地表上長期存在並能自行運動的天然冰體。由大氣固體降水經多年積累而成,是地表重要的淡水資源。“冰川”一詞來自拉丁文 glacies(意為冰)。《世界冰川目錄資料編輯指南》把冰川面積超過0.1平方公裡者作為統計對象。以平衡線(又稱雪線)為界把冰川分為兩部分,上部為粒雪盆(又稱積累區),下部為冰舌區(又稱消融區),它們構成一個完整的冰川系統。

  認識史 中國很早就有冰雪現象的記述。唐朝朝玄奘師徒把天山木札爾特冰川描寫為“冰雪所聚,積而為凌,春夏不解……”。但是現代冰川的研究始於歐洲阿爾卑斯山。19世紀30、40年代J.L.R.阿加西建立世界上第一個冰川研究站,系統研究瞭阿爾卑斯山的冰川,為冰川學的建立奠定瞭基礎。1911年J.P.科赫和A.L.韋格納開創瞭對大陸冰蓋的研究。20世紀50年代以來幾次大規模的國際合作計劃,70年代以來氧同位素、雷達測量、衛星遙感和遙測技術的應用,都有效地促進瞭對冰川的認識和研究。

  分佈 冰川自兩極到赤道帶的高山都有分佈,總面積約達16227500平方公裡(表1),即覆蓋瞭地球陸地面積的11%,約占地球上淡水總量的69%。現代冰川面積的97%、冰量的99%為南極大陸和格陵蘭兩大冰蓋所占有,特別是南極大陸冰蓋面積達到1398萬平方公裡(包括冰架),最大冰厚度超過4000米,冰從冰蓋中央向四周流動,最後流到海洋中崩解。極地以外不同緯度的山地,其高度在當地雪線以上者,發育山嶽冰川。其中,世界中、低緯山嶽冰川以亞洲中部山地最發達,特別是喀喇昆侖山系有37%的山地面積為冰川覆蓋,長度超過50公裡的有6條。中國境內的冰川主要集中於喜馬拉雅山、昆侖山、喀喇昆侖山、念青唐古拉山、橫斷山、祁連山、天山和阿爾泰山等山區,據1987年統計,冰川面積約為58700平方公裡(表2),占亞洲冰川面積的一半以上。歐洲阿爾卑斯山的冰川面積不算多,但在山嶽冰川研究發展史中占有重要地位。

表1 世界冰川數量與分佈

表2 中國冰川的數量與分佈

  形成 冰川是由多年積累起來的大氣固體降水在重力作用下,經過一系列變質成冰過程形成的,主要經歷粒雪化和冰川冰兩個階段。它不同於冬季河湖凍結的水凍冰,構成冰川的主要物質是冰川冰。

  粒雪化 新降的雪花形態萬千,但基本上是六角狀雪片和柱狀雪晶。其直徑一般為0.5~2.0毫米,在緩降過程中如能互相粘合而成鵝毛大雪,直徑可達5毫米。新雪密度一般僅0.01~0.1g/cm3,最大可達0.3g/cm3,孔隙度則達67~99%。新雪降落到地面後,經過一個消融季節未融化的雪叫粒雪。新雪的水分子從雪片的尖端和邊緣向凹處遷移,使晶體變圓的過程叫粒雪化。在這個過程中,雪逐步密實,經融化、再凍結、碰撞、壓實,使晶體合並,數量減少而體積增大,冰晶間的孔隙減少,發展成頸狀連接,稱為密實化。粒雪化和密實化過程在接近融點的溫度下,進行很快;在負低溫下,進行緩慢。

  冰川冰 當粒雪密度達到0.5~0.6g/cm3時,粒雪化過程變得緩慢。在自重的作用下,粒雪進一步密實或由融水滲浸再凍結,晶粒改變其大小和形態,出現定向增長。當其密度達到0.84g/cm3時,晶粒間失去透氣性和透水性,便成為冰川冰。粒雪轉化成冰川冰的時間從數年至數千年。冰川冰含氣泡較多時,呈乳白色,稱為粒雪冰。粒雪冰進一步受壓,氣泡亦被壓縮,就出現淺藍色的冰川冰。冰川冰是大而形態不規則的多晶集合體。山嶽冰川冰的密度很少超過0.9g/cm3,極地冰蓋深處的冰密度接近純冰(0.917g/cm3),冰晶內部是非常純凈的。在冰川運動過程中,冰晶粒徑可增大到100cm以上。冰晶有層狀構造,可以像一疊卡片那樣錯動變形,晶體變形速度與溫度高低有密切關系,這對於冰的力學、熱學和電學性質都很重要。

  類型 按照冰川的規模和形態,冰川分為大陸冰蓋(簡稱冰蓋)和山嶽冰川(又稱山地冰川或高山冰川)。大陸冰蓋全球隻有兩個,即南極冰蓋和格陵蘭冰蓋,它們形態單一,但卻占全球冰川總體積的99%。山嶽冰川主要分佈在地球的高緯和中緯山地區,低緯高山區數量較少。其類型多樣,主要有以下幾種(見圖):①懸冰川。高懸在山脊或山坡上的一種小型冰川,無明顯的粒雪盆或冰舌區,是山嶽冰川中數量最多而體積最小的冰川。

中國山嶽冰川主要形態類型圖

  ②冰鬥冰川。發育在溝腦或山脊側旁的圍椅狀粒雪盆中的小型冰川,底部下凹,後壁陡峻,沒有或僅有很短的冰舌。(見彩圖)③山谷冰川。山嶽冰川中發育最成熟的冰川,又稱谷冰川。以雪線為界,有從粒雪盆流出或山坡雪崩補給形成的長大冰舌。長數公裡至數十公裡,基本上反映瞭山嶽冰川的全部特征,是山嶽冰川研究的主要對象。世界上最長的山谷冰川是阿拉斯加的哈伯德冰川,長150公裡。完全在中國境內的最長的谷冰川是喀喇昆侖山北坡的音蘇蓋提冰川,長42.0公裡。山谷冰川按照冰流條數分為單式山谷冰川、復式山谷冰川;按形態分為樹枝狀山谷冰川、網狀山谷冰川、溢出山谷冰川、寬尾山谷冰川和山麓冰川等。

西藏絨佈冰川冰蘑菇(中國)

   

  ④平頂冰川。發育在雪線以上具有平坦山頂面上的冰川,形如薄餅,冰面平整潔凈,缺少表磧,邊緣時有小冰舌。如果冰川規模很大,以致覆蓋整個山頂或山區的大部分,則為冰帽。前者如中國新疆西南部的慕士塔格山冰帽,後者如中國南極長城站所在喬治王島上的冰帽。(見彩圖)

中國南極長城站,位於喬治王島南端

  還有一些介於上述類型之間的過渡形態的山嶽冰川,如冰鬥-懸冰川、冰鬥-山谷冰川等。如果陡峻山崖上部冰雪懸空崩落到谷底再堆積可形成再生冰川,這種特殊形態的冰川末端往往比常態冰川的位置低。在某些火山口內也可以形成火山口冰川。

  按照冰川的物理性質(如溫度狀況等)分為:①極地冰川,整個冰層全年溫度均低於融點;②亞極地冰川,表面可以在夏季融化外,冰層大部分低於融點;③溫冰川,除表層冬季凍結外,整個冰層處於壓力融點。極地冰川和亞極地冰川又合稱冷冰川,多分佈南極和格陵蘭。溫冰川主要發育在歐洲的阿爾卑斯山、斯堪的納維亞半島、冰島,阿拉斯加(見彩圖)和新西蘭等降水豐富的海洋性氣候地區。

阿拉斯加冰川(美國)

  在中國,通常按冰川發育區的氣候條件分為:①海洋性(型)冰川,主要分佈在降水豐富、氣溫較暖的山區,性質屬溫冰川,冰溫處於壓力融點,西藏東南部山地是中國最主要的海洋性(型)冰川區。②大陸性(型)冰川,發育在降水少的大陸性氣候條件下,夏季涼爽而有強烈的輻射,冰川上層溫度恒為負溫,而下層可能是負溫,也可能達到壓力融點。分佈較廣泛,從喜馬拉雅山(東段除外)北坡至阿爾泰山廣大地區。③復合性(型)冰川,兼有多種溫度類型,如上段冰層是處於負溫的冷冰川,而下段可能轉為處於壓力融點的溫冰川。喀喇昆侖山、天山等若幹長達數十公裡,從源頭到末端高差三、四千米以上的大冰川多屬於復合性冰川。

  冰川作用 除瞭冰體內部的力學、熱學相互作用外,冰川作用還表現在它對地表的塑造過程,即冰川的侵蝕、搬運與堆積作用。(見冰川地質作用)

  與自然環境和人類活動的關系 ①冰川作為地球水圈的一部分參予瞭全球性的水分循環,對全球的氣候也有影響。兩極冰蓋的存在使極地成為地球上兩個主要的冷源,在其上空形成瞭極地氣團,冰蓋的擴展或退縮都影響著極地氣團的強弱和大氣環流的形勢。南極大陸冰蓋的降水補給較少,估計整個南極大陸每年可積累2200立方公裡的冰量,南極冰蓋每年崩解入海成為冰山或浮冰塊,冰量達1200~2200立方公裡。顯然,冰蓋的擴大或縮小,影響參予全球水分循環水量的大小,改變著水量平衡要素之間的關系。降落到山嶽冰川區的降水補給瞭冰川,一部分被蒸發,另一部分匯集冰雪融水形成徑流註入江河。冰川的存在又使高山區成為一個局部的濕冷源,在氣流交換過程中形成雲和局部降水,促進瞭地方性水分小循環作用。②冰川是重要的淡水資源。在中、低緯度幹旱區,冰川為高山淡水固體水庫。冰雪融水不僅對山區河川徑流起多年調節作用,而且更是戈壁荒漠綠洲農田灌溉的重要水源,特別是在枯水年份就更為重要。隨著人類工農業和能源的不斷擴展,對淡水資源的需要更多,有的國傢設想運移漂浮於海洋中的冰山作為開發淡水資源的一種途徑。③有的國傢在阿爾卑斯山區冰舌末端修築大壩,攔蓄冰雪融水進行發電。高山冰川區還以其風景秀麗吸引旅遊者,成為高山旅遊區。(見彩圖)

昆侖山北坡冰舌冰鬥

貢嘎山西坡冰川

  山嶽冰川也往往給人類帶來危害。如冰湖潰決,形成冰川爆發洪水,在喀喇昆侖山北坡的葉爾羌河上遊這種突發性洪水的洪峰流量可達5000~6000立方米/秒。在強烈消融季節也常發生冰川泥石流,特別在暴雨和強消融時期疊加在一起時,其爆發頻率最高,規模亦大。這些災害破壞交通、沖毀村莊、淹沒農田、阻塞江河,給下遊人民的經濟活動和生命財產造成很大損失。