大凌河口附近海冰的內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析

黃文峰，孔祥鵬，楊躍忠，張麗敏，李志軍，許占堂

(1. 大連理工大學(xué)海岸與近海工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連116024；2. 大連海事大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 大連116026；3. 中國科學(xué)院南海海洋研究所LED實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州510301）

大凌河口附近海冰的內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析

黃文峰1，孔祥鵬2，楊躍忠3，張麗敏1，李志軍1，許占堂3

(1. 大連理工大學(xué)海岸與近海工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連116024；2. 大連海事大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 大連116026；3. 中國科學(xué)院南海海洋研究所LED實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州510301）

在中高緯度水域，近海與海洋生產(chǎn)建設(shè)不可避免的要遭遇冰的影響，尤其在冬季。因此，認(rèn)真研究海冰的基本物理性質(zhì)和本構(gòu)特征尤為重要。對(duì)取自大凌河口的兩根海冰冰樣進(jìn)行分析，沿厚度連續(xù)地自上而下豎直切片，并且等間距地水平切片，在正交偏光鏡下觀測(cè)冰晶結(jié)構(gòu)；同時(shí)測(cè)量了每個(gè)樣本不同位置的密度、鹽度和含泥量以及分析其孔隙率；最后探討了這些物理量之間的關(guān)系。結(jié)果得到：冰樣上層為顆粒狀晶體，中下層為柱狀晶體；氣泡多為球形，百分含量較低；冰密度在860～930 kg/m3之間，鹽度隨深度呈C字型變化。

海冰；晶體結(jié)構(gòu)；氣泡；密度；鹽度

渤海為內(nèi)海，且水深較淺，因此與相近緯度的北半球其他海區(qū)相比，海冰冰情較為嚴(yán)重，成為北半球結(jié)冰的南邊緣。海冰厚度多為15～40 cm，冰期一般為90～130 d[1]。渤海海冰在熱力和動(dòng)力諸多因素的影響下，冰情十分復(fù)雜。由于該海區(qū)內(nèi)近海漁業(yè)、航行、生產(chǎn)平臺(tái)密集，海冰對(duì)冬季安全生產(chǎn)以及生態(tài)環(huán)境影響極為廣泛，常常引起一些冰災(zāi)害。

目前國內(nèi)對(duì)渤海海冰的研究主要集中在渤海冰情預(yù)報(bào)、表面形態(tài)分析、物理和力學(xué)性質(zhì)以及遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)[1,2]。例如趙進(jìn)平[3]、顧衛(wèi)[4]等人基于遙感觀測(cè)獲取海冰信息；岳前進(jìn)等[5]，史慶增等[6]從抗冰結(jié)構(gòu)物角度對(duì)海冰也開展深入研究；許大志等[7]對(duì)海冰光學(xué)特性進(jìn)行探討。海冰內(nèi)部結(jié)構(gòu)是控制冰行為的內(nèi)在因素，它影響冰的所有性質(zhì)，而以往對(duì)渤海海冰研究都是從宏觀方面入手，鮮有對(duì)海冰的晶體結(jié)構(gòu)、氣泡等微觀特征進(jìn)行的研究。李志軍曾在遼東灣海冰調(diào)查中對(duì)海冰內(nèi)部結(jié)構(gòu)做過研究，并且對(duì)冰晶體結(jié)構(gòu)和其內(nèi)葉綠素進(jìn)行分析，以及將渤海海冰與北極多年冰從組構(gòu)和晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較[8,9]。本文以2008－2009年冬季遼東灣海冰光學(xué)性質(zhì)測(cè)試和近岸堆積冰調(diào)查為目的，采集大凌河口冰樣，觀測(cè)和分析冰樣的晶體結(jié)構(gòu)、密度、氣泡以及冰內(nèi)含泥量，并根據(jù)其所處凍結(jié)環(huán)境不同，給出合理解釋。

1 取樣背景和晶體結(jié)構(gòu)分析

本次共采集兩根冰樣，其中冰樣A為沿岸堆積冰，B為固定冰，均于2009年1月15日取自于大凌河口附近海域，具體位置分別為：40 o 49′13.2〞N，121 o 32′44.5〞E和40 o 49′18.0〞N，121 o 32′07〞E。采樣時(shí)天氣晴朗，無風(fēng)，氣溫為-2.7℃。

冰樣A：取樣時(shí)間16∶27（退潮）；采集點(diǎn)是在海岸上，取自高出海平面近2 m的一塊大而較完整的堆積冰塊，顏色、結(jié)構(gòu)與周圍冰完成不同，白色；冰表面臟、疏松，較平整且無積雪，易斷碎。初步推測(cè)，冰塊應(yīng)該是在海上凍結(jié)，漲潮時(shí)隨流飄移至岸邊而擱淺。

冰樣B：取樣時(shí)間為14∶30。采集點(diǎn)離岸邊較遠(yuǎn)，四周冰面平整，表面呈波紋狀。由于岸邊有一作業(yè)油井，冰面沉積有燃燒不徹底灰條而使顏色顯土灰色，無積雪。漲潮時(shí)冰底面至海底半米左右，退朝時(shí)冰緊貼泥沙。在取樣之時(shí)已開始退潮，水深十幾厘米。現(xiàn)場(chǎng)鋸出0.5 m × 0.5 m × 0.24 m的冰塊，冰厚24 cm?？梢悦黠@看出整塊冰由數(shù)層組成，因含有泥沙等雜質(zhì)而整體呈土黃色。 現(xiàn)場(chǎng)將冰樣沿厚度方向分割為兩塊，一塊用于鹽度測(cè)量，另一塊用于實(shí)驗(yàn)室測(cè)試。

圖1 冰樣的晶體照片F(xiàn)ig. 1 Photos of crystals in samples

在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，將每個(gè)冰樣沿垂直方向切開，分為3組，分別用來分析垂直切片、水平切片和密度。根據(jù)每段冰樣厚度和費(fèi)氏臺(tái)物鏡直徑，冰樣A切出2片垂直切片，從表面算起分別位于0.2～6 cm、6 ～12 cm處。冰樣B切出3片，從表面算起分別位于0～8 cm、8～16 cm和16～23 cm處。沿冰樣垂直方向等間隔切出水平切片，冰樣A切割3片，分別位于0.2 cm、6 cm和11.5 cm處；冰樣B切割4片，分別位于0.2 cm、8 cm、16 cm和23 cm處。切出的冰片一面研磨平整，貼到溫度稍高于0℃的玻璃片上，放置到低溫處凍結(jié)。然后將玻璃片上的冰片削至厚度為1 mm左右，在透視光下觀測(cè)氣泡分布、在正交偏光鏡下觀測(cè)冰晶體結(jié)構(gòu)。兩冰樣的晶體結(jié)構(gòu)如圖1所示。另外，將冰樣A、B的第三部分皆沿垂向分為等長的三段，每段再切割出多塊規(guī)則體，測(cè)量出體積和質(zhì)量，計(jì)算冰密度。由于冰樣B含有大量雜質(zhì)和多處泥包裹體，密度測(cè)完后，融化并烘干測(cè)量出每塊含泥的質(zhì)量。

2 海冰晶體結(jié)構(gòu)描述和分析

海冰的晶體結(jié)構(gòu)揭示海冰內(nèi)部“骨架”構(gòu)造，是剖析冰內(nèi)部組構(gòu)、成冰機(jī)制和發(fā)現(xiàn)冰內(nèi)的微觀過程的關(guān)鍵。冰結(jié)構(gòu)主要包括冰晶的尺寸和形狀、冰晶C軸的空間分布，以及冰晶與冰內(nèi)包裹體的存在形式。

冰樣A自表面到底面全為柱狀冰，平均粒徑在5.5 mm左右，最大可達(dá)到16 mm，如表1所示。粒型較為規(guī)則，其縱截面多為多邊形。在0～3 cm處，晶粒比較細(xì)碎，并聚集成倒三角形楔入柱狀晶體間，由于該處顆粒冰尺寸較大，且與尺寸更大的柱狀冰晶交替排列，故可以排除是凍結(jié)時(shí)水面環(huán)境較為復(fù)雜，上層覆蓋雪層融化再凍結(jié)，以及冰表面部位的融化再凍結(jié)作用。而應(yīng)該是該冰芯并不完整，缺失頂部，該處不過是完整冰樣表層顆粒冰向柱狀冰過渡的部位。從3 cm往下晶粒越來越規(guī)則，反映出凍結(jié)面往下推進(jìn)時(shí)，周圍凍結(jié)環(huán)境平靜和穩(wěn)定，受到很少的干擾。在柱狀晶粒側(cè)邊局部夾有比較細(xì)碎的晶粒和明顯的包裹晶體，反映了鹵水通道的凍結(jié)作用。

冰樣B從表至底皆為顆粒狀冰，晶粒小而均勻。水平切片內(nèi)，晶粒形狀多呈狹長狀。等效粒徑為2 ～3.7 mm，最大粒徑為9.2 mm，如表1所示。該冰樣粒徑尺寸變化很小，僅隨深度增加，粒徑稍微變小。垂直切片內(nèi)，從表面0～1.5 cm處，晶體粒徑與形狀明顯不同于其他部位，為較大顆粒。其與下部晶體接觸面起伏不平，犬牙交錯(cuò)，這屬于一個(gè)過渡階段，晶體生長逐漸趨于穩(wěn)定。從1.5 cm處向下晶體普遍呈針刺狀，長軸主要集中在垂直方向內(nèi)。垂向切片中有幾條明顯的粒徑更加細(xì)小的水平層帶間斷出現(xiàn)，反映出因外界條件的突變而導(dǎo)致凍結(jié)速率的變化，該層的厚度反映出變化持續(xù)的時(shí)間較短。

表1 冰樣晶體粒徑尺寸Tab. 1 Diameters of ice crystals in samples

晶體C軸位向揭示了晶體的光學(xué)特性和晶體空間排列特征。每一個(gè)冰晶體都具有一個(gè)a-軸和C-軸（也稱光軸），C-軸空間方位可通過費(fèi)氏臺(tái)的旋轉(zhuǎn)、定位來測(cè)定，并以方位角和傾角給出。將每一切片內(nèi)全部冰晶體的C-軸空間方位全部確定后，采用下半球投影至Schmidt等面積正交網(wǎng)格，可得到每一冰切片內(nèi)的晶體C-軸組構(gòu)圖（圓的圓心代表極軸方位，圓周上代表水平面），便可直觀地看出單個(gè)晶體C-軸的空間位向和全部晶體的空間分布特征。圖2（a）、（b）分別為冰樣A、B的C-軸組構(gòu)圖。兩冰樣C-軸組構(gòu)基本呈大圓環(huán)型。冰樣A從表面就開始稍有優(yōu)勢(shì)取向。冰樣B的表面處切片的晶體C-軸主要集中于極軸及其附近，很難觀測(cè)C-軸方位，圖2中未給出，8 cm以下切片的晶體C-軸呈現(xiàn)平面內(nèi)隨機(jī)分布。兩冰樣皆為平面內(nèi)各向同性材料。

3 海冰內(nèi)部氣泡、密度及鹽度特征

3.1 氣泡特征

在海水凍結(jié)過程中，在凍結(jié)面上由于海水中溶解氧析出時(shí)未來得及排出而形成氣泡鑲嵌在冰晶間，所以天然海冰含有大量氣泡[10,11]。Light等將氣泡大致分為兩類：一種是存在于冰晶顆粒之間的氣泡；另一種是存在附著在鹵水胞邊緣的氣泡[11]。

圖2 (a) 冰樣A的C-軸組構(gòu)圖Fig. 2 (a) Fabric diagrams of C-axes in sample A

圖2 (b) 冰樣B的C-軸組構(gòu)圖Fig. 2 (b) Fabric diagrams of C-axes in sample B

海冰中氣泡含量不僅可以影響海冰的導(dǎo)熱系數(shù)，而且從一定程度上改變了冰下海水與冰外大氣的導(dǎo)熱通道和形式[12]。同時(shí)由于空氣的折射率不同于純冰，致使光的折射、反射、散射途徑改變，使得進(jìn)入冰下海水的日照強(qiáng)度和輻射總量減弱，影響水生生物的生長和海冰遙感[13,14]。

海冰中氣泡分析主要涉及氣泡的分布、形狀、尺寸大小和平面百分含量（氣泡面積所占冰截面面積的比例）特征。本次海冰氣泡分析主要包括對(duì)冰樣水平、垂直薄片在正常光下照相，對(duì)所得圖像處理分析，如圖3。

冰樣A，在水平切片內(nèi)，氣泡平均平面百分含量為3.2%，氣泡等效直徑在0.18～0.24 mm（表2），最大直徑可達(dá)10 mm左右。在垂向切片內(nèi)，表面到4 cm間氣泡多為圓形和近圓形，不過其間夾雜著少許柱狀和針狀氣泡，隨著深度的增加，針狀氣泡的比例不斷增加；自5～6 cm處往下，針狀氣泡已占據(jù)絕對(duì)主導(dǎo)地位，針管直徑極細(xì)，約為0.1 mm左右，并在整個(gè)垂直切面上可以觀察到明顯的鹵水通道。

冰樣B為縱穿冰層的完整冰樣，含有較多雜質(zhì)（泥土），呈灰色。在水平切片內(nèi)，氣泡多為圓形和近圓形，平均百分含量在5.2%左右，氣泡含量隨著深度的增加呈現(xiàn)出遞減的趨勢(shì)，可能達(dá)到一定深度后氣泡含量就會(huì)趨于某個(gè)恒定值（表2）。氣泡平均直徑在0.2～0.3 mm間，且隨深度加深粒徑有微弱減小的趨勢(shì)。冰樣局部含有罕有的大氣泡，直徑竟達(dá)11 mm左右（見表2）。在垂向切片內(nèi)，上部氣泡密集，表面到3 cm內(nèi)，氣泡圓形和近圓形，直徑在0.2～1.2 mm之間；3～8 cm內(nèi)圓形氣泡與柱狀氣管交錯(cuò)分布，并含有尺寸較大的氣泡聚集體；8～16 cm間，氣泡相對(duì)稀少，圓度很好，直徑較小，可以看到粒徑很小而分散的泥土顆粒。自16 cm向下，氣泡呈須狀且較細(xì)，相互交接，并分散著大量雜質(zhì)；在19～20 cm處，可以看到幾條黑色帶狀物，這是凍結(jié)在冰中的泥，主要是因?yàn)樵撐恢靡呀咏滓约皟鼋Y(jié)環(huán)境受的一定的擾動(dòng)。

圖3 冰樣A氣泡特征Fig. 3 Features of air bubbles in ice sample A

表2 冰樣氣泡特征Tab. 2 Features of air bubbles in samples

可以看出，兩冰樣中氣泡平面百分含量介于3% ～8%之間，低于前人提出的典型海冰氣泡含量的9% ～16%的范圍，而冰樣A的含量更少，僅在3.2%左右，基本上處于河湖淡水冰氣泡含量的范圍內(nèi)，由此可以推測(cè)冰樣A是在上游凍結(jié)后斷裂破碎而漂移至取樣點(diǎn)的；而冰樣B則因位于大凌河口咸淡水交匯處，氣泡的形成與含量受到河流與海洋環(huán)境的共同影響。

表3 冰樣密度、含泥量和鹽度Tab. 3 Density, mud content and salinity in samples

3.2 海冰密度和鹽度特征

密度是海冰最基本的物理性質(zhì)指標(biāo)，純冰密度值為917 kg/m3，但是天然海冰只有一個(gè)密度范圍，沒有一個(gè)確切的值，因?yàn)楹１怯杀w、氣泡、鹵水、固體鹽顆粒以及雜質(zhì)等構(gòu)成的混合物，而各組分的含量變化導(dǎo)致海冰總體密度變化。而海冰鹽度是指將海冰冰樣融化后鹽分所占冰樣總質(zhì)量的百分比值，其取決于所含鹵水包的相對(duì)含量。一般一年生天然海冰的密度值介于890～930 kg/m3間[13]。由于海冰的密度還不能進(jìn)行原位測(cè)量，所以本文密度是-15℃室溫下的密度值。

冰樣A上、中、下3層的密度分別為888 kg/m3、869 kg/m3和891 kg/m3(見表3)，平均密度為883 kg/m3，總體鹽度為4.0；冰樣B上、中、下3層的密度分別為861 kg/m3、929 kg/m3和915 kg/m3，平均密度為902 kg/m3，其值均在李志軍[15]給出的遼東灣海冰平均密度770～920 kg/m3的范圍內(nèi)。由表3還可看出，冰樣B鹽度值隨深度大致呈現(xiàn)C字型，與李志軍[15]所得結(jié)果一致。本次冰樣取自大凌河口附近，為咸淡水交匯區(qū)，兼具淡水冰與海冰的特征；再者，冰樣B因含有一定量的泥土（表3），因泥土的密度大于冰晶密度，故含有泥土可以增大海冰的總體密度，故使得其密度范圍更靠近其上限。

4 結(jié) 論

a）冰樣上層為顆粒狀晶體，中下層為柱狀晶體，冰樣A、B平均粒徑分別為5.5 mm、3 mm左右。冰樣A晶體C-軸為平面內(nèi)隨機(jī)分布，為平面內(nèi)各向同性材料；冰樣B除表層晶體C-軸集中于極軸附近，中下層均在平面內(nèi)隨機(jī)分布，為平面內(nèi)各向同性材料，冰的性質(zhì)表現(xiàn)出垂向差異性。

b）兩冰樣氣泡等效直徑均在0.2～0.3 mm，冰內(nèi)氣泡平面百分含量介于3%～8%之間，且隨深度增加而減少。

c）冰樣A密度介于860～890 kg/m3之間，鹽度為4.0；冰樣B密度介于860～930 kg/m3之間，鹽度值隨深度大致呈現(xiàn)C字型。

d）推測(cè)冰樣A是來自取樣點(diǎn)上游的浮冰塊，更接近淡水冰；冰樣B為固定冰，各物理特征更加接近于海冰。由于河流入?？谔幊?、流、水溫和鹽度特征比較復(fù)雜，凍結(jié)環(huán)境受河流和海洋共同控制，對(duì)該類地區(qū)海冰的研究尚屬少數(shù)，本文方法與結(jié)論對(duì)未來深入開展河口地區(qū)海冰的調(diào)查研究具有一定的借鑒和指導(dǎo)意義。

致謝：感謝遼河石油公司對(duì)本文工作的開展給予的協(xié)助，以及實(shí)驗(yàn)室李廣偉、劉普等付出的辛勤勞動(dòng)。

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Inner structural study of sea ice in Dalinghe River estuary region

HUANG Wen-feng1, KONG Xiang-peng2, YANG Yue-zhong3, ZHANG Li-min1,LI Zhi-jun1, XU Zhan-tang3
(1. State Key Laboratory of Coastal and Offshore Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024 , China;2. Environmental Science and Engineering College, Dalian Maritime University, Dalian 116026, China;3. LED Laboratory, South China Sea Institute of Oceanology , Chinese Academy of Science, Guangzhou 510301, China)

In the middle and high latitude regions, offshore and marine production and construction are inevitably subjected to ice load, especially in winter. Therefore, it is vital to study earnestly the basic physical properties and construction characteristics of sea ice. In this paper, two natural sea ice samples, derived from Dalinghe River estuary area, were vertically sliced continuously and horizontally sliced with equal spacing into thin sections according to the length brought about when taking samples. Putting the thin sections under the Universal Stage (a polarized light mirror structure), we observed the crystal structures of sea ice. Densities，salinities and air bubbles in different parts of samples were measured as well as the amounts of mud contained，and the relationship among these physical amounts were discussed. Results have been obtained as follows: the upper layer is grained crystal; the lower-middle layer is prismatic crystal; the bubbles in ice present spherical shape and have a low percentage concentration; the ice density varies between 860 and 930 kg/m3and the salinity presents a C-shaped curve against depth.

sea ice; crystal structure; air bubbles; density; salinity.

P731.15

A

1001-6932(2010)03-0247-06

2009-07-23；收訂日期：2009-11-27

國家自然科學(xué)基金(40876057)、國家863探索性項(xiàng)目(2006AA09Z154)

黃文峰（1985－），男，碩士，主要從事海冰與淡水冰內(nèi)部結(jié)構(gòu)和冰裂縫研究。電子郵件：findyhung@126.com