阿尔卑斯山地区第四纪冰川最新研究
【类型】期刊
【作者】周尚哲（华南师范大学地理科学学院）
【作者单位】华南师范大学地理科学学院
【刊名】冰川冻土
【关键词】 阿尔卑斯山；第四纪冰川；研究进展
【资助项】国家自然科学基金项目资助 （41171014；40771049）
【ISSN号】1000-0240
【页码】P1127-1133
【年份】2019
【期号】第5期
【期刊卷】1;|7;|8;|2
【摘要】阿尔卑斯山是冰川学和第四纪冰川学的诞生地.第四纪冰川学在全球发展,最初以Penck在阿尔卑斯山建立的模式为脚本.此后,阿尔卑斯山一直是欧洲第四纪山地冰川变化研究的核心地区.笔者以为,该区研究对中国第四纪冰川研究仍然具有参照意义,故有必要简要但较为系统地介绍一下其研究概况与最新进展.百年以来,欧洲学者根据新发现的冰水砾石层,将Penck的4次冰期模式发展为7次冰期.即在贡兹(Günz)冰期之前增加了巴伯尔(Biber)冰期和多瑙(Donau)冰期,在贡兹冰期和民德(Mindel)冰期之间增加了哈斯兰(Haslach)冰期,并对其年代学进行了不少探索.认为多瑙冰期可能在上新世和更新世之间,但迄今,这些较老的冰期年代仍存在很大不确定性.里斯(Riss)冰期、武木(Würm)冰期已获得较多的宇宙核素暴露年代.特别是欧洲学者对许多谷地中保留的多道冰川堆积进行年代学研究,获得大量的宇宙核素暴露年代数据,揭示末次冰期最盛期以来,冰川在总体退缩的大趋势下,发生规模依次减小的冰进事件,和北欧冰后期历次气候变化的其他记录相呼应.
【全文】 文献传递
阿尔卑斯山地区第四纪冰川最新研究
摘 要：阿尔卑斯山是冰川学和第四纪冰川学的诞生地.第四纪冰川学在全球发展，最初以Penck在阿尔卑斯山建立的模式为脚本.此后，阿尔卑斯山一直是欧洲第四纪山地冰川变化研究的核心地区.笔者以为，该区研究对中国第四纪冰川研究仍然具有参照意义，故有必要简要但较为系统地介绍一下其研究概况与最新进展.百年以来，欧洲学者根据新发现的冰水砾石层，将Penck的4次冰期模式发展为7次冰期.即在贡兹（Günz）冰期之前增加了巴伯尔（Biber）冰期和多瑙（Donau）冰期，在贡兹冰期和民德（Mindel）冰期之间增加了哈斯兰（Haslach）冰期，并对其年代学进行了不少探索.认为多瑙冰期可能在上新世和更新世之间，但迄今，这些较老的冰期年代仍存在很大不确定性.里斯（Riss）冰期、武木（Würm）冰期已获得较多的宇宙核素暴露年代.特别是欧洲学者对许多谷地中保留的多道冰川堆积进行年代学研究，获得大量的宇宙核素暴露年代数据，揭示末次冰期最盛期以来，冰川在总体退缩的大趋势下，发生规模依次减小的冰进事件，和北欧冰后期历次气候变化的其他记录相呼应.
关键词：阿尔卑斯山；第四纪冰川；研究进展
0 引言
第18届国际第四纪联合会（INQUA）大会于2011年7月21—27日在瑞士首都伯尔尼举行.大会出席人数达3 400多人.第四纪冰川一直是INQUA的热点议题之一，这次会议会前、会中和会后都组织了围绕阿尔卑斯第四纪冰川的野外考察.阿尔卑斯山是19世纪前叶J.L.Aggassiz最早研究冰川、创建冰川学的地方［1－2］，也是20世纪初A.Penck研究第四纪冰川，建立4次冰期经典理论的地方［3］.一百多年以来，科学家对阿尔卑斯第四纪冰川的研究未曾中断，特别是近些年在年代学手段有了重大突破之后，关于末次冰期以来的冰川作用研究取得了许多新进展.笔者这次有幸参加了会中一天和会后五天有关第四纪冰川的野外考察，会中考察由伯尔尼大学地质科学研究所的Naki Akcar教授和Corinne Blum博士组织，着重考察阿尔卑斯山北麓瑞士境内末次冰期最盛期及其之前的古冰川记录（Pre－LGM and LGM paleoglacier records of the Northern Alpine Foreland）.会后考察由奥地利地质调查所Jurgen Reitner教授、维也纳自然资源和生命科学大学应用地质研究所的Markus Fiebig教授、苏黎世大学地理系Susan Ivy－Ochs教授、地理研究所Max Maisch教授组织，尚有奥地利因斯布鲁克大学Christoph Spotl教授、Hanns Kerschner教授和Marc Ostermann教授等参加介绍，重点是阿尔卑斯冰川作用和因河流域冰川系统（Alpine Glaciations and the Inn Glacier System）.作为学科和理论的发祥地和欧洲山地冰川研究的核心地带，阿尔卑斯山的研究对我们有重要参照意义.现在结合一些文献对阿尔卑斯山地区的第四纪冰川研究进展做些介绍，以期对国内本领域研究有所裨益.
1 较老的冰川作用研究
阿尔卑斯山脉是欧洲最高大的山脉（图1），位于欧洲南部，东西跨法国、意大利、瑞士、德国和奥地利，长1 200 km，宽130～260 km，平均海拔约3 000 m，总面积约22×104 km2，主峰勃朗峰海拔4 810 m.阿尔卑斯山脉有现代冰川1 200多条，总面积4 000 km2，现代雪线海拔约2 500 m.最长的阿莱奇（Aletsch）冰川长22.5 km.第四纪冰川遗迹比较丰富和研究相对完整的地区主要是德国南部.德国南部按流域分为3个区域，即西部的莱茵河流域、中部的多瑙河流域和东部的因河流域.其中，第四纪冰川遗迹尤以多瑙河流域一系列南北向支流河谷及盆地较为突出.
A.Penck和E.Brückner于1909年发表《冰期之阿尔卑斯》［3］，公布了他们于1899年以来在德国南部确认的4套冰水阶地砾石层（Older Deckenschotter，Younger Deckenschotter，High Terrace和Lower Terrace）以及相关岩石、古土壤、地貌、地层学证据.基于冰期堆积而间冰期下切的蚀积模式考虑，Penck等［3］由此建立了有相对年代和气候地层学证据支持的四次冰期体系，这四次冰期被命名为 Würm，Riss，Mindel和Günz.它们是借用了阿尔卑斯北坡德国南部四条河流的名字，且四个名字的第一个字母排列也先后如序，便于记忆.由于证据翔实、论证有力，这四次冰期得到学术界广泛接受而被誉为阿尔卑斯第四纪冰期经典模式［4］.中国学者一般对这个经典冰期划分是相当熟悉的.但是这个模式有了扩展，本文有必要简要介绍一下随后百年来的发展.
Eberl［5］于1930在Iller－Lech地区发现了更老的高位冰水砾石层，于是在Günz之前增加了一个Donau冰期.Schaefer［6］于1956肯定了Donau冰期的存在并新分辨出另一个阶地砾石层，定为Biber冰期.将这两个砾石层命名为下冰水砾石层和上冰水砾石层（“Lower Deckenschotter和Upper Deckenschotter”）.1981年，Schreiner等［7］在乌尔姆以南将Penck的Younger Dechenschotter分为两层，多出一个 Middle Deckenschotter，即从原 Mindel冰期中又分出一个Haslach冰期.至此，阿尔卑斯地区的更新世冰水砾石层达到7期，由老到新整理并翻译如表1，这些冰期名称的第一个字母排列仍然没有打乱拉丁字母的先后次序［4］.
1995年Ellwanger等［8］在莱茵冰川地区中部，发现另一个晚于Mindel的更新世冰水砾石层，宣称Mindel之后应当不止是Riss和 Würm两个冰期，而是三个.但这个发现没有得到进一步确认.
以上是阿尔卑斯地区更新世较老冰期序列研究的简单情况.在此需要解释一下，为什么研究者根据冰水砾石层而不是冰碛物来确认冰期.原来，阿尔卑斯山地区末次冰期最盛期的冰川规模很大，形成了厚达1 000 m以上的冰盖，早期的冰碛物遭受破坏而基本上荡然无存，故而冰川外缘保留的冰水阶地就成为冰川作用的重要依据.冰水沉积是冰川融水所形成的沉积物，河谷中的冰水沉积阶地如何与正常的河流沉积相区别，这当然需要从沉积相上进行区分.冰水砾石层除了分选、磨圆度、砾石形态等方面的特征之外，一个十分关键的标志是含有未被流水磨蚀作用所完全改造的冰川擦痕石（striated pebbles），因为它们被搬运的距离不是很长.冰期中，也是冰水外冲平原和河谷砾石大量堆积时期.所以Penck等人将冰水阶地视为冰期的证据.进入山区，冰水砾石层伴随着山地的抬升表现为由高到低的阶地系列，而在山麓平原，砾石层则是由老到新不连续加积的（图2）.
冰川序列建立之后，年代学就成为必须面对的难题.1924年米兰科维奇（Milankovitch）由地球轨道参数计算的600 ka以来夏半年太阳辐射曲线问世后，柯本（Köppen）和魏格纳（Wegener）立刻将这个曲线的9个谷值与Penck等的四次冰期模式相联系，给出了四次冰期发生的理论时间.故而学术界一度把Günz以来的四次冰期默认为600 ka以来的事［9］.然而，学界最希望的是通过某种方法测得这些冰期的发生时间.1994—1995年，Ellwanger等［10］、Rähläe［11］、Bludau［12］和Strattner等［13］在德国南部Augsburg以西做了大量工作，发现Lower Deckenschotter上覆2 m厚的细粒盖层，其中含有水老鼠（Arvicola）的牙齿和软体动物.其上又覆以含有Alnus－Tsuga－Pinus孢粉图谱的泥炭层.顶部是向上变粗的3 m厚的一套地层，发现古磁性倒转事件.对这一组生物－古地磁地层的工作结果显示，Lower Deckschotter所指示的多瑙（Donua）冰期应当发生在上新世至更新世之间.关于Günz－Mindel冰期，人们过去普遍认为，Older Deckenschotter在构造地层上属于松山／布容磁性界限.后来从Middle Deckenschotter下面的混杂堆积和Younger Deckenschotter底部透镜体也均获得地磁倒转事件的证据.结果，这3个砾石层到底代表3个冰期还是属于同一堆积时期的产物，仍然存在疑问［4］.
图1 阿尔卑斯山脉（据http：／／gs.riverdale.k12.or.us／～suzannal17／swiss／）
Fig.1 The Alps Mountains（after：http：／／gs.riverdale.k12.or.us／～suzannal17／swiss／）
表1 阿尔卑斯山冰期及其证据
Table 1 The Quaternary glaciations and their evidences
冰期名称Upper Deckenschotter（上冰水砾石层） Biber（巴伯尔冰期）砾石层名称Lower Deckenschotter（下冰水砾石层） Donau（多瑙冰期）Older Deckenschotter（老冰水砾石层） Günz（贡兹冰期）Middle Deckenschotter（中冰水砾石层） Haslach（哈斯兰冰期）Younger Deckenschotter（新冰水砾石层） Mindel（民德冰期）High Terrace（高阶地） Riss（里斯冰期）Lower Terrace（低阶地） Würm（武木冰期）
在瑞士西北Bielersee湖边的Montoz发现冰川大漂砾，其分布范围超出了末次冰期，得到宇宙成因核素128～184 ka的测年数据，属于MIS－6的证据，从而确认Penck等人关于Riss冰期的观点的正确性［14］.
图2 阿尔卑斯北麓慕尼黑平原南缘冰水砾石层（a）及其野外标牌解说（b）
Fig.2 The glaciofluvial gravels（a）and their explanations（b）at the south of Munich Plain，north of Alps
关于间冰期，Penck之后的传统看法是Younger Deckenschotter和High Terrace之间是一次大间冰期［3］.现在认为实际上可能有两个甚至三个间冰期.Ellwanger等［8］认为至少在 Mindel冰期和Riss冰期之间还有一个冰期即倒数第三次冰期存在，这些老冰期之间的间冰期证据似乎不是很完整.但是，德国南部巴伐利亚Inn河谷地的Samerberg发现了末次间冰期最好的孢粉记录，期间分出3个间冰段（subsequent interstadials），松的含量很高.同样的剖面也在西面莱茵冰川地区Riss冰期冰川作用形成的舌状冰蚀盆地（Wurzacher Bechen）中发现.这个间冰期显然能够与北欧Eemian间冰期（即5阶段）对比，3个间冰段无疑反映5e、5c和5a.此后，进入末次冰期［4］.
阿尔卑斯山南坡意大利境内的第四纪冰川遗迹以Garda湖地区最为典型，被分为Solferino冰碛（晚 更 新 世 ）、Sedena 冰 碛 （晚－中 更 新 世 ）、Carpoenedolo冰碛（中更新世）、Monte Faita冰碛（中－早更新世）、Ciliverghe冰碛（早更新世）.Ciliverghe冰碛的作用范围最大.这5套冰碛除了Solferino冰碛被确认为末次冰期的冰碛外，其他均无测年资料，且期间的沉积关系也有较大的争议［15］.
2 末次冰期以来的冰川变化研究
阿尔卑斯山冰川在末次冰期最盛期达到了很大的规模，形成了一个覆盖整个山地（几乎全部瑞士和部分德、奥、意、法）的冰盖，面积几达20×104 km2（图3）.东北与北欧大冰盖相距200～300 km.如今的一些历史名城如日内瓦、伯尔尼、苏黎世、琉森、因斯布鲁克所在地区当时均埋于冰盖之下.平衡线较今降低1 200～1 500 m.当时的罗纳冰川（Rhone Glacier）翻越Grimsel垭口流入阿里河谷（Aare Valley），末端到达伯尔尼以北30 km 的Wangen镇附近，留下硕大的漂砾.大规模的冰盖摧毁了整个阿尔卑斯山之前地形，破坏了更早的冰川沉积物，使得早期冰川作用的重建只能依靠山前河谷盆地的冰水阶地和沉积地层.然而，末次冰期最盛期之后所发生的冰川前进规模越来越小，河谷中形成的多道冰碛垄依次得以保存.阿尔卑斯山里里外外星罗棋布的美丽湖泊，大都是末次冰期及其之后形成的冰川湖，如有名的瑞士西部日内瓦湖（Leman）、纳沙泰尔湖（Neuchatel）、德瑞边界的博登湖（Bodensee）、瑞意边界的加尔达湖（Garda）等等.近年，欧洲同行借助于先进的宇宙成因核素（10 Be，21 Ne，26 Al，36 C）测年手段，重建了许多典型河谷MIS－2阶段以来冰川活动历史，揭示出诸多气候事件在阿尔卑斯山冰川留下的印记［16］.关于这个时段以来的研究资料较多，不需要做繁琐的介绍，本文撮其要介绍如下.
图3 阿尔卑斯脉LGM冰川范围［16］
注：红线为LGM冰盖界限；小圆圈标出研究地点：M：Montoz；S：Solothurn；Gr：Grimsel Pass；A：Grosser Aletsch Glacier；J：Julier Pass；K：Kromer，Kartell and Schonferwall；Gz：Trins Gschnitz moraine
Fig.3 The ice sheet extent of the Alps during LGM［16］
图4 罗纳冰川末端（a）冰碛垄及其前方谷地（b）的冰川地形（周尚哲摄）
Fig.4 he terminal moraine（a）of the Rhone Glacier and the glaciated valley（b）at its front
末次冰期最盛期冰川于30 ka BP前后扩展到山前地带，（21±0.9）ka BP达到最盛并开始退缩；证据即如Wangen镇附近四个大漂砾的10 Be，26 Al，36 C年代为（17 070±720）到（21 050±860）a BP.
冰川再次前进发生于16 ka BP，持续到（15.4±1.4）ka BP，叫做Gschnitz冰阶，Gschnitz为奥地利境内因河流域地名.其时，降水量相当于现在2／3，夏季气温低于现在8.5～10℃，平衡线较今降低650～700 m.据此，Gschnitz冰进相当于Oldest Dryas或北大西洋 H1事件［16－17］.
此后，另一次冰进被称为Clavadel／Senders冰进.平衡线较现在低400～500 m.证据如瑞士东部达沃斯（Davos）附近的冰碛物以及奥地利境内Tyrol附近的冰碛物.此期冰碛垄一般高10 m左右，但比较缺乏大漂砾来做暴露年代.
瑞士东边Julier山口高10 m的冰碛垄上的漂砾，测得（13 210±610）a BP的年代数据，判断为Clavadel／Senders稍后的另一次冰进，其时平衡线较今低300～400 m.被称为Daun冰阶.
Julier山口的冰碛还被分出另外3列，命名为Egesen冰碛.其模式在阿尔卑斯山许多谷地中展现，定为Egesen冰阶，有两列冰碛，分别发生于（12.7±1.5）ka BP至（12.2±1.0）ka BP和（11.3±0.9）ka BP.这是新仙女木期的反映［16－17］.
气候不稳定性持续到新仙女木／前北方期界限，甚至包含了前北方期震荡.奥地利境内的Kartell冰斗前方几公里的冰碛物测定为（10.8±1.0）ka BP，表明全新世伊始，即发生冰斗小冰川前进事件，叫做Kartell冰阶.
奥地利西Silvretta山Kromer谷地的小冰斗冰川在（8.4±0.7）ka BP有一次前进，反映全新世早期8.2 ka BP冷事件，称为Kromer冰阶.
不仅如此，欧洲学者还恢复了几百年以来冰川的范围.例如罗纳冰川（Rhone glacier）前端几百年来的冰川变化（图4）.罗纳冰川是罗纳河源头冰川，是阿尔卑斯山目前大冰川之一.罗纳河横贯西段阿尔卑斯山中轴，自东向西流入日内瓦湖，再向西南入地中海.是发源于阿尔卑斯山脉的三条大河之一.该冰川前端保留有4道14世纪以来的小终碛，显示小冰期冰进.1856年开始有观测资料，那时还是一条宽尾冰川，此后冰川不断退缩.欧洲学者将不同时期该冰川末端的照片附在Guide book中以便比较.图5是根据众多学者的研究综合得出的末次冰期以来冰进曲线图.
图5 阿尔卑斯山末次冰期以来冰进序列及其10 Be年代（引自Max Maaisch，2011）① Max Maaisch.INQUA 2011 Post－Conference Excursion：Alpine Glaciations and the Inn Glacier System （Part 1：Swiss Alps）.2011：P16.
Fig.5 Glacier advances since LGM and their 10 Be data in Alps（after Max Maaisch，2011）
3 启示和借鉴意义
至此，我们简要介绍了欧洲学者对阿尔卑斯山冰川自更新世以来进退变化的研究.可以看出，对于更新世较老的冰期，其年代资料仍然很有限，仍待进一步的技术手段去攻克.而对于末次冰期最盛期以来的冰进序列借助于宇宙核素测年技术，其研究已非常详细，过去利用各种记录所揭示的公认气候变化事件，阿尔卑斯山的冰川也均有响应，且进一步记录这些事件的阶段性变化（图5）.因此，山地冰川同样是我们重建末次冰期以来气候变化的理想途径，原因是冰后期冰川在整体退缩的大背景下不时发生规模愈来愈小的临时冰进，每次前进的冰碛物得以保留.这是阿尔卑斯山冰川研究留给我们的深刻印象.
青藏高原比阿尔卑斯山面积大十几倍，现代山地冰川面积约为阿尔卑斯山15倍，平衡线平均高出阿尔卑斯山2 500 m.属于中低纬度季风区（部分西风区）高海拔冰川，冰川类型丰富多彩.但目前看来，我们的研究工作显得落后.我们尚无一条冰川研究达到阿尔卑斯山罗纳冰川那样的详细程度.比如受印度季风控制的藏东南冰川谷地，尚存在巨大的研究潜力，相信同样能够建立详尽的短尺度气候变化序列，借以解读全球最强大季风盛行地区的环境变化特征.青藏高原北部与天山、阿尔泰山地区也一样存在尚待攻克的课题.当然，我们目前的技术手段和实验室建设与欧美有很大距离，尚无完整的宇宙核素年代学实验室.在相当一个时期，仍然需要与发达国家的科学家和实验室进行合作.但无论怎样，青藏高原冰川与气候环境变化研究的前景仍然很广阔，期待有志者来攀登探索.
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New Advance in Study of Alpine Glaciations
Abstract：The Alps is the birthplace of glaciology and Quaternary glaciology.Because of the work of Penck and Brückner a century ago，Quaternary glaciology was made fashionable in the world and the Alps became a model region for studying mountain glaciations.During the past one hundred years，Europe researchers made a lot of progresses on the studies of glaciations in this mountain.In this paper，the achievements are introduced in order to benefit the studies in the Tibetan Plateau.According to the new evidences of glaciofluvial deposits discovered in valleys and forelands of the Alps，the researchers have developed the mode of four Pleistocene glaciations into seven glaciations，namely，finding another two glaciations Biber and Donua earlier than Günz and one glaciation，the Haslach between Günz and Mindel.The earliest one Donua was thought to have occurred between Pliocene and Pleistocene possibly.But the chronological data for the ages of the early glaciations before Riss are still in lack.Recent years，Riss and Würm glaciations have been supported by large numbers of cosmogenic exposure datings.Especially，cosmogenic nuclide exposure dating have been carried out for different moraine boulders in many valleys and a series of climatic change events are revealed，which are comparable with other records of North Europe during post－glacial age.The study advance on the Alps is significance for promoting the research on glaciations in the Tibetan Plateau.
Key words：>Alps；glaciations study；advance
中图分类号：P534.63
文献标识码：A
文章编号：1000－0240（2012）05－1127－07
收稿日期：2012－01－13；
修订日期：2012－03－26
基金项目：国家自然科学基金项目（41171014；40771049）资助