冰川如何運動

2021-03-08 14:00:10 字數 4922 閱讀 6705

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南極冰川的主要運動方式分為擠壓流和阻塞擠壓流2種。擠壓流使冰川底部的冰層受到最大壓力,向外作水平移動,有時甚至可以翻越低於冰川位置的源頭或山丘。有時,與冰流方向相反的逆向山坡,對上述擠壓流發生阻塞作用,於是產生了阻塞擠壓流。

冰川運動一般說來都非常緩慢,每天平均幾釐米或多到幾米,必須經過一個歷史時期才能發現較大的變動。但有時在特殊條件下,也會產生突發性推進,甚至達到每天60米的驚人速度。

根據地質史上記載,在19世紀初期,競相攀登阿爾卑斯山峰已風靡一時,當時有幾名登山者遭到意外,被雪崩葬身於冰川的粒雪盆中。過了將近半個世紀,曾與死者同行的倖存者居然在距離原罹難處遙遠的冰舌地帶發現並辨認出這些同伴的屍體,這一奇蹟同時就說明了冰川確實是運動著的。

南極大陸巨大的冰川在本身的重力和壓力的聯合作用下,加上外界狂暴有力的極風的推動和冰融水的潤滑,日以繼夜地發生流動。儘管一朝一夕不容易察覺它的變遷,然而在歷史的長河中,它卻是一股改變地球面貌的巨大力量。大陸冰川在運動中往往形成許多分離冰川,並挾帶走大批的冰磧石。

冰磧石由碎石巖塊同冰融水混雜在一起,厚達12~13米,流動時像銼刀一樣刻蝕著沿途的地面,挖成許多盆地和溝槽。冰川表面的積雪由於嚴寒的氣候凍得十分結實,但並不光滑。許多地方被風吹成幾十釐米到1米左右的冰雪脊樑,參差毛糙,高低不平,很不規則,往往是探險者、狗隊和雪橇的陷阱。

冰川在濱海地帶形成廣闊無垠的起伏臺地,在大陸邊緣或者形成冰岸;或者伸入沿海成為冰舌和冰障;或者垂直斷裂,傾瀉入海,成為一座座漂浮的冰山。

一、冰川是運動的冰體

我們給冰川作個完善一些的定義,那就是能夠運動的、分佈在陸地上的,並且能長期存在的冰體,叫做冰川。

凡是冰川,都是能夠運動的。

2023年,有個地質工作者在阿爾卑斯山的老鷹冰川上修築了一座石砌小屋。13年後,發現這座小屋向下遊移動了1428米。小屋本身是不會移動的,原來是小屋的地基——冰川向下運動,把小屋捎帶著一起移動了。

冰川運動有些和水流相似,中間快,兩邊慢。要是橫過冰川插上一排花杆,不需太長時間就可發現,中間的花杆遠遠地跑到前面去了,原來呈直線的花杆連線變成向下遊凸出的弧線。許多海洋性冰川上出現的形象十分奇特的弧形連拱,就是冰川運動過程中,中間和兩邊速度不一而產生的。

說起來會使人奇怪,冰川還會像水流似的,出現漩渦。有些冰川上的漩渦十分壯觀。

但是冰川畢竟是冰組成的,冰和水,固體和液體,是有很大差別的。最明顯的一點,冰川表面常有許多裂隙,有些裂隙有幾十米深。

裂隙的存在,說明冰川有脆性。不過,經過數百年的調查觀測,冰川上的裂隙極少超過60米深。多數裂隙遠遠小於這個深度就閉合了。

這又說明冰川下部是塑性的,它可以「柔軟」得適應各種外力作用而不致發生破裂。

因此,可以把冰川分為2層,表面容易斷裂的這層叫做脆性帶,而下部「柔軟」的那層叫做塑性帶。塑性帶的存在是冰川流動的根本原因。

那麼,為什麼一條冰川上,同樣的冰,卻有脆性與塑性之分呢?要回答這個問題,我們得從物體變形這個物理概念說起。

二、冰體變形

物體在受力情況下,為了適應或消除外力,可作3種變形,即彈性變形、塑性變形和脆性變形(或稱破裂)。一般物體在受力時都有這三個變形階段。例如一根彈簧,一般情況下,作彈性變形;當受力超過彈性強度時,作塑性變形,彈簧回不到原來的位置;當受力特大超過破裂強度時,彈簧拉斷,作脆性變形。

但是,這三個階段究竟有主有從,三個階段並不同樣平分秋色。到底以何種變形為主,要取決於材料本身的性質、應力與晶格的方位關係、應力的大小和加荷的速度等。

就冰來說,由於它容易實現晶體的內部滑動,是有利於表現出塑性變形的。但是,當外力突然增高時,很容易超過冰的破裂強度,發生脆性變形(斷裂)。只有在緩慢加荷並長期受力時,冰才能充分顯現出塑性變形的特色。

我們知道,物體在長期受力時,哪怕這種力較小,也會產生塑性變形,這種現象叫做物體的鬆弛。任何物體都有它自己的鬆弛期,就是說,受力超過一定時間,物體即發生塑性變形(鬆弛)。

實驗證明,冰的鬆弛期在普通條件下是8~90分鐘。加荷時間在8~90分鐘內,冰或作彈性變形或作脆性變形。如果加荷時間超過8~90分鐘,冰將表現出明顯的塑性變形。

很早以前有人做過這樣一個實驗,把一塊長條形的冰,架在二個支點上,經過若干時間,冰就自行彎曲,發生塑性變形。這是因為冰本身的重量使冰條鬆弛彎曲了。冰的塑性變形程度和溫度有很大關係。

溫度在-3.5℃~-12.0℃,冰條一晝夜下垂彎曲2毫米;溫度在0℃~-1.

0℃時,冰條一晝夜可下垂9毫米。

在冰川下部,由於上部冰層的壓力和上游冰層的推力,老是處於受力狀態,使下部冰層的塑性表現得比較充分。同時,下部冰層的融點由於受壓比上部冰層稍低,使下部冰層更接近於融點,因而塑性變形更易實現。這樣,冰川下部出現塑性帶就不難理解了。

而冰川表層,缺乏長期受力這個重要條件,當外力突然增加時,往往作彈性或脆性變形,成為脆性帶。

三、冰川運動方式

有人把冰川流動方式分為4種,即重力流、擠壓流、阻塞重力流和阻塞擠壓流。重力流和阻塞重力流是山嶽冰川的主要運動方式,擠壓流和阻塞擠壓流是大陸冰蓋的主要運動方式。

在一個暢通的山谷中,冰川流動時最大流速出現在冰川表面,愈近谷底速度降低,這種運動方式叫做重力流。如果冰川運動過程中,在前方遇到突起的基岩或運動變緩的冰塊的阻塞,就在那裡形成前擠後壓的剪應力系統,冰層沿最大剪應力面破裂並形成藍帶,這種流動方式叫做阻塞重力流。在發生阻塞重力流的地方,冰中常有許多逆斷層,還有複雜的褶皺出現。

擠壓流是大陸冰蓋的特色,但也可以發生在部分山嶽冰川的粒雪盆中。與重力流相反,大陸冰蓋底部的冰層受的壓力最大,因而向外方作水平移動,愈近底部流速愈大。擠壓流可以翻越低於冰川源頭的陡坡或小山。

經過大陸冰蓋作用過的地區,有時能在孤立的山頭上發現其他地方來的巨大漂礫,這是擠壓流攜帶漂礫爬坡上山的有力證據。與冰流方向相反的逆向山坡,對擠壓流產生阻塞效應,發生阻塞擠壓流,這裡的冰川構造很相似於阻塞重力流處的冰川構造。

冰川除了塑性流動外,還能在冰川內部發生片狀滑動,以及通過陡坡作塊體運動(如冰崩和冰瀑布)。特別在切割強烈的山區,冰的塊體運動十分發育,當冰川通過懸崖時,甚至會出現「中斷」現象,經常的冰崩使懸崖之下重新形成一條冰川,這種冰川稱為「再生冰川」。

四、冰川運動速度

冰川運動的速度,日平均不過幾釐米,多的也不過數米,以致肉眼發覺不出冰川是在運動的。格陵蘭的一些冰川,運動速度居世界之首,但每年也不過運動千餘米而已。其他地區的冰川,像比較著名的某些阿爾卑斯山的冰川,年流速不過80~150米。

我國冰川大多數是大陸性冰川,冰川積累不豐富,冰川上物質迴圈較為緩慢,因而影響到冰川運動速度比較低。天山、祁連山的冰川長度在10千米以內的,年流速均不超過30米。珠穆朗瑪峰北坡的絨布冰川,是一條長22千米的大型樹枝狀山谷冰川,1966~2023年間在冰舌中段海拔5520米處測到最大年流速為117米,但在冰舌下段海拔5320米處,平均流速就降為27米。

**察隅的阿扎冰川(海洋性冰川),是我國已知運動速度最快的冰川。2023年夏天觀測,16天中移動最快的地方達到22.83米,推測年流速當在300~400米。

冰川運動速度是有季節變化的,夏快冬慢。天山和祁連山的冰川,夏季運動速度一般要比冬季快50%(均指冰舌而言)。造成這種差別的原因之一是冰川溫度的變化。

當冰川增溫時,冰的黏度迅速減小,從-20℃增高到-1℃,冰的黏度隨溫度作近直線的下降。黏度減小使塑性增加,因而冰川運動速度加快。夏天冰融水出現在冰川內部及底部是促進冰川快速運動的另一個原因。

冰川不同部位的流速也不相同。

五、冰川的波動

冰川運動速度總的來說十分緩慢。但是,有些冰川的脾氣卻很古怪,它們會在長期緩慢運動或退縮之後,突然爆發式向前推進。

2023年,阿拉斯加有一條名叫黑激流的冰川曾在世界新聞上引起注意,報紙上連日刊載它向前推進的訊息。原來黑激流冰川位於一條重要公路的上方,冰川出現爆發式前進有破壞公路的可能。當時住在公路邊的一家人,入冬後幾個星期,常常聽到冰川方向有隆隆響聲傳來,好像坦克履冰的聲音。

10月3日,他們從望遠鏡中突然發現,數千米外的黑激流冰川,冰舌前端亂七八糟地堆著一垛碎冰塊,被冰舌推送著向前軋軋移動。以後,冰川移動越來越快,冰川撞擊谷床伴隨著冰裂的聲音,把住房的玻璃震得發響,大地也在微微顫動。移動最快時每天推進60米,創造了當時所知的冰川前進的世界紀錄。

從2023年9月到2023年2月,黑激流冰川前進了6500米,最後在離公路800米的地方停下來,總算沒有造成災禍。

黑激流冰川自然不是冰川爆發式前進的唯一例子,現在已知,世界上起碼有200多條冰川發生過這種情況。喀喇崑崙山的一次冰川爆發式前進更加驚人。

2023年3月21日,喀喇崑崙山南坡的斯塔克河河源,有一條叫庫西亞的冰川,突然爆發式前進,形成一條1000米多寬的龐大冰流,摧毀了沿途蒼翠的森林,景色如畫的村莊和大片耕地。到6月11日止,不到3個月時間,庫西亞冰川前進了12千米,平均每天113米,每小時4.7米。

前進的冰川把斯塔克河暫時阻塞起來,使河水猛漲。

當時義大利有個考察隊在喀喇崑崙山活動,巴基斯坦**叫他們前去調查。據作過現場考察的義大利人狄西俄的意見,喀喇崑崙山的冰川總的趨勢是在後退和減薄,在後退過程中,支冰川失去了主冰川的依託而懸空起來,變得較不穩定,大概由於**的誘發,粒雪盆中冰雪發生崩塌,因而終於在不到3個月內使冰川爆發前進12千米。

最近許多冰川學者對冰川的上述爆發式推進在做了研究,特別在北美阿拉斯加利用重複航空攝影的方法,發現了更多爆發式推進的冰川。爆發式推進在這類冰川上是週期性發生的,是冰川運動的一種特殊方式。人們把這種現象叫做冰川的「波動」,具有波動性質的冰川叫做「波動冰川」。

某些冰川為什麼會發生波動呢?有一種說法認為,當冰川上游某一部分(可在粒雪盆,也可在冰舌上段)冰的積累量增大到一定程度,超過冰的強度極限,下游的冰就會發生斷裂,冰川運動由一般的塑性流動突然轉變為快速的塊狀滑動,以求在短期內解除長期積累的應力。這樣就導致冰舌的爆發式推進。

當冰內應力消減到冰的強度極限之下時,「波動」停止,冰川恢復常態。

有的人認為,冰川的底部可能在某一部分週期性地聚積起相當數量的冰融水,融水作為一種潤滑劑,會使冰川沿著較陡的谷床突然滑動。這樣也會造成「波動」現象。

現在還不能肯定這種或那種解釋更為合理,但冰川「波動」現象的存在,使我們有可能去研究它的規律,以避免它的危害。

冰川「波動」常引起特大洪水。在印度河上游就有一條冰川,週期性地進入主谷,當它攔截河流時,形成大湖,以後湖水潰決,又形成大洪水,造成災害。新疆葉爾羌河週期性的發生特大洪水,也可能與冰川「波動」冰湖潰決有關。

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