川西螺髻山清水溝倒數(shù)第二次冰期以來(lái)的冰川規(guī)模與古氣候重建

唐倩玉， 張 威， 劉 亮， 柴 樂(lè)， 李亞鵬，張廉卿， 孫 波， 張宏杰

（1.遼寧師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，遼寧大連 116029； 2.東華理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，江西南昌 330013；3.中國(guó)科學(xué)院青藏高原研究所青藏高原環(huán)境變化與地表過(guò)程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101）

0 引言

第四紀(jì)全球氣候的顯著特征之一是冰期和間冰期交替，豐富的第四紀(jì)冰川作用遺跡為探討第四紀(jì)期間的氣候環(huán)境變化特征與形成機(jī)制提供了良好的載體［1-2］，第四紀(jì)也是人類出現(xiàn)和迅速發(fā)展的時(shí)代，研究這一時(shí)期的氣候變化對(duì)探討自然環(huán)境變化對(duì)人類的影響有重要意義。隨著地貌與第四紀(jì)研究的不斷深入，采用相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，并輔助地理信息系統(tǒng)（geographic information system，簡(jiǎn)稱GIS），第四紀(jì)冰川研究已經(jīng)進(jìn)入了定量化研究階段［3-10］。尤其是根據(jù)古今冰川平衡線高度變化，定量化推算不同冰期時(shí)段的氣溫與降水，明確過(guò)去和現(xiàn)在氣候變化的差異，可為未來(lái)氣候變化趨勢(shì)預(yù)測(cè)提供參考［11-13］。

螺髻山位于青藏高原東緣、橫斷山的中部，氣候受東南季風(fēng)和西南季風(fēng)的共同影響，加上高大山體對(duì)氣流的抬升作用使得這里降水充沛，11 月至3月該地區(qū)受高空西風(fēng)環(huán)流南支急流控制，以晴朗天氣為主，降水少，4 月東南季風(fēng)和西南季風(fēng)北上，雨季開始，9—10 月印度洋暖濕氣流更強(qiáng)烈的侵入成為年降水的第二個(gè)高峰，夏半年的降水量占全年的75%～90%［14］。該區(qū)域是青藏高原東緣有明確古冰川地形而無(wú)現(xiàn)代冰川發(fā)育的地區(qū)之一［2］，在第四紀(jì)期間經(jīng)歷了多次冰川作用，海拔2 500 m 以上保留有序列齊全、對(duì)氣候變化敏感的海洋性冰川遺跡。近年來(lái)，一些學(xué)者對(duì)螺髻山第四紀(jì)冰川地貌進(jìn)行了深入考察與研究，進(jìn)行了第四紀(jì)冰期系列劃分并建立了絕對(duì)年代學(xué)框架［15-17］（圖1）。依據(jù)不同期次的冰川遺跡，運(yùn)用冰川縱剖面模型、積累區(qū)面積比率法（accumulation area ratio，簡(jiǎn)稱AAR）和面積-高程平衡率法（area altitude balance ratio，簡(jiǎn)稱AABR），以及氣溫與降水關(guān)系模型（簡(jiǎn)稱P-T 模型）、氣溫遞減率模型（lapse-rate model，簡(jiǎn)稱LR）等，可以獲得不同階段古冰川規(guī)模及冰川物質(zhì)平衡線高度（equilibrium-line altitude，簡(jiǎn)稱ELA），進(jìn)而得到不同冰川作用期的氣候環(huán)境演變特征。

圖1 螺髻山清水溝地理位置與冰川地貌Fig.1 Geographical location and glacial landforms of the Qingshui Valley，Luoji Mountain

1 研究區(qū)概況

清水溝谷地的第四紀(jì)冰川沉積物保存較好，從源區(qū)冰斗到溝谷谷口依次保存有三套冰磧物（圖1），張威等［15］對(duì)這三套冰磧物的測(cè)年結(jié)果顯示：第一套冰磧物上采集兩個(gè)電子自旋共振樣品（electron spin resonance，簡(jiǎn)稱ESR）測(cè)年結(jié)果為（13±1）ka 和（23±2）ka，以及兩個(gè)OSL（光釋光）測(cè)年結(jié)果為（15.74±1.15）ka 和（23.24±1.68）ka，因此根據(jù)相對(duì)地貌和測(cè)年結(jié)果可確定第一套冰磧物形成于末次冰期晚期，對(duì)應(yīng)于海洋氧同位素階段（marine oxygen isotope stage，簡(jiǎn)稱MIS）2。第二套冰磧物分布于海拔3 400～3 550 m大海子冰坎下部，終磧與側(cè)磧相連，部分終磧被后期流水沖開，第二套冰磧上的兩個(gè)ESR 測(cè)年結(jié)果為（72±30）ka 和（81±11）ka，結(jié)合地貌可判斷其形成于末次冰期早期（MIS 4）。第三套冰磧物的側(cè)磧壟從海拔3 400 m延伸至海拔2 300 m，終磧堤位于清水溝西北2 200 m 的山包上，橫剖面呈月牙狀堆積體，相對(duì)高度50 m［18］。在冰磧壟的兩個(gè)樣品ESR 年齡為（234±45）ka 和（191±157）ka，結(jié)合地貌判斷其形成于倒數(shù)第二次冰期（MIS 6）。倒數(shù)第二次冰期冰川從大海子冰斗（下層冰斗）向下游溢出形成了上槽谷，從海拔3 740 m 延伸到2 500 m 左右，末次冰期早期形成了清水溝3 800 m左右的冰斗群以及下槽谷［19］。

2 研究方法

2.1 冰川規(guī)模定量恢復(fù)方法

使用Pellitero 等［20］開發(fā)的冰川規(guī)模重建工具箱Glacier Reconstruction Tools（簡(jiǎn)稱GLARE），恢復(fù)冰川表面高程時(shí)需要古冰川底部的地形數(shù)據(jù)和古冰川分布范圍。倒數(shù)第二次冰期的冰川范圍以下層冰斗后壁、上槽谷、側(cè)磧壟以及谷口終磧?yōu)閰⒖?，末次冰期早期的冰川范圍以上層冰斗后壁、下槽谷、?cè)磧壟為參考，末次冰期晚期的冰川范圍以上冰斗附近的側(cè)磧和終磧?yōu)閰⒖肌Ｏ妊刂ㄖ辛骶€計(jì)算冰川厚度，之后插值至整個(gè)冰川分布范圍，最終得到整條冰川的厚度。冰川縱剖面模型是根據(jù)冰川動(dòng)力學(xué)方程建立的［21］。

式中：τ為剪切應(yīng)力；ρ為冰川冰的密度；g為重力加速度；h為冰川的厚度；α為冰川表面的坡度。

具體步驟為：①使用Flowline Creation 工具，生成古冰川中流線；②使用Shear Stress 工具中的Construct Interval Nodes 得到中流線上的節(jié)點(diǎn)；③使用Shear Stress 工具中的Define Shear Stress 對(duì)節(jié)點(diǎn)的剪切應(yīng)力進(jìn)行賦值；④使用Glacier Reconstruction中的Flowline ice thickness tool 得到流線上的冰川海拔高度；⑤考慮槽谷形態(tài)對(duì)冰川的影響，使用F因子中的Automatic ice thickness 工具對(duì)流線上的冰川海拔高度進(jìn)行校正；⑥使用Glacier Reconstruction中的Glacier surface interpolation 輸入中流線和冰川作用范圍，選擇克里金插值方法，得到冰面高程；⑦冰面高程與冰川底部地形相減可以得到冰川厚度；⑧通過(guò)得到的冰面高程可以在ArcGIS 上計(jì)算冰川表面高程?hào)鸥駭?shù)據(jù)的面積；⑨在ArcGIS上計(jì)算冰川厚度乘以冰川表面插值網(wǎng)格面積得出冰川體積。

2.2 冰川平衡線估算方法

ELA 是指冰川上積累量與消融量相等的點(diǎn)連線的高度［22-24］。本文采用目前較為常用的AAR 和AABR法來(lái)恢復(fù)清水溝古冰川物質(zhì)平衡線高度。當(dāng)冰川處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，冰川積累區(qū)面積與整個(gè)冰川面積的比值即為AAR 值［25］，古冰川ELA 的計(jì)算參考Kern 等［26］提出的AAR 值與冰川面積間的對(duì)數(shù)關(guān)系式。

AABR 法是由Furbish 等［27］提出的根據(jù)冰川消融區(qū)和積累區(qū)的物質(zhì)平衡梯度來(lái)計(jì)算冰川物質(zhì)平衡線高度的方法，Rea［28］在計(jì)算全球65 條冰川的物質(zhì)平衡時(shí)發(fā)現(xiàn)BR 的平均值為1.75±0.71，因此本文參考此平均值計(jì)算清水溝的BR 值。本文基于恢復(fù)后的古冰面高程計(jì)算不同時(shí)期的古ELA，可以使計(jì)算結(jié)果更為精確。

2.3 基于冰川平衡線變化的氣候重建模型

（1）P-T模型

氣溫和降水是影響冰川ELA 變化的重要因素［29-30］，因而現(xiàn)代冰川ELA 處氣溫和降水的關(guān)系也被廣泛地應(yīng)用于氣候重建［31-32］。古冰川運(yùn)用P-T 模型時(shí)要結(jié)合ELA 的變化量及氣溫遞減率，從而得到因?yàn)镋LA 位置的變化而產(chǎn)生的氣溫變化量。在假定古冰川前進(jìn)時(shí)ELA 和現(xiàn)代冰川ELA 處氣溫和降水關(guān)系一致的基礎(chǔ)上，結(jié)合氣候代用指標(biāo)得到降水的變化量，帶入到P-T 模型中得到氣溫變化量。然后將位置變化產(chǎn)生的氣溫變化量和降水波動(dòng)產(chǎn)生的氣溫變化量相加，就是氣溫波動(dòng)值［33］。本文在恢復(fù)不同階段古氣候時(shí)參考了施雅風(fēng)等［29］的研究，建立了中國(guó)西部冰川年降水量P（mm）和年均溫T（℃）之間的關(guān)系式。

（2）LR模型在使用LR 模型時(shí)要考慮溫度遞減率、積累梯度和積累量的變化［34］。該模型應(yīng)用ELA 處冰川積累量與溫度的轉(zhuǎn)換系數(shù)f，將由于ELA 升降導(dǎo)致的降水變化量轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的氣溫變化量［33］。

式中：ELA1和ELA2分別為現(xiàn)代和冰期時(shí)的物質(zhì)平衡線高度；T1為現(xiàn)代冰川ELA2處的氣溫（℃）；T2為冰期時(shí)古冰川ELA2處的氣溫（℃）；c1為現(xiàn)代冰川在ELA2處的積累量（mm）；c2為冰期時(shí)古冰川在ELA2處的積累量（mm）；f為物質(zhì)平衡線處冰川積累量與溫度的轉(zhuǎn)換系數(shù)（℃·mm-1）。

3 結(jié)果與討論

3.1 冰川規(guī)模估算

利用GLARE 工具恢復(fù)螺髻山清水溝倒數(shù)第二次冰期的冰川山谷指數(shù)為0.45～0.87［圖2（a）］，平均值為0.62；剪切應(yīng)力范圍為40～140 kPa［圖2（b）］，平均值為102.10 kPa；冰川表面高程為2 125～3 826 m［圖3（a）］，平均值為3 029 m，最大冰川厚度為127 m［圖3（b）］，平均值為55 m，冰川表面積為3.44 km2，體積為0.19 km3。恢復(fù)末次冰期早期的冰川山谷指數(shù)為0.53～0.96［圖2（c）］，平均值為0.77；剪切應(yīng)力范圍為50～70 kPa［圖2（d）］，平均值為64.65 kPa；冰川表面高程為3 380～4 055 m［圖3（c）］，平均值為3 054 m，最大冰川厚度為131 m［圖3（d）］，平均值為53 m，冰川表面積為2.22 km2，體積為0.12 km3。末次冰期晚期的冰川山谷指數(shù)為0.49～0.95［圖2（e）］，平均值為0.79；剪切應(yīng)力范圍為40～70 kPa［圖2（f）］，平均值為57.71 kPa；冰川表面高程為3 765～4 043 m［圖3（e）］，平均值為3 016 m，最大冰川厚度為121 m［圖3（f）］，平均值為57 m，冰川表面積為1.20 km2，體積為0.07 km3。

圖2 清水溝不同冰進(jìn)時(shí)期的山谷指數(shù)和剪切應(yīng)力Fig.2 Shape index（a，c，e）and shear stress（b，d，f）of Penultimate Glaciation，early stage of Last Glaciation，and late stage of Last Glaciation in the Qingshui Valley

圖3 清水溝不同冰進(jìn)時(shí)期的冰面高程和冰川厚度分布Fig.3 Distribution of ice surface elevations（a，c，e）and glacier thickness（b，d，f）of Penultimate Glaciation，early stage of Last Glaciation，and late stage of Last Glaciation in the Qingshui Valley

測(cè)量的山谷指數(shù)在末次冰期晚期最大，末次冰期早期居中，倒數(shù)第二次冰期最小，這主要是因?yàn)榭拷ㄔ搭^受到的冰川侵蝕更強(qiáng)烈、持續(xù)時(shí)間也更長(zhǎng)，使槽谷底部更趨近于“U”形［35］。對(duì)于山谷冰川來(lái)說(shuō)，剪切應(yīng)力在50～150 kPa 的范圍內(nèi)［36］，恢復(fù)的各階段冰川底部剪切應(yīng)力平均值均在此范圍內(nèi)。研究區(qū)倒數(shù)第二次冰期以來(lái)冰川的面積和體積都不斷減小，這種第四紀(jì)以來(lái)冰期規(guī)模逐漸減小的特點(diǎn)在中國(guó)山地冰川區(qū)具有普遍性［37］。

3.2 不同時(shí)期冰川平衡線高度

將恢復(fù)出的冰川面積帶入式（2），計(jì)算出倒數(shù)第二次冰期AAR 值為0.56，末次冰期早期AAR 值為0.53，末次冰期晚期AAR 值為0.49，然后使用Pellitero 等［20］開發(fā)的ELA calculation 工具輸入AAR值和BR 值可自動(dòng)計(jì)算對(duì)應(yīng)的ELA 高度。從表1 看出，運(yùn)用AABR 法、AAR 法，結(jié)合前人使用的冰斗底部高程法（CF）、末端至冰斗后壁比率法（MELM）、側(cè)磧壟最大高度法（THAR）和TSAM 法［18］計(jì)算出清水溝倒數(shù)第二次冰期ELA 平均值為3 132 m，末次冰期早期ELA 平均值為3 776 m，末次冰期晚期ELA 平均值為3 927 m。根據(jù)高曉昕［18］計(jì)算的結(jié)果，螺髻山現(xiàn)代冰川平衡線高度為4 848 m，倒數(shù)第二次冰期相對(duì)于現(xiàn)代ELA 下降1 716 m，末次冰期早期下降1 071 m，末次冰期晚期下降920 m。

表1 研究區(qū)MIS 6以來(lái)各次冰進(jìn)ELA重建Table 1 ELA reconstruction in each glacial advance since MIS 6 in the study area

3.3 古氣候環(huán)境重建

收集了研究區(qū)附近的西昌、昭覺(jué)、木里、鹽源、九龍和稻城這六個(gè)氣象站1990—2019 年每日的氣溫和降水?dāng)?shù)據(jù)（表2），所用的氣象數(shù)據(jù)來(lái)自國(guó)家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)中心（http://data.cma.cn/）的中國(guó)地面氣候資料日值數(shù)據(jù)集（V3.0）。

表2 研究區(qū)附近氣象站氣候數(shù)據(jù)概要Table 2 Summary of present climate datasets from meteorological stations used near the study area

對(duì)研究區(qū)附近氣象站的多年平均氣溫T（℃）和海拔H（m），以及多年平均降水量P（mm）和海拔H（m）進(jìn)行擬合。

使用P-T 模型對(duì)氣溫變化進(jìn)行恢復(fù)的方法如下［33］：通過(guò)式（5）得到氣溫遞減率為0.54 ℃·（100m）-1，結(jié)合倒數(shù)第二次冰期ELA下降高度，先得出因?yàn)槲恢米兓瘜?dǎo)致的氣溫變化為9.27 ℃；然后根據(jù)式（6）計(jì)算出現(xiàn)代ELA 處的降水為512.38 mm，根據(jù)式（3）計(jì)算出現(xiàn)代ELA 處的氣溫為-11.10 ℃，位于青藏高原東北部若爾蓋盆地RM 鉆孔的孢粉分析結(jié)果［38］顯示，MIS 6 年降水量為現(xiàn)在的60%～80%，因此在MIS 6 時(shí)現(xiàn)代ELA 處的降水為307.43～409.90 mm，使用式（3）得到ELA 處的年均溫為-13.70～-12.23 ℃，所以降水波動(dòng)產(chǎn)生的氣溫變化量為1.13～2.59 ℃；位置和降水波動(dòng)產(chǎn)生的氣溫變化量相加就是氣溫的波動(dòng)值，因此得出在倒數(shù)第二次冰期時(shí)氣溫比現(xiàn)在低10～12 ℃。末次冰期早期和晚期的降水量分別為現(xiàn)在的80% 左右和60%～80%［38］，按照上述方法得到的計(jì)算結(jié)果如表3 所示。圖4（a）模擬了P-T模型不同冰進(jìn)階段年降水量占現(xiàn)代年降水量的比例由10% 變化到200%，變化的步長(zhǎng)為10%時(shí)的氣候狀況。

表3 研究區(qū)MIS 6以來(lái)各次冰進(jìn)的古氣候狀況Table 3 Palaeoclimatic condition in each glacial advance since MIS 6 in the study area

使用LR 模型對(duì)氣溫變化進(jìn)行恢復(fù)的方法見文獻(xiàn)［39］。LR 模型與P-T 模型相比，還需要冰川積累梯度和不同階段ELA的乘積，以及ELA處冰川積累量與溫度的轉(zhuǎn)換系數(shù)（f）。由式（6）可以得到冰川積累梯度和不同階段ELA 的乘積。根據(jù)Ohmura 等［30］提出的f值，本文采用0.0029 ℃·mm-1。降水比例與P-T 模型設(shè)置為一致，將上述數(shù)據(jù)帶入LR 模型計(jì)算，結(jié)果如圖4（b）和表3所示。

圖4 模型模擬結(jié)果Fig.4 Simulation results of P-T（a）and LR（b）models

根據(jù)P-T 模型和LR 模型的結(jié)果（表3），可以看出：倒數(shù)第二次冰期氣溫降低值為8～12 ℃，這與根據(jù)冰楔假型恢復(fù)出的鄂爾多斯倒數(shù)第二次冰期時(shí)凍土邊界附近的年均溫比現(xiàn)在低10～15 ℃相符［40］，該階段降水僅為現(xiàn)在的60%～80%，所以氣溫大幅度的下降是導(dǎo)致該階段冰川規(guī)模最大的原因；末次冰期早期氣溫降低值為6～7 ℃，與若爾蓋盆地孢粉記錄顯示MIS 4 階段年平均氣溫比現(xiàn)在低4 ℃相差不大［38］，該階段降水為現(xiàn)在的80% 左右，但是氣溫下降幅度小于倒數(shù)第二次冰期，因而冰川規(guī)模小于倒數(shù)第二次冰期；末次冰期晚期氣溫降低值為4～8 ℃，與若爾蓋盆地孢粉記錄顯示MIS 2階段的年平均氣溫比現(xiàn)在低5～6 ℃的情況一致［38］，末次冰期晚期降水僅為現(xiàn)在的60%～80%，降溫幅度也不大，因此該階段冰川規(guī)模最小。

4 結(jié)論

螺髻山清水溝第四紀(jì)冰川規(guī)模與古環(huán)境重建的主要結(jié)論如下：

（1）基于冰磧物的分布范圍，利用冰川縱剖面模型恢復(fù)了古冰川的規(guī)模，清水溝倒數(shù)第二次冰期的冰川面積為3.44 km2，最大冰川厚度為127 m，冰川體積為0.19 km3；末次冰期早期的冰川面積為2.22 km2，最大冰川厚度為131 m，冰川體積為0.12 km3；末次冰期晚期的冰川面積為1.20 km2，最大冰川厚度為121 m，冰川體積為0.07 km3。

（2）運(yùn)用AABR 法和AAR 法，并結(jié)合冰斗底部高程法（CF）、末端至冰斗后壁比率法（MELM）、側(cè)磧壟最大高度法（THAR）和TSAM 法恢復(fù)了古冰川平衡線高度，結(jié)果顯示清水溝倒數(shù)第二次冰期ELA高度為3 132 m，末次冰期早期ELA 高度為3 776 m，末次冰期晚期ELA高度為3 927 m。

（3）運(yùn)用P-T 模型和LR 模型，結(jié)合氣候代用指標(biāo)，可以得到研究區(qū)倒數(shù)第二次冰期氣溫降低值為8～12 ℃，末次冰期早期氣溫降低值為6～7 ℃，末次冰期晚期氣溫降低值為4～8 ℃。