2017年4月27日

從末期冰期至今變化, 看全球冰河地形

作者/齊士崢,高雄師範大學地理學系教授,喜歡在野外從事地形調查、研究工作。

嘉明湖是一個冰斗湖,附近可以找到很多冰河侵蝕、堆積形成的地形特徵。照片是眺望當初冰河的出口,出口處有兩道堤,外側的是岩石堤,內側是冰河消失前最後階段留下來的堆積堤。依據定年,冰河消失的時間大約在距今7000年前左右。(齊士崢攝影)
冰河之所以稱為「河」,大概是因為我們經常看到的都是像河川一樣有條長長流路的山岳冰河吧!但其實冰河冰的移動和水的流動不同,在第四紀末次冰河時期 (末次冰期),歐洲和美洲大陸北部的大陸冰河像帽子一樣覆蓋廣大的範圍,冰厚度可達數千公尺,並不像高山上的冰河有明顯的槽狀流路,而且我們現在能夠看到的冰河地形,幾乎都是第四紀冰期的冰河消融、後退以後才露出來的。所以,接下來我們就來談談第四紀冰期、冰河的形成和冰河地形,當然我們也要談談臺灣的第四紀冰河地形遺跡。

地球的最後一個時期
第四紀是地球歷史的最後一個時期,也是人類演化最重要的時期,第四紀開始於大約距今250萬年前,可以再區分為「更新世」和距今約1.2萬年到現在的「全新世」。更新世發生很多次冰期和間冰期的循環,冰期的時候氣溫下降、冰河擴大、海平面降低;間冰期的時候氣溫增高、冰河消融、後退、海平面上升。更新世最後一個冰期,稱為「末次冰期」,大約開始於距今11萬年前,結束於距今1.4萬年前。學者認為發生末次冰期的原因包括太陽輻射降低、地軸更接近於垂直黃道面、地球與太陽距離更遠和超級火山爆發,氣溫較低的夏季使冬季冰雪無法消融。一般又將末次冰期再分為前、後兩期,因為距今2萬~1.8萬年前左右的末次冰期後期,歐、美洲北部的冰河覆蓋面積最大,全球平均氣溫最低,故稱為「末次冰期最盛期」。不過東亞、南亞冰河覆蓋範圍最大的時期,大致上是在距今約5~7萬年前的末次冰期前期,學者推測是當時有較顯著的夏季季風,供應更豐沛的水氣(降雪)的緣故。

冰河的形成
在高山、高緯度地區,初降的雪非常鬆軟,比重多在0.1以下,長年積累的雪,受自己重量和氣溫的變化影響,經過擠壓變形、重新排列、再結晶、重複融凍等等過程,慢慢的轉變為比重大約0.5的粒雪,最後才變成比重大約0.9的冰。冰是固體,不會流動,而巨厚冰的移動、形成冰河,是因為冰塑性、破裂變形與滑移而造成的。

冰河最簡單的分類就是大陸冰河和山岳冰河。南極和格陵蘭是現代最大的大陸冰河,大陸冰河像帽子一樣覆蓋在地表,我們也稱它們是冰帽或冰蓋。依據學者研究,南極冰帽的平均厚度接近2000公尺,最厚超過4000公尺,在數千公尺冰的重壓之下,冰帽底部呈窪地狀,中央最低處的高度遠低於海平面,若南極的冰融化,全球海水面會升高接近60公尺。格陵蘭冰帽底部也是窪地狀,冰的平均厚度約1500公尺,最大厚度超過3000公尺,格陵蘭的冰全部冰融化,全球海平面會上升6公尺左右。這些最大厚度接近或超過1000層樓的冰帽,就像放在桌上的很大很大一坨麻糬,麻糬會因為自己的重量,產生變形、向四方擴展,大陸冰河的「流動」大致上就可以這樣想像。山岳冰河有明顯的傾斜槽狀流路,坡度對冰的「流動」有顯著的影響,冰的厚度不到百公尺就會「流動」了。若接近海洋、較高溫的冰河,底部的冰會因為重壓、融點降低而形成水膜,冰就會發生更快速的「滑動」。無論哪種移動方式,冰河流動速率都很緩慢,每天移動距離常必須用公分計算,最快通常也只有數公尺。

冰河的雪線
接近冰河源頭是降雪量大於融雪量的冰雪供應、積累區,也是冰河的主要侵蝕區;靠近冰河末端是融冰量大於供應量的消融區,也是冰河的主要堆積區;積累區和消融區中間是供應量大約等於消融量的「平衡線」或「雪線」,愈高緯度的地區,平衡線或雪線的海拔高度愈高,探討特定時間的「平衡線」或「雪線」高度,是冰河研究很重要的目的之一。我們現在可以觀察到的冰河侵蝕、堆積形成的地形,大部分都是冰期結束、平衡線升高、冰河逐漸消融和後退而露出來的。不過要特別注意,「冰河後退」是指冰河的前緣後退、冰河範圍縮小,並不是指冰河移動方向改變。

冰河侵蝕與堆積
冰河移動會鏟、拔地面物質,產生的沉積物對地表的刮、磨作用,更增強冰河的侵蝕力。除此之外,在山地地區,因為裸露地表受到劇烈的霜凍作用使岩石破裂,所以岩體的物理風化作用和陡峻邊坡崩塌作用也非常盛行。冰河堆積作用主要包括三類,第一類是崩塌和受剪力作用而從冰河底部被送到冰河表面的碎屑物,它們在冰河前緣會向倒垃圾一樣的傾瀉堆積;第二類是冰河刮、拔、鏟起的沉積物,受重壓而冰河底部形成非常緊密的堆積物;第三類是多受流水作用的堆積物,主要分布於冰河末端的底部、表面和冰河的前緣。因此,冰河從來源區的侵蝕到末端的堆積,會產生一序列具有特定空間配置關係的地質、地形特徵,學者就是通過研究冰河消融後露出的這些特徵,重建過去冰河活動與退卻的歷史。

大陸冰河在冰雪積累區或侵蝕區形成的地形是廣大、土壤淺薄的地面,常常可以見到裸露、光滑且具有刮痕(擦痕)的岩石面和大小深淺不等的窪地,窪地蓄水則形成湖泊。千湖之國芬蘭,還有北美洲狹長、平行於古冰河移動方向的指狀湖、面積極大的五大湖,都與大陸冰河的侵蝕有關。這個區域常會出現稱為羊背石的岩石小丘,規模常在數公尺到數十公尺,較緩面指向冰河來源、較陡面指向冰河遠去的方向。靠近冰河末端,是覆蓋厚層冰磧土的廣大平原,常見鯨背山、蛇形堤、冰積埠、鍋穴、端磧堤、外洗扇和湖泊等地形。鯨背山是冰河底部堆積物形成的地形,規模常在百公尺以上,呈蛋形,迎冰面較陡、背冰面較緩。蛇形堤是呈蛇狀的蜿蜒小丘,是融水在冰河底部形成河川,由河川沉積造成的。冰積埠是孤立的小丘,大多是冰河表面的窪盆或湖泊堆積體,在冰河消融後堆疊於地面。鍋穴是窪陷的坑,是冰河後退時,埋在冰磧物中的斷裂冰塊消融、地表塌陷形成的。端磧堤是在冰河末端長期停留的地方,由融冰堆積形成的冰磧堤;融冰的季節性水流,會在端磧堤外形成沖積扇,稱為外洗扇;若在數道端磧堤之間蓄水成湖,冰河湖中會隨著季節變換,沉積顆粒粗細、顏色淺深不同的冰河季候泥。

山岳冰河侵蝕區的典型地形有冰斗、角峰和刃嶺。冰斗是傾斜碗狀的冰河源頭區地形,因為冰斗口有岩石堤,斗底常會蓄水成湖。臺灣的玉山、雪山、南湖大山、合歡山、秀姑巒山分布非常多冰斗,嘉明湖則是典型的冰斗湖。冰斗圍繞的山峰因為冰斗擴大、斗壁後退的侵蝕與崩塌作用,形成尖銳的金字塔狀,稱為「角峰」。
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