当代涌动冰川的地貌学和沉积学
本节提供了在当代观测到的地貌-沉积物组合的细节飙升冰岛、斯瓦尔巴群岛、美国和加拿大的冰川边缘。此外,广泛引用了1982-83年阿拉斯加杂色冰川的涌动,因为它是最好的记录和仪器涌动事件。涌动冰川地貌的时间发展最能代表冰岛的例子,因为在过去的两个世纪里,涌动是由当地居民历史上记录的,自1945年以来的航空摄影(Thorarinsson, 1964, 1969;Evans等人,1999a)。
11.2.1推力-块状冰碛岩和推流冰碛岩
现今逆冲-块状冰碛(包括复合脊和山洞对);Aber et al., 1989)在两个冰边缘环境中发现:在汹涌冰川的边缘,(例如Sharp, 1985b;Croot, 1988a, b;贝内特等人,1999;埃文斯和雷亚,1999;Evans等人,1999b),并与子极地冰川永久冻土地形的边缘(例如Kalin, 1971;埃文斯和英格兰,1991;菲,1996)。在汹涌的冰川边缘的原冰川突冲是由于冰快速推进到原冰川沉积物中,这些沉积物可能是季节性冻结、未冻结或包含不连续的永久冻土。一个不断飙升冰川推进进入原冰川冻结沉积物最有利于大型扭曲断块的破坏和堆积,最好的例子是在边缘的冰川和冰川河流物质的弧形冲断脊宽带多种燃料的斯瓦尔巴群岛汹涌的冰川(图11.1)。然而,冰快速进入未冻结的沙子和砾石仍然会产生高的冰川前和次边缘压应力。层序内的粉砂层和粘土层可能发育高孔隙水压力,这将起到décollement的作用,导致砂砾石单元的剪切和堆积。
在冰岛Bruarjokull冰川和Eyjabakkajokull冰川的冰涌边缘出现了前冰川冲蚀未冻结物质的绝佳例子,在那里,冰涌前的泥炭层垂直堆叠在一系列冲蚀覆褶皱中(图11.2),在这些覆褶皱中,单个层经常显示光滑的侧面。在极地和次极地冰川的边缘也可能产生冲断块冰碛,那里的原冰沉积物含有永久冻土,可以产生高的原冰应力(Evans和England, 1991;O Cofaigh et al., Chapter 3)。由于冲断块冰碛可以由涌动冰川和非涌动冰川构成,它们在古地貌记录中的存在不能明确地归因于冰川涌动。然而,以前亚极地冰川产生的冲力-块冰碛的涌动活动不能被忽视,特别是在这样的环境中有涌动的报道(Hattersley-Smith, 1969a;杰弗里斯,1984)。
尽管止推轴承碛是最壮观的构造特征是由汹涌的冰川边缘产生的,它们只能在有足够沉积物的地区产生,用于冰川构造的冲冲、折叠和堆积。Bruarjokull火山广阔的汹涌边缘只在辫状沉积物流下的区域产生了推力块冰水沉积平原在什么地方聚集了大量的河流和/或湖泊物质
静止阶段。在其他地方,冰川通过推搡和/或亚边缘挤压覆盖在原冰川地表的犁或泥炭的表面,形成了低振幅的推冰碛。
11.2.2覆冲块冰碛
在原冰期出现了许多明显的冰铸成的小山前陆Bruarjokull和Eyjabakkajokull它们发生在地形洼地的下冰,这些山最初是由逆冲运动所取代的。这些特征的表面呈广泛的凹槽和/或鼓状(图11.3)。内部结构包括冰川崩解的沉积物或湖泊沉积物,其顶部通常被改造成冰川崩解岩(Benn and Evans, 1996,1998),并被冰下till截断(图11.4)。这些冰铸成的山丘被解释为被冲断块覆盖的冰碛。逆冲块体构造运移的沉积物沉积在浪涌静止期冰前的湖泊而且融水流广泛改造前陆。每一个冲断块都在汹涌期间划分了前冰川边缘,覆盖了在同一汹涌期间或在后来更广泛的汹涌期间发生的冰川边缘。经过长时间的覆冰改造后,前逆冲块体类似于Aber等人(1989)的冲天山。
11.2.3带刺的蛇形丘
关于Bruarjokull和Eyjabakkajokull边缘的航拍照片(Knudsen, 1995;图11.5),发现了弯曲的切角和“concertina”平面切角。埃斯克山脉底部大量冰川冰的暴露(图11.5c)表明它们是由冰川或上冰川形成的(Evans和Rea, 1999;埃文斯等人,1999b)。克努森(1995)提到在1964年激增期间在Bruarjokull火山口部观察到的一个凸起,他认为concertina
图11.5 A) 1963年激增期间在冰岛西Bruarjôkull的前陆拍摄的一架手风琴的部分航拍照片(Landmaelingar Islands, 1993年)。B) Bruarjôkull前陆的一幅concertina esker的地面照片,显示了埋在地下的冰川融化产生的分层和陡峭的悬崖。C)冰川冰暴露在Eyjabakkajôkull前陆的一个手风琴上。
埃斯克探险队是在与1982-83年的“杂色冰川”相似的汹涌时期形成的。Knudsen提出,在急流期间,由于冰川口部的压缩,在急流前弯曲的急流缩短,从而产生了concertina eskers, Bruarjokull的例子在1964年急流期间被压缩。极端的构造活动和垂直增厚(浪涌期间的>30 m)似乎不太可能使最初弯曲的埃斯克变形,从而产生concertina平面状。此外,为了形成Knudsen(1995)所建议的方式,需要大量的鼻部横向延伸。最初,当浪涌波向下穿过鼻部区域(以及蜿蜒的埃斯克尔)时,没有横向延伸的空间,事实上,当鼻部在西部(Kverkarnes)和东部(Bruarjokull东部和Eyjabakkajokull东部之间的高点)之间经过时,它可能经历了一些轻微的横向缩短。此时的主要伸展是垂直的,与广泛的褶皱和逆冲有关。一旦超过这些高点,口鼻就开始横向伸展,形成大量共轭剪切,其延伸主轴大致与流动横向对齐。弯曲的喷流口经历了流动-平行压缩,最初是垂直延伸,随后是流动-横向延伸。的“四肢”形成了蛇形丘sub-linear,沉积物和冰之间的联系是平面的,很少和沉积物经历了沉积变形,最重要的构造是正常断裂造成meltout潜在的冰。因此,似乎不太可能像Knudsen(1995)提出的那样,是由前浪涌弯曲的波纹管缩短而形成的。
似乎更合理的假设是,浪涌破坏了浪涌前的弯曲船型,而手风琴船型形成于浪涌期间和/或不久的浪涌后。鹰嘴管的冰芯性质(图11.5c)表明它们要么沉积在冰腔导管中,要么沉积在龈上导管中。在1982 - 1983年的杂色冰川涌动期间,大量的水被储存在涌动前沿后,并在涌动期间和结束时定期排出(Humphrey和Raymond, 1994)。基础水压升高,因此水可能会通过冰腔和/或冰腔上排水系统排出,这将迅速利用浪涌期间形成的广泛裂缝网络。这样的事件将是短暂的,事实上,从手风琴的高角度尖顶来看,沿着它们流动的水并没有持续很长时间。我们的结论是,波纹管形成于一个短暂的高放电事件,发生在浪涌终止之前或之后不久。排水发生在冰川或齿上,然后河道迅速被废弃。
就像一些蜿蜒的埃斯克(例如Price, 1969)一样,concertina eskers冰芯的逐渐融化要么破坏要么严重扰乱了它们内部的沉积结构。此外,由于大部分的最初浮雕是由于它们的冰芯,它们可能出现在古代冰川地貌组合中,作为不连续的砾石和沙丘链,因此被错误地识别为“kame”形式。
11.2.4挤裂脊
裂缝挤压脊在冰岛的Bruarjokull和Eyjabakkajokull最为著名,并被用作涌动的诊断标准(Sharp, 1985a,b);尽管夏普把它们称为裂缝填脊)。在Bruarjokull和Eyjabakkajokull的前陆都可以看到突出的裂缝挤压脊网(图11.6),包括交叉切割diamicton可以从前陆追溯到河口裂缝系统的山脊(Sharp, 1985a, b;埃文斯和雷亚,1999;埃文斯等人,1999b)。育空地区的Trapridge冰川(Clarke, et al., 1984)和Donjek冰川(Johnson, 1972,1975)以及斯瓦尔巴群岛(Clapperton, 1975;博尔顿等人,1996年;Evans和Rea, 1999),它们与汹涌的冰川有关(图11.7)。在浪涌期间经历的极端构造使冰川高度断裂(例如Kamb et al., 1985;Raymond et al., 1987;Herzfeld和Mayer, 1997),许多裂缝可能延伸到冰川床。在浪涌终止时,随着基础水压力的降低和河床上有效压力的增加,饱和水沉积物上升到开放的基础裂缝中。 Currently these are seen as prominent cross-cutting diamict ridges melting out on the glacier surface (Fig. 11.6). Due to the inactivity of the quiescent phase the glacier ice melts away preserving the cross-cutting ridge network. If the glacier returns to slow-flow dynamics then the crevasse-squeeze ridges will be deformed into a typical冰川的压力概要文件。
在非涌动冰川的终点区域,经常发现与冰川边缘垂直排列的裂隙(例如Evans和Twigg, 2002)。在可变形沉积物的床层中,这种裂缝可能被沉积物填满并形成裂缝挤压脊。然而,在这种情况下,冰川边缘的主动退缩将破坏或实质上改变挤压脊。只有当冰川在原地停滞和消失时,才有利于保存,即使这样,这种冰川口典型的放射状裂缝模式也表明它的起源不是汹涌的。根据上述证据,裂缝挤压脊是一种高度暗示冰川活动激增的地貌,但它们不能独立地被视为诊断
图11.6b冰岛Eyjabakkajokull边缘的裂缝挤压脊和凹槽地面照片。
古冰川涌动的特征,即使裂缝-挤压网络的广泛发展显然需要广泛的冰川破裂,通常与涌动有关。
11.2.5吹笛子
许多冰川的前陆都有凹槽,当然不能诊断冰川涌动。然而,凹槽长度可以提供重要的证据,快速推进的实质距离。在Bruarjokull的前陆就有很好的例子,在1964年的涌冰碛内,有规律地平行分布的沟槽(Benn和Evans, 1996,1998)连续超过1公里(图11.8),并且在长截面和横截面上显示出显著的均匀性。沟槽场的另一个突出特征是,大量的巨石在其向下流动的一侧具有短的沉积物凸/凹槽,这被解释为嵌入冰川鞋底的巨石或在浪涌终止处刚刚卡入till的巨石产生的犁/早期凹槽。从Bruarjokull笛子和犁/早期笛子中测量了碎屑织物。在两种长条形凹槽中都记录了较低的织物强度
以及短犁/初期凹槽(图11.9)。在非涌动冰川的凹槽上进行的其他碎屑织物测量表明,要么是鱼骨状的,要么是平行流的,在这里描述的这种类型的平行边凹槽中,流动平行聚类是预期的(Rose, 1989;Benn, 1994,1995;埃克伦德和哈特,1996)。很低的纤维强度表明冰川和床层之间几乎没有耦合。这些凹槽的延伸表明,它们是在单一的流动事件中形成的,当时的基础水压力,因此的程度ice-bed耦合和沉积物强度保持“不变”。由非涌动的冰岛冰川边缘形成的凹槽在长段上往往短得多,也不均匀得多,这可能是由于冰床界面条件受季节或年度周期的影响而波动造成的。
此外,凹槽和裂缝-挤压脊的关联是涌流冰川冰下地貌的一个重要方面。Sharp (1985a, b)指出,Eyjabakkajokull的凹槽峰上升,与裂缝挤压脊峰相交,表明冰川在激增结束时沉降到其床上时,冰川下变形直到被挤压到基底裂缝中。Eyjabakkajokull的凹槽和裂缝挤压脊的同时产生,使它们在地貌记录中成为冰川涌动的诊断。由于产生沟槽的冰川范围和冰川条件的不同,它们不能独立地用于诊断冰川涌动。
11.2.6抽插/挤压
夏普(1985a)在他的Eyjabakkajokull沉积模型中提出,在火山口存在一个冲断带,在那里沉积物从床层被抬升。在涌动的冰川中,涌动锋会传播到薄冰中(Raymond et al., 1987)。在这种情况下,薄冰上的冰川上沉积物沿着冲断带被夹带。类似的特征,向冰川上的方向倾斜,已被引用为碎片从基底到
斯瓦尔巴群岛上汹涌的冰川口的冰川/冰川上位置(Bennett等人,1996b;Hambrey et al., 1996;Murray等人,1997;波特等人,1997;Glasser等人,1998b)。然而,仔细观察沿着Bruarjokull和Eyjabakkajokull边缘暴露出来的一些看起来很像冲断的冰碛带,并没有显示出基底冰冲断的证据firnification冰,如果钻石是被插入的就会是冰。据信,从斯瓦尔巴群岛报告的许多特征可能是倾斜的裂缝挤压脊,而不是由逆冲作用沉积的沉积物。裂缝挤压脊主要形成于垂直至亚垂直方向。随后,如果正常冰川流脊线施工后恢复或保留少量前进动力,裂缝充填体将被压缩并向冰川下方向倾斜(图11.10)。从Bruarjokull火山口挖出的一个裂缝挤压脊,暴露出光滑的细粒沉积物,表明有少量的后侵位穿过山脊上的沉积物。如果发生裂缝-挤压岭倾斜,挤压岭形态的保存潜力很差。倾斜山脊的融化将产生一种地貌-沉积物特征,类似于设想的冰川逆冲作用(见下文)。具体来说,这包括低浮雕圆丘般的冰碛包括互层沉积物,重力流和粗糙的层状分层沉积物,在冲断带与床层相交的地方可能保存有小山脊。根据对Bruarjokull冰川融化的裂缝挤压脊的观察,答案是肯定的
很明显,大量脊状沉积物沿冰川表面向下流动,导致在冰下till表面上产生巨石滞后和薄泥石流直径(图11.10)。
11.2.7丘碛
突出的丘状冰碛带的生产,特别是在低地冰川的边缘,依赖于将大量物质广泛有效地运输到(最终)冰川上位置。在低地涌动的冰川中,推力被认为是将大量碎屑运送到冰川和冰川上位置的主要过程。随后的冰滞导致丘状冰碛的产生(Sharp, 1985b;赖特,1980)。大量的沉积物也可能被挤压到冰川的裂缝中,最终在冰川平静期融化在冰川表面。冰川表面的厚厚的碎片序列可能会长期保存下面的静止冰,形成一个反馈循环。因此,连续的浪涌可能涉及覆盖、逆冲和合并前一次浪涌保存下来的富含碎屑的停滞冰,在浪涌口形成富含碎屑和被碎屑覆盖的厚冰序列(Johnson, 1972)。冰融化后产生的地貌组合将包括对齐的丘状冰碛脊和Kame和kettle地形.Clayton等人(1985)和Drozdowski(1986)根据Clapperton(1975)和Wright(1980)对当代富含碎屑的冰涌口的观察,引用了广泛分布的丘状冰碛作为劳伦潮和斯堪的纳维亚冰盖边缘古涌动的证据。然而,这种地貌组合可以由非涌动的冰川产生,特别是在碎片提供率高的地方,因此不能仅用作诊断标准。
明显的土丘丘状地形出现在Bruarjokull和Eyjabakkajokull前陆地形洼地的下冰面。这些可以与覆盖的冲断块冰碛区分开来,因为它们的特征是有大量证据表明埋藏的冰正在融化。这种融化扰乱了出现在丘表面的微弱凹槽图案(图11.11)。地层暴露是罕见的,但表明小丘包括强烈的冰川作用,细粒分层沉积物和粗粒或分选差的砾石。在丘状地形上的小洼地中,出现了层状沉积物袋,与直径互层。这些沉积物被下面的冰融化而扭曲成低振幅的褶皱。对这种丘状地形的解释是,它是由前冰湖沉积物的推挤、挤压和推挤而产生的涌动演变而来的,并在可追溯到前一次涌动的预先存在的静止冰上冲出。隆起表面的微弱凹槽表明沉积物和静止的冰被汹涌的鼻子覆盖了。当被推平的沉积物从融化的冰下冒出来时,表面上重新加工的沉积物局部沉积在上面,导致分层沉积物的小袋沉积。浪涌后旧埋冰的融化导致了混沌的产生丘状地形至少在熔化的早期阶段,仍可观察到沟槽为不连续的线状脊。映射
图11.11冰岛涌动冰川边缘的丘状冰碛。A)部分航空照片(Landmaelingar Islands, 1993),位于西部地形洼地下冰侧的冰芯丘状冰碛带(H) Bruarjôkull。(S)为公元1890年涌冰碛。(B)从位于公元1890年涌冰碛西近侧的冰芯丘状冰碛眺望Bruarjôkull。注意由冰融化产生的表面池塘。C)冰融化完成后产生的低振幅丘状冰碛实例,西部Eyjabakkajôkull。
Bruarjokull的丘状冰碛表明它发生在前陆的离散口袋中。它们位于冰川下方的广阔洼地,这些洼地部分被冰川消退后的原冰川沉积物和冰川湖沉积物填满。这分布格局,再加上沉积物的结构和结构,以及埋藏冰的证据,都有力地支持了上述的观点,即构成丘状冰碛的物质起源于占据地形洼地的停滞冰川口部分的悬垂物,而最近的涌动位移了更古老的冰及其沉积物悬垂物(图11.12)。高起伏的丘状冰碛的产生更可能是冰芯冲淤和湖泊沉积物位移的结果,而不是上文提到的冰川冲淤或挤压沉积物融化的结果。
11.2.8冰芯河口沉积物和冰湖沉积物
在Bruarjokull和Eyjabakkajokull边缘的观察表明,在静止期,在冰口的浅滞边缘上已经形成了原冰川沉积带和冰川湖沉积中心(Evans和Rea, 1999)。流出是冰下和冰川融水入口提供的冰接触扇。在1982-83年杂色冰川大潮期间和结束时,观察到水在冰川表面上爆发(Kamb et al., 1985),因此此时大量沉积物可能沉积在冰川表面。然而,这一排水网络是短暂的和一个水系受地层地形的控制,在浪涌后重新建立。在平静期,Bruarjokull被四条主要河流(Kverka, Kringilsa, Jokulsa a Bru和Jokulkvisl)从位于地形低点的大约7个冰边缘出口排干。那些占据这些地形凹陷的冰川口部很容易被大面积掩埋沉积的粉丝在更远的地方,还有冰川湖沉积物。
沿着Bruarjokull边缘,冰芯的向外扇和冰川湖沉积体(包括冰接触三角洲)很常见(图11.13)。在Bruarjokull东侧的冰上沉积了一个广泛的冲积扇(在1963/64年没有激增),已经逐渐被下方停滞的鼻部融化所改变(图11.13b, 11.13c)。这导致了水壶的形成,随后在静止的冰中隧道坍塌,形成冰壁通道。冰芯冲蚀演化的最后阶段包括产生混乱的沙砾丘,在这些丘中可以辨认出蜿蜒的石峰。随后,可能会发生原冰川河流将河口局部改造成阶地,并被原冰川湖泊沉积物覆盖。由于下面冰的广泛性,在古地貌记录中,这种冲积扇将被表示为混乱的砾石丘景观,局部被河流活动所改变。因此,它们可能很难与上面所述的丘状冰碛区分开来,尽管它们将位于地形洼地,而不是地形洼地的下冰面。当它们被视为一个地貌组合时,它们可能会呈现扇形,并由山顶高度一致的小山丘组成。此外,扇和湖泊沉积物沉积结构的内部扰动将以简单褶皱和正断层为特征,而不是上述丘状冰碛岩中的压缩结构。随后在这些冰川-河流-和冰川-湖泊沉积物体上的汹涌将导致以下冰已融化的冲断块冰碛的产生,或留下大量埋藏冰的丘状冰碛的产生。
从已有的沉积物中堵塞冰碛。B)冰川淤积和冲刷,三角洲和湖泊沉积物填入侵蚀盆地,覆盖了大量残留的淤积冰。C)进一步的涌动和停滞期之后的情况(注意横截面位置的变化),表明在现有的例子之外,另一个冲断块冰碛的构造以及冰块、扭曲的湖泊和冲出沉积物从侵蚀盆地运输到被覆盖的冲断块顶部(p =池塘,h =丘状冰碛)。
11.2.9复杂Till地层
来自Trapridge冰川的观测促使Clarke等人(1984)和Clarke(1987)提出,可变形的基底可能在周期性涌动活动中发挥重要作用,尽管涌动的确切因果机制仍不清楚(Raymond, 1987)。与非涌动冰川在变形床上的流动类似,涌动冰川口向软沉积物区推进,产生冰川构造和堆积的冰川构造增厚、变形岩和冰川边缘的介入性沉积物(例如Boulton, 1996a, b;Alley et al., 1997)。在斯瓦尔巴群岛的塞夫斯特罗姆布林冰川(Sefstrombreen)边缘观察到这一现象(Lamplugh, 1911;博尔顿等人,1996年;图11.14a),这是一个被用来模拟英格兰东部till沉积的当代场景。后一个位置说明了使用由几个孔和相关层状沉积物组成的地层序列作为古涌流的诊断标准(例如Eyles et al., 1994)。图11.14b再现了2000年冰岛Eyjabakkajokull边缘因河流侵蚀而暴露出来的地层剖面。这一暴露的沉积物和结构记录了1972年冰川边缘部分的最近一次激增。冰川河流砾石,包括搁浅的冰山,已被冰川化冰川推进(图11.14c),并由浪涌till覆盖。这是一个巨大的直径,在今天的地面上形成裂缝-挤压隆起。在古代环境中,通过对位于多个till序列中单个till层之间的有机物进行放射性碳年代测定,发现了短时间的till沉积,这是劳伦蒂德冰盖南缘激增的有力证据。
图11.13冰岛Bruarjokull边缘的冰芯冲淤扇和冰川湖沉积物。A)近端冰川湖沉积物显示了由于1964年浪涌口的融化而广泛崩塌的证据。B)在1964年的浪涌口上形成了冰接触扇(摄于1995年,左侧为冰川),显示了由于埋藏的冰川冰融化而产生壶的证据。C) 2000年从冰川口观察到的同一扇冰接触扇。值得注意的是,坑状的沉积物已经发展成为一种地貌,其特征是巨大的冰壁通道和混乱的砾石堆。
图11.13冰岛Bruarjokull边缘的冰芯冲淤扇和冰川湖沉积物。A)近端冰川湖沉积物显示了由于1964年浪涌口的融化而广泛崩塌的证据。B)在1964年的浪涌口上形成了冰接触扇(摄于1995年,左侧为冰川),显示了由于埋藏的冰川冰融化而产生壶的证据。C) 2000年从冰川口观察到的同一扇冰接触扇。值得注意的是,坑状的沉积物已经发展成为一种地貌,其特征是巨大的冰壁通道和混乱的砾石堆。
图11.14当代涌动冰川前陆的till和相关的分层沉积物实例。A)由Sefstrombreen激增产生的冰川构造折叠和推力沉积物在Svalbard Coralholmen上。A相为红色粉砂-富粘土粉砾石,B相为红色粉砂-砂质粉砾石,E相为绿色砂砾石,含大量石钍软体动物。修正自Boulton等人(1996)。B) Eyjabakkajokull边缘的地层剖面,显示了一系列分选不良的砾石,上面覆盖着冰川作用下的砾石和沙子,包含了以前搁浅的冰山,然后是形成表面裂缝挤压脊的大块直径(till)。直到1972年,当冰川覆盖了包含搁浅冰山的近端原冰川隆起时,引发了沉积和冰川构造扰动。C)冰川构造作用下,细粒砂泥向图11.14剖面右侧冲出。
图11.14当代涌动冰川前陆的till和相关的分层沉积物实例。A)由Sefstrombreen激增产生的冰川构造折叠和推力沉积物在Svalbard Coralholmen上。A相为红色粉砂-富粘土粉砾石,B相为红色粉砂-砂质粉砾石,E相为绿色砂砾石,含大量石钍软体动物。修正自Boulton等人(1996)。B) Eyjabakkajokull边缘的地层剖面,显示了一系列分选不良的砾石,上面覆盖着冰川作用下的砾石和沙子,包含了以前搁浅的冰山,然后是形成表面裂缝挤压脊的大块直径(till)。直到1972年,当冰川覆盖了包含搁浅冰山的近端原冰川隆起时,引发了沉积和冰川构造扰动。C)冰川构造作用下,细粒砂泥向图11.14剖面右侧冲出。
克莱顿等人,1985;Dredge和Cowan, 1989b)。然而,一系列冰川的进退可能产生类似的地层,因此仅凭这一点并不能诊断古涌浪。
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