Question

冰川堆积物及堆积地貌

Answer 1

1. 冰川的搬运作用与沉积作用

冰川的搬运作用是指冰川在运动过程中，将冻结在冰川中的碎屑物质从一个地方搬运到另一个地方的过程。被搬运的碎屑物质称为冰川岩屑(glacial debris)，也称冰碛(till or mo-raine)，它们即可出现在冰川表面(表碛)，也可包含在冰川内部(内碛)，还可位于冰川的底部(底碛)。冰川的搬运作用比较特殊，与流水的搬运作用有显著的不同。由于冰川搬运的介质是固体，因此被搬运的冰川岩屑是冻结在冰川中以载移的形式向前移动的; 在搬运的过程中，冰川岩屑之间几乎不发生碰撞; 冰川的搬运能力很大，能搬动巨大的砾石; 位于冰川底部的冰川岩屑常承受较大的压力作用。

冰川的沉积作用是指由于冰川的消融或载荷能力的降低，将携带的碎屑物质堆积下来的过程，形成的堆积物称为冰碛物(moraine)。冰川的沉积作用主要受冰川的厚度、运动速度、温度以及地形的影响，沉积主要发生在冰川的前缘(冰舌)、底部、两侧等部位，其中以在冰川的前缘和底部沉积作用最主要。在不同的部位，冰川沉积作用的方式也有所不同。在冰川的前缘(也称末端或冰舌)，是以冰川融化的形式将携带的碎屑物质堆积下来，因此这种沉积方式受气候的影响比较明显。在冰川底部的沉积作用则以卸载作用方式为主。在冰川两侧的堆积作用主要是由于冰川的载荷过大导致的。

2. 冰碛物及其分类

冰碛物(glacial drift or till or moraine)是由冰川搬运并堆积形成的各种物质的总称，其分类复杂，名称多样。1979 年11 月国际第四纪委员会公布了冰碛物的分类方案，现根据我国的具体情况简化补充在表6-1 中。含在运动冰川中的冰碛物称为运动冰碛(flow till)，包括表碛、内碛、底碛; 而冰川停止运动后所堆积的物质称为堆积冰碛(accumulation till)，有终碛、岸碛及基碛。

表 6-1 冰碛物的分类简表

(1)按冰碛物的相对位置分类

根据冰碛物堆积在冰川冰的不同位置，可分为以下几类(图 6-2):表碛与内碛 表碛(super glacial till)是在重力作用下从斜坡上滚落或坠落在冰川表面的碎屑物质，或冰川表面消融后而出露的冰碛物。随着冰川向下游运动，坠落冰川的表碛越来越多，厚度越来越大，而且从两侧向冰川的中间扩展，分布的面积不断扩大。在冰川运动的过程中，表碛也可被卷入冰川内部成为内碛(inner till)。

侧碛与岸碛 由于冰川的两侧与冰床岩石之间的磨擦阻力作用，再加之谷壁岩石的温度较冰川高，冰川两侧的融化量较大，这时冰川边缘的表碛和内碛以及斜坡上坠落的碎屑物质堆积在冰川的两侧形成侧碛(lateral till)。侧碛在一定范围是连续堆积在冰川两侧的，逐渐加厚增高，并随冰川的运动向下游移动，在冰川的末端常与终碛联结。当冰川完全消融时，堆积在谷地两侧的侧碛就稳定下来成为岸碛(flank till)。

中碛与终碛 如果两条支谷冰川汇合成一条冰川，或支谷冰川汇入主谷冰川，那么两谷地相邻的两条侧碛汇合后在冰川中形成的堆积物称为中碛(medial till)。如果是两条规模相近的冰川汇合，那么中碛位于汇后冰川的中部; 如果是支谷冰川注入主谷冰川，那么中碛位于主冰川的靠边部(图 6-2)。在冰川的消融区，如果冰川的消融量与由上游对冰川的补给量接近时，那么冰川末端的冰舌基本暂时停留在一个位置上，由冰川搬运来的表碛、内碛、底碛在冰川消融后堆积在冰舌的前端位置上，形成终碛(terminal till)，也称尾碛(terminal till)或前碛(frontal till)。如果冰舌位置有较长时间的稳定，冰川将源源不断地提供冰碛物，使终碛逐渐加高增厚; 如果由上游提供的冰量增加，冰舌前进，那么冰川将早期形成的终碛也向前推进;如果由上游提供的冰量减少，冰舌后退，终碛依次堆积在冰川的末端，形成多条终碛。

底碛与基碛 在冰川的底部，受冰川的压力以及与冰床的摩擦阻力影响，部分冰川融化释放出一部分冰碛物堆积在冰床上，或因冰床的摩擦阻力而滞留在冰床上的冰碛物，称为底碛(basal till)，也称下碛(under till)。当冰川消融后，表碛、内碛均降落到冰床上，与底碛共同构成覆盖在冰川谷地底部的基碛(ground till)。

(2)按冰碛物的成因分类

根据冰碛物的成因可分为以下几类(图 6-9):

图6-9不同成因冰碛物的剖面分布(据 Derbyshire，1979; 转引自曹伯勋等，1995)

消融碛 在冰川的末端，因冰川消融而堆积形成的冰碛物被称为消融碛(melt-out till)。当气温和供冰量比较稳定时，冰舌的位置基本不变，冰川就源源不断地把搬运来的碎屑物质在冰舌的位置堆积下来，形成大量的冰碛物; 当气温升高时，冰舌的位置后退，那么冰碛物堆积的位置也随之后退，堆积在冰蚀谷的底部; 如果气温下降，供冰量增加，冰舌的位置向前推进，碎屑物便被搬运到更远的地方堆积下来。

滞碛 在冰川的底部，在较高围压和较低的有效应力下，通过卸载作用堆积在冰床上的冰碛物称为滞碛。滞卸作用的方式主要有冰川压力融化、阻滞作用和粘贴作用三种，冰川压力融化致使冰川底部的碎屑释放到冰床上形成滞碛; 阻滞作用是因冰床与冰川底部所夹碎屑间摩擦力致使碎屑滞留下来堆积在冰床上形成滞碛过程; 粘贴作用是冰床上已有较细粒的冰碛物对冰川底部的碎屑 “粘住”或被压入其中 “卡住”而滞留下来形成滞碛的过程。在形成的过程中，由于受到冰川压力、摩擦和冰川前进的影响，滞碛的固结性好，孔隙率低，含粉砂、粘土较高，砾石 ab 面具有一定的排列方向，a 轴顺冰流方向。

融出碛 在正常的大气压力下，冰面或冰下冰体发生热力融化，将冰川冰所含的碎屑物质堆积下来形成的冰碛物称为融出碛(melt-out till)。它发生在冰面上，称为冰面融出碛; 发生在冰下空穴或冰下河道中，称为冰下融出碛。由于在正常大气压力环境中形成，融出碛的固结性差，多由大小不一的角砾石构成，分选及磨圆均差，砾石排列极差，表面也少见擦痕。

流碛 由冰川中融出的饱水岩屑或碎屑层，在重力作用下，沿冰面或冰碛斜坡作黏滞性蠕动或流动，在低洼处堆积而成的冰碛称为流碛(flow till)。流碛可分为冰面流碛和冰下流碛。流碛的形成环境与融出碛相似，均形成于正常的大气压力下，这不同于液体中悬移物质的沉积过程。流碛不同于融出碛在于经过黏滞性流动作用，因此它有一定的分选性，发育平行斜坡的斜层理，砾石 ab 面平行流动表面，呈叠瓦状排列，a 轴与坡向一致。

升华碛 在寒冷干燥的极地地区，冰川的升华作用形成的冰碛物称为升华碛(sublimation till)。

变形碛 系指冰底受冰川改造而基本未经搬运或仅短距离搬运，且未经持续研磨和压实的冰碛物。它们可以是松散物质，也可以是破坏了的基岩。若为基岩则表现为虽经冰川挤压、穿插而变形，但原始结构通常仍可辨别。

3. 冰碛物的特征

冰碛物形成的环境比较特殊，不同类型的冰碛物形成过程也不相同，其特征也存在差异，但不同类型冰碛物在总体特征上还是具有共性的。

(1)成分特征

冰碛物的岩性取决于冰川发育区和经流区的基岩特征，构成冰碛物的岩屑一是来自冰川形成的源区，二是来自在冰川流动过程中两侧谷坡的坠落和冰川剥蚀冰床卷入，其中后者是冰碛物的主要来源，因此冰川流经距离的长短，对冰碛物的成分构成影响较大。一般来说，冰川运动的距离越长，形成的冰碛物成分就越复杂; 反之，就越简单。因此大陆冰川形成的冰碛物成分都较山岳冰川的复杂，主谷冰川的冰碛物成分比支谷的复杂。

冰碛物主要为岩石碎屑，粉砂和粘土的含量低。由于在冰碛物搬运和堆积区，气候寒冷，化学风化弱，以物理风化作用为主，一些不稳定(抗风化能力弱)的矿物和岩石就不易被风化掉，因此在冰碛物中它们易被保存下来，如玄武岩、花岗岩等，矿物有辉石、角闪石、斜长石以及分解程度低的绿泥石、水云母。与河流沉积物比较，冰碛物的成分相对比较简单，尤其在山岳冰川的冰碛物中表现得更为突出。由于冰川的搬运能力很大，能搬动巨大的砾石，直径可达 10 ～20m，甚至更大，它可随冰川翻山越岭搬运到远离物源区，当冰川融化后而堆积下来，这种砾石称为冰川漂砾(glacial erratic)。

图6-10 冰碛与泥石流堆积物粒度频率曲线对比图(据任炳辉，1990)

研究冰碛物，尤其是冰碛砾石的成分及物源，是恢复冰川运动方向，判断冰川运动距离，确定冰川规模的主要手段之一。不同冰期形成的冰碛物在成分上也不同，而且在间冰期由于气候转暖，冰川消融，化学风化作用加强，在不同冰期的冰碛物之间形成粘土层(古土壤)，这是冰碛地层划分对比的重要依据。

(2)结构特征

冰碛物虽然以角砾为主，但其粒度变化范围很大，从巨砾到粘土的各个级别粒径的碎屑都有，是粒径大小不等的碎屑混杂堆积。对冰碛物样品粒径64mm(－ 3Φ)以下的粒度分析表明，多数冰碛物的粒度累积曲线呈宽 “S”形，其频率曲线为双峰型或不明显的多峰型(图 6-10)，高峰值多处在粒径 4 ～5Φ 范围内，属粗粉砂，系冰川磨蚀作用的结果。虽然泥石流堆积物的粒度频率曲线也呈双峰或多峰型，但 4 ～5Φ 区间的曲线为谷值区(图6-10)。因此，粒度频率曲线是鉴定冰碛物的主要标志之一。依据图解并按照福克-沃德公式计算得到的冰碛物标准差大于 3Φ，属分选性差及极差。不同类型的冰川形成的冰碛物分选性有所不同，山岳冰川冰碛物的分选性较大陆冰川差。

总体而言，冰碛砾石的磨圆差，以棱角、次棱角状的砾石为主，很少见到圆的砾石，但不同成因的冰碛物其磨圆不同。表碛和内碛，在其搬运过程中砾石之间很少碰撞和磨蚀，由它们堆积形成的冰碛物磨圆差，砾石几乎没有磨圆; 滞碛和底碛砾石可能发生与冰床的磨擦，有时砾石的棱、角具有一定的磨蚀。在研究冰碛砾石的磨圆时也应注意，由于一些冰碛物受到后来的流水改造以及风化作用，冰碛砾石也呈一定的圆性。另外，如果冰川改造了早期的河流沉积物或冰水沉积物，也可把一些磨圆的砾石卷入，使冰碛物含有圆的砾石。

冰碛砾石的形状除受冰川剥蚀作用和搬运过程特点影响外，还受基岩的性质影响。如果物源为板岩、页岩，冰碛砾石一般以扁平状为主; 若为花岗岩、闪长岩，由于发育三组原生节理，砾石以等轴状的立方体为主; 若为玄武岩，由于发育柱状节理，砾石常呈柱状或菱形体。位于冰川底部或边部的砾石在搬运过程中，与冰床基岩发生摩擦作用，使其一面受到磨蚀而变平，若被磨蚀的砾石发生转动，又可磨蚀另一个面，因此在冰碛砾石中可见到比较奇特的熨斗状、五角状或三角状砾石。有些冰碛砾石在冰川中相互挤压，在其表面形成压坑。

冰碛砾石在搬运过程中，砾石之间相互或与基岩发生摩擦，在其表面可形成摩擦或刻划的痕迹，称冰川擦痕，发育冰川擦痕的砾石称冰川条痕石。条痕石上的冰川擦痕粗细不等，有的只能借助放大镜才能看清，其形态为细而较深的长条状，两端深浅不等，横断面对称。擦痕的延伸方向大致平行冰川的运动方向。

如果冰川中的岩石碎屑在搬运过程中与冰床基岩发生强烈的摩擦，可形成很光滑的磨蚀面，称磨光面。在磨光面上也常发育细小的擦痕和三角形刻痕。

图 6-11 冰碛物剖面结构(引自曹伯勋等，1995; 据 Flint，1972，修改)

(3)构造特征

由于冰碛物形成的特殊性，一般来说它不具有层理构造，如终碛、岸碛等都是角砾石的杂乱堆积。但在一些特殊情况下，也可形成一些弱的层理构造。在底碛或基碛中，由于冰川的压力作用，形成压实程度不同和固结程度不同的冰碛物表现出似层理构造; 在基碛的剖面上，下部为滞碛，上面覆盖融出碛，形成不同特征的冰碛物在垂向上的叠置关系(图 6-11)，显示出成层性另外，在冰碛物中所夹的冰水沉积物可发育层理; 在冰舌前端，由于岩石碎屑或整个碎屑层顺坡滑动与滚动，也可形成向外倾斜的层理。

(4)石英砂表面形态特征

石英砂表面形态特征需在扫描电子显微镜下观察。经冰川的压碎和碾磨作用，形成棱角状外形的冰川石英砂，其表面还可形成一些特殊的结构，常见的结构有贝壳状断口、平整破裂面或翻卷薄片; 一组平行破裂面构成的一系列 “阶梯”，有的破裂面因压力过大而扭曲变形; 因碾磨作用形成圆形的刻蚀 “坑”、“槽”或 “痕”。这些形貌是鉴定石英砂冰川成因的重要标志。

图 6-12 冰川堆积地貌组合图(据 A. 彭克，1936)

4. 冰川堆积地貌

冰川堆积地貌，根据地貌的形态和位置，可分成以下几类(图 6-12)。

终碛堤(end moraine bar)又称前碛堤(frontalmoraine bar)，是在冰川的前缘(冰舌)由堆积形成的终碛构成的长垄形弧状地形(图 6-12)。终碛堤在平面上为弧形，弧顶指向与冰川运动方向一致，弧内的界线就是冰舌的位置; 一般大陆冰川形成的终碛堤弧度较小，而山岳冰川形成的终碛堤弧度较大。在剖面上，终碛堤的弧内和弧外坡度不对称，弧内坡度陡，而弧外坡度较缓，并与冰水扇相连(图 6-12)。终碛堤的规模差别很大，大陆冰川形成的终碛堤规模大，长可达几十千米或几百千米，而山岳冰川形成的终碛堤规模小，但比较高，如我国玉龙雪山干海子终碛堤高 150m，长 5 ～6km。当冰舌后退时，多个终碛堤完整地平行排列，越是外侧的终碛堤，其时代越早(图 6-13)。如果冰舌前进，冰川将破坏早期形成的终碛堤，但还可保留一些早期终碛堤的残丘。终碛堤是记录冰川活动的很好证据，有几道终碛堤，至少可以表明冰舌的位置发生了几次变化和稳定，也指示了几次气候变迁。

图 6-13 念青唐古拉山珠西沟不同时期终碛堤分布(据李吉均等，1986)

图 6-14 鼓丘立体图(据 Menzies，2002)

侧碛堤(侧碛垄)(lateral moraine bar)分布在冰蚀谷底两侧由侧碛构成的堤状或垄状地貌。侧碛堤高数十米，其上游源头始于雪线附近，而下游末端常与终碛堤相连。侧碛堤与谷坡之间有线形低地，发育冰水沉积的砂砾透镜体。

中碛堤(medial moraine bar)主要发育在山岳冰川作用区，是由中碛堆积而成的。在山岳冰川区，当两条支谷冰川汇合进入主谷时，这两条支谷冰川相邻的侧碛就合并在一起形成主谷冰川的中碛。随着冰川的融化，这些中碛就坠落在谷地的中间逐渐堆积下来，并向上游延伸形成中碛堤。

鼓丘(drumlin or elliptical hill)分布在终碛堤的内侧，一般是由含粘土较高的底碛堆积而成的椭圆形或流线型岗丘(图 6-14)，但有些鼓丘的中心部位保存有基岩。鼓丘在大陆冰川作用区常见，成群出现，形成鼓丘带，而在山岳冰川作用区则很少见。在纵剖面上，鼓丘的迎冰面陡，背冰面缓。鼓丘的长轴延伸方向与冰川的运动方向一致，并且是从坡度陡的一端向缓的一端运动。鼓丘的规模差别很大，高度由几米到几十米，长度从几百米至几千米。鼓丘的高度小于冰层的厚度。另外，当冰川流经较大的基岩岗丘时，冰层未能全部把它覆盖，一些基岩岗丘顶部露出冰面，其迎面坡和两侧遭受冰流磨蚀，而背冰面尾部堆积了冰碛物，延伸很远。当冰川消融后，整个岗丘形状如鼻，这种地貌称鼻山尾(crag and tail)，它与羊背石、鼓丘不同(图 6-15)。

图 6-15 羊背石、鼻山尾与鼓丘平面和剖面形态比较

冰碛丘陵(moraine hill)是冰川在消融的过程中，冰川中的表碛、中碛和内碛等都坠落于底碛之上形成基碛，在地形上形成高低起伏的小山丘。冰碛丘陵大小不一，分布零乱，形态不规则，在冰碛丘陵之间经常发育宽浅的湖沼洼地。它广泛分布于大陆冰川作用区，高差可达数十米或百米; 在山岳冰川作用区，冰碛丘陵规模较小，相对高度多为数米至数十米。