四川康定折多山末次冰盛期古冰川重建及其气候意义

杨舒然，杨玮琳，韩业松，杨彦敏，李梦真，崔之久，刘耕年

（北京大学城市与环境学院地表过程分析与模拟教育部重点实验室，北京 100871）

0 引言

折多山位于青藏高原东缘的四川西部，属于横断山脉大雪山一脉，整体呈梭形，走向北西-南东，位于大渡河与雅砻江之间。折多山以西是隆起的高原，以东是高山峡谷，折多山最高峰是位于研究区北部的雅拉雪山（5 884 m），康定机场东侧的折多山最高峰4 962 m（图1）。折多山在地质构造上属于川滇块体鲜水河断裂带［1］。气候区划上，该区介于亚热带暖湿季风气候向青藏高原高寒气候区的过渡带，山地东、西两侧的气候差异明显［2］。

青藏高原东缘的高山区发育有现代冰川，属于海洋型冰川类型，如贡嘎山（7 556 m）、玉龙雪山（5 596 m）［2-6］；第四纪古冰川遗迹十分丰富，前人做了大量有关古冰川地貌特征、冰期系列划分与演化、冰川年代学、沉积学等研究，对古冰川地貌特征、主要冰期系列有了较为全面的认识［4，7-10］。前人重点研究的山地包括点苍山［11-12］、玉龙山［13-14］、螺髻山［15-17］、贡嘎山［18-20］、稻城-海子山［21-26］、四姑娘山［27］、雪宝顶［28］等。这些研究显示出青藏高原东缘高山区在第四纪发育出大量山谷冰川，其成因一方面是MIS 12、MIS 6、MIS 4和MIS 2等阶段的半球性降温事件或者MIS 3b等阶段的湿润季风气流带来的充沛降水促进了规模较大的冰川扩张；另一方面就是地貌上构造抬升造成的高海拔提供了有利的低温条件，而高原-山地、山地-盆地等过渡地带的地势差异使得季风容易在此爬升并带来雨水沉降。地势高差造成的水流下切使得部分古冰川地貌在分水岭、台地等地势相对较高的位置能够得以保存，加上冰期与间冰期的多次旋回使得古冰川扩张退缩活动交替频繁，冰川遗迹十分丰富。随着研究成果积累和认识逐步深入，对冰川地貌，如冰川槽谷［15，22］、冰斗［16］、冰蚀丘陵［17］、冰碛垄［18，20，25］等现象进行精细刻画，年代进行精准确定［19-20，24-25，28］，深刻挖掘其对气候变化过程的指示意义，已是同行的共识［29-34］。本文基于上述以分析地貌形态为基础进而推测当时气候的认识，拟对川西大雪山一脉的折多山的古冰川地貌进行恢复与重建，提取反映冰川发育的特征值，如冰川作用零平衡线（ELA），分析推测冰川发育的气候环境。研究区范围：29°54′～30°30′N，101°30′～101°54′E（图1）。

图1 研究区地理位置和地形Fig.1 Location and relief map of the study area

1 研究方法

1.1 区域年代序列

Strasky等［35］和Bai等［36］采用10Be暴露年龄法对折多山冰碛垄漂砾测年揭示了新冰期、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］］冰川冰进事件。其中，色拉哈（Selaha）以北江巴沟保存多道较为完好冰碛垄，东侧保留完整的冰碛垄末端海拔3 920 m，10Be暴露年龄18～22 ka［36］，与gLGM扩张事件同步。折多山东坡的杨家沟，冰碛垄10Be暴露年龄（18±2）ka［36］，西坡的观雪台、多日阿嘎莫的冰碛垄最大范围均应发生在冰消期之前。因此，根据现有的年代资料，折多山古冰川最大范围（local last glacial maxi⁃mum，LGM）发生在gLGM时期，与全球性冰川扩张事件同步。

1.2 地貌制图

基于3S（Global positioning systems，GPS，全球定位系统；Remote sensing，RS，遥感技术；Geogra⁃phy information systems，GIS，地理信息系统）技术，本文冰川地貌调查主要采用遥感卫星影像目视解译、野外调查验证和特征值推算相结合的方法。遥感影像资料选用30 m分辨率DEM数字高程数据。首先，根据野外考察记录，确定终碛垄、侧碛垄、冰碛丘陵等典型的冰川堆积地貌以及基岩冰坎、羊背石、冰川擦面等典型的冰蚀地貌（图2）。其中，野外考察地点主要包括康定机场西侧洛机普、南侧318国道观雪台，以及机场北面的江巴沟（图3～图4）。其次，基于Google Earth交互式平台并叠加野外考察记录的特征冰川地貌点以及Strasky等［35］和Bai等［36］的gLGM时期本区冰川地貌特征点及年代学成果，根据沉积相似性原理，运用目视解译的方法识别出形态保存较好的冰碛垄［30-32］。侵蚀地貌重点解译冰斗、槽谷以及冰川湖泊。基于30 m分辨率DEM数字高程数据，使用ArcGIS进行冰川地貌特征值提取，如分水岭、水系、ELA重建、古冰川面积、朝向、坡度等。

图2 研究区冰川地貌遗迹（位置见图4）Fig.2 Glacial landforms and deposit in the Zheduoshan Mountains（locations see Fig.4）

然而，由于寒冻风化以及流水侵蚀等后期改造作用，部分冰川作用遗迹保存较差，无法根据遥感影像确定冰川末端以及冰舌边界。因此，在本文中，我们主要依据冰川特征值推算的方法，从统计学角度计算折多山地区gLGM时期冰川能够达到的最低海拔下界［33］。冰斗末端至后壁比率法（toeto-headwall altitude ratio，THAR）是基于“ELA必定位于冰川最高点与最低点之间的某个高度处”这一基本假设，来统计确定冰川ELA的一种常用方法［38］。其中，THAR值为ELA与冰川最低点高程（At）之差与冰川最高点（Ah）和最低点高程之差的比值，如公式（1）。

THAR值常受到冰川规模、类型、表碛覆盖以及雪崩补给等因素的影响［38］。因此，我们根据现代冰川特征值计算折多山地区的THAR值，并假设折多山地区现代和末次冰盛期THAR值并未发生变化。然而，由于折多山现代冰川较少，难以统计获得现代冰川的特征值。研究表明，横断山区的冰川受纬度变化的影响小于经度变化的影响，因此，可以认为：折多山毗邻山地的气候环境与折多山基本相似［34］。贡嘎山紧邻折多山南侧，且现代冰川广泛发育。因此，我们用贡嘎山的现代冰川特征值，结合发表文章的ELA，计算出THAR值［38-42］。

从上文可知，本文恢复了冰川遗迹保存较好的12条gLGM时期的古冰川范围。因此，根据公式（1）的变形式以及THAR值，能够重建折多山地区gLGM时期ELA［见公式（2）］。最后，根据重建的gLGM时期ELA以及古冰川Ah，根据公式（2）计算出gLGM时期古冰川最低点高程（At）。从而根据等高线分布，确定冰碛垄证据保存较差的gLGM时期古冰川下界海拔。

2 结果与分析

2.1 目视解译结果

结合野外考察得到的认识，槽谷最外围的冰碛垄可代表最大古冰川作用的边界。首先，从卫星影像解译出区内冰碛垄地貌图（图3）。然后依据侧碛垄、终碛垄保存较好的冰川谷有12条，恢复出他们的分布范围。解译的这12条冰川地貌将成为恢复全区冰川分布范围、计算冰川特征值的重要依据。折多山发育众多湖泊，主要类型为冰川湖。冰蚀基岩洼地成因的冰蚀湖最多，其次是冰碛堰塞湖（图3）。据卫星影像解译统计，康定市-康定机场之间的山区共有冰川湖68个，分布在海拔4 180～4 570 m之间，总平均4 390 m；西坡平均4 470 m，东坡4 260 m，相差210 m。整个研究区一共有冰川湖140余个。区内还有几个断层湖，最大的是木格措（图1）。

图3 折多山多日阿嘎莫-江巴沟一带代表性冰川地貌（位置参见图1江巴沟）Fig.3 Representative glacial landforms in Duoriagamo and Jiangbagou，Zheduoshan（cf.Jingbagou of the Fig.1）

2.2 冰川地貌特征值测算

现代冰川数据来自《中国第二次中国冰川编目》［43］，地形分析提取自从中国科学院计算机网络信息中心地理空间数据云平台（http：//www.gs⁃cloud.cn）下载的30 m分辨率DEM数字高程数据，地理信息分析使用ArcGIS。

根据前人研究和第二次冰川编目数据，获得贡嘎山现代冰川ELA和THAR值［8，33，40］，按“将今论古”的思路，可将贡嘎山现代冰川的THAR值用于古冰川ELA计算，并用于地理位置毗邻的折多山古冰川重建。根据折多山冰川地貌保存较好的12条沟，恢复出这12条冰川的范围，求出分水岭高度、冰川末端高度，根据之前算出的THAR值重建出这12条冰川的ELA，其平均值代表冰川发育时研究区的ELA。用已知ELA、THAR值，以及从Google Earth提取冰斗后壁高度，推算冰碛垄保存不好的那些冰川的末端海拔高度，以完成这些冰川范围的恢复。

2.2.1 贡嘎山现代冰川ELA和THAR

根据中国第二次冰川编目数据和DEM数据，提取出贡嘎山东、西坡各16条和22条冰川的分水岭高度和末端高度。根据前人研究，贡嘎山现代冰川平衡线高度东坡低于西坡：东坡一般在4 800～5 000 m，西坡在5 000～5 200 m［44-45］，为便于计算，取平均值，即东坡4 900 m，西坡5 100 m。编目资料显示，东坡冰川末端平均海拔4 165 m，海螺沟冰川末端最低，到2 974 m；西坡冰川末端平均海拔4 541 m，大贡巴冰川末端最低，到3 935 m。计算得知贡嘎山THAR值主要分布在0.23～0.54，平均0.40（表1）。

表1 贡嘎山冰川地貌特征值测算统计（平均值）（单位：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测算

按毗邻山体地理相近性以及“将今论古”的地理学研究原则，假定折多山古冰川的THAR值也是0.40。首先在研究区东、西坡分别找到了六处终碛垄和侧碛垄保存较好的山谷恢复其古冰川范围，获取相关参数。然后按THAR法获得这12条古冰川的ELA（表2），东坡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测算统计平均值（单位：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：为实现全域古冰川恢复，需要对那些地貌标志（冰碛垄）不明显的谷地作古冰川末端高度At测算。

2.2.3 折多山古冰川数量、面积和地貌类型

研究区全部冰川地貌恢复依据野外考察记录（见3.1节）、卫星影像解译（见3.2节），以及冰川末端高度测算（冰碛垄保存不好的谷地）拟合（见3.3节）。共恢复出189条古冰川，其中西坡97条，东坡92条；总面积497.07 km2，其中西坡193.73 km2，东坡194.58 km2，西坡冰川面积范围0.1～18.4 km2，平均2.0 km2，东坡面积范围0.1～20.5 km2，平均2.1 km2（图4）。冰川最高点高度，西坡4 497～5 278 m，平均4 736 m，东坡4 392～5 785 m，平均4 775 m，东坡比西坡平均值高39 m；冰川末端高度，西坡3 920～4 320 m，平均4 173 m；东坡3 619～3 950 m，平均3 778 m，西坡比东坡平均值高395m。山岳冰川因地形及形态不同，又可进一步划分为冰斗冰川、悬冰川、山谷冰川等。本文主要根据冰川长宽比（L/W）来划分，并分出四种冰川地貌类型：冰斗冰川，冰川长宽比（L/W）小于1.47，占4%；冰舌冰川，冰川长宽比（L/W）大于1.47且小于3，占43%；山谷冰川，冰川长宽比（L/W）大于3，占23%；还有一种不好进行形态归类的“坡面冰川”［4］，占30%。

图4 川西高原折多山LGM时的冰川范围（蓝色阴影覆盖区）重建Fig.4 The glacial extent in LGM（light blue shadowed zones）of the Zheduoshan Mountains in Western Sichuan Province，SW China

关于“坡面冰川”，其积累区没有形成明显冰斗，ELA之下也没有形成冰川槽谷，整个冰川在山坡上流动，其侵蚀方式也是以面状冰蚀为主，无侧碛垄发育，终碛垄不规则地分布在坡底［图2（c）］。冰斗冰川、冰舌冰川、山谷冰川等都发育在山谷中，山坡冰川发育在面状山坡上。

3 讨论

3.1 冰川地貌特征

折多山地形切割程度和沟谷延伸方向受地质构造（鲜水河断裂）控制［1］，主山脊线沿320°～330°NW（140°～150°SE）延伸。以主山脊将折多山分为东西坡。东坡以25°以上陡坡为主，沟谷切割深，高差变化大；西坡以5°～15°的斜坡为主，地势较为平缓。东坡的沟谷（冰川谷）多数沿50°～60°NE延伸，西坡为220°～230°SW。受区域构造和气候控制，研究区冰川地貌在分水岭东、西两侧存在差别，主要体现在以下方面：

古冰川平衡线：按THAR=0.4测算，研究区古冰川ELA平均高度4 250 m，东坡4 110 m，西坡4 380 m，相差270 m。古冰蚀湖：区内共有140余个古冰蚀湖分布在海拔4 180～4 570 m之间，总平均4 390 m；西坡平均4 470 m，东坡4 260 m，相差210 m。古冰川末端高度：西坡在3 900 m以上，东坡在3 600 m以上，西坡比东坡高约400 m。冰川作用正差：即山峰山脊高出ELA的值，反映积累区垂直幅度，影响冰川类型。在研究区，由于最高峰雅拉雪山（5 884 m）的存在，东坡冰川作用正差比西坡要大得多，最大达1 580 m，众值（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%。

冰川地貌类型：冰斗冰川（4%）、冰舌冰川（43%）、山谷冰川（23%）和“坡面冰川”（30%），可见主要类型是冰舌冰川，冰川规模不大。冰川规模：东坡最长雅拉冰川12 km，西坡最长江巴沟冰川9 km。

山峰高度As、冰川平衡线高度（ELA）、冰川末端高度（At）是三个反映冰川规模、决定冰川地貌类型的重要指标。表3为研究区与青藏高原东部边缘几个典型山地冰川的As、ELA和At对比。

表3反映出，ELA之上的山体高度，即冰川作用正差（As-ELA）决定冰川规模和地貌类型。末次冰期冰川作用正差大于1 500 m，形成大型山谷冰川，例如贡嘎山；冰川作用正差在1 000～1 500 m，形成中型山谷冰川，例如玉龙雪山、雪宝顶；冰川作用正差在1 000～500 m，形成小型山谷冰川和冰舌冰川，例如小相岭、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，例如点苍山、拱王山、九顶山。

表3 青藏高原东部边缘山地冰川地貌特征值对比［2-5，13，15-18，20-23，26-27，44-48］（单位：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 古冰川地貌的气候指示意义

青藏高原东南部的降水由来自印度洋（孟加拉湾）、西太平洋（南中国海）及西风环流的水汽提供，气候上属于东亚季风区［50］。已有气象观测和模拟试验揭示，高原周边存在异常降水中心，其非均匀水汽输送分布与高原小尺度“山谷群”地形效应存在显著相关；这种特殊的大气-地形耦合作用使气流受地形动力强迫抬升作用和局地动力扰动，形成“迎风坡”和“喇叭口”效应，例如雅安“天漏”［51-53］。这种大气-地形耦合效应对青藏高原周边冰川发育提供了有利条件。就研究区而言，西太平洋暖湿季风在向西移动到高原东侧时因地形抬升导致温度降低形成降水，为山区尤其迎风坡方向的冰川发育带来充分水量。

对比青藏高原东部点苍山、拱王山、螺髻山、小相岭、贡嘎山、折多山、四姑娘山、九顶山、雪宝顶等（表4），其第四纪冰川地貌，其冰川地貌规模和类型的差异性都与地形-降水效应相关［4，35］。这种冰川发育的地形效应在青藏高原及周边山地是普遍存在的，例如，喜马拉雅山脉珠峰南坡的孔布冰川（Khumbu Glacier），天山山脉托木尔峰（Jengish Chokusu，7 433 m）-汗腾格里峰（Khan Tengri）西坡的南伊内里切克冰川（South Inylchek Glacier），喀喇昆仑山脉塔吉克境内的费琴科冰川（Fedchenko Gla⁃cier）、乔格里峰（K2）两侧的锡亚琴冰川（Siachen Glacier）和比阿佛冰川（Biafo Glacier）等等。

表4 贡嘎山和玉龙雪山冰川末端和平衡线位置温度降水［4，51-54］Table 4 Temperature and precipitation at glacier terminal and ELA in Mt.Gongga and Mt.Yulong［4，51-54］

冰川发育区遗留着遭受强烈冰蚀的基岩地面，如康定机场东侧“坡面冰川”范围遗留的大片冰蚀面和羊背石等。140余个冰蚀湖分布在海拔4 200 m以上，构成高原周边冰蚀湖密度最大发生地，揭示折多山古冰川发育时存在较强的底部滑动、磨蚀，反映冰川收入多，支出也多，活动性强，侵蚀地形发育，雨水充沛，气温也较高，属于海洋性冰川气候类型，或者温冰川［50，54］。

4 结论

通过野外考察、遥感影像数据、《中国第二次冰川编目》数据，应用ArcGIS工具，对折多山冰川地貌及其特征参数进行了识别、提取和计算。基于研究区已有年代学资料，本区冰川地貌主要为末次冰盛期（LGM）以来冰川作用遗存。

研究区共识别出189条古冰川，面积497 km2，主要地貌类型有冰斗冰川、冰舌冰川和山谷冰川。研究区冰川最大范围时，ELA西坡为4 380 m、东坡为4 110 m，相差270 m，揭示出分水岭东侧的冰川发育具有较有利的水热条件，来自东南方向的水汽沿着大河谷溯源上到东坡高山段形成较多降水；气流翻过分水岭到西坡已失掉大量水分，降水相对少，不利于冰川发育。冰川末端高度东坡低西坡高同样揭示上述水热气候特征。冰川发育区遗留着遭受强烈冰蚀的基岩地面，以及众多的冰蚀湖、羊背石、深切的冰川槽谷（U形谷）等揭示其海洋性冰川属性。

青藏高原及其周边山地大规模冰川发育中心，高峻的山脉普遍存在较大的冰川作用正差、山谷朝向水汽来向、围椅状积累区地形，成为发育大型冰川的有利条件。折多冰川地貌揭示积累区地形条件和水汽来源对研究区冰川发育具有重要的影响。