第24章 冰川堆积(7)

冰上融出碛与冰下融出碛在粒度方面另一个重要区别是：冰下融出碛在搬运时磨蚀挤压产生破碎形成相对较高的粉砂比例，大多超过总含量的20%，而冰上融出碛这类破碎很少，多为寒冻风化破碎，因此砂含量高，大多超过总含量的80%，粉砂含量则大多少于20%。两者在细颗粒含量上的差别也是不同动力过程在粒度方面的反应。

六、小结

通过冰碛物粒度结构的研究，得出如下两点认识：

（1）山谷冰川冰碛物的共同特点是分选很差，偏态值有正有负，范围广，平均值和峰态值偏小。冰碛物的粒度分布与形成年代及基岩岩性的关系比较少，主要受冻融风化岩屑的加积和冰床挤压磨损的控制。在位置上，冰川源头的加积作用超过了压碎和磨损作用。从源头向下，情形相反，颗粒的压碎磨损变得更为重要，而加积的重要性相对减少了，其特征是粗岩屑的消耗和细颗粒的增加。

（2）认识冰川环境的一个重要的方面是冰碛物，而粒度分布是沉积物最基本的物理特性。它不仅可以用来区分冰川和非冰川环境，而且可以对环境作出定性的或定量评价。这对古冰川的研究，特别是对在成因上有争议的沉积物或沉积岩的研究很有价值。

自从数理方法在粒度分析中得到广泛应用以来，粒度分析在沉积环境的判别方面有了很大进展，不同作者在各个沉积领域中都获得了成功。但同时，仅用任何一种方法来研究沉积环境，是有局限性的，必须与其他方法配合，才能得到正确结论。

（第五节）冰碛物的微观研究

一、冰碛物孔隙分析冰碛微结构有许多学者进行了研究，如Sitler（1955）、Evenson（1971）、Derby shire（1981）、Love和Derbyshire（1985）、唐永仪（1990）、VanMeer和Laban（1990）、崔之久和易朝路（1994）。虽然VanMeer和Laban（1990）用薄片法研究北海的冰碛物微观特征时提及线状孔隙的存在，另外从Derbyshire（1981）和Love等（1985）提供的冰碛扫描电镜照片上也可以看到微孔隙和超微孔隙，但详细的研究尚未进行。本节选择中国西部的两个山地末次冰期的冰碛物系统地进行孔隙分析（崔之久等，1994）。

1.样品采样制备

喀纳斯河流域位于阿尔泰山南坡，样品采自喀纳斯湖湖口附近海拔1400m左右的末次冰期的冰下融出碛和滞碛中。滞碛紧靠湖口，表面平坦，结构致密，粉砂含量高，砾石呈“悬浮”状，定向明显。冰下融出碛位于湖口以下约1.5km处，表面呈丘状起伏，结构也较致密，粉砂含量不如滞碛高，砾石也呈“悬浮”状，也有定向性。

乌鲁木齐河源区位于天山中部天格尔山主脉北坡。区内山脊海拔一般为4100—4300m，现代雪线海拔4000—4100m，发育有冰斗冰川、小型山谷冰川和悬冰川，冰舌末端海拔为3650—3700m，第四纪冰川遗迹的分布下限为2900m。样品采自上望峰的冰下融出碛和冰上融出碛以及哈依萨的滞碛中。滞碛结构致密，砾石呈“悬浮”状，定向明显。冰下融出碛结构也较致密，砾石呈一定的“悬浮”状，定向明显。

在野外，将选好的标本在野外用快干胶封固后携回实验室。具体步骤如下：将谷地开口方向用箭头标在剖面上或标本顶面，然后从剖面上取下一块5cm×5cm×5cm、带有箭头的立方块，将“502”胶水注到样品周围。如果样品非常松散，注胶则在剖面上直接进行。注胶后的标本易于完好无损地携回实验室。

每块标本制作了2—3片相互垂直的切片（图378），一片是平行地面的水平切片，另一片是垂直地面平行冰流的纵向切片，再一片是垂直地面垂直冰流在水平面上投影的横向切片。

2.孔隙的大小

本节所讨论的孔隙是通过薄片观察到的，并不代表孔隙的真正大小，仅仅是孔隙的视短轴或面积大小。选用孔隙视短轴长度来表征孔隙大小的特征是因为孔隙受压后易变形，长轴变形小，短轴的变化才能较好地反映这种受压后的变化。

孔隙可以粗分为颗粒之间或颗粒集合体之间的孔隙或孔洞，用肉眼或光学显微镜可以观察到基质颗粒间的孔隙。冰碛中孔隙的大小变化非常大，从小于1μm的超微孔隙到2mm以上的大孔隙。但是绝大多数孔隙的长短轴均在1mm以下。为了使孔隙的大小分类和沉积岩中颗粒的值分级对应，并考虑到冰碛物的特点和肉眼、光学显微镜分辨范围，拟以表311作为冰碛物的孔隙分类。孔隙大小等级的基本单元是按每间隔1值划分的。将肉眼看得到的孔隙，即孔径大于0.5mm的孔隙称之为大孔隙；将肉眼难以观察到，但在偏光显微镜下观察到的孔隙，即孔隙径在0.032—0.5mm，称之为微孔隙；将在偏光镜下难以观察到，但在电子显微镜下能观察到的孔隙，称之为超微孔隙。每类孔隙中又按级划分成若干次一级孔隙大小类型。

天山乌鲁木齐河源和阿尔泰山喀纳斯河流域不同类型冰碛的孔隙数量频率分布情况是不完全相同的。微孔隙和大孔隙主要分布于乌鲁木齐河源的冰上和冰下融出碛中。喀纳斯河流域的冰下融出碛和滞碛中一般不出现大孔隙，微孔隙也很少。冰上融出碛孔隙孔径大小分布范围广，在2—3处有一峰值，呈宽峰态。冰下融出碛和滞碛在3—4处有一明显峰值，呈尖峰态。滞碛孔隙集中于4以下的粒级中。

3.视孔隙度

冰碛的视孔隙度是指薄片上视孔隙面积与整个标本面积之比值。表312显示三种类型。冰上融出碛的视孔隙度高，有大量孔隙存在，滞碛的视孔隙度低，孔隙数量少。

冰下融出碛的视孔隙度和孔隙数量介于冰上融出碛和滞碛之间（图379）。

4.孔隙形态

（1）定性描述。孔隙在薄片上的表现形态是多种多样的。微孔隙和大孔隙的主要类型有：近圆形、扁豆形、椭圆形、蠕虫状、哑铃形、线状、三角形、四边形及多边形等不规则形态，超微孔隙主要是近圆形的孔隙（图380）。

（2）定量描述。拟以表313作为冰碛物孔隙形态的定量分类指标。

1.天山冰上融出碛中的圆孔隙，水平切片，正交偏光，×4；2.天山冰下融出碛的扁豆状孔隙，水平切片，正交偏光，×4；3.阿尔泰山滞碛中的椭圆形孔隙，纵向切片，正交偏光，×4；4.天山冰下融出碛中的蠕虫状孔隙，纵向切片，正交偏光，×4；5.天山冰下融出碛中的哑铃形孔隙，纵向切片，正交偏光，×4；6.天山冰上融出碛中的线状孔隙，横向切片，正交偏光，×2.5，加石膏试板；7.天山冰上融出碛中的矩形孔隙，横向切片，正交偏光，×4；8.天山冰上融出碛中的不规则孔隙，纵向切片，正交偏光，×4；9.阿尔泰山滞碛中的超微孔隙（SWM）（3）三种不同类型的冰碛物的孔隙特征。所观察的三种类型的冰碛物具有不同的孔隙特征。乌鲁木齐河源冰上融出碛的孔隙多且大，具有较好的连通性。形态多不规则，形态指数大于1.5。其次的孔隙形态是三角形、矩形、近椭圆形等，形态指数在1.0—1.5。较规则的圆孔隙极少。各个方向的切片上孔隙形态特征基本一致，看不出孔隙形态在不同方向上的规律变化。此外，在薄片中还能观察到线状孔隙，其形态指数大于2.8。

乌鲁木齐河源和喀纳斯河流域的冰下融出碛和滞碛的孔隙形态有两种主要类型。一种是圆形和椭圆形孔隙，孔隙形态指数小于1.1；另一种是扁形或椭圆形孔隙，形态指数大于1.5。圆形孔隙主要在水平切片上观察到少量圆形或近圆形孔隙。扁形和椭圆形孔隙主要在纵向切片上和横向切片上观察到，在纵向切片上和横向切片上也可以观察到，其长轴有趋于平行地面的趋势。在乌鲁木齐河源冰下融出碛的水平切片上也能观察到少量长轴垂直冰流的扁孔隙。这说明孔隙的立体形态主要是扁椭球形或是圆形，由两个长轴组成的扁平面向上游或下游倾斜（图381）。喀纳斯河流域的冰下融出碛主要是扁形或椭圆形孔隙和圆孔隙。乌鲁木齐河源冰下融出碛除了有这几种孔隙以外，还有少量不规则孔隙，且孔径大。喀纳斯河流域滞碛的孔隙形态与该地冰下融出碛类似，孔隙孔径略小一些。

5.孔隙成因

孔隙的大小和形态与冰碛的搬运和沉积过程以及冰川的规模等有密切的关系。导致冰碛孔隙成因的有以下直接原因：

（1）静冰压力和冰川运动。冰碛在搬运和沉积过程中有沉积层厚度产生的自重压力和冰川向前运动时产生的推挤力。

在冰碛表面的孔隙形态仅取决于碎屑在自由空间的接触方式。表碛底部仅受到冰碛层自重的压力影响，所以冰上融出碛孔隙大，形态多样，且以不规则形态孔隙为主。

两地末次冰期的冰下融出碛厚度一般都不大，仅几十米。乌鲁木齐河源末次冰期冰川的厚度为200—300m；喀纳斯河流域末次冰期冰川的厚度为300m左右，故对冰碛孔隙形态和大小影响大的是静冰压力。冰川厚度越大，静冰压力越大，孔隙越小，这就是为什么冰下融出碛孔隙小的原因；这也就是为什么喀纳斯河流域的冰下融出碛微孔隙很少，而乌鲁木齐河源冰下融出碛微孔隙较多的原因。孔隙受压后，形态发生了很大变化。在静冰压力作用下，孔隙被压扁，变规则。故在垂直切片和水平切片上观察到大量扁形和椭圆形孔隙，而在水平切片上观察到大量圆孔隙的原因（图381）。事实上，在水平切片上也可以观察到一些圆形孔隙，在其他两组切片上可以观察到圆孔隙。说明冰碛在冰床上顺坡运动时速度和介质是不均匀的，产生局部的压力差，使部分孔隙被压扁。

当冰川底部的冰床为逆向坡，并且βi倾角较大时，此时碎屑的受力状况是另一种情形。考虑斜面上一个微小立方体受力情况，由于冰碛物厚度很薄，立方体位于冰岩界面附近，故忽略沉积层自重产生静压力影响。它受到的静冰压力只和冰川推挤力Pm在斜面上正压力分量之和有关。当冰川沿冰床上较大的逆向坡运动时，当逆向坡角的正切为推挤力和静冰压力之比时，最大压力值为静冰压力和推挤压力的分别平方和之开平方，不小于静冰压力。在这种条件下易形成滞碛，它所受正压力为：

P0＝Picosβi+Pmsinβi—Pw

当孔隙压力不变时，滞碛所受到的正压力比等厚度冰川作用下的冰下融出碛大，因此，孔隙小。随着孔隙水被挤出，P0值增大，使孔隙缩小，直至孔隙封闭。此时，随着压力的增加，孔隙压力也增大，P0值下降，孔隙缩小到一定程度后不再变化，因此，滞碛的孔隙非常小，为闭合的微孔隙。

（2）其他因素。冰上融出碛的孔隙，其成因可能还与碎屑间的冰体融化有关。对于冰上融出碛的线状孔隙，其成因也可能是由于冻胀作用造成的。

（3）次生变化。对于其他类型冰碛的线状孔隙或裂隙，其成因可能是冰碛沉积以后受冻胀作用或地震作用造成的，也有如VanMeer和Laban（1990）认为的，是冰碛脱水收缩产生的。

二、冰碛物的微结构

国内外已有许多学者对冰碛微结构进行了研究。国外学者大多研究的是冰碛物的长轴微组构（Derbyshireetal，1985）以及利用微结构研究动力性质和过程（Kamaletal，2010；Menziesetal，2003）。国内报道了太白山的冰上融出碛的微结构（唐永仪，1990）。国外学者多用“microfabric”一词来称呼冰碛物的显微结构，但也有使用土壤学家描述土壤微形态的“结构”和“构造”等术语。考虑冰碛是一种未固结的碎屑岩，因而，主要是参照沉积岩石学的描述术语并结合冰碛物自身的一些特点而定义和命名冰碛物的显微特征的。其特征分为5大类：表面特征、结构、构造、组构和孔隙（易朝路，1994）。

（一）样品的采集和薄片标本的制备

采样点的环境同（第一节）。共采集24块标本，每块标本制作了2—3片相互垂直的切片，一片是平行地面的水平切片，另一片是垂直地面平行冰流的纵向切片，再一片是垂直地面垂直冰流在水平面上投影的横向切片。

（二）显微结构特征

显微结构特征研究，在冰碛研究中已是常用而有效的方法（Evenson，1971）。

1.表面结构

（1）棱角状。棱角状表面结构系指碎屑外形呈棱角状，基本没有圆化现象。

（2）次棱角状。具有次棱角状表面结构特征的碎屑棱角已被部分磨蚀掉。

（3）次圆状和圆状。这两种表面结构出现于喀纳斯河流域冰下融出碛和滞碛中。

有时可见到滚圆的粗碎屑，系冰期前湖泊沉积物。

（4）破裂状。通常是单矿物碎屑发生破裂而尚未分开，破裂面完整保留，破裂面常只有一个，出现于各种冰碛中。

（5）碎裂状。这是矿物聚合体沿矿物之间的晶面破裂形成的一种结构。通常有多个破裂面，呈放射状。见于喀纳斯河流域的冰碛中。

（6）毡毛状。这是指碎屑表面不平，像茸毛一样，主要出现于滞碛中，在冰下融出碛中也能见到。

2.表面特征的成因（1）压碎与磨蚀作用。冰川的压碎与磨蚀现象，在宏观上和通过扫描电子显微镜在微观上已为许多学者所证实。压碎作用形成冰下融出碛和滞碛的破裂状、碎裂状和棱角状表面结构。碎屑间彼此摩擦将碎屑的棱角磨掉，形成毡毛状表面结构。

（2）冻胀过程。冰上融出碛在形成过程中和形成以后与大气直接接触多，经受较大的温差变化，加上有融水参与的反复冻融，使得冰面碎屑沿其软弱的结构面（如矿物的晶面、片理面和微裂隙面），特别是有水分渗透到软弱面中发生冻胀作用时，易裂开形成破裂状和棱角状表面特征。

（3）斜坡过程。冰上融出碛碎屑沿冰川表面的斜坡滑动和滚动，发生碰撞而破裂，形成破裂状和棱角状表面特征。

图384天山和阿尔泰山冰碛显微结构图谱（根据显微照片绘制。易朝路，1994）（4）其他因素。冰期前沉积物的表面特征在冰碛中可以部分被保留下来，古冰川将哈纳斯湖冰川前期的河湖沉积物推挤到喀纳斯湖湖口沉积，使得冰碛中含圆度极佳的细碎屑，保留着圆状表面特征。

3.微结构

（1）支撑结构。支撑结构系指颗粒彼此接触形成的一种结构，在×2.5到×4.5的低倍镜下即可以观察到，分为3种类型。一种是点支撑（图384之1、3、7），颗粒间以棱角相互支撑着，大孔隙常与之伴生。另一种是点边支撑（图384之2、4、9），颗粒的棱角与其他颗粒的棱边彼此支撑着，大孔隙也与之伴生。还有一种是边支撑（2）悬浮结构。“悬浮结构”系粗碎屑被细碎屑包围并支撑的一种微结构，故亦称为基质支撑。