四川康定折多山末次冰盛期古冰川重建及其氣候意義

楊舒然，楊瑋琳，韓業松，楊彥敏，李夢真，崔之久，劉耕年

（北京大學城市與環境學院地表過程分析與模擬教育部重點實驗室，北京 100871）

0 引言

折多山位于青藏高原東緣的四川西部，屬于橫斷山脈大雪山一脈，整體呈梭形，走向北西-南東，位于大渡河與雅礱江之間。折多山以西是隆起的高原，以東是高山峽谷，折多山最高峰是位于研究區北部的雅拉雪山（5 884 m），康定機場東側的折多山最高峰4 962 m（圖1）。折多山在地質構造上屬于川滇塊體鮮水河斷裂帶［1］。氣候區劃上，該區介于亞熱帶暖濕季風氣候向青藏高原高寒氣候區的過渡帶，山地東、西兩側的氣候差異明顯［2］。

青藏高原東緣的高山區發育有現代冰川，屬于海洋型冰川類型，如貢嘎山（7 556 m）、玉龍雪山（5 596 m）［2-6］；第四紀古冰川遺跡十分豐富，前人做了大量有關古冰川地貌特征、冰期系列劃分與演化、冰川年代學、沉積學等研究，對古冰川地貌特征、主要冰期系列有了較為全面的認識［4，7-10］。前人重點研究的山地包括點蒼山［11-12］、玉龍山［13-14］、螺髻山［15-17］、貢嘎山［18-20］、稻城-海子山［21-26］、四姑娘山［27］、雪寶頂［28］等。這些研究顯示出青藏高原東緣高山區在第四紀發育出大量山谷冰川，其成因一方面是MIS 12、MIS 6、MIS 4和MIS 2等階段的半球性降溫事件或者MIS 3b等階段的濕潤季風氣流帶來的充沛降水促進了規模較大的冰川擴張；另一方面就是地貌上構造抬升造成的高海拔提供了有利的低溫條件，而高原-山地、山地-盆地等過渡地帶的地勢差異使得季風容易在此爬升并帶來雨水沉降。地勢高差造成的水流下切使得部分古冰川地貌在分水嶺、臺地等地勢相對較高的位置能夠得以保存，加上冰期與間冰期的多次旋回使得古冰川擴張退縮活動交替頻繁，冰川遺跡十分豐富。隨著研究成果積累和認識逐步深入，對冰川地貌，如冰川槽谷［15，22］、冰斗［16］、冰蝕丘陵［17］、冰磧壟［18，20，25］等現象進行精細刻畫，年代進行精準確定［19-20，24-25，28］，深刻挖掘其對氣候變化過程的指示意義，已是同行的共識［29-34］。本文基于上述以分析地貌形態為基礎進而推測當時氣候的認識，擬對川西大雪山一脈的折多山的古冰川地貌進行恢復與重建，提取反映冰川發育的特征值，如冰川作用零平衡線（ELA），分析推測冰川發育的氣候環境。研究區范圍：29°54′～30°30′N，101°30′～101°54′E（圖1）。

圖1 研究區地理位置和地形Fig.1 Location and relief map of the study area

1 研究方法

1.1 區域年代序列

Strasky等［35］和Bai等［36］采用10Be暴露年齡法對折多山冰磧壟漂礫測年揭示了新冰期、早全新世、晚冰期和全球末次冰期最盛［global last glacial max?imum，gLGM，（21±2）ka［37］］冰川冰進事件。其中，色拉哈（Selaha）以北江巴溝保存多道較為完好冰磧壟，東側保留完整的冰磧壟末端海拔3 920 m，10Be暴露年齡18～22 ka［36］，與gLGM擴張事件同步。折多山東坡的楊家溝，冰磧壟10Be暴露年齡（18±2）ka［36］，西坡的觀雪臺、多日阿嘎莫的冰磧壟最大范圍均應發生在冰消期之前。因此，根據現有的年代資料，折多山古冰川最大范圍（local last glacial maxi?mum，LGM）發生在gLGM時期，與全球性冰川擴張事件同步。

1.2 地貌制圖

基于3S（Global positioning systems，GPS，全球定位系統；Remote sensing，RS，遙感技術；Geogra?phy information systems，GIS，地理信息系統）技術，本文冰川地貌調查主要采用遙感衛星影像目視解譯、野外調查驗證和特征值推算相結合的方法。遙感影像資料選用30 m分辨率DEM數字高程數據。首先，根據野外考察記錄，確定終磧壟、側磧壟、冰磧丘陵等典型的冰川堆積地貌以及基巖冰坎、羊背石、冰川擦面等典型的冰蝕地貌（圖2）。其中，野外考察地點主要包括康定機場西側洛機普、南側318國道觀雪臺，以及機場北面的江巴溝（圖3～圖4）。其次，基于Google Earth交互式平臺并疊加野外考察記錄的特征冰川地貌點以及Strasky等［35］和Bai等［36］的gLGM時期本區冰川地貌特征點及年代學成果，根據沉積相似性原理，運用目視解譯的方法識別出形態保存較好的冰磧壟［30-32］。侵蝕地貌重點解譯冰斗、槽谷以及冰川湖泊?；?0 m分辨率DEM數字高程數據，使用ArcGIS進行冰川地貌特征值提取，如分水嶺、水系、ELA重建、古冰川面積、朝向、坡度等。

圖2 研究區冰川地貌遺跡（位置見圖4）Fig.2 Glacial landforms and deposit in the Zheduoshan Mountains（locations see Fig.4）

然而，由于寒凍風化以及流水侵蝕等后期改造作用，部分冰川作用遺跡保存較差，無法根據遙感影像確定冰川末端以及冰舌邊界。因此，在本文中，我們主要依據冰川特征值推算的方法，從統計學角度計算折多山地區gLGM時期冰川能夠達到的最低海拔下界［33］。冰斗末端至后壁比率法（toeto-headwall altitude ratio，THAR）是基于“ELA必定位于冰川最高點與最低點之間的某個高度處”這一基本假設，來統計確定冰川ELA的一種常用方法［38］。其中，THAR值為ELA與冰川最低點高程（At）之差與冰川最高點（Ah）和最低點高程之差的比值，如公式（1）。

THAR值常受到冰川規模、類型、表磧覆蓋以及雪崩補給等因素的影響［38］。因此，我們根據現代冰川特征值計算折多山地區的THAR值，并假設折多山地區現代和末次冰盛期THAR值并未發生變化。然而，由于折多山現代冰川較少，難以統計獲得現代冰川的特征值。研究表明，橫斷山區的冰川受緯度變化的影響小于經度變化的影響，因此，可以認為：折多山毗鄰山地的氣候環境與折多山基本相似［34］。貢嘎山緊鄰折多山南側，且現代冰川廣泛發育。因此，我們用貢嘎山的現代冰川特征值，結合發表文章的ELA，計算出THAR值［38-42］。

從上文可知，本文恢復了冰川遺跡保存較好的12條gLGM時期的古冰川范圍。因此，根據公式（1）的變形式以及THAR值，能夠重建折多山地區gLGM時期ELA［見公式（2）］。最后，根據重建的gLGM時期ELA以及古冰川Ah，根據公式（2）計算出gLGM時期古冰川最低點高程（At）。從而根據等高線分布，確定冰磧壟證據保存較差的gLGM時期古冰川下界海拔。

2 結果與分析

2.1 目視解譯結果

結合野外考察得到的認識，槽谷最外圍的冰磧壟可代表最大古冰川作用的邊界。首先，從衛星影像解譯出區內冰磧壟地貌圖（圖3）。然后依據側磧壟、終磧壟保存較好的冰川谷有12條，恢復出他們的分布范圍。解譯的這12條冰川地貌將成為恢復全區冰川分布范圍、計算冰川特征值的重要依據。折多山發育眾多湖泊，主要類型為冰川湖。冰蝕基巖洼地成因的冰蝕湖最多，其次是冰磧堰塞湖（圖3）。據衛星影像解譯統計，康定市-康定機場之間的山區共有冰川湖68個，分布在海拔4 180～4 570 m之間，總平均4 390 m；西坡平均4 470 m，東坡4 260 m，相差210 m。整個研究區一共有冰川湖140余個。區內還有幾個斷層湖，最大的是木格措（圖1）。

圖3 折多山多日阿嘎莫-江巴溝一帶代表性冰川地貌（位置參見圖1江巴溝）Fig.3 Representative glacial landforms in Duoriagamo and Jiangbagou，Zheduoshan（cf.Jingbagou of the Fig.1）

2.2 冰川地貌特征值測算

現代冰川數據來自《中國第二次中國冰川編目》［43］，地形分析提取自從中國科學院計算機網絡信息中心地理空間數據云平臺（http：//www.gs?cloud.cn）下載的30 m分辨率DEM數字高程數據，地理信息分析使用ArcGIS。

根據前人研究和第二次冰川編目數據，獲得貢嘎山現代冰川ELA和THAR值［8，33，40］，按“將今論古”的思路，可將貢嘎山現代冰川的THAR值用于古冰川ELA計算，并用于地理位置毗鄰的折多山古冰川重建。根據折多山冰川地貌保存較好的12條溝，恢復出這12條冰川的范圍，求出分水嶺高度、冰川末端高度，根據之前算出的THAR值重建出這12條冰川的ELA，其平均值代表冰川發育時研究區的ELA。用已知ELA、THAR值，以及從Google Earth提取冰斗后壁高度，推算冰磧壟保存不好的那些冰川的末端海拔高度，以完成這些冰川范圍的恢復。

2.2.1 貢嘎山現代冰川ELA和THAR

根據中國第二次冰川編目數據和DEM數據，提取出貢嘎山東、西坡各16條和22條冰川的分水嶺高度和末端高度。根據前人研究，貢嘎山現代冰川平衡線高度東坡低于西坡：東坡一般在4 800～5 000 m，西坡在5 000～5 200 m［44-45］，為便于計算，取平均值，即東坡4 900 m，西坡5 100 m。編目資料顯示，東坡冰川末端平均海拔4 165 m，海螺溝冰川末端最低，到2 974 m；西坡冰川末端平均海拔4 541 m，大貢巴冰川末端最低，到3 935 m。計算得知貢嘎山THAR值主要分布在0.23～0.54，平均0.40（表1）。

表1 貢嘎山冰川地貌特征值測算統計（平均值）（單位：m）Table 1 Typical glacial geomorphological characteristic values in the Mt.Gongga（average value）（unit：m）

2.2.2 折多山古ELA和古冰川末端高度At測算

按毗鄰山體地理相近性以及“將今論古”的地理學研究原則，假定折多山古冰川的THAR值也是0.40。首先在研究區東、西坡分別找到了六處終磧壟和側磧壟保存較好的山谷恢復其古冰川范圍，獲取相關參數。然后按THAR法獲得這12條古冰川的ELA（表2），東坡4 110 m、西坡4 380 m，相差270 m。

表2 折多山古冰川地貌特征值測算統計平均值（單位：m）Table 2 The geomorphological characteristics mean values of the glacial landforms in Zheduoshan Mountains（unit：m）

LGM古冰川末端高度At：為實現全域古冰川恢復，需要對那些地貌標志（冰磧壟）不明顯的谷地作古冰川末端高度At測算。

2.2.3 折多山古冰川數量、面積和地貌類型

研究區全部冰川地貌恢復依據野外考察記錄（見3.1節）、衛星影像解譯（見3.2節），以及冰川末端高度測算（冰磧壟保存不好的谷地）擬合（見3.3節）。共恢復出189條古冰川，其中西坡97條，東坡92條；總面積497.07 km2，其中西坡193.73 km2，東坡194.58 km2，西坡冰川面積范圍0.1～18.4 km2，平均2.0 km2，東坡面積范圍0.1～20.5 km2，平均2.1 km2（圖4）。冰川最高點高度，西坡4 497～5 278 m，平均4 736 m，東坡4 392～5 785 m，平均4 775 m，東坡比西坡平均值高39 m；冰川末端高度，西坡3 920～4 320 m，平均4 173 m；東坡3 619～3 950 m，平均3 778 m，西坡比東坡平均值高395m。山岳冰川因地形及形態不同，又可進一步劃分為冰斗冰川、懸冰川、山谷冰川等。本文主要根據冰川長寬比（L/W）來劃分，并分出四種冰川地貌類型：冰斗冰川，冰川長寬比（L/W）小于1.47，占4%；冰舌冰川，冰川長寬比（L/W）大于1.47且小于3，占43%；山谷冰川，冰川長寬比（L/W）大于3，占23%；還有一種不好進行形態歸類的“坡面冰川”［4］，占30%。

圖4 川西高原折多山LGM時的冰川范圍（藍色陰影覆蓋區）重建Fig.4 The glacial extent in LGM（light blue shadowed zones）of the Zheduoshan Mountains in Western Sichuan Province，SW China

關于“坡面冰川”，其積累區沒有形成明顯冰斗，ELA之下也沒有形成冰川槽谷，整個冰川在山坡上流動，其侵蝕方式也是以面狀冰蝕為主，無側磧壟發育，終磧壟不規則地分布在坡底［圖2（c）］。冰斗冰川、冰舌冰川、山谷冰川等都發育在山谷中，山坡冰川發育在面狀山坡上。

3 討論

3.1 冰川地貌特征

折多山地形切割程度和溝谷延伸方向受地質構造（鮮水河斷裂）控制［1］，主山脊線沿320°～330°NW（140°～150°SE）延伸。以主山脊將折多山分為東西坡。東坡以25°以上陡坡為主，溝谷切割深，高差變化大；西坡以5°～15°的斜坡為主，地勢較為平緩。東坡的溝谷（冰川谷）多數沿50°～60°NE延伸，西坡為220°～230°SW。受區域構造和氣候控制，研究區冰川地貌在分水嶺東、西兩側存在差別，主要體現在以下方面：

古冰川平衡線：按THAR=0.4測算，研究區古冰川ELA平均高度4 250 m，東坡4 110 m，西坡4 380 m，相差270 m。古冰蝕湖：區內共有140余個古冰蝕湖分布在海拔4 180～4 570 m之間，總平均4 390 m；西坡平均4 470 m，東坡4 260 m，相差210 m。古冰川末端高度：西坡在3 900 m以上，東坡在3 600 m以上，西坡比東坡高約400 m。冰川作用正差：即山峰山脊高出ELA的值，反映積累區垂直幅度，影響冰川類型。在研究區，由于最高峰雅拉雪山（5 884 m）的存在，東坡冰川作用正差比西坡要大得多，最大達1 580 m，眾值（峰值）位于500～600 m，占35%，少量不足100 m。西坡冰川作用正差最大1 300 m，中值位于200～300 m，占35%。

冰川地貌類型：冰斗冰川（4%）、冰舌冰川（43%）、山谷冰川（23%）和“坡面冰川”（30%），可見主要類型是冰舌冰川，冰川規模不大。冰川規模：東坡最長雅拉冰川12 km，西坡最長江巴溝冰川9 km。

山峰高度As、冰川平衡線高度（ELA）、冰川末端高度（At）是三個反映冰川規模、決定冰川地貌類型的重要指標。表3為研究區與青藏高原東部邊緣幾個典型山地冰川的As、ELA和At對比。

表3反映出，ELA之上的山體高度，即冰川作用正差（As-ELA）決定冰川規模和地貌類型。末次冰期冰川作用正差大于1 500 m，形成大型山谷冰川，例如貢嘎山；冰川作用正差在1 000～1 500 m，形成中型山谷冰川，例如玉龍雪山、雪寶頂；冰川作用正差在1 000～500 m，形成小型山谷冰川和冰舌冰川，例如小相嶺、螺髻山；冰川作用正差在500 m以下的，形成冰舌冰川和冰斗冰川，例如點蒼山、拱王山、九頂山。

表3 青藏高原東部邊緣山地冰川地貌特征值對比［2-5，13，15-18，20-23，26-27，44-48］（單位：m）Table 3 Comparison of geomorphological characteristics of glacial landforms in the eastern margin of Qinghai-Tibet Plateau［2-5，13，15-18，20-23，26-27，44-48］（unit：m）

3.2 古冰川地貌的氣候指示意義

青藏高原東南部的降水由來自印度洋（孟加拉灣）、西太平洋（南中國海）及西風環流的水汽提供，氣候上屬于東亞季風區［50］。已有氣象觀測和模擬試驗揭示，高原周邊存在異常降水中心，其非均勻水汽輸送分布與高原小尺度“山谷群”地形效應存在顯著相關；這種特殊的大氣-地形耦合作用使氣流受地形動力強迫抬升作用和局地動力擾動，形成“迎風坡”和“喇叭口”效應，例如雅安“天漏”［51-53］。這種大氣-地形耦合效應對青藏高原周邊冰川發育提供了有利條件。就研究區而言，西太平洋暖濕季風在向西移動到高原東側時因地形抬升導致溫度降低形成降水，為山區尤其迎風坡方向的冰川發育帶來充分水量。

對比青藏高原東部點蒼山、拱王山、螺髻山、小相嶺、貢嘎山、折多山、四姑娘山、九頂山、雪寶頂等（表4），其第四紀冰川地貌，其冰川地貌規模和類型的差異性都與地形-降水效應相關［4，35］。這種冰川發育的地形效應在青藏高原及周邊山地是普遍存在的，例如，喜馬拉雅山脈珠峰南坡的孔布冰川（Khumbu Glacier），天山山脈托木爾峰（Jengish Chokusu，7 433 m）-汗騰格里峰（Khan Tengri）西坡的南伊內里切克冰川（South Inylchek Glacier），喀喇昆侖山脈塔吉克境內的費琴科冰川（Fedchenko Gla?cier）、喬格里峰（K2）兩側的錫亞琴冰川（Siachen Glacier）和比阿佛冰川（Biafo Glacier）等等。

表4 貢嘎山和玉龍雪山冰川末端和平衡線位置溫度降水［4，51-54］Table 4 Temperature and precipitation at glacier terminal and ELA in Mt.Gongga and Mt.Yulong［4，51-54］

冰川發育區遺留著遭受強烈冰蝕的基巖地面，如康定機場東側“坡面冰川”范圍遺留的大片冰蝕面和羊背石等。140余個冰蝕湖分布在海拔4 200 m以上，構成高原周邊冰蝕湖密度最大發生地，揭示折多山古冰川發育時存在較強的底部滑動、磨蝕，反映冰川收入多，支出也多，活動性強，侵蝕地形發育，雨水充沛，氣溫也較高，屬于海洋性冰川氣候類型，或者溫冰川［50，54］。

4 結論

通過野外考察、遙感影像數據、《中國第二次冰川編目》數據，應用ArcGIS工具，對折多山冰川地貌及其特征參數進行了識別、提取和計算?；谘芯繀^已有年代學資料，本區冰川地貌主要為末次冰盛期（LGM）以來冰川作用遺存。

研究區共識別出189條古冰川，面積497 km2，主要地貌類型有冰斗冰川、冰舌冰川和山谷冰川。研究區冰川最大范圍時，ELA西坡為4 380 m、東坡為4 110 m，相差270 m，揭示出分水嶺東側的冰川發育具有較有利的水熱條件，來自東南方向的水汽沿著大河谷溯源上到東坡高山段形成較多降水；氣流翻過分水嶺到西坡已失掉大量水分，降水相對少，不利于冰川發育。冰川末端高度東坡低西坡高同樣揭示上述水熱氣候特征。冰川發育區遺留著遭受強烈冰蝕的基巖地面，以及眾多的冰蝕湖、羊背石、深切的冰川槽谷（U形谷）等揭示其海洋性冰川屬性。

青藏高原及其周邊山地大規模冰川發育中心，高峻的山脈普遍存在較大的冰川作用正差、山谷朝向水汽來向、圍椅狀積累區地形，成為發育大型冰川的有利條件。折多冰川地貌揭示積累區地形條件和水汽來源對研究區冰川發育具有重要的影響。