稻城古冰帽第四紀(jì)冰川地貌數(shù)字化研究

崔海濤， 鄭超剛， 張志剛，2，3， 張 宏， 郭 飛， 李奕曼， 王 建

（1. 南京師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 210023； 2. 南京師范大學(xué) 虛擬地理環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210023；3. 江蘇省地理信息資源開發(fā)與利用協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 210023）

0 引言

青藏高原作為世界上海拔最高，我國(guó)面積最大的高原，是除南北極以外發(fā)育現(xiàn)代冰川最大的區(qū)域，也是我國(guó)保留第四紀(jì)冰川遺跡最豐富的區(qū)域［1］。由于所處的地理位置比較特殊，在亞洲甚至全球氣候變化中有著重要影響［2-4］。第四紀(jì)冰川遺跡詳細(xì)記錄了古冰川變化情況，是了解第四紀(jì)環(huán)境演化的重要載體［1］，對(duì)古冰川遺跡的空間分布及定量化研究，有助于認(rèn)識(shí)冰期規(guī)模大小、恢復(fù)第四紀(jì)冰川演化史、了解古環(huán)境變化等［5-6］。

第四紀(jì)冰川地貌制圖作為記錄古冰川遺跡空間分布特征的重要載體［7］，其發(fā)展可分為定性研究和定量研究?jī)蓚€(gè)階段。20 世紀(jì)50 年代到20 世紀(jì)末，是第四紀(jì)冰川地貌制圖定性研究階段，隨著前蘇聯(lián)學(xué)者馬爾科夫總結(jié)了地貌制圖的方法、形式，一些學(xué)者在青藏高原的不同區(qū)域制成了不同比例尺大小的冰川地貌圖［8-11］。21 世紀(jì)以來，隨著遙感監(jiān)測(cè)和無人機(jī)航拍在地貌學(xué)上的成熟運(yùn)用，第四紀(jì)冰川地貌制圖從定性研究向定量研究轉(zhuǎn)變［12-16］。當(dāng)前，已有學(xué)者對(duì)青藏高原地區(qū)的一些區(qū)域（青藏高原東北部巴顏喀拉山、青藏高原中部、青藏高原東南部沙魯里山、青藏高原東北部達(dá)里加山、念青唐古拉山中部）進(jìn)行數(shù)字化冰川地貌制圖［17-22］，但是多數(shù)研究屬于半定量化，同時(shí)缺乏單個(gè)冰川地貌類型進(jìn)行專題制圖。

位于青藏高原東南緣理塘縣和稻城縣之間的稻城古冰帽，第四紀(jì)時(shí)曾數(shù)次發(fā)育冰帽并保存了大量的古冰川遺跡，是開展綜合冰川地貌研究的理想?yún)^(qū)域。20世紀(jì)60年代起，一些學(xué)者陸續(xù)對(duì)該區(qū)的第四紀(jì)冰川遺跡分布進(jìn)行研究［23］，姚檀棟等［24］根據(jù)巖盆、槽谷地貌分布特征，恢復(fù)了古冰帽范圍；李吉均等［25］簡(jiǎn)要畫出了冰磧物、槽谷的地理位置以及三次冰期的作用范圍；鄭本興等［26］制作了冰川槽谷、冰蝕盆地分布圖，劃分了古冰帽侵蝕、堆積帶；Fu 等［19，27］在稻城古冰帽識(shí)別了冰磧壟、冰川谷等五種冰川地貌類型，描述了冰川地貌分布特征并建立了詳細(xì)的古冰川地貌圖。此外，部分學(xué)者基于冰川地貌年代學(xué)重建了該區(qū)第四紀(jì)冰川序列［28-36］。

目前，稻城古冰帽區(qū)第四紀(jì)冰川地貌數(shù)字化研究有待于進(jìn)一步細(xì)化，冰川地貌類型專題圖有待補(bǔ)充完善。本文采用目視解譯和野外考察相結(jié)合的方法對(duì)該區(qū)冰川地貌進(jìn)行識(shí)別和定量化研究，從而為該區(qū)古冰川遺跡在空間分布及數(shù)量獲得直觀上的認(rèn)識(shí)，為第四紀(jì)冰期規(guī)模估算、古氣候重建提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，也為當(dāng)?shù)氐穆糜魏唾Y源調(diào)查提供一定的參考。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

稻城古冰帽位于青藏高原東南緣（29°02′～30°08′ N，99°48′～100°50′ E）（圖1），坐落于橫斷山脈中沙魯里山中部高原區(qū)。介于德格—鄉(xiāng)城斷裂帶和甘孜—理塘斷裂帶之間，出露巖性以印支期花崗巖為主。研究區(qū)北部與毛埡壩盆地和理塘盆地相鄰，東部與無量河斷裂帶和甲洼—康嘎盆地相接，南部以稻城河斷裂帶為界，西部與稻城河谷和希曲毗鄰［26，29-30，37］。稻城古冰帽主體部分是由甘孜州南部稻城縣和理塘縣之間的海子山夷平面及其殘丘組成［30］，長(zhǎng)約135 km，呈西北—東南走向（NWSE），面積達(dá)3 600 km2，平均海拔在4 500 m左右。

圖1 稻城古冰帽位置示意圖Fig. 1 The location of paleo-Daocheng ice cap

目前整個(gè)稻城古冰帽區(qū)已無現(xiàn)代冰川，第四紀(jì)時(shí)該區(qū)曾多次發(fā)育冰帽并保留了包括冰川槽谷、冰蝕盆地、古冰斗、冰磧壟、羊背巖等在內(nèi)的各種冰川侵蝕堆積地貌［24-25］。根據(jù)冰川地貌空間分布特征，稻城古冰帽被劃分為冰帽中心微弱侵蝕和堆積帶、中等侵蝕和堆積帶、強(qiáng)烈侵蝕和冰蝕槽谷帶以及古冰帽邊緣強(qiáng)烈堆積帶［26］（圖2），記錄了冰川作用的整個(gè)過程。

圖2 稻城古冰帽冰川地貌特征圖（據(jù)鄭本興等［26］改繪）Fig. 2 The map of glacial geomorphic zones in the palco-Daocheng ice cap region （Modified after Zheng Benxing et al.［26］）

1.2 研究方法

本文遙感影像數(shù)據(jù)來源于Google Earth Pro 在線地圖，數(shù)字高程模型（DEM）數(shù)據(jù)來源于SRTMDEM 12.5 m，下載網(wǎng)址：ftp：//ftp.glcf.umiacs.umd.edu/glcf/SRTM/Degree Tiles/。

采用目視解譯和野外考察相結(jié)合的方法識(shí)別稻城古冰帽第四紀(jì)冰川地貌類型，根據(jù)解譯人的專業(yè)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，對(duì)遙感影像進(jìn)行判讀與分析，通過影像上物體的形狀、位置、色調(diào)等特征，識(shí)別影像上目標(biāo)物體及獲取分布特征信息并對(duì)部分冰川地貌進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證。首先，在稻城古冰帽區(qū)多次野外考察的基礎(chǔ)上，并結(jié)合多位學(xué)者在此研究古冰川地貌的成果，初步認(rèn)識(shí)該研究區(qū)第四紀(jì)冰川侵蝕堆積地貌類型，深刻了解該區(qū)冰川湖、冰川谷、羊背巖、冰磧壟四種冰川地貌成因、形態(tài)特征、不同地貌之間的聯(lián)系及可能形成的區(qū)域位置（表1），這為接下來目視解譯奠定了基礎(chǔ)。其次，根據(jù)該區(qū)冰川地貌特征（圖3）并參考其他學(xué)者識(shí)別冰川地貌的方法及原理［17-19］，對(duì)Google Earth Pro 在線影像圖進(jìn)行仔細(xì)判讀，獲取該區(qū)第四紀(jì)冰川地貌類型及空間分布。再次，通過野外考察對(duì)目視解譯結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證。最后，對(duì)識(shí)別的冰川地貌進(jìn)行分類，導(dǎo)出KML 格式文件（. kml）并依次加載到ArcGIS 10.5 中。另外，依據(jù)冰川地貌類型所屬規(guī)范色彩進(jìn)行上色處理，區(qū)分不同冰川地貌類型，并選取WGS 1984 UTM Zone 47N 坐標(biāo)進(jìn)行投影處理，在屬性表中計(jì)算不同冰川地貌的面積、數(shù)量等指標(biāo)數(shù)據(jù)，基于該區(qū)數(shù)字高程模型制成對(duì)應(yīng)的冰川地貌專題圖。

表1 冰川地貌特征Table 1 Glacial landform features

圖3 稻城古冰帽區(qū)冰川地貌影像Fig. 3 The map of glacial geomorphic imagery in the palco-Daocheng ice cap area： glacial lake （a）， glacial valley （b），roche moutonnee （c）， glacial moraine （d）

2 結(jié)果與分析

2.1 冰川湖

冰川湖常見有冰蝕湖、冰磧湖，因稻城古冰帽范圍較大，且歷經(jīng)多次冰川作用，湖泊成因難以嚴(yán)格區(qū)分，故本文統(tǒng)稱冰川湖。在稻城古冰帽區(qū)，共識(shí)別1 096 個(gè)冰川湖，面積約60 km2，占古冰帽1.7%，平均密度達(dá)0.3個(gè).km-2。主要分布在海子山夷平面上（圖4）。冰川湖按面積大小分為6個(gè)等級(jí)，其中面積小于0.01 km2的冰川湖占冰川湖總量的46.08%，面積在0.02 km2以上的冰川湖占冰川湖總量的34.21%，0.01～0.02 km2之間的冰川湖占總量的19.71%（表2）。

表2 冰川湖面積、數(shù)量統(tǒng)計(jì)Table 2 Statistics on the area and quantity of glacial lakes

圖4 稻城古冰帽區(qū)冰川湖泊分布圖與實(shí)景圖Fig. 4 Distribution map and scene map of the glacial lakes of the paleo-Daocheng ice cap area： distribution map of the glacial lakes of the paleo-Daocheng ice cap area （a），photo of Xingyicuo lake （b）

其中，古冰帽區(qū)最大的冰川湖——興伊措，由夷平面上的兩列冰磧壟堵住出口而形成，面積達(dá)6.1 km2，湖深3～4 m，最深處可達(dá)10 m，是稻城河的主要源頭，分布在海子山中部，受氣候變暖影響，冰川湖面積縮?。▓D4）。

2.2 冰川谷

稻城古冰帽區(qū)的古冰斗因后期長(zhǎng)時(shí)間受到外動(dòng)力作用影響，而且該區(qū)曾多次冰帽發(fā)育，致使形成的冰斗形態(tài)特征不明顯，因此，我們把冰川槽谷（“U”形谷）和冰斗統(tǒng)稱為冰川谷進(jìn)行地貌識(shí)別。

關(guān)于研究區(qū)的冰川谷地貌，共識(shí)別約370條，約1 166 km2，占古冰帽區(qū)32.4%。分布上，主要存在于古冰帽區(qū)邊緣地帶，其中，南部和北部的山地冰川谷發(fā)育顯著，而中部地區(qū)發(fā)育較少（圖5）。

圖5 稻城古冰帽區(qū)冰川谷地分布圖、實(shí)景圖及冰川谷剖面圖Fig. 5 Distribution map， scene map and glacial valley profile of the glacial valley of the paleo-Daocheng ice cap area：distribution map of the glacial valley of the paleo-Daocheng ice cap area （a）， glacial valley of Kuzhaori （b）， glacial valley of Xionggu （c）， cross section profiles of glacial valleys （x，y） and fluvial valley （z） （d）

2.3 羊背巖

羊背巖，是經(jīng)歷冰川侵蝕作用后形成于地面上的石質(zhì)小丘。形態(tài)特征表現(xiàn)為：頂部渾圓，形似羊背，具有卵形的基部，羊背巖具有迎冰坡緩、背冰坡陡的特點(diǎn)，這是由于迎冰坡以磨蝕作用為主，導(dǎo)致坡面比較平緩光滑；背冰坡以挖蝕作用為主，導(dǎo)致坡面比較陡峻粗糙（破碎）。對(duì)海子山夷平面考察時(shí)，發(fā)現(xiàn)數(shù)個(gè)羊背巖，它們占地面積較大，海拔較高。而且羊背巖長(zhǎng)軸延伸方向（從坡緩處向坡陡處）與冰川運(yùn)動(dòng)方向一致，故羊背巖可作為指示冰川運(yùn)動(dòng)方向的標(biāo)志物（圖6）。

圖6 稻城古冰帽區(qū)羊背巖分布圖與實(shí)景圖Fig. 6 Distribution map and scene map of the roche moutonnees of the paleo-Daocheng ice cap area： distribution map of the roche moutonnees of the paleo-Daocheng ice cap area （a），scene map of the roche moutonnee 1 （b）， scene map of the roche moutonnee 2 （c）

依據(jù)野外考察經(jīng)驗(yàn)和羊背巖形態(tài)特征，在研究區(qū)共識(shí)別41 個(gè)羊背巖，面積約14 km2，占古冰帽面積0.4%。其中，最大羊背巖面積達(dá)到1.07 km2，但面積在0.2～0.4 km2的數(shù)量最多，占比高達(dá)51.22%，面積達(dá)0.6 km2以上的數(shù)量較少（表3）。從分布上看，羊背巖主要形成于古冰帽中心地區(qū)，主體部分集中在海子山夷平面向南部山地的過渡區(qū)域，多數(shù)分布在S217公路北側(cè)。

表3 羊背巖面積、數(shù)量統(tǒng)計(jì)Table 3 Statistics on the area and quantity of roche moutonnees

2.4 冰磧壟

冰磧壟是在冰川消融過程中，由冰川搬運(yùn)的物質(zhì)堆積而成的壟狀地形，是典型的第四紀(jì)冰川遺跡。本研究區(qū)保留了大量冰磧壟地貌，以終磧壟和側(cè)磧壟為主，終磧壟是指在冰川末端由冰磧堆積形成的弧形壟狀地形，側(cè)磧壟是指在冰川兩側(cè)邊緣形成的壟狀地形。

曾有多位學(xué)者在稻城古冰帽不同區(qū)域的冰磧壟上采集漂礫、冰磧碎屑等暴露測(cè)年樣品（圖7），不僅為冰磧壟的識(shí)別提供了地理位置信息，而且進(jìn)一步驗(yàn)證了冰磧壟識(shí)別的精確性。此外，依據(jù)在Google Earth Pro 數(shù)據(jù)中預(yù)設(shè)采樣點(diǎn)位置與實(shí)際野外采集暴露測(cè)年樣品時(shí)用GPS 定點(diǎn)位置信息相吻合，表明制圖精度較高。在該區(qū)，共識(shí)別約1 268 列冰磧壟，但受后期冰川、流水、風(fēng)化等侵蝕作用影響，一些冰磧壟遭受破壞，形態(tài)特征不再顯著甚至消亡。地形上，冰磧壟主要保留在海子山夷平面、山麓地帶和槽谷末端；空間上，呈現(xiàn)南多北少，其中夷平面上有3 組清晰可見的冰磧壟發(fā)育，表面分布大量排列有序的冰川漂礫。其余則分布在南北兩端的冰川谷邊緣地帶，以庫照日冰磧壟序列最多，形態(tài)特征最為典型，是重建青藏高原第四紀(jì)冰期序列的重要區(qū)域（圖8）。

圖7 稻城古冰帽區(qū)冰磧壟上采樣點(diǎn)及對(duì)應(yīng)冰期分布圖Fig. 7 Distribution map of sampling sites and corresponding glacial stage on moraine of the paleo-Daocheng ice cap area

圖8 稻城古冰帽區(qū)冰磧壟分布圖與實(shí)景圖Fig. 8 Distribution map and scene map of the glacial moraine of the paleo-Daocheng ice cap area： distribution map of the glacial moraine of the paleo-Daocheng ice cap area （a），sampling site 1 on moraine in July 2021 （b）， sampling site 2 on moraine in July 2021 （c）

2.5 稻城古冰帽冰川地貌圖

在稻城古冰帽區(qū)已識(shí)別冰川湖、冰川谷、羊背巖、冰磧壟四種第四紀(jì)冰川地貌類型，冰川湖主要分布于冰川古道內(nèi)和夷平面上；羊背巖形成于冰川侵蝕區(qū)的海子山夷平面中心區(qū)域；冰磧壟環(huán)繞冰川谷尾端發(fā)育。根據(jù)第四紀(jì)冰川地貌圖可知，不同的冰川地貌類型，其形成的地域有所差異；在位置關(guān)系上，彼此之間存在一定的聯(lián)系（圖9）。

圖9 稻城古冰帽區(qū)冰川地貌分布圖Fig. 9 Distribution map of the glacial landform of the paleo-Daocheng ice cap area

3 討論

從野外考察到影像判讀，共識(shí)別1 096 個(gè)冰川湖、370 條冰川谷、41 個(gè)羊背巖和1 268 列冰磧壟。稻城古冰帽區(qū)作為研究青藏高原第四紀(jì)冰川地貌最早區(qū)域之一，姚檀棟等［24］統(tǒng)計(jì)稻城古冰帽區(qū)域巖盆1 145 個(gè)，平均密度0.3 個(gè)·km-2。基于冰川湖成因的野外考察研究發(fā)現(xiàn)，海子山夷平面上最大冰川湖——興伊措，主要是冰川前進(jìn)過程中侵蝕形成的巖盆，后期冰川后退過程中形成的冰磧壟或冰磧物堵住了巖盆出口，積水形成的冰川湖泊［26］。分布上契合了古冰帽冰川湖以海子山夷平面和冰川谷為主特點(diǎn)，成因上有待進(jìn)一步研究，需加強(qiáng)對(duì)野外深入考察。

冰川谷主要分布于稻城古冰帽邊緣地帶，可能與海子山夷平面地勢(shì)起伏小有關(guān)，第四紀(jì)冰川發(fā)育以冰帽形式覆蓋整個(gè)夷平面，致使難以形成冰川谷。古冰帽邊緣區(qū)，因構(gòu)造斷裂和流水侵蝕作用而形成地勢(shì)起伏較大的地形，冰川重力作用加上地形陡峭，古冰川運(yùn)動(dòng)速度較快，侵蝕原有的河谷河床而形成冰川谷，其中以南北兩端的山谷分布最為顯著。這與其他學(xué)者描述冰流槽谷分布位置一致［24-26］。凸顯了稻城古冰帽是以海子山夷平面為中心的冰帽區(qū)和以邊緣區(qū)為主的山谷冰川構(gòu)成。

關(guān)于羊背巖，最早由李吉均等［25］在橫斷山二次考察時(shí)發(fā)現(xiàn)，羊背巖主要形成于稻城古冰帽中心區(qū)域，其特征是迎冰面比較平緩、光滑，背冰面陡峭而破碎，部分羊背巖表面有冰磧堆積物。鄭本興等［26］同樣在稻城古冰帽中心區(qū)域發(fā)現(xiàn)了羊背巖存在。在對(duì)稻城古冰帽區(qū)野外考察發(fā)現(xiàn)，羊背巖發(fā)育于海子山夷平面中心區(qū)，該區(qū)域基巖裸露而且冰川以侵蝕作用為主［26］，是塑造羊背巖的理想?yún)^(qū)。其長(zhǎng)軸指向指示了古冰川的前進(jìn)方向與實(shí)際中古冰川前進(jìn)方向相同（NE-SW），間接表明了該工作的可靠性。

稻城古冰帽冰磧物主要以終磧壟和側(cè)磧壟形式保存，是研究第四紀(jì)冰期的重要標(biāo)志。李吉均等［25］在海子山夷平面上發(fā)現(xiàn)了多列冰磧壟，并認(rèn)為它們是同一冰期作用產(chǎn)物，此外在庫照日地區(qū)發(fā)現(xiàn)了具有歷史意義的紅色風(fēng)化殼覆蓋的終磧壟。鄭本興等［26］研究表明，冰磧壟主要分布于古冰帽邊緣槽谷地帶，特別是稻城河北側(cè)的山麓地帶冰磧壟發(fā)育顯著。21 世紀(jì)以來，關(guān)于冰磧壟的研究主要集中于冰川年代學(xué)，分別在古冰帽西緣冰磧壟、海子山夷平面冰磧壟、海子山北端冰磧壟以及古冰帽東緣冰磧壟都有詳細(xì)描述與記載［29-36］。Fu 等［33］研究發(fā)現(xiàn)，海子山夷平面上清晰分布著3道主線冰磧壟，形成于末次冰消期。其他冰磧壟主要分布在山谷山麓地帶，主要是冰進(jìn)作用而成，表明在第四紀(jì)冰期，海子山夷平面上發(fā)育形成冰帽。

綜上所述，通過與其他學(xué)者研究結(jié)果相比，驗(yàn)證了本文冰川地貌數(shù)據(jù)化研究的可靠性、真實(shí)性和精確性。此外加強(qiáng)野外考察與影像判讀之間的聯(lián)系，分析不同冰川地貌之間存在的位置關(guān)系，從而提高冰川地貌數(shù)字化研究的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)論

以第四紀(jì)冰川遺跡豐富的稻城古冰帽為研究區(qū)，利用目視解譯和現(xiàn)場(chǎng)考察相結(jié)合的方法，在Google Earth Pro 遙感影像上識(shí)別了冰川湖、冰川谷、羊背巖和冰磧壟四種冰川地貌類型并制成對(duì)應(yīng)的稻城古冰帽區(qū)冰川地貌分布圖。

初步統(tǒng)計(jì)，冰川湖約1 096 個(gè)，主要分布在海子山夷平面上；冰川谷約370條，以南北兩端的山谷為主；羊背巖約41個(gè)，發(fā)育于稻城古冰帽中心區(qū)域；冰磧壟約1 268 列，主要分布在東西兩側(cè)的冰川谷尾端、山麓地帶以及海子山夷平面上。

從地貌類型和分布上表明稻城古冰帽由以南部山地為主形成的山谷冰川和以海子山夷平面為主形成的冰帽構(gòu)成，而且很好地指示了古冰川的前進(jìn)方向和冰川性質(zhì)變化，為后面的古冰川地貌特征研究提供參考。