冰川:地球的雕刻师

作者:汪婕舒 | Jieshu Wang | 本文首发《Newton科学世界·数字版》


如果你从太空中俯视我们的地球,一定会被蓝色的海洋和绿色的大陆迷住,那里栖息着丰富多彩的生命,也孕育了熙熙攘攘的城市。然而,最让你眼前一亮的,却可能是那些星星点点的白色区域——在极地、在山峦、在破碎的海岸线和那杳无人烟的大陆腹地,像明镜反射着阳光。那里是冰雪覆盖的寂静国度,是时间的馈赠,是地球冰封时代的纪念章,也是科学家心驰神往的宝库——冰川。

 

瑞士阿莱奇冰川。图/ESA

简而言之,冰川就是地球表面巨大且致密的冰体。我们知道,冬天,雪花飘落,形成蓬松的一层积雪;夏天,温度升高,冰雪随之消融。在城市里所见的冰雪,通常还未入春就已融化殆尽。但在一些寒冷地区,如果冬天的累积总是大于夏天的消融,每年都有新积雪压在上一年的积雪上,经年累月,冰雪就会越积越多。当覆盖的冰雪重量越来越大,蓬松雪片间的空气被挤出,经融化、冻结、归并便形成粒径较大的粒雪。粒雪在热力、压力的继续作用下,压紧、冻结或发生重结晶形成块状的冰川冰。时光如梭,冰川越来越厚。经过千万年的积累,有的冰川能达到令人瞠目结舌的厚度。比如说,在漫长的岁月中,南极冰盖的平均厚度已达到了2.1公里,最深的地方甚至达到了4.8公里,将所有山川河流都掩埋在下面,只留下如镜的冰原和起伏的冰丘,连最高的山峰文森峰都只能稍稍崭露头角。由于冰盖太重,下面的岩石甚至都被压沉了0.5~1公里。

如果南极冰盖全部融化,会是什么样呢?图/NASA

冰川覆盖了地球上10%的陆地。而冰川冰的99%都位于极地地区(南极、格陵兰岛和加拿大的北极地区),但冰川却并不是极地的专利。除了澳大利亚以外,在每块大陆上你都能找到冰川洁白的身影,还能在一些高纬度的岛屿上发现它们的踪迹。在北纬35°和南纬35°之间,冰川存在于喜马拉雅山脉、安第斯山脉、落基山脉,扎格罗斯山脉,以及东非、墨西哥、新几内亚的一些高山上。你可以把这些冰川看作是末次冰期的遗迹。

巴基斯坦的巴尔托洛冰川

尽管冰川看起来文文静静,但它并不是一成不变,它们能在自身重量的作用下,沿底部倾斜的基岩滑动。在一些温度稍高的地方,冰川底部与岩石之间会形成一层液态水。这层水一部分来自融化后沿冰川裂缝渗透至底部的水,还有一部分是由底部的冰在高压和摩擦下融化而成。总之,这层液态水就像润滑液一样,让冰川滑动得更加顺畅,有的冰川甚至一天能移动30米。此外,当冰川厚度超过50米时,50米以下的部分会因巨大的压力而发生塑性流动。冰川就这样从山巅流向谷底、平原和大海,伴随着这个过程,它也摧枯拉朽般雕刻着沿途的地形。

可是,你可能会问,冰和岩石比起来,简直就是鸡蛋碰石头嘛,它如何能雕刻地形呢?原来,冰川有一个秘密武器——水。我们知道,水冻结成冰之后,体积会膨胀,这是因为冰的密度比水小,所以冰块才能浮在水面上,冰箱冷冻室拿出的矿泉水瓶才会显得鼓胀。前面我们提到过,冰川底部多有一层薄薄的液态水,如果基岩存在裂缝,水就会渗进去,填满缝隙。到了夜晚,气温降低,裂缝中的水结冰,体积膨胀,裂缝被撑大。次日白天,温度升高,裂缝中的冰融化成水。由于裂缝变大了,又有更多的水渗进来。到了晚上,裂缝再次被结冰撑大。周而复始,基岩变得松动,最终一块块石头与基岩分离开来,冻结在冰川中。冰川运动时,就把这些石头“拔”起,一路挟带着往前走,所以这个过程被形象地称为“拔蚀”。除此之外,山体滑坡也会给冰川带来泥沙和碎石。这些被困在冰川里的泥沙碎石被称为“冰碛石”。

 

冰川底部的泥沙和石块

由于冰碛石从基岩而来,所以它常被冻结在冰川两侧,随着冰川在峡谷中一路前行,就像传送带一样。所以你能看见,冰川的两侧都有两条平行的深色“皱纹”,沿着边缘,蜿蜒而下。这种位于边缘的冰碛石叫做侧碛。当两条冰川交汇时,它们相邻的两条侧碛汇合在一起,出现在汇合后的冰川中部,叫做中碛。

冰川的侧碛和中碛

冰山消退后的侧碛,照片拍摄于新西兰库克山附近

在冰川运动的终点,运来的冰川冰和融化升华失去的水分达成平衡。由于冰川像传送带一样源源不断地输送来冰碛石,冰川融化处就会堆积起很多石头,称为“终碛垄”,有的终碛垄规模很大,形成了圆弧状的堤坝,也被称为终碛堤。在终碛堤之前,冰川融水有时能形成一个小湖,即终碛湖。当冰川开始消退,就会一路留下多条终碛垄,可以据此判断古冰川的规模和时间。在南极,坠落于冰川的陨石大多会被传送到终碛垄,因此科学家能在终碛垄的碎石带中发现大量的陨石。在南极发现的陨石占地球上已发现陨石总数的90%,也正是得益于这一机理。

格陵兰岛的一处冰川终碛。图/QuintinBendixen

冰川终碛

终碛湖

冰碛石,不仅是冰川侵蚀的产物,也是冰川打磨地形的“砂纸”。它们大小不一,形状多样,主要冻结在冰川与岩石接触的边缘。当它们跟随冰川移动时,就能像砂纸一样,将路过的地面磨得非常光滑,并留下摩擦的痕迹。

 

美国瑞尼尔山国家公园中的一处明显的冰川擦痕。图/Walter Siegmund

冰川经过的峡谷,边缘被打磨得异乎寻常的垂直,谷底则十分平坦,形成一个“U”字形,所以也叫“U形谷”。这种山谷雄奇壮观,让人惊叹于大自然的鬼斧神工。如果你看过电影《霍比特人》或者《魔戒》,一定对精灵居住的幽谷——瑞文戴尔(Rivendell)印象深刻。瑞文戴尔意为“深之裂谷”,是一个美不胜收的峡谷:山峦伟岸,峡壁险峻,谷地宽阔,流水潺潺,精灵宫殿依山而建,爱隆王的族人就居住在这里。实际上,托尔金对这个美丽山谷的灵感来源于瑞士少女峰西面的小镇卢达本纳,而这个小镇所在的深谷正是一个冰川U型谷。在这里,山崖垂直,谷底平坦,从山壁上还垂下70多条潺潺的小瀑布。年轻的托尔金跟随姨妈游览瑞士的名山大川时,此处的美景令他惊叹不已,深深印刻在脑海中,成为了日后名扬四海的“精灵幽谷”。千万年前,这个巨大的深谷曾全部被冰雪覆盖,想一想,是何等壮阔的景致。

 

瑞士小镇卢达本纳位于一个冰川U型谷

托尔金绘制的瑞文戴尔

在卢达本纳南边约70公里处,耸立着另一处震撼人心的奇景——马特洪峰。马特洪峰伫立在瑞士和意大利的边境,是一个有四个面的椎体,分别面向东南西北,每一个面都异常陡峭险峻,就像一把锋利的箭,直插入澄澈的天穹。如此锋利的刀尖,究竟何人雕琢而成?答案依然是:冰川。在马特洪峰,我们能看到三种典型的冰川侵蚀地貌:冰斗、刃脊和角峰。

马特洪峰

在马特洪峰的四个面上,都有一个明显的洼地,尤其在西面的山坡上,洼地下凹得很厉害,里面累积了大量的冰雪,呈斗状。顾名思义,这叫冰斗。在冰川降临之前,马特洪峰的坡度比现在缓和很多。冰雪刚开始覆盖山坡时,填满了山腰浅浅的凹地。随着冰雪越积越多,慢慢的,冰川侵蚀岩石,让洼地越来越深,同时背部的山坡越来越陡峭,最终形成一个下凹的斗状地形。等到冰川消融,有时还会形成碗状的湖泊。

 

马特洪峰西面的冰斗。图/Google Earth

 

美国阿拉斯加楚加奇山的几个相邻的冰斗

在两个相邻的冰斗之间,岩石通常被侵蚀得很薄,形成狭窄的山脊。由于它很像锋利的刀刃,所以人们把它叫做刃脊。

威尔士斯诺顿山的刃脊。这个刃脊被当地人称为“红色山脊”。图/Google Earth

冰斗继续侵蚀,数道刃脊狭路相逢,就形成了马特洪峰那样极其险峻的角峰。喜马拉雅山脉也有很多典型的角峰,如世界最高峰珠穆朗玛峰。

珠穆朗玛峰的角峰

 

马特洪峰这种类型的角峰形成的过程

当冰川消退后,它所携带的泥沙和碎石会掉落到基岩上,沉积成一个个圆乎乎的小山包,叫做冰砾阜。并不是所有的冰川消退后都会留下冰砾阜,因为很多沉积物会被冰川融水直接一股脑冲走。

美国华盛顿州哥伦比亚高原的一个冰砾阜

如果一块冰从冰川上断裂开,掩埋在沉积物下方,随着冰川消融,就会在地面上留下一个个圆形的小浅湖,叫做锅穴。在俄罗斯西北部的亚马尔半岛,就有许多这样的锅穴。从空中看去,寒冷而广袤的西伯利亚平原中,仿佛散落着一颗颗大大小小的蓝宝石。

 

亚马尔半岛的锅穴湖图/Google Earth

冰川除了能雕琢地形,还与人类的生存息息相关。冰川储存着地球上最多的淡水资源,尤其在干旱的高山地带,冰川融水是人们唯一可以仰赖的淡水来源。我国多条重要的河流都源于青藏高原的冰川融水,在夏汛中,冰川融水也占据了显著的地位。在南美洲的旱季,玻利维亚首都拉巴斯的人们几乎完全依赖于附近的冰川融水。还有一些地方,冰川水还被做成瓶装饮料售卖,打着“冰川冰”旗号的冰块也成为畅销品。2012年,智利有个人被警察抓起来,罪名是从南部的豪尔赫•蒙特冰川偷走了5吨冰川冰——他原本打算把这些冰卖给圣地亚哥的餐厅。

除此之外,冰川融水还被用于灌溉庄稼。还有很多学者认为,冰川甚至加速了人类的进化。在冰川时代,食物短缺,为了适应严酷的环境,我们的祖先艰难求生,学会了使用工具和狩猎动物,在恶劣的环境中,一步步开出了智慧之花,最后才有了今天的你和我。

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