稻城古冰帽第四纪冰川地貌数字化研究

崔海涛， 郑超刚， 张志刚，2，3， 张 宏， 郭 飞， 李奕曼， 王 建

（1. 南京师范大学 地理科学学院，江苏 南京 210023； 2. 南京师范大学 虚拟地理环境教育部重点实验室，江苏 南京 210023；3. 江苏省地理信息资源开发与利用协同创新中心，江苏 南京 210023）

0 引言

青藏高原作为世界上海拔最高，我国面积最大的高原，是除南北极以外发育现代冰川最大的区域，也是我国保留第四纪冰川遗迹最丰富的区域［1］。由于所处的地理位置比较特殊，在亚洲甚至全球气候变化中有着重要影响［2-4］。第四纪冰川遗迹详细记录了古冰川变化情况，是了解第四纪环境演化的重要载体［1］，对古冰川遗迹的空间分布及定量化研究，有助于认识冰期规模大小、恢复第四纪冰川演化史、了解古环境变化等［5-6］。

第四纪冰川地貌制图作为记录古冰川遗迹空间分布特征的重要载体［7］，其发展可分为定性研究和定量研究两个阶段。20 世纪50 年代到20 世纪末，是第四纪冰川地貌制图定性研究阶段，随着前苏联学者马尔科夫总结了地貌制图的方法、形式，一些学者在青藏高原的不同区域制成了不同比例尺大小的冰川地貌图［8-11］。21 世纪以来，随着遥感监测和无人机航拍在地貌学上的成熟运用，第四纪冰川地貌制图从定性研究向定量研究转变［12-16］。当前，已有学者对青藏高原地区的一些区域（青藏高原东北部巴颜喀拉山、青藏高原中部、青藏高原东南部沙鲁里山、青藏高原东北部达里加山、念青唐古拉山中部）进行数字化冰川地貌制图［17-22］，但是多数研究属于半定量化，同时缺乏单个冰川地貌类型进行专题制图。

位于青藏高原东南缘理塘县和稻城县之间的稻城古冰帽，第四纪时曾数次发育冰帽并保存了大量的古冰川遗迹，是开展综合冰川地貌研究的理想区域。20世纪60年代起，一些学者陆续对该区的第四纪冰川遗迹分布进行研究［23］，姚檀栋等［24］根据岩盆、槽谷地貌分布特征，恢复了古冰帽范围；李吉均等［25］简要画出了冰碛物、槽谷的地理位置以及三次冰期的作用范围；郑本兴等［26］制作了冰川槽谷、冰蚀盆地分布图，划分了古冰帽侵蚀、堆积带；Fu 等［19，27］在稻城古冰帽识别了冰碛垄、冰川谷等五种冰川地貌类型，描述了冰川地貌分布特征并建立了详细的古冰川地貌图。此外，部分学者基于冰川地貌年代学重建了该区第四纪冰川序列［28-36］。

目前，稻城古冰帽区第四纪冰川地貌数字化研究有待于进一步细化，冰川地貌类型专题图有待补充完善。本文采用目视解译和野外考察相结合的方法对该区冰川地貌进行识别和定量化研究，从而为该区古冰川遗迹在空间分布及数量获得直观上的认识，为第四纪冰期规模估算、古气候重建提供基础数据，也为当地的旅游和资源调查提供一定的参考。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

稻城古冰帽位于青藏高原东南缘（29°02′～30°08′ N，99°48′～100°50′ E）（图1），坐落于横断山脉中沙鲁里山中部高原区。介于德格—乡城断裂带和甘孜—理塘断裂带之间，出露岩性以印支期花岗岩为主。研究区北部与毛垭坝盆地和理塘盆地相邻，东部与无量河断裂带和甲洼—康嘎盆地相接，南部以稻城河断裂带为界，西部与稻城河谷和希曲毗邻［26，29-30，37］。稻城古冰帽主体部分是由甘孜州南部稻城县和理塘县之间的海子山夷平面及其残丘组成［30］，长约135 km，呈西北—东南走向（NWSE），面积达3 600 km2，平均海拔在4 500 m左右。

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

目前整个稻城古冰帽区已无现代冰川，第四纪时该区曾多次发育冰帽并保留了包括冰川槽谷、冰蚀盆地、古冰斗、冰碛垄、羊背岩等在内的各种冰川侵蚀堆积地貌［24-25］。根据冰川地貌空间分布特征，稻城古冰帽被划分为冰帽中心微弱侵蚀和堆积带、中等侵蚀和堆积带、强烈侵蚀和冰蚀槽谷带以及古冰帽边缘强烈堆积带［26］（图2），记录了冰川作用的整个过程。

图2 稻城古冰帽冰川地貌特征图（据郑本兴等［26］改绘）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

本文遥感影像数据来源于Google Earth Pro 在线地图，数字高程模型（DEM）数据来源于SRTMDEM 12.5 m，下载网址：ftp：//ftp.glcf.umiacs.umd.edu/glcf/SRTM/Degree Tiles/。

采用目视解译和野外考察相结合的方法识别稻城古冰帽第四纪冰川地貌类型，根据解译人的专业知识和经验，对遥感影像进行判读与分析，通过影像上物体的形状、位置、色调等特征，识别影像上目标物体及获取分布特征信息并对部分冰川地貌进行现场验证。首先，在稻城古冰帽区多次野外考察的基础上，并结合多位学者在此研究古冰川地貌的成果，初步认识该研究区第四纪冰川侵蚀堆积地貌类型，深刻了解该区冰川湖、冰川谷、羊背岩、冰碛垄四种冰川地貌成因、形态特征、不同地貌之间的联系及可能形成的区域位置（表1），这为接下来目视解译奠定了基础。其次，根据该区冰川地貌特征（图3）并参考其他学者识别冰川地貌的方法及原理［17-19］，对Google Earth Pro 在线影像图进行仔细判读，获取该区第四纪冰川地貌类型及空间分布。再次，通过野外考察对目视解译结果进一步验证。最后，对识别的冰川地貌进行分类，导出KML 格式文件（. kml）并依次加载到ArcGIS 10.5 中。另外，依据冰川地貌类型所属规范色彩进行上色处理，区分不同冰川地貌类型，并选取WGS 1984 UTM Zone 47N 坐标进行投影处理，在属性表中计算不同冰川地貌的面积、数量等指标数据，基于该区数字高程模型制成对应的冰川地貌专题图。

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

图3 稻城古冰帽区冰川地貌影像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 结果与分析

2.1 冰川湖

冰川湖常见有冰蚀湖、冰碛湖，因稻城古冰帽范围较大，且历经多次冰川作用，湖泊成因难以严格区分，故本文统称冰川湖。在稻城古冰帽区，共识别1 096 个冰川湖，面积约60 km2，占古冰帽1.7%，平均密度达0.3个.km-2。主要分布在海子山夷平面上（图4）。冰川湖按面积大小分为6个等级，其中面积小于0.01 km2的冰川湖占冰川湖总量的46.08%，面积在0.02 km2以上的冰川湖占冰川湖总量的34.21%，0.01～0.02 km2之间的冰川湖占总量的19.71%（表2）。

表2 冰川湖面积、数量统计Table 2 Statistics on the area and quantity of glacial lakes

图4 稻城古冰帽区冰川湖泊分布图与实景图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，古冰帽区最大的冰川湖——兴伊措，由夷平面上的两列冰碛垄堵住出口而形成，面积达6.1 km2，湖深3～4 m，最深处可达10 m，是稻城河的主要源头，分布在海子山中部，受气候变暖影响，冰川湖面积缩小（图4）。

2.2 冰川谷

稻城古冰帽区的古冰斗因后期长时间受到外动力作用影响，而且该区曾多次冰帽发育，致使形成的冰斗形态特征不明显，因此，我们把冰川槽谷（“U”形谷）和冰斗统称为冰川谷进行地貌识别。

关于研究区的冰川谷地貌，共识别约370条，约1 166 km2，占古冰帽区32.4%。分布上，主要存在于古冰帽区边缘地带，其中，南部和北部的山地冰川谷发育显著，而中部地区发育较少（图5）。

图5 稻城古冰帽区冰川谷地分布图、实景图及冰川谷剖面图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 羊背岩

羊背岩，是经历冰川侵蚀作用后形成于地面上的石质小丘。形态特征表现为：顶部浑圆，形似羊背，具有卵形的基部，羊背岩具有迎冰坡缓、背冰坡陡的特点，这是由于迎冰坡以磨蚀作用为主，导致坡面比较平缓光滑；背冰坡以挖蚀作用为主，导致坡面比较陡峻粗糙（破碎）。对海子山夷平面考察时，发现数个羊背岩，它们占地面积较大，海拔较高。而且羊背岩长轴延伸方向（从坡缓处向坡陡处）与冰川运动方向一致，故羊背岩可作为指示冰川运动方向的标志物（图6）。

图6 稻城古冰帽区羊背岩分布图与实景图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）

依据野外考察经验和羊背岩形态特征，在研究区共识别41 个羊背岩，面积约14 km2，占古冰帽面积0.4%。其中，最大羊背岩面积达到1.07 km2，但面积在0.2～0.4 km2的数量最多，占比高达51.22%，面积达0.6 km2以上的数量较少（表3）。从分布上看，羊背岩主要形成于古冰帽中心地区，主体部分集中在海子山夷平面向南部山地的过渡区域，多数分布在S217公路北侧。

表3 羊背岩面积、数量统计Table 3 Statistics on the area and quantity of roche moutonnees

2.4 冰碛垄

冰碛垄是在冰川消融过程中，由冰川搬运的物质堆积而成的垄状地形，是典型的第四纪冰川遗迹。本研究区保留了大量冰碛垄地貌，以终碛垄和侧碛垄为主，终碛垄是指在冰川末端由冰碛堆积形成的弧形垄状地形，侧碛垄是指在冰川两侧边缘形成的垄状地形。

曾有多位学者在稻城古冰帽不同区域的冰碛垄上采集漂砾、冰碛碎屑等暴露测年样品（图7），不仅为冰碛垄的识别提供了地理位置信息，而且进一步验证了冰碛垄识别的精确性。此外，依据在Google Earth Pro 数据中预设采样点位置与实际野外采集暴露测年样品时用GPS 定点位置信息相吻合，表明制图精度较高。在该区，共识别约1 268 列冰碛垄，但受后期冰川、流水、风化等侵蚀作用影响，一些冰碛垄遭受破坏，形态特征不再显著甚至消亡。地形上，冰碛垄主要保留在海子山夷平面、山麓地带和槽谷末端；空间上，呈现南多北少，其中夷平面上有3 组清晰可见的冰碛垄发育，表面分布大量排列有序的冰川漂砾。其余则分布在南北两端的冰川谷边缘地带，以库照日冰碛垄序列最多，形态特征最为典型，是重建青藏高原第四纪冰期序列的重要区域（图8）。

图7 稻城古冰帽区冰碛垄上采样点及对应冰期分布图Fig. 7 Distribution map of sampling sites and corresponding glacial stage on moraine of the paleo-Daocheng ice cap area

图8 稻城古冰帽区冰碛垄分布图与实景图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图

在稻城古冰帽区已识别冰川湖、冰川谷、羊背岩、冰碛垄四种第四纪冰川地貌类型，冰川湖主要分布于冰川古道内和夷平面上；羊背岩形成于冰川侵蚀区的海子山夷平面中心区域；冰碛垄环绕冰川谷尾端发育。根据第四纪冰川地貌图可知，不同的冰川地貌类型，其形成的地域有所差异；在位置关系上，彼此之间存在一定的联系（图9）。

图9 稻城古冰帽区冰川地貌分布图Fig. 9 Distribution map of the glacial landform of the paleo-Daocheng ice cap area

3 讨论

从野外考察到影像判读，共识别1 096 个冰川湖、370 条冰川谷、41 个羊背岩和1 268 列冰碛垄。稻城古冰帽区作为研究青藏高原第四纪冰川地貌最早区域之一，姚檀栋等［24］统计稻城古冰帽区域岩盆1 145 个，平均密度0.3 个·km-2。基于冰川湖成因的野外考察研究发现，海子山夷平面上最大冰川湖——兴伊措，主要是冰川前进过程中侵蚀形成的岩盆，后期冰川后退过程中形成的冰碛垄或冰碛物堵住了岩盆出口，积水形成的冰川湖泊［26］。分布上契合了古冰帽冰川湖以海子山夷平面和冰川谷为主特点，成因上有待进一步研究，需加强对野外深入考察。

冰川谷主要分布于稻城古冰帽边缘地带，可能与海子山夷平面地势起伏小有关，第四纪冰川发育以冰帽形式覆盖整个夷平面，致使难以形成冰川谷。古冰帽边缘区，因构造断裂和流水侵蚀作用而形成地势起伏较大的地形，冰川重力作用加上地形陡峭，古冰川运动速度较快，侵蚀原有的河谷河床而形成冰川谷，其中以南北两端的山谷分布最为显著。这与其他学者描述冰流槽谷分布位置一致［24-26］。凸显了稻城古冰帽是以海子山夷平面为中心的冰帽区和以边缘区为主的山谷冰川构成。

关于羊背岩，最早由李吉均等［25］在横断山二次考察时发现，羊背岩主要形成于稻城古冰帽中心区域，其特征是迎冰面比较平缓、光滑，背冰面陡峭而破碎，部分羊背岩表面有冰碛堆积物。郑本兴等［26］同样在稻城古冰帽中心区域发现了羊背岩存在。在对稻城古冰帽区野外考察发现，羊背岩发育于海子山夷平面中心区，该区域基岩裸露而且冰川以侵蚀作用为主［26］，是塑造羊背岩的理想区。其长轴指向指示了古冰川的前进方向与实际中古冰川前进方向相同（NE-SW），间接表明了该工作的可靠性。

稻城古冰帽冰碛物主要以终碛垄和侧碛垄形式保存，是研究第四纪冰期的重要标志。李吉均等［25］在海子山夷平面上发现了多列冰碛垄，并认为它们是同一冰期作用产物，此外在库照日地区发现了具有历史意义的红色风化壳覆盖的终碛垄。郑本兴等［26］研究表明，冰碛垄主要分布于古冰帽边缘槽谷地带，特别是稻城河北侧的山麓地带冰碛垄发育显著。21 世纪以来，关于冰碛垄的研究主要集中于冰川年代学，分别在古冰帽西缘冰碛垄、海子山夷平面冰碛垄、海子山北端冰碛垄以及古冰帽东缘冰碛垄都有详细描述与记载［29-36］。Fu 等［33］研究发现，海子山夷平面上清晰分布着3道主线冰碛垄，形成于末次冰消期。其他冰碛垄主要分布在山谷山麓地带，主要是冰进作用而成，表明在第四纪冰期，海子山夷平面上发育形成冰帽。

综上所述，通过与其他学者研究结果相比，验证了本文冰川地貌数据化研究的可靠性、真实性和精确性。此外加强野外考察与影像判读之间的联系，分析不同冰川地貌之间存在的位置关系，从而提高冰川地貌数字化研究的准确性。

4 结论

以第四纪冰川遗迹丰富的稻城古冰帽为研究区，利用目视解译和现场考察相结合的方法，在Google Earth Pro 遥感影像上识别了冰川湖、冰川谷、羊背岩和冰碛垄四种冰川地貌类型并制成对应的稻城古冰帽区冰川地貌分布图。

初步统计，冰川湖约1 096 个，主要分布在海子山夷平面上；冰川谷约370条，以南北两端的山谷为主；羊背岩约41个，发育于稻城古冰帽中心区域；冰碛垄约1 268 列，主要分布在东西两侧的冰川谷尾端、山麓地带以及海子山夷平面上。

从地貌类型和分布上表明稻城古冰帽由以南部山地为主形成的山谷冰川和以海子山夷平面为主形成的冰帽构成，而且很好地指示了古冰川的前进方向和冰川性质变化，为后面的古冰川地貌特征研究提供参考。