0 引言

观测与研究表明［1－4］，在温冰川或多温冰川温冰区的冰川冰中，其3个冰晶粒结合处的脉腔（vein）中存在液态水（即未冻水）.这些未冻水由于可溶杂质含量高以及冰－水界面的曲率关系，使得其温度往往低于水的正常结冰点［2］.冰川冰中液态水可来源于表层粒雪融化产生的下渗融水，冰川内部变形热、冰川与冰床的摩擦热以及地热所引起的冰的融化，粒雪－冰转化时粒雪空隙中的滞留水等.由于冰内液态水的存在使得冰川冰变得柔软并导致其应变率大大增加（如实验表明冰内含水量增加1%可导致冰的应变率增加400%）［5］，因此，最近相关研究表明，在冰川流动模型的输入参数中必须考虑液态水含量的影响［6－7］.目前，国际上主要利用热力学方法［6－8］、化学方法［9］和遥感方法（主要利用GPR）［10－15］等来估计冰川冰中的液态水含量，并揭示出冰川冰中的体积含水量一般都在百分之几以内.Bell等［16］利用冰雷达等对南极Dome A地区进行了探测，发现研究区域内冰盖底部24%的范围均存在底部融水冻结冰，而且在个别区域底部融水冻结冰的厚度达到冰盖厚度的近一半.这一结论对目前的冰盖动力模型、冰盖成冰过程、冰芯记录解释以及未来Dome A地区深冰芯钻取位置的选择都具有重要的影响.由此可见，冰川冰中的液态水及其变化研究，不仅对冰川动力学，而且对冰川成冰过程以及冰芯记录的解释等都具有重要的意义.

迄今为止，国内很少开展冰川冰中液态水含量状况及其影响研究.我们曾经在青藏高原唐古拉山各拉丹冬冰川钻取冰芯时发现［17］，由于地热影响而导致该冰川底部冰层中存在大量的液态水.这里我们将对青藏高原昆仑山玉珠峰冰川冰中存在的承压含水冰层状况予以研究，并对与之相关的环境意义进行讨论.

1 资料与方法

钻取冰芯是研究冰川内部结构与构造的重要手段.早在60多年前的冰芯研究之初，欧美科学家就利用冰芯来研究冰川内部冰的物理特征（如层位、密度、冰晶大小、冰晶c轴方位、气泡含量等），并利用钻孔温度来研究冰川的热力状况以及利用钻孔变形来研究冰川的应变特征［18］，后来又利用钻孔照相及钻孔摄像机等技术来研究冰川的内部结构［19－22］.本文将着重对2007年在青藏高原昆仑山玉珠峰冰川钻取冰芯过程中发现的富含水冰层进行研究.

根据中国冰川编目资料［23］，玉珠峰冰川（冰川编码为5K463D8）长度为5.9km，面积为6.75 km2，最高点海拔为6178.6m，末端海拔为5080 m，雪线高度为5440m.该冰川属于长江源区楚玛尔河支流阿青岗欠陇巴流域，按照中国冰川分类，该冰川属于亚大陆型冰川.2007年6月2日夜间，我们在玉珠峰冰川海拔5620m的Core 1地点（35°39.66′N，94°14.50′E，见图1）开始冰芯钻取工作，并于6月3日早晨09：00钻至深度45.36m处.在冰芯钻取过程中，发现深度34.34～34.64m段的冰芯为少气泡的透明湿冰，其表面粘附有明显的液态水.该段冰芯以上和以下的冰芯均为干冰芯.因此，在该冰芯钻取点的这一深度段应为一个富含水冰层.2007年6月3日22：00，在Core 1地点准备继续钻取冰芯时，发现该钻孔底部已经充水而无法继续进行冰芯钻取（钻孔充水时机械冰芯钻机无法运行，否则会因短路而烧坏钻机系统），22：30利用测绳测得该钻孔内水面位于29.06m深度处.在野外工作期间，Core 1钻孔所在冰面高度附近并不存在融化现象，因此该钻孔内水应是由34.34～34.64m深度段的富含水冰层内水的渗出所致.另外，由于钻孔内水面高度高于富含水冰层的位置（图2），因而玉珠峰冰川Core 1地点34.34～34.64m深度段的富含水冰层为一个承压含水冰层.随后，在距Core 1约700m的Core 2地点（海拔5670m，35°39.64′N，94°14.77′E，见图1）钻取了121.63m的透底冰芯，该冰芯中未见有湿冰层或含水冰层出现.这说明Core 1处冰川内部的富含水冰层，并没有在整个冰川区域内成层状分布，而只是分布在Core 1附近的有限范围之内.由此推测，玉珠峰冰川内部的富含水冰层应呈透镜状分布.2007年6月6日11：30和6月12日06：30，对Core 1钻孔中的水面高度又进行了测量，结果发现其水面在这两个时间的高度分别位于28.38m和25.80m深度处（即水面分别高出富含水冰层顶部5.96m和8.54m）.图3是Core 1冰芯停止钻取后该钻孔内水面位置的变化过程.从图3可以看出，钻孔内水面在观测时期内一直呈上升状态，并且最初上升速度较快，随后较慢.这进一步表明，Core 1钻孔在34.34～34.64m深度段的冰层内含水量较大，承压性质明显.

2007年野外考察期间还利用热敏电阻温度计测量了玉珠峰冰川Core 1和Core 2孔的温度，以分析富含水冰层对该冰川温度的影响.为了揭示玉珠峰冰川内高含量未冻水对冰层化学成分季节变化信号的影响以及富含水冰层中化学成分与其上下冰层中化学成分的差别，对Core 1中29.92～35.39m段冰芯中的δ18 O、各种阴阳离子、pH值、电导率、微粒含量等进行了分析测试，其中δ18 O、pH值和微粒含量分析在中国科学院寒区旱区环境与工程研究所冰冻圈科学国家重点实验室内完成，各种阴阳离子和电导率分析在中国科学院青藏高原研究所环境变化与地表过程重点实验室内完成.另外，通过理论分析，探讨了冰川内部富含水冰层的形成与演化，并阐明了其潜在的灾害效应.

2 结果与讨论

2.1 富含水冰层对冰川温度的影响

冰川内部冰层中若有大量未冻水存在，会使得该层冰体温度长期处在接近0℃的状况.这不仅会造成冰川温度沿垂直方向变化的复杂性（这对基于冰川钻孔温度资料来反演冰川表面温度的变化历史带来不利影响），而且会造成冰川温度随海拔变化［24］的复杂性.研究认为，我国亚大陆型冰川温度的活动层厚度在平衡线附近一般为15～20m［25］，而且在活动层底部附近的垂直温度梯度一般为0.1～0.2℃·m－1［26］.图4（a）是玉珠峰冰川Core 1和Core 2钻孔上部22m的温度测量结果.根据该资料，可以计算出玉珠峰冰川Core 1和Core 2钻孔在深度15～20m之间的垂直温度梯度分别为0.05℃·m－1和0.14℃·m－1.由此可见，玉珠峰冰川Core 1位置处冰川温度垂直分布受到了34.34～34.64m深度段富含水冰层的明显影响，而Core 2位置处的冰川温度垂直分布与我国亚大陆型冰川的温度垂直分布规律相一致.根据唐古拉山各拉丹冬冰川不同海拔处冰芯钻孔温度的测量结果（图4b），冰川活动层厚度范围内不同深度处的温度随高度的递减率值相对稳定（图4c），并且在1.29℃·（100m）－1附近变化，而玉珠峰冰川上部温度随高度的递减率值平均高达8.34℃·（100m）－1（变化于5.16～12.03℃·（100m）－1之间）.造成玉珠峰冰川积累区上部冰温随高度递减率值巨大的原因，除与Core 1（其位置海拔较低）冰川内部富含水冰层引起的该处冰温偏高有关外，还与Core 2（其位置海拔较高）位于地形遮阴处（图1）导致的该处温度偏低有关.

2.2 富含水冰层对雪冰气候记录与雪冰化学记录的影响

一般情况下，当温度高于共晶温度（eutectic temperature）时，混合物就呈液态，如硫酸水溶液的共晶温度为－73℃.在极地冰雪中，由于受到火山活动等的影响，其冰雪中含有硫酸等杂质.正是由于雪冰中这些杂质的存在，使得既是在南极极低温度下（南极Vostok站的温度为－55℃）的冰川冰晶粒之间的极小脉腔中存在液态水［27］.这种液态水在冰晶之间极小脉腔中的迁移，对于冰芯记录会带来一定的影响［28］.一般来说，随着冻结过程的发生，存在于冰晶之间液态水中的可溶杂质离子含量会增加，因为冻结过程是水分子结晶，其他可溶杂质离子会滞留在冰晶之间的未冻结水中，从而造成未冻结水中的可溶杂质离子浓度增加.随着未冻结水中可溶杂质离子浓度的增加，其结冰点也会随之降低.对于山地冰芯而言，如果表层粒雪存在消融，其下渗融水不仅会对其原始的稳定同位素记录带来极大的影响，而且会由于粒雪层中可溶杂质离子的淋溶迁移使其原始的雪冰化学记录受到破坏.

图5是昆仑山玉珠峰冰川Core 1冰芯中包含富含水冰层段的δ18 O变化特征.从图5可以看出，富含水冰层段中δ18 O的变化，与其上部冰层中δ18 O的变化相比，缺乏明显的波动变化特征.这说明含富含水冰层中未冻结水的存在，使得该段冰芯中δ18 O值趋于均一化，即冰内未冻结水的存在极大地改变了雪冰中δ18 O的原始变化信息.相关研究表明［29－31］，青藏高原北部冰芯中δ18 O变化主要反映气温的变化，并且冰芯中δ18 O值偏高（偏低）意味着气温较高（较低）.值得注意的是，玉珠峰Core 1冰芯中富含水冰层之上32.71～34.34m深度段冰芯中δ18 O平均值（－11.6‰）明显高于富含水冰层之下34.64～35.39m深度段冰芯中δ18 O平均值（－16.1‰）.这意味着玉珠峰冰川中富含水冰层的形成与气候变暖有关.最近的研究发现［32］，在积雪消融过程中其初始阶段的融水中δ18 O值一般较雪层中平均的δ18 O值为低.因此，玉珠峰Core 1冰芯富含水冰层（34.34～34.64m深度段）中较低的δ18 O值（平均值为－15.4‰），不仅可能与该层原始降雪中δ18 O值偏低有关，而且还可能与该层汇聚有其上层粒雪的融水（其中的δ18 O值会偏低）有关.

图6是昆仑山玉珠峰冰川Core 1冰芯中包含富含水冰层段的各种阴阳离子浓度、pH值、电导率以及微粒含量的变化情况.从图6可以看出，与该冰芯中富含水冰层中δ18 O值趋于均一化的特征不同，各种阴阳离子浓度在富含水冰层段不仅存在着变化性，而且一些离子的浓度值很高，如Cl－、NO－3、K＋、Na＋、Mg2＋.在富含水冰层段内，各种可溶杂质离子浓度的变化特征可能与其原始层位冰雪中可溶杂质离子浓度的变化有关，而相关可溶杂质离子的高浓度值应该与该层位的未冻结水有关.该层位的未冻结水应主要来源于该层位粒雪成冰前（当时该层位应位于冰川表面附近）表层粒雪消融产生的下渗融水.大量研究表明［33－35］，融水下渗会对粒雪中各种可溶杂质离子产生淋溶作用（即当表层粒雪发生消融时，干沉降于冰川表面或位于雪粒之间的一些杂质物质遇到融水后其可溶成分会很快溶解，同时存在于粒雪冰晶之间未冻水中的离子也会通过扩散进入雪粒之间的融水中.这些进入融水的可溶杂质离子会随融水下渗进入深部粒雪层，从而造成粒雪中可溶杂质离子的迁移和重新分布，并导致表层粒雪中可溶杂质离子因流失而使其相应离子的浓度降低，下层粒雪中因融水下渗带来可溶杂质离子的积累而使其相应离子的浓度增大.若最初的融水流出冰川往往会造成融水径流的“离子脉冲（ionic pulse）”现象），但不同地区粒雪中各种可溶杂质离子的优先淋溶顺序不尽相同.例如，挪威Folgefonni冰帽粒雪中离子的优先淋溶顺序是＞Mg2＋＞＞Cl－＞Na＋［33］，天山乌鲁木齐河源1号冰川的是＞Ca2＋＞Na＋＞＞Cl－＞K＋＞Mg2＋＞，青藏高原唐古拉山冬克玛底冰川的是＞＞Na＋＞Ca2＋＞Cl－＞Mg2＋＞K＋［35］.目前，关于不同地区粒雪中离子优先淋溶顺序存在差别的原因还不清楚，有待于进一步深入研究.前文指出，随着冻结过程的发生，存在于冰晶之间脉腔的液态水中的可溶杂质离子含量会增加，但对于整个冰层来说，在没有外来可溶杂质离子输入或离子流出的情况下其平均的离子含量会保持不变.因此，粒雪消融过程中的离子优先淋溶作用导致了相关离子在昆仑山玉珠峰冰芯中富含水冰层位置（当时该层位应位于冰川表面粒雪层的下部）的富集.冰芯中这种由离子优先淋溶造成的浓度峰值事件，使得人们已经不能从该层雪冰化学的分析结果来直接反演当时的大气化学状况，而只能用其指示曾发生了强的融化事件（即气候偏暖事件）.

为了研究昆仑山玉珠峰冰川Core 1处粒雪中可溶杂质离子的优先淋溶顺序，对图6中该冰芯不同深度段中各种离子的平均浓度进行了计算，结果见表1.从表1可以看出，除NH＋4离子外，玉珠峰冰川Core 1冰芯富含水冰层中其他离子的浓度均较其以上和以下冰层中的为高.富含水冰层中浓度较其上层的偏小，很可能与该层原始粒雪中含量较低有关，因为其下伏冰层中离子含量明显偏低（表1）.富含水冰层中各种可溶杂质离子的平均浓度与该层及其以上冰层中相应可溶杂质离子平均浓度的比值大小，可以反映不同可溶杂质离子受淋溶作用的影响程度大小，并且该比值越大的离子，说明其易淋溶程度就越大，反之亦然.通过比较玉珠峰冰川Core 1冰芯中各种可溶杂质离子浓度的这种比值大小，发现此处粒雪中可溶杂质离子的优先淋溶顺序为＞Mg2＋＞Na＋＞Cl－＞K＋＞＞Ca2＋＞.尽管淋溶作用可以使粒雪层中产生可溶杂质离子浓度的高值区，但是否冰芯中可溶杂质离子浓度的高值段均与淋溶作用有关，这值得探究.由于粒雪中离子淋溶顺序存在差异，所以这里我们提出利用研究地点最易淋溶的离子浓度与最不易淋溶的离子浓度之比值沿冰雪层深度方向的变化情况，来判断冰雪层中出现的离子浓度峰值区是否与淋溶作用有关.一般来说，该比值越大的层位，说明该层冰雪中离子浓度状况受淋溶作用的影响可能就越大.图7是玉珠峰冰川Core 1冰芯中最易淋溶的浓度与最不易淋溶的浓度比值随深度的变化，可以看出这两种离子浓度比值（］／［］）的峰值很好地反映了该冰芯中富含水冰层的位置，即受淋溶作用影响大的层位.

表2是昆仑山玉珠峰Core 1冰芯29.92～35.39m深度段各种离子浓度、pH值、电导率以及微粒含量之间的相关系数状况.从表2可以看出，不同化学成分之间的相关性是存在差异的.可溶杂质离子之间相关性越高，说明它们的来源或者传输路径越相同或相近.如Cl－和Na＋不仅高度相关，而且它们的含量比值（1.95）非常接近其在海水中的含量比值（1.8），这些很可能说明Cl－和Na＋受到海洋源的影响.与电导率相关性越高的离子，说明这些离子对电导率的影响越大.如Ca2＋和与电导率高度相关（表2和图8），这反映了在玉珠峰冰川中这两种可溶杂质离子对冰体电学性质存在重要影响（冰体的电学性质对利用电磁波来反演冰川内部结构特征具有重要意义）.另外，从表2中还可以看出，除与Mg2＋外，微粒含量与其他离子（包括Ca2＋）之间不存在显著的相关性.这对冰芯研究中将Ca2＋浓度作为大气尘埃载荷的指标具有很大的冲击性，因此对不同地点冰芯中Ca2＋浓度的环境指示意义值得进一步深入研究.

2.3 富含水冰层的形成过程与演化

青藏高原冰川内部存在富含水冰层不是玉珠峰冰川所独有的特征，如引言中曾提到各拉丹冬冰川的状况.另外，2005年在黄河源区阿尼玛卿山耶和龙冰川上钻取冰芯时，均因冰川内部含水冰层中水渗入钻孔，而导致无法继续利用机械钻进行冰芯的钻取.在耶和龙冰川海拔5265m处钻取冰芯时，发现该点16m深度处存在富含水冰层；在该冰川海拔5190m处钻取冰芯时，又发现在53m深度处出现了富含水冰层.耶和龙冰川上这两个冰芯的位置相距不到400m，但富含水冰层出现的深度位置却差别较大，应不属于同一富含水冰层.这进一步说明，冰川内部富含水冰层应呈透镜状分布.尽管目前无法判断上述各冰川冰芯钻取点冰内富含水冰层的空间分布范围（这有待于将来利用GPR等手段进行探测与研究），但可以肯定在青藏高原一些冰川内部的确存在富含水冰层.

由于冰川具有运动的特征，而且冰质点的运动方向在积累区有向下的分量，而在消融区有向上的分量，这使得冰川内部（而不是冰下）富含水冰层的形成区域只能位于积累区.当气候变暖时，积累区表层粒雪的消融会加剧，融水下渗的深度也会增加.当粒雪表层融水可下渗到粒雪层下部的隔水层（粒雪内的冰层或粒雪－冰转换的界面）时，如果该隔水层向下游方向倾斜，则融水会流出粒雪层或重新冻结在粒雪层中；如果该隔水层存在一个下凹面，那么融水就会在该处聚集，形成一个饱水粒雪层（图9a）.当表层粒雪层薄时，这个饱水粒雪层可能会演化为冰面湖.如，2004年在天山乌鲁木齐河源1号冰川东支的顶部就发现了一个冰面湖存在［36］，2013年在昆仑山求勉雷克塔格冰川考察时，也发现在该冰川上部海拔5400m的冰面凹处存在一个冰面小湖.随着时间的推移和冰面物质的积累，这些冰面湖将会被厚层粒雪所充填，并形成饱水粒雪层.如果后期气候变冷并且饱水粒雪层内的水又不能完全冻结的话，那么随着成冰过程的发生，饱水粒雪层就变成了冰内富含水冰层（图9b）.随着冰川的运动，初始形成于积累区的冰内富含水冰层会运动到冰川下部的冰床附近（图9c）.当富含水冰层位于冰床附近时，在上部厚层冰川冰的巨大压力下，这一富含水的柔软冰层将产生大的应变；如果冰床坡度较陡且富含水冰层范围大的话，在应变积累到一定程度后或受外部因素诱发（如地震、雪崩、岩崩等），将可能会导致下部冰川体的突然断裂与滑脱（图9d），并对下游地区带来灾难性的影响.2004年2月阿尼玛卿山晓玛沟冰川的突然断裂滑脱，导致其冰前湖溃决并形成泥石流，掩埋超过300hm2的夏秋草场，并且滑脱冰体向下游方向下滑近4km后阻塞曲什安河上游河道，形成堰塞湖.后来该堰塞湖溃决，对下游道路造成了破坏.晓玛沟冰川的突然断裂滑脱很可能就与冰下富含水冰层的存在有关.因此，开展距居民点、道路和桥梁等较近冰川的含水量状况及其分布与冰川运动状况等的监测与研究，是防灾减灾的一项重要内容.

3 结论

冰川中未冻水（液态水）的存在及其含量与分布状况，对冰川的物理与化学特征具有重要的影响.深入研究冰川中未冻水的形成、迁移、转化及其影响，对于我们更好地理解冰川的宏观行为和正确地理解冰芯气候环境记录具有重要的作用.本文着重研究了在青藏高原冰芯钻取过程中所发现的富含水冰层的状况.通过分析，认为青藏高原冰川内部富含水冰层形成于冰川积累区，并在其形成初期时气候较暖、表层粒雪消融较强.换言之，青藏高原冰川内部富含水冰层的存在，表明其形成初期气候相对较暖.受暖期时表层粒雪融水下渗的影响，粒雪层中可溶杂质离子会发生淋溶作用，致使富含水冰层中可溶杂质离子浓度明显偏高.随着冰川的运动和时间的推移，如果冰川内部富含水冰层运动到冰川下部冰床处时，由于其柔软性即冰体含大量水导致的其应变率剧增，很可能会造成下部冰川体的突然断裂甚至滑脱，给下游地区带来灾害.本文研究还表明，冰川内部富含水冰层的存在会对冰川温度场产生重要的影响，而且富含水冰层在冰川内部的分布呈透镜状.有鉴于此，在利用冰川钻孔温度恢复冰面温度变化时，应首先确定该钻孔附近是否存在富含水冰层对该钻孔温度的影响，否则基于钻孔温度恢复的冰面温度变化就很难代表冰面温度变化的实际情况.值得注意的是，在昆仑山玉珠峰冰芯富含水冰层中，许多可溶杂质离子浓度明显偏高，但电导率值并没有出现异常的峰值（图6）.这意味着在利用电磁波方法来研究冰川不同层位的含水量状况时，开展冰中不同可溶杂质离子浓度等对冰体电学／电磁学性质的影响研究是十分重要和必要的.

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