乌鲁木齐河源1号冰川的冰芯记录：中国山地冰川雪冰演化过程

冰冻圈是地球表层连续分布且具有一定厚度的负温圈层，亦称冰雪圈、冰圈或冷圈，是以固体形式存在于地表的水，包括海冰、河冰、湖冰、积雪、山地冰川、冰盖和冻土（包括多年冻土）等。它和大气圈、水圈、岩石圈、生物圈一起组成地壳表层的五大圈层，共同构成全球变化的复杂系统。冰冻圈内的水体处于冻结状态，其在大气圈内位于0℃线高度以上的对流层和平流层内，在岩石圈内位于寒区从地面向下一定深度（数十米至上千米）的表层岩土。依据冰冻圈形成发育的地域条件，中国科学家将地球冰冻圈划分为以冰川（含冰盖）、积雪、冻土、湖冰、河冰等为主体的陆地冰冻圈，以海冰、冰架、冰山和海底多年冻土为主体的海洋冰冻圈，以及大气圈内处于冻结状态的水体构成的大气冰冻圈。

冰冻圈内的固态水体是地球上最大的淡水水库。资料表明，陆地冰冻圈储存着全球75%以上的淡水。冰川和冰盖约占全球淡水资源的70%。如果格陵兰冰盖、南极冰盖和山地冰川全部融化，相当于使全球海平面分别上升7.36、58.3和0.41 m。冰冻圈是气候系统五大圈层之一，在气候变化科学、环境科学、地球科学等自然科学领域，在生产实践、社会经济和可持续发展中都有重要地位。

冰川是冰冻圈的重要组成部分，是寒冷地区多年降雪积累、经过变质作用形成、在重力作用下有一定运动的自然冰体，被称为固体水库，和积雪融水共同成为寒区径流的主要来源之一。冰川以冰为主体，还包括一定数量的空气、液体物质、岩屑和人类活动释放的微量物质。冰川主要分布在南极地区、北极地区和中低纬度的高山。按冰川形态和运动特性可将冰川分为大陆冰盖和山岳冰川，其中山岳冰川按其发育的水热条件和物理性质又可分为大陆型冰川、亚大陆型冰川和海洋型冰川，或者称为冷冰川、冷温复合冰川和温冰川。冰川是气候的产物，也是很好的气候指示器，同时对气候又具有强烈的反馈作用，两者关系较为密切。降水、气温及其组合是影响冰川发育的主要气候因子，降水决定冰川积累，气温决定冰川消融，因此降水的多寡及其年内分配和年际变化影响冰川的补给和活动性，而气温的高低影响成冰作用和冰川融水，气温和降水共同决定冰川的性质和发育演化。根据《中国冰川目录》11卷21册的冰川数量的最终统计，中国共发育冰川46298条，面积59406 km2，冰储量5590 km3，其总面积分别占全球冰川（冰盖）总面积的0.4%，世界山地冰川的14.5%，亚洲山地冰川面积的47.6%。

联合国政府间气候变化专门委员会（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）报告，20世纪全球地表平均气温升高了0.6℃，由此造成包括冰川在内的冰冻圈变化十分明显：1993—2010年期间陆地冰冻圈的冰量减少，全球海平面平均每年上升1.36 mm。北半球中高纬度地区河湖每年的结冰期减少了约2个星期，山岳冰川广泛消退。20世纪60年代以来，雪盖面积大约减少了10%。20世纪50年代以来，北半球春夏海冰面积减少了10%～15%。在最近的几十年，北极夏末至秋初的海冰厚度可能减少了约40%。在目前所有IPCC场景预测模式下，未来的气温还会持续上升，上述变化还会加剧，并对人类生存环境、持续发展产生更加深刻的影响。冰冻圈变化直接影响到冰雪水资源利用、寒区生态环境安全和冰冻圈灾害发生的程度和影响范围，也关系到冰冻圈地区的工程建设。随着全球气候持续变暖，冰雪冻土灾害发生频率也将增加，影响范围逐渐扩大，冰冻圈将发生巨大变化，由此带来的水资源安全、生态环境安全、自然灾害及工程建设等问题也会日益凸显。(www.xing528.com)

这一系列的变化对冰芯记录的影响也是显著的。冰芯记录主要是指大气中的不溶微粒和化学物质（气溶胶）在大气环流和降水等因素的作用下以干、湿沉降的方式降落至冰川上，在经历一系列的沉积后过程（post-depositional processes）而最终保存在冰川冰中形成具有一定规律、与当时气候条件和环境密切相关的资料记录。大气粉尘和化学物质在形成冰芯记录之前是很活跃的，其变化很可能决定了冰芯记录的分辨率，一旦进入冰川内成为冰芯记录以后，就会趋于稳定而被保存。对冰芯记录解释的一个基本假定之一就是后沉降变化过程对冰芯记录的影响可以忽略不计。这在两极地区对取自冷渗浸-重结晶带的冰芯来讲是可行的。在这种条件下，降雪主要通过物理密实化过程实现成冰，成冰深度可以达到70～90 m。在这一转化过程中，大气与雪层间的物质交换是沉积过程的主要表现形式。融水仅可以在粒雪内形成一些小的冰片，其作用可以忽略。然而，对于中低纬度山岳冰川来讲，情况则大不相同，除了少数冰川属于渗浸-重结晶成冰作用外，多数冰川则以渗浸—冻结的形式成冰。这一成冰过程最大的特点便是融水参与。其基本过程是在夏季消融季节冰川表面会形成微融水，这些融水向下渗浸，遇冷在粒雪层内形成冰片、冰层，或达到粒雪底部与粗粒雪胶结形成粒雪冰。在形成粒雪冰以后，粒雪与大气隔绝，被封闭起来，记录得以保存。粒雪冰在进一步的冰川动力变质作用下转换为冰川冰。

气溶胶物质在沉积之后会发生两方面的变化：一是一些易于挥发的物质如NH4与大气的相互交换作用；二是大多数比较稳定的物质如Ca2+、Mg2+和不溶微粒在雪-粒雪-冰川冰演化过程中，尤其是融水参与下发生的变化。对后者而言，融水对粒雪层内化学成分的影响是巨大的，可以对雪层内不溶性物质进行搬运，更主要的是对可溶性成分有着很大的影响。融水对可溶性成分具有淋溶作用，这些可溶性成分会随着融水的迁移进行再分布。根据研究，雪层中的30%消融，便会造成90%的可溶性离子丧失；另一方面，在粒雪消融形成融水、融水冻结成冰的相变过程中，其所包含的同位素也会发生重新分流，进而造成同位素成分的改变。当融水过多，在冰面上形成微弱径流，其裹挟的化学成分也随之流失，这便会干扰冰芯记录的形成过程，使其产生很大不确定性。

为了更深入地理解冰芯记录的形成过程及其对气候环境的指示意义，有必要系统地梳理雪冰演化的物理和化学过程。