专栏51冰川磨损的直接观测和测量

直接观察活动中的磨损是极其困难的，因为这涉及到在冰川中挖掘隧道以进入底部空洞。一些最早的观测是博尔顿(1974)的观测，他描述了玄武岩碎片在一个岩石上的运动大玄武岩羊背石冰岛东南部Brei9amerkurjokull火山地表下20米处。从冰川底部移除玄武岩碎片，并检查了与河床接触的表面。碎片在三处与床面接触，在接触点之间被碾碎的碎片被犁到前面。碎片产生的条痕可以追踪3米。最大的条纹迅速加深至3毫米，但随后逐渐变浅至1毫米。Boulton(1974)将这种深度的减少与破碎碎片的堆积联系起来，后者将界面处的载荷分散到更大的区域。粉碎碎片层的形成被认为导致了运动性质的变化，从一个颠簸的“粘滑”运动，到一个相对均匀的滑动运动——粘滑运动产生了一个碎片毯，粒子随后在上面滑动。当地毯被粉碎时，碎屑将再次与床接触，从而重新切割条纹。这也许可以解释条纹的消失和再现。这些观察表明有两种研磨过程:(i)切割纹纹; and (ii) polishing of the bed by fine debris that is ploughed up when a striation is cut. Boulton (1974) went on to measure the rate of abrasion by cementing rock and metal plates to bedrock surfaces adjacent to basal cavities beneath Brei9amerkurjokull in Iceland and the Glacier d' Argentiere in the French Alps. These plates became quickly covered by basal ice and were later recovered for inspection (see Table below). Boulton's results have now been supplemented by measurements beneath 200 m of ice at Engabreen, Norway (Box 5.2). Here, Cohen et al. (2005) measured the friction between the debris in basal ice and a smooth tablet of rock inserted under the glacier. The ice contained 10% debris by volume and exerted local shear traction of up to 500 kPa. Calculations show that the shear traction due to the friction between the debris and the bed is around 100 kPa at Engabreen. These authors concluded that the friction between debris in basal ice and the bed is much higher than previously assumed and is sufficient to have a retarding effect on rates of glacier sliding.

位置	平均磨损率		冰厚度	冰速度
	(毫米年)		(m)	(m yr1)
	大理石板	玄武岩板
(电子邮件保护)1	3.	1	40	9.6
(电子邮件保护)2	3.4	0.9	15	19.5
(电子邮件保护)3.	3.75		32	15.4
冰川d 'Argentiere	36		One hundred.	250

资料来源:博尔顿，G.S.(1974)冰川侵蚀过程和模式，在冰川地貌(编。D.R.科茨)，第五届年度地貌研讨会论文集，宾厄姆顿，艾伦和昂温，伦敦，第41-87页。Cohen, D.， Iverson, N.R.， Hooyer, t.s.等人(2005)硬层冰川的碎屑摩擦。地球物理学报-地球表面，110,F02007。

资料来源:Boulton, G.S.(1974)冰川侵蚀过程和模式，载于《冰川地貌学》(D.R. Coates主编)，《第五届年度地貌研讨会论文集》，宾汉普顿，Allen & Unwin，伦敦，第41-87页。Cohen, D.， Iverson, N.R.， Hooyer, t.s.等人(2005)硬层冰川的碎屑摩擦。地球物理学报-地球表面，110,F02007。

5.1.1基础接触压力

这可能是决定速度的最重要的变量冰川磨蚀．拿一块木头用砂纸打磨来做类比，你在木头表面压得越用力，木头磨损得就越快。在冰川中，这是在底部运输的碎屑与下面的冰川床之间的接触压力:压力越大，磨损就会发生得越多。然而，关于是什么控制了这种接触压力和基底碎屑的运动，有两种不同的观点。第一种观点是由杰弗里·博尔顿提出的，第二种观点是后来由伯纳德·哈雷特提出的。

1.博尔顿模型。该模型假定与冰床接触的颗粒之间的接触压力与有效法向压力有关。正如我们在第4.6节中所看到的，这是一个函数:(i)由上面冰的重量给出的法向压力;和(ii)基础水压力，它通过使冰川浮起而与上覆冰的重量相反，类似于液压千斤顶的作用。因此，当:(i)冰层很厚;(2)基础水压较低。最后一点很重要，因为在冷基冰川中，冰床上几乎没有融水，有效法线压力将比同样厚度的暖基冰川高得多。同样，暖基冰川下的基岩岩性也可能很重要。

多孔岩石上的有效法线压力要高得多，因为这将降低基础水压力(见第4.6节)。如果床层不是水平的，例如有基岩障碍物，则有效法线压力被修正为与流经障碍物的冰的压力相等的量(图4.6:见第4.6节)。

在博尔顿模型中，有效法向压力控制着磨损速率。随着有效法向压力的增加，磨损也会增加，因为冰底部的碎屑被更用力地推向床层。然而，随着有效法向压力的增加，碎屑与床层之间的摩擦也会增加，这种摩擦最终将开始减缓颗粒的运动，而支撑颗粒的基面冰将开始围绕碎屑流动。当这种情况发生时，磨损将开始减少，尽管有效法向压力仍在增加。因此，如果所有其他变量保持不变(例如，滑动速度)，那么磨损将首先随着有效法向压力的增加而增加，然后减少，直到碎屑与床层之间的摩擦停止移动并滞留。

2.哈莱特模型。该模型假定破碎岩在基面运移过程中的接触压力与有效法向压力无关。这一理论是基于这样一个前提，即碎屑完全被冰包围，可以认为它们基本上是漂浮在冰中。发生这种情况的原因是，由于上部冰的重量，碎屑周围的冰会因蠕变而变形，因此基岩实际上一直被冰包围着。在这种情况下，碎屑与冰川床层之间的接触压力是冰向床层流动的速度的函数，迫使碎屑与床层接触。这取决于:(i)的速率基底融化；以及(ii)延伸的存在冰川流．在这个模型中，磨损与有效常压的变化无关，主要是基面熔化的函数。正如我们在第3.4节中看到的，有利于基底融化的因素有:(i)冰的快速流动，产生大量的摩擦热;(ii)厚冰;(三)冰面温度高;(iv)暖冰向冰床的平流。

我们将回到下面关于基础接触压力的两种不同观点，因为围绕它们已经发展了两种非常不同的冰川磨损模型。

5.1.2基础滑动

的比率基底滑动控制基底碎片物理拖动穿过下方表面的速率，因此基底滑动速率越大，磨损量就越大。用砂纸来比喻，你来回移动砂纸的速度越快，木头磨损得就越快。基础热态是重要的(见第3.4节)，因为在冷基冰川下滑动并不普遍，这些冰川磨损河床的能力较弱(见方框6.8和6.9)。

5.1.3岩屑的浓度和供给

基面冰内碎屑的浓度也控制着磨损的速率。冰本身不会造成明显的磨损——它需要内部的碎片来做到这一点。然而，磨损的速度并不是简单地通过增加地基碎屑的浓度来增加的。事实上，有人认为在地基碎片相对稀疏的地方，磨损是最有效的。这是因为基底碎屑增加了冰与床层之间的摩擦阻力，从而降低了滑动速度。有相对干净的基底冰的冰川比有大量基底碎屑的冰川滑动得更快。岩屑浓度存在一定的阈值，超过该阈值，由于其对基础滑动速率的不利影响，磨损率随着岩屑含量的增加而下降(图5.1)。

图5.1冰川底部滑动速度与碎屑浓度关系示意图

地基碎屑的类型和形状也很重要。有些岩石比其他岩石更耐久，由坚硬或耐蚀岩性形成的基底碎屑武装起来的冰川比由相对柔软的岩性武装起来的冰川更有效。最有效的组合发生在冰川携带着来自硬基底的碎片在相对柔软的岩性上流动。如果碎屑比基底更软，则几乎不会发生磨损，因为侵蚀首先会优先减少基底碎屑的大小。基底碎屑的形状也很重要，因为锋利的碎屑能在基岩上留下更深的切口，而不是那些钝点或边缘更圆的碎片。实验室观察表明，与床层接触的碎屑经常旋转或翻转，这有助于提高它们的寿命侵蚀性的冰川下的工具。

持续供应基底碎屑也很重要，因为基底碎屑很快就会被磨损和粉碎。为了使磨损有效，必须不断地更换基底碎屑。这可能发生在:(i)新鲜的夹带冰川碎片在冰川床上;或(ii)基底融化，使碎屑逐渐通过冰川向河床下落(见第7.2节)。

5.1.4磨损模型

关于冰川下基岩与基岩接触压力的性质和控制，我们已经看到了两种不同的观点。博尔顿和哈里特都建立了数值模型，用来预测冰川磨损的模式和数量。这两种模式非常不同。

博尔顿磨损模型假设冰川底部岩石颗粒的接触压力是法向有效压力的函数。因此，他的模型预测磨损将受到以下因素的控制:(i)有效法线压力;(ii)冰速。有效常压由冰层厚度和基础水压控制(见第4.6节)。在Boulton模型中，磨损和这两个变量之间的关系如图5.2所示。该图显示，对于给定的冰，随着有效法向压力的增加，磨损速度增加到一个峰值，然后迅速下降到零，因为碎片和床层之间的摩擦足以阻碍冰的运动

图5.2 Boulton磨损模型图形表示。该图显示了不同冰速下的理论磨损率与有效法向压力的关系。在A区，磨损率随压力的增加而增加，而在B区，磨损率随压力的增加而下降。C区位于较高的x轴截距的右侧，对于任何一个冰速度，是一个没有磨损的区域，基底碎片沉积为寄存到．[修改自:博尔顿(1974)的《冰川地貌学》(D.R.科茨主编)，乔治·艾伦和昂温，图7，第52页]

图5.2 Boulton磨损模型图形表示。该图显示了不同冰速下的理论磨损率与有效法向压力的关系。在A区，磨损率随压力的增加而增加，而在B区，磨损率随压力的增加而下降。C区位于任何一个冰速的较高x轴截距的右侧，是一个没有磨损的区域，基底碎片作为堆积物沉积直到。[修改自:博尔顿(1974)的《冰川地貌学》(D.R.科茨主编)，乔治·艾伦和昂温，图7，第52页]

粒子。在有效常压高于临界水平时，不会发生磨损，相反，迄今为止运输的碎片会沉积下来。侵蚀和沉积因此看起来是一个连续体的两个部分。

Boulton利用该模型预测了基岩隆起因冰川磨损而产生的演化(图5.3)。在第4.6节中，我们看到了有效法线压力在障碍物上的变化(图4.6)。根据这种变化模式，博尔顿使用他的磨损模型来预测二维障碍物的形状如何随着侵蚀而变化。他假设冰突呈正弦形状，冰突上的冰速为每年50米，冰突上的压力波动为130千帕(图4.6)。根据这些值，他绘制了冰川下两个基岩隆起的演变图:一个有效法向压力为70千帕，另一个为240千帕。这两种进化模式截然不同，如图5.3所示。有一个凸起

图5.3使用Boulton磨损模型，在两个不同的法向压力值下，冰速度恒定为50米/年的正弦基岩凸起上的磨损模式。[修改自:博尔顿(1974)的《冰川地貌学》(D.R.科茨主编)，乔治·艾伦和昂温，图9，第56页]

图5.3使用Boulton磨损模型，在两个不同的法向压力值下，冰速度恒定为50米/年的正弦基岩凸起上的磨损模式。[修改自:博尔顿(1974)的《冰川地貌学》(D.R.科茨主编)，乔治·艾伦和昂温，图9，第56页]

有效常压只有70千帕演变成stoss-and李-form(见章节6.2.2)。法向压力均落在磨损和压力上升区(A区:图5.2)。因此，在冰川的上侧翼磨损率最高，隆起的顶部磨损率较低，在形成空洞的背风侧磨损率为零，而在背风侧的底部磨损率较高。因此，随着时间的推移就会产生罗氏莫通尼形状(图5.3A)。在240千帕的有效法向压力作用下，凹凸的形态演变非常不同。在这里，随着压力的增加，法向压力落在下降或零磨损区域内(B区和C区:图5.2)。堆积发生在冰川的上侧翼，轻微的磨损发生在隆起的顶部，最大的磨损发生在冰川的下侧翼，轻微的磨损发生在侧翼的底部。其效果是产生一种向冰川上方向迁移的形式，具有陡峭的冰川上侧翼，类似于岩尾(图5.3 b)。综上所述，Boulton磨损模型的关键含义是:

1.冰层厚度的变化通过有效法向压力控制磨损和倾斜。

2.受地层渗透性(地质)等因素控制的基础水压力的变化通过有效法向压力控制磨损。

3.冰的速度控制着磨损的速度。

4.磨损和沉积是连续体的一部分。

Hallet在建立他的磨损模型时采用了与Boulton不同的方法。基岩颗粒基本上是在冰中以流体静力力的方式漂浮的，因此不受有效法向压力的影响。在该模型中，基面融化速率和冰速是控制磨损的关键因素。在下一章中我们将看到，Hallet的模型已广泛应用于研究大尺度演化的数值模型中冰川地貌．Hallet模型的主要含义是:

1.在基底融化最严重的地方，磨损最大。

2.磨损与有效法向压力无关，因此也与基础水压无关，但与冰川厚度无关，因为后者控制着基础融化的速度。

3.淤积和磨损是独立的过程。

这两种模型包含了非常不同的预测，乍一看，这两种理论似乎相互冲突。然而，每个模型都有可能代表不同但同样有效的冰下条件。博尔顿的模型和预测可能适用于基底冰特别脏和碎屑丰富的地方，因此可能表现为固体板。这片冰片的坚硬特性防止了每块冰片周围的冰变形。相比之下，Hallet的模型和预测可能更适用于那些地基碎片稀少，因此冰不那么坚硬的地区。

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