【类型】期刊

【作者】厉愿，黄茂桓，杜志恒，效存德（中国科学院西北生态环境资源研究院冰冻圈科学国家重点实验室；中国科学院大学；北京师范大学地表过程与资源生态国家重点实验室）

【作者单位】中国科学院西北生态环境资源研究院冰冻圈科学国家重点实验室；中国科学院大学；北京师范大学地表过程与资源生态国家重点实验室

【刊名】冰川冻土

【关键词】 冰芯；组构；微构造；再结晶

【资助项】重大科学研究计划项目(2013cba01804)；国家自然科学基金项目(41425003)资助

【ISSN号】1000-0240

【页码】P273-280

【年份】2019

【期号】第2期

【期刊卷】1;|7;|8;|2

【摘要】在德国Alfred-Wegener极地与海洋研究所用自动组构分析仪G50测试了东天山庙儿沟冰芯(43°03’19″N,94°19’21″E,4 512 m a.s.l.;2005年钻取,长58.7 m)冰微构造和组构,分析其特征并解释其所蕴含的意义。冰微构造和组构随深度的演变总体相似于其他中国山地冰川冰的观测结果,同时展示了其季节性特征。部分样品的测试结果有所波动,可能是样品在运输和存储过程中的热力学性质发生改变所致。组构型反应的力场较为简单,主要为中下部的单轴压应力作用。正常晶粒生长、多边形化作用和应变导致的边界迁移再结晶不能解释其在某一深段占据主导,而可能是三者共同作用于所有冰芯深部。

【全文】 文献传递

东天山庙儿沟平顶冰川冰组构和微构造的特征分析

厉 愿1,3， 黄茂桓1， 杜志恒1， 效存德2

(1.中国科学院 西北生态环境资源研究院 冰冻圈科学国家重点实验室， 甘肃 兰州 730000； 2.北京师范大学 地表过程与资源生态国家重点实验室， 北京 100875； 3.中国科学院大学， 北京 100049)

摘 要：在德国Alfred-Wegener极地与海洋研究所用自动组构分析仪G50测试了东天山庙儿沟冰芯(43°03′19″ N， 94°19′21″ E, 4 512 m a.s.l.； 2005年钻取， 长58.7 m)冰微构造和组构， 分析其特征并解释其所蕴含的意义。冰微构造和组构随深度的演变总体相似于其他中国山地冰川冰的观测结果， 同时展示了其季节性特征。部分样品的测试结果有所波动， 可能是样品在运输和存储过程中的热力学性质发生改变所致。组构型反应的力场较为简单， 主要为中下部的单轴压应力作用。正常晶粒生长、 多边形化作用和应变导致的边界迁移再结晶不能解释其在某一深段占据主导， 而可能是三者共同作用于所有冰芯深部。

关键词：冰芯； 组构； 微构造； 再结晶

0 引言

冰是已知最古老的矿物之一[1-2]， 并以多种形态存在于自然界中， 如雪、 霜、 冰雹、 冰椎、 地下冰、 河冰、 湖冰、 海冰和冰川冰。冰被广泛应用于地质和材料等科学研究， 并且其对环境和经济的重要影响也备受关注[3-8]。地球表面的自然冰以六方晶系存在， 冰分子展示类氧原子的四面体配位结构， 但在所有温度下处于亚稳态[9]。由X-射线衍射实验证实陆地冰川冰的晶格构造呈四面体排列， 且氧原子以分离的层状(层间距为0.276 nm)排列[10]， 这些层被称作晶体基面。实际上， 基面由两层间隔为0.0923 nm的紧邻面构成。垂直于基面的方向称为晶体学c轴， 它们在空间的取向排列形式常被称作组构。微构造主要包括晶粒的尺寸及形态等。

自然冰在漫长的地质年代中和接近融点的高温下， 仍然能保持其多晶的蠕变特性和强烈的各向异性粘塑性变形等[3-5]。冰微构造和组构特征能反应应力和温度等冰物理性质， 对提高冰盖或冰川流体的流动律、 晶体学材料的晶粒生长机制及其对气候变化响应的认识颇有裨益。理解冰芯冰微构造和组构随深度的变化几十年来一直是个颇具挑战性的任务。至今， 关于此议题的认识仍不充分[3]。不同冰芯得出的结论不总是一致： 一是， 极地冰芯冰的三段范式[8-17]， 包括正常晶粒生长(Normal Grain Growth， NGG)、 多边形化作用/旋转再结晶(Polygonization /Rotation Recrystallization， RRX)和应变导致的边界迁移(Strain-Induced Boundary Migration， SIBM)再结晶[18-19]分别主导多数冰芯的上中下三个深部(由顶到底)， 常被用于解释其随深度的演化； 再则， 一些冰川学家主张上述三种晶粒生长机制共同作用(不存在主导机制)于整支冰芯深部[3,20-21]。这些工作仅仅针对极地冰芯冰而言， 关于中低纬度的山地冰川冰关注极少。1962年， 我国展开山地冰川冰在此方面的研究工作[22]， 集中于二十世纪八九十年代[20-25]。先后在西昆仑山崇测冰帽(海拔6 130 m， 1987年)、 天山乌鲁木齐河源1号冰川(海拔4 050 m， 1990年)、 喜马拉雅山希夏邦马峰那克多拉7号冰川(海拔6 030 m， 1991年)和西昆仑山古里雅冰帽(海拔6 200 m， 1992年)钻取长32.5 m、 90.24 m、 39 m和309 m的冰芯[23,26-28]， 后面3支冰芯均为透底冰芯。此后， 我国对其的相关研究近乎中断。因此， 笔者认为有必要加强该方面的基础性研究。

2005年8月， 在中国东天山的庙儿沟平顶冰川(面积约3.45 km2[29]； 平衡线高程约4 100 m[30])顶部海拔4 512 m(43°03′19″ N, 94°19′21″ E)处钻取了长58.7 m的透底冰芯[29](图1)。该区域的年平均气温和夏季平均气温分别是-11.8 ℃和-3 ℃， 年降水量约600 mm并多数集中于夏秋两季[31]， 年平均净累积率在(229±7)～269 mm w.e.间[29，32]。钻取后的冰芯样品被冷冻运送至兰州中国科学院寒区旱区环境与工程研究所的冰冻圈科学国家重点实验室， 并被存放于约-20 ℃的低温实验室中。

本文的目的是观测中国山地冰川冰组构和微构造特征并分析其蕴含的意义。

1 样品的制备和测量

本研究的样品深度范围是33.58～58.15 m。垂直于芯轴水平切取12块样品， 每块样品的尺寸为厚约1 cm， 横截面半径约为3 cm的近半圆形。其所在深部分别为33.58 m、 35.66 m(含2个连续切片， 即此处总的切取厚度约为2 cm。然后， 将其厚度平分为二， 使每块样品厚度仍约为1 cm)、 36.25 m(含4个连续切片)、 37.04 m、 45.59 m、 50.42 m、 55.60 m和58.15 m(图2)。2015年6月， 将其放于低温箱(全程温度保持在约-19 ℃)中并空运至德国Alfred-Wegener极地与海洋研究所的约-20 ℃的低温实验室。并即刻按标准切片程序[33]制作了12个水平冰薄片。每冰薄片的观测厚度在0.2～0.4 mm间。使用的仪器是澳大利亚产自动组构分析仪G50， Auto Fabric Analyzer G50， AFAG50)， 设置的分辨率为10 μm。接着， 用Eichler软件[34]把AFAG50测得的冰组构统计数据转化为新的数据集。最后， 冰组构型用Openstereo软件展布于水平Schimd极图中； 粒径的尺寸和形态也用Eichler软件处理。

2 结果

沿芯从上到下粒径平均横截面面积(表1和图3)为2.8 mm2(33.58 m)； 往下分别增大到5.72 mm2(35.66 m)和4.36 mm2(35.67 m)； 又减小到2.57 mm2(36.25 m)， 比最初深部的粒径还略小。然而， 下面3 cm深度中， 粒径先增大到3.41 mm2， 后降至2.74 mm2， 再突然增大到8.73 mm2(图3b)； 随后继续增大到15.07 mm2(37.04 m)； 接着减小到9.20 mm2(50.42 m)； 后又增大到12.73 mm2(55.60 m)； 但在近于底部时， 粒径再次突然减小到5.99 mm2(表1和图3)。36.27 m以后的平均粒径总体大于其之前的。粒径随深度的变化也可能反应季节性的变化(图3b)， 即在约4 cm(小于年层平均厚度)的深度中， 粒径横截面面积呈现明显波动。

组构型沿芯从上到下分别为强单极大(33.58～35.66 m)、 弱双极大(35.67 m)、 拉长单极大(36.25～36.28 m)、 多极大(37.04 m)、 弱双极大(45.59 m)、 强单极大(50.42 m)、 单极大(55.60 m)和弱双极大(58.15 m)(图4)。组构特征值e1和e2沿冰从上到下总体随深度而降低， e3总体随深度增加而增大(图5和表1)， 组构强度基本呈现随深度增加而增强的趋势。然而， 连续切片中出现了复杂的波动(图5b)。35.67 m处开始减小， 直到36.25 m； 接着增大， 直到36.27 m； 之后又减小， 直到37.04 m； 随后又增大直至50.42 m； 最后再减小。极图中心浓度与位向度的总体变化基本相似于特征值e3的变化， 而圆孔度的总体变化趋势与前两者近乎相反(图6和表1)。

3 讨论

以Wang等[32]对庙儿沟35.2 m w.e. 深度的冰龄(1851±6)AD作为基准， 标定年平均净累积率约为249 mm i.e.， 该值为庙儿沟冰帽的年平均净累积率249～293 mm i.e.[32]的低值, 且在33.58～38.4 m间冰层没有显著减薄[32]。因此， 冰芯深度与年平均净累积率的比值可以作为冰龄的估计值(表1)。假设55.60 m以上的冰层减薄仍不显著， 依上述方法估计此深部的冰龄值(表1)。可见， 本研究深段冰芯冰龄除最后一样品外均在小冰期中， 晶粒尺寸整体较小也可以印证其是在相对低的温度下形成。此期间的晶粒尺寸变化整体没有呈现显著线性关系。但是， 总体而言， 1859年之前的粒径尺寸大于其后的， 可能表明该年是小冰期中冷暖气候转化的年份。同时还展示了一定的粒径波动(可能由小冰期中的相对暖期引起)， 如在55.60 m和37.04 m。王邵武等[35]划分小冰期中第三阶段的两个冷期分别是1790-1819年和1830-1899年， 而其间为其暖期。粒径在55.60 m(1782年)处增大， 可能意味着该年气候转暖， 一致于王邵武等[35]的观点； 而在37.04 m(1856年)处的粒径变化也可能表明气候转暖事件的发生， 但不同于王邵武等[35]的结论。上述由粒径变化反应的冷暖期(1859年)也与王邵武等[35]对冷暖期的划分不一致。这些差异可能是定年精度不够或样品自身温度的变化所致。4个连续切片(36.25～36.28 m; 总长40 mm小于年均净累积率约249 mm i.e.)的平均粒径也展现了由小到大的波动， 可能是季节性波动的反应， 并且一致于雪冰中粉尘浓度的季节性变化(冬春季高和夏季低 [36])。其对应的组构特征值e3从0.73减小到0.68(对应的组构强度从大到小)， 表明粒径可能从小到大， 此变化特征与世纪营地、 Byrd、 GRIP和古里雅等冰芯的观测一致。同时， 它的极图中心浓度和位向度减小， 圆孔度增加(图6)。晶粒生长除了受温度和应力影响外， 还与杂质、 微粒、 气泡和空气水合物等有关。粒径突变还可能与融水再结晶相关， 夏季表面的融水渗透作用很强烈(调查期间日平均气温高于0 ℃[31])。

通常， 当e1>0.10且与其对应的位向度<70%、 极图中心浓度<8及圆孔度>30°时， 基本约束了组构为同性、 拉长单极大和双极大型； 当e2>0.10并与其对应的位向度<85%、 极图中心浓度<15及圆孔度>21°时， 基本限定了组构为同性、 弱单极大、 双极大、 拉长单极大和多极大型。当e1和e2同时<0.1并与其对应的位向度>85%、 极图中心浓度>15及圆孔度<21°时， 组构为强单极大型。但是， 弱双极大型的出现可能是样品在运储中的温度发生改变所致。古里雅芯从上到下的组构演变为： 随机型-竖直环型-单极大型-多极大型[23]； 河源1号的为： 随机型-单极大型-多极大型[27]； 那克多拉7号的为： 随机型-单极大型-多极大型[28]。它们的底部均为粗粒的多极大型组构。其中， 仅在古里雅芯中上部的63～135 m出现竖直环型组构。庙儿沟的多极大型组构并未出现于冰芯近底部， 而是在中部偏下， 也可能由样品的温度发生变化引起。单极大型组构出现于庙儿沟芯的中下部， 而其他3支冰芯仅出现于其中部。实验室测试和现场观测均证实： 单极大型组构由单轴压缩或简单剪切形成。然而， 庙儿沟芯的冰床温度约-8 ℃[29]， 属于冻结基底的冷冰川， 发生显著简单剪切滑动的可能性较小。所以， 该组构型可能反应了庙儿沟芯在其中下部仅受如上述冰芯冰所受的单轴压缩应力作用， 同时也反应了典型的水平扩张流较为符合庙儿沟冰帽的实际冰流特征。目前认为多极大型组构经常发生于温型冰川中[37]。多极大型组构未被充分认识， 但可能由复杂的应力系统引起， 如综合的剪和压垂直于剪切面并联系着活动的迁移再结晶和成核再结晶作用。中国山地冰川冰出现的多极大也可能与冰床底部复杂的地形起伏有关。

庙儿沟冰芯冰粒径尺寸随深度的增大受到一定限制， 可能由多边形化作用引起。古里雅冰芯中段167 m出现显著的多边形化作用[23]。河源1号冰芯的65.7 m处晶粒突然变细(异常细粒破碎带[27])， 可能是多边形化作用的反应。由于庙儿沟芯中晶粒间取向误差角<5°[38]， 所以， 它也有多边形化作用(图7c)。Jacka等[39]提出快速变形导致高压下的晶粒频繁成核再结晶。换言之， 晶粒尺寸依靠成核和边界迁移的比率， 即成核作用相对边界迁移的速率越快， 平均粒径越小。本芯冰体厚度不可能产生高压应力(>400 kPa)。所以， 它不可能是庙儿沟冰芯冰粒径减小的原因， 而唯能用多边形化作用解释。

NGG晶粒生长律， 即晶粒平均横截面面积与冰龄呈线性关系[37]：

D2=+kgt(1)

kg=k0exp(-Qb/RT)(2)

式中： D2为t时刻的晶粒平均面积；为初始时刻的晶粒平均面积； t为冰龄； kg为生长率； k0为常系数； Qb为晶粒边界自扩散表观激活能； R为气体常数； T为绝对温度。D2和t的线性关系基于kg和T保持常数的假设。当极地冰芯冰存在同温层时， 此条件能被满足。由于庙儿沟芯的温度剖面没有同温层热结构， 所以， NGG不宜解释它的晶粒生长。但是， 从晶粒形态来看它又具有NGG特征， 如36.25 m 处的晶粒边界规整平滑， 且具类泡沫状构造(图7)。再则， 58.15 m处晶粒边界相互交错呈互锁型构造(图7b)， 它展现了典型的边界迁移再结晶特征， 庙儿沟芯钻孔温度均高于-10 ℃， 它是边界迁移再结晶的临界值[13]。因此， 三种再结晶可能同时发生于本芯各深部， 而不是某一种再结晶机制主导某深度段。

4 结论

庙儿沟冰芯冰的粒径和组构随深度的总体演化基本相似于其他中国山地冰川冰随深度的演变特征， 同时展示了其季节性的变化。然而， 组构沿芯轴演化中的局地波动可能是运输和存储中样品的温度变化导致的。冷暖气候期的粒径和组构变化基本一致于当前的认识。由组构型反应的力场性质较为简单， 冰芯中下部主要受单轴压缩应力作用。本研究深度冰芯冰的晶粒生长机制不能单独用某一种机制在某一深段主导解释而可能是NGG、 RRX和SIBM三种机制的共同作用。

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(本文编辑： 周成林)

Analyzing characteristically on ice fabric and microstructure of Miaoergou glacier top-flatted, East Tianshan

LI Yuan1,3, HUANG Maohuan1, DU Zhiheng1, XIAO Cunde2

(1.State Key Laboratory of Cryospheric Sciences, Northwest Institute of Eco-Environment and Resources, Chinese Academy of Sciences, Lanzhou 730000, China; 2. State Key Laboratory of Earth Surface Processes and Resource Ecology, Beijing Normal University, Beijing 100875, China; 3.University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

Abstract：In 2015, ice microstructure and fabric of Miaoergou ice core (43 03′19″ N, 94 19′21″ E, 4 512 m a.s.l.; extracted in 2005, the length is 58.7 m), East Tianshan were measured by Auto Fabric Analyzer G50 at Alfred-Wegener Institute for Polar and Marine, and then collected with the relevant characteristics to analyze and explain their implications. Both fabric and microstructure changes with depth show overall similar characteristics to other mountain glaciers, China, meanwhile they exhibit seasonal features. Certain fluctuations from parts of samples may be related to the change of thermal-dynamics during periods in which samples were transported and stored. The mechanical fields inferred using fabrics are quite simple and the uni-axis compression may dominate in the middle-low portions of this core. The normal grain growth, the rotation recrystallization or the strain-induced boundary migration recrystallization is not suitable to be used to address which one dominates in some depth. So, it is possible that three processes co-operate in all depth.

Key words：ice core; fabric; microstructure; recrystallization

DOI：10.7522/j.issn.1000-0240.2017.0031

收稿日期：2017-01-04;

修订日期：2017-02-20

基金项目：重大科学研究计划项目(2013CBA01804)； 国家自然科学基金项目(41425003)资助

作者简介：厉愿(1979-)， 男， 江苏徐州人， 地质工程师， 2012年在山东科技大学获硕士学位， 从事冰冻圈与环境变化研究.

E-mail: liyuan0614@163.com.

中图分类号：P343.6

文献标志码：A

文章编号：1000-0240(2017)02-0273-08

LI Yuan, HUANG Maohuan, DU Zhiheng, et al. Analyzing characteristically on ice fabric and microstructure of Miaoergou glacier top-flatted, East Tianshan[J]. Journal of Glaciology and Geocryology, 2017, 39(2): 273-280. [厉愿， 黄茂桓， 杜志恒， 等. 东天山庙儿沟平顶冰川冰组构和微构造的特征分析[J]. 冰川冻土, 2017, 39(2): 273-280.]