整个地球上陆地的平均高度要低得多。
南极洲的冰和雪是世界上最大的淡水库，全球90%的冰雪储存在这里，占整个地球表面淡水储量的72%。
南极洲有众多的冰川。其中，兰伯特冰川是世界上最大的冰川。这条冰川充填在一条长400千米、宽64千米、最大深度为2500米的巨大断陷谷地中。它以每年平均350米的流速流注入海。
南极洲四周的冰障有10多座。在罗斯冰架临海的罗斯冰障长达900千米，平均高出海面50米，是南极洲最大的一座冰障。据专家测定，冰障在不断地移动。罗斯冰障的前端一般每天移动3米，最快达4米。
在南极大陆的毛德皇后地和阿黛利地冰川的冰舌，向海洋中伸出100多千米，宽度达50多千米，高度为20～30米。
由于海冰从海岸向大洋延伸，南极大陆面积冬季和夏季相差甚大。科学家测定，在格林尼治子午线上，夏季南极大陆的直径为3600千米；而冬季则可达5400千米。
⑵、结构特点
①、冰盖相对比较稳定
南极冰盖是由终年不化的降雪逐渐堆积而成的，属于极地大陆冰川类型。它的主要特点是：温度低，雪的积累量和消融量都比较小，而且从新的积雪转换成冰的过程非常缓慢，因此冰盖相对比较稳定。其下层的积雪在上层积雪的重力作用下，被压实排气以后发生重结晶作用，从而形成了坚硬的冰。南极冰盖的冰和其他淡水冰最大的区别是：它们未经过融溶，还含有大量的气体，因此它保存着完整的层状结构。
②、冰盖的表面并不光滑
远看南极冰盖，由于积雪冻结得非常结实，因而看到的是一片光滑平坦的冰原。但是事实上，冰盖的表面并不光滑。由于冰盖是运动的，在冰盖的运动过程中形成了许多分离的小冰川（冰盖外流冰川），并且冰川携带走了大批由碎石、岩块和冰融水混合而成的冰渍石；当其流动时，就像一把把锐利的锉刀刻蚀着地面岩石，使地面形成了许多盆地和沟槽。南极的风也是天然的雕刻家，它将雪吹成几十厘米到1米左右的冰雪脊梁，从而使表面看似宁静的冰原却处处充满了陷阱。
③、冰盖规模没有无限制增加
由于冰盖具有流动性，因而尽管南极冰盖持续不断的接受者降雪的沉积，而冰盖规模却并没有无限制地增加。南极冰盖在重力作用下，还会发生塑性变形，并且不断地向沿岸低海拔低地方流动。此外，冰盖底部由于基底温度的作用，以及高压下冰的熔点降低，因而使得冰盖底部的冰发生融化，形成一个润滑层，由此促进冰盖底部的流动。而且，冰盖表面的倾斜度和冰体的厚度也在很大程度上影响着冰盖表面的运动速度。观测资料表明，南极冰盖正在以每年几米甚至几百米的速度向低海拔的方向流动。
④、冰盖始终处于不断运动状态
像其他大陆一样，南极大陆的总体地形也是由内陆中央向沿海降低的。南极冰盖在重力作用下始终处于不断运动的状态，并且由内陆中央缓慢地向沿海方向移动；在海湾地带突入海洋，形成冰架。当冰架上的冰继续向深海方向流动时，就会发生崩解作用，然后形成一座座冰山飘向大海，直至融化。
⑤、雪冰转化作用持续不断进行
南极冰盖并不像我们想象的那样全部是冰；南极冰盖只有在沿岸冰川入海的地方和内陆某些出现裸露岩石的部位才能见到成冰。南极冰盖的上面，覆盖着近百米厚的积雪层；其表面仍然在不断地接受降雪的沉积，下层的积雪在重力的压迫下不断地转化成冰。而且，这种雪转化成冰的作用现在仍然在持续不断地进行着。
⑥、雪－气及雪－冰界面
在南极冰盖上的积雪层中，包含着两个重要的界面：其一是积雪表面与大气相接触所形成的雪－气界面；其二是深部积雪与成冰相接触所形成的雪－冰界面。在这里，大气、雪、冰之间广泛地进行着的物质与能量的转换，而这种转换就是通过这些界面来实现的。
大气中的水蒸气凝结成云，然后通过降雪的沉积来到冰盖表面。降雪中的化学成分及固体颗粒能够反映出大气循环的特点；而水中氧同位素的组成，则可以反映当时的气温情况。因此，如果南极上空的水汽降落在冰盖表面，而在其沉积作用过程中并没有发生变化，那么不同年份和季节的积雪层内就能够保存住当时的大气环流特征与气温记录。在冰盖积雪层转变成冰的过程中，虽然也经历了许多复杂的过程，但是它或多或少地保存着原始的雪在沉降过程中的许多特点。由此，我们可以看到，全球气候与环境变化的记录在南极冰盖的冰层中得以完整地保存下来了。科学家也这正是依据这一点，以南极冰盖中的冰层为研究对象，来研究地球气候的演化历史的。
降雪在南极冰盖上的堆积主要取决于风场和雪表面的微形态。由于南极洲是个寒冷的地区，因而降雪并不会融化，而是在风力作用下发生一定程度的运移，最后在合适的地方沉积下来。在强风场的地区，雪不容易堆积；在有突起的斜坡地带，雪也不容易堆积。因此，南极冰盖上雪的堆积并不是均匀的，在风小的或者是比较平坦的地方，雪可以连续不断地堆积下来；而在风大的或者是斜坡地带，雪的堆积却是不连续的。为了研究气候变化与南极冰盖的关系，有必要观测和分析冰盖降雪沉积的速率、积累量以及冰盖的运动速率等问题。人类对于南极的探索是无止境的。
⑶、古气候及古环境研究
①、恢复古气候和古环境的新途径
由于南极大陆的冰盖厚度达几百至几千米，而且气候极其寒冷，成冰过程中无融化现象，因而冰川学家在研究南极大陆冰盖的年龄及其形成的历史过程时，采用了钻取冰芯样品的方法来测定冰川的年龄和形成过程。他们发现，从冰川的冰芯样品中，不仅能测定冰川的年龄及其形成过程，还可以得到相应历史年代的气温和降水资料，以及相应年代的二氧化碳等大气化学成分含量，开辟了恢复古气候和古环境的新的道路。
记载表明，从南极大陆冰盖获取的冰芯样品，至今已超过2000米，获得了15万年以前的古气候和古环境资料。
怎样从冰岩芯中获取古气候和古环境资料呢？
②、冰层年龄测定
首先，谈谈怎样获取冰层年龄的资料。南极大陆冰盖是由积雪本身的重量长年挤压而成的，称作重力冰。在南极地区，由于气温低，积雪不融化，每年的积雪形成一层层的沉积物；年覆一年，从底部向上逐渐形成一层层的冰层，越向上年代越新。冬季气温低，雪粒细而紧密；夏季气温高，雪粒粗而疏松；因而在冬季、夏季积雪形成的冰层之间具有显著的层理结构差异，宛如树干的年轮一样；用这种直观的方法只能辨认大约90米厚的冰层，代表近500年的冰沉积。
要测定100米以上深度的冰层年龄，必须采用氧同位素方法。
所谓氧的同位素，是指同属氧元素（O）但是具有不同质量数的氧原子，如氧16，氧17和氧18就是氧的三种同位素。氧元素符号左上角的数就是它的质量数，如16O、17O、18O。显然，18O 的质量大于16O。18O 不易蒸发，16O易蒸发。因而，在夏天高温时，水中所含氧16减少，故18O/16O的值增大；冬天低温时，18O/16O的值减小。据此，测定冰芯中各冰层的18O/16O值的变化，即可确定冰层的年龄，其比值的每一起伏为一年。
③、古气候及古环境研究
有了冰层的冰龄资料，再进一步确定各冰龄的气温和降水，便有了历史气候的最基本的资料了。
原则上，可以根据各年冰层厚度来确定当年降水量。其条件是，必须选取风速很小地区的冰芯资料才能排除风吹雪的影响。在南极内陆区域，由于风速小，因而冰芯资料最理想。
用冰芯提取古代气温资料的方法，可通过以下途径来进行。
首先，实际测定一组现代南极冰盖上某点的气温以及相应时间降雪中18O/16O的值，得到南极地区气温与18O/16O值的关系曲线；之后，把过去某一年冰层中18O/16O值与上述曲线进行比较，即可知道当年的气温。
原苏联科学家利用这种方法，测定了南极东方站0～2038米的冰芯样品，从中提取了15万年以来全球气温变化资料。获取古环境资料的方法可根据不同的大气化学成分而定。
二氧化碳与气候的密切关系，早为世界关注。因此，获取二氧化碳历史资料的问题首先得以提上议事日程。
在南极地区降雪堆积和挤压成冰层的过程中，总会保留下冰间空穴，保存着当年的空气。在分析冰芯样品时候，分析冰芯中滞留氧泡的大气化学成分，即可测得其二氧化碳的含量。有了上述测定冰龄的前提，二氧化碳的历史演变资料即可得到。
依照同样方法，还可分析得到诸如甲烷、氮等气体的历史资料。 2022年11月17日编写于重庆
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