雅魯藏布江中游石冰川發育特征及潛在成災機制分析

劉勇，張文，魏良帥

（中國地質科學院探礦工藝研究所，四川 成都 611734）

石冰川是冰凍圈內由常年凍結的冰和風化巖屑組成的一類特殊冰緣地貌，在重力和凍融作用下具有沿坡面向下蠕滑特征，形態多呈舌狀或葉狀，常發育于高海拔的冰蝕槽谷內（Haeberli et al.，2006；Cicoira et al.，2020）。在中國青藏高原、天山山脈及北歐阿爾卑斯山脈、落基山脈等高海拔、高緯度地區較為常見（朱誠，1994；劉耕年等，1995）。石冰川源頭一般與凍融風化作用形成的倒石堆相連，在長期蠕滑搬運作用下石冰川下游堆積厚度不斷增加，前緣坡度逐漸變陡，尤其是位于縱比降大的高位懸谷內石冰川，蠕滑補給速率更快，堆積厚度更高（Müller et al.，2016）。氣溫升高后，前緣和表面冰膠結體融化，導致膠結程度降低易引發大量裂隙、溜滑或斷裂垮塌現象，形成落石、碎屑流及滑坡等山地災害后威脅下游居民和基礎設施（Buchli et al.，2018），如2015 年底若羌縣木孜塔格山石冰川滑坡，由位于山頂的石冰川裂隙內大量積水引發；2016 年左貢縣夏日石冰川引發水石流；2020 年米林縣色季拉山石冰川崩塌，導致當地道路和橋梁被毀，對當地交通和生產活動產生了重大影響。

近年來，瑞士、挪威和阿拉斯加地區的研究發現，受氣候變暖影響，石冰川表面蠕滑出現了顯著的加速過程，形成泥石流或滑坡的風險增大，對下游工程設施造成威脅（Eriksen et al.，2018；Fey et al.，2020）。青藏高原是全球氣候變化的敏感區，變暖趨勢明顯大于中國內地及全球其他地區（楊耀先等，2022）。隨著國家西部地區經濟建設，越來越多的工程活動進入高海拔山區，將不可避免的面對石冰川問題。然而，目前對石冰川的研究主要集中于識別分類和水文學等方面，對石冰川發育的規律和潛在成災機制研究較少，且大多研究集中在高緯度地區，分布海拔一般為2 400～3 500 m（Onaca et al.，2017；Brencher et al.，2021），受限于惡劣的地質條件，中低緯度高海拔的青藏高原石冰川研究較少。相比高緯度石冰川，青藏高原高海拔石冰川在形成機制、分布特征和氣候環境等方面存在明顯差異。高緯度石冰川通常形成于低溫、高濕的環境中，受到降雪的驅動，其形成與積雪的累積、冰層的融合等因素密切相關，而青藏高原高海拔石冰川則是在干旱、寒冷的高山環境中形成，其形成與凍融作用、碎屑物質的補給等因素有關。受地殼強烈抬升影響，青藏高原高海拔石冰川往往具有更陡峭的坡度角和更不規則的表面地形。因此，目前獲取的高緯度石冰川研究成果很難全面反映青藏高原石冰川的組成結構和變化規律，亟需進一步研究，以揭示青藏高原石冰川的發育規律和潛在成災機制。

筆者以雅魯藏布江中游桑（日）-加（查）峽谷兩岸較為發育的石冰川為研究對象，通過遙感解譯、現場測量和理論分析相結合的方法，探討分布于中低緯度高海拔區石冰川的發育規律和潛在成災機制，以期為高海拔山區石冰川穩定性評估、監測預警和歷史氣候反演等一系列問題提供科學支撐。

1 數據與方法

1.1 研究區概況

桑-加峽谷位于雅魯藏布江中游，全長近40 km，受地殼抬升影響，河流下切作用強烈，兩岸斜坡陡峻，斜坡坡度為40°～65°，河谷呈“V”型谷，谷底寬度較窄，最窄處僅約200 m（馬騰霄等，2022）。河谷高差較大，最大高差可達2 200 m，兩岸坡頂海拔均高于5 000 m。兩岸多發育近南北走向的山脊，在冰磧作用下，坡頂冰斗、刃脊及冰蝕洼地等冰川地貌較為發育，常年受冰川和積雪覆蓋，冰蝕洼地、冰斗等凹陷地形內石冰川和冰湖也較發育。在長期凍融和應力卸荷作用下，兩岸坡頂節理裂隙極其發育，表層巖體破碎程度較高，在強降雨和大風等惡劣天氣作用下，峽谷內落石現象頻發（圖1）。近年來，隨著水力資源的開發，峽谷內已修建有藏木和達古水電站。

圖1 研究區地理位置圖Fig.1 Location map of the study area

1.2 數據獲取與處理

1.2.1 遙感數據

本研究使用的遙感數據為高分二號全色影像和鎖眼衛星拍攝的黑白膠片影像（表1）。高分二號影像為2020 年10～11 月獲取，共8 景，空間分辨率為1 m，數據為1A 級別（數據通過地質云中遙感數據服務系統模塊獲?。?，該影像僅對原始數據進行了解析、均一化輻射校正、去噪、MTFC、CCD 拼接、波段配準等處理，糾正精度較差，局部存在不均勻變形，因此需要利用數據本身的RPC 模型并結合DEM 數值高程模型數據進行正射校正。根據影像分布選取合適的地面控制點后，采用Envi5.3 軟件的RPC 正射校正流程化工具，并結合ASTER GDEM V3 數值高程模型數據對影像進行正射校正。兩景鎖眼衛星影像拍攝于1965 年和1981 年，空間分辨率較高為0.6～1.2 m，數據下載于美國地質調查局網站https://earthexplorer.usgs.gov/。

表1 遙感影像信息表Tab.1 Remote Sensing Image Information

1.2.2 地面實測數據

地面實測數據來源于桑珠嶺-藏木峽谷右岸能夠到達的康金拉地區石冰川。組成石冰川的巖屑在形成、搬運和沉積演化過程中，受環境因素的影響，形狀和風化程度都會出現明顯的差異性。為探討不同類型石冰川搬運和沉積演化過程的差異性，在這一區域選取了兩條不同類型的典型石冰川。

1.3 研究方法

1.3.1 石冰川的識別和參數確定

根據目前智利、尼泊爾山區及雅魯藏布江支流流域石冰川已有的相關研究成果（Jankea et al.，2015；Jones et al.，2018；郭志明，2019；徐瑾昊，2020），石冰川表面形態主要具有以下特征：①石冰川具有鮮明的流動特征和結構模式。受內部冰結構變形的影響，表面橫向或縱向流動特征（脊和溝）一般較明顯。②受上游蠕滑推擠作用，部分位于狹窄槽谷中的石冰川具有陡峭的正面斜坡和腫脹的側面傾斜體。③由于巖屑碎片的不斷供應，石冰川的表面紋理通常與周圍斜坡不同?；谑▍^別于其他地物的表面形態，采用高清的高分二號遙感影像通過人工目視的方法進行識別。研究區典型石冰川分布特征如圖2 和圖3所示。

圖2 典型石冰川遙感影像分布圖Fig.2 Distribution of remote sensing images of typical rock glaciers

圖3 典型石冰川分布示意圖Fig.3 Typical rock glacier distribution diagram

根據Corte（1976）依據組成物質的來源對石冰川分類，將其劃分為冰磧型石冰川和倒石堆型石冰川。冰磧型石冰川主要發育于冰蝕槽谷、洼地中，組成物質來源于冰川活動產生的冰磧物（圖4）；倒石堆型石冰川組成物質主要來源于基巖斜坡的崩塌和凍融風化作用產生的巖屑，多沿基巖斜坡坡腳發育（圖5）。

圖4 典型冰磧型石冰川Fig.4 Typical moraine-type rock glacier

圖5 典型倒石堆型石冰川Fig.5 Typical talus-type rock glacier

石冰川識別后勾繪的輪廓面積為石冰川面積；長度用中流線表示（即兩邊中點的連線），從最高海拔算起，到石冰川末端邊界結束；石冰川的平均寬度為面積與長度的比值。高程、坡度和坡向值利用ArcGIS軟件系統工具箱中的“表面三角化”模塊基于ASTER GDEM V3 數值高程模型提取。參照Barsch（1996）根據長寬比對石冰川平面形態的劃分，將石冰川分為舌狀石冰川（長/寬＞1）和葉狀石冰川（長/寬＜1）。

1.3.2 巖屑形狀統計

在康金拉地區選取了兩條較為典型的石冰川，即巴龍貢巴倒石堆型石冰川和嘎瓊絨冰磧型石冰川，在選取的石冰川內隨機選取兩處面積為2 m2的區域，在各區域內隨機選取30 塊巖石碎屑，用鋼尺測量各巖屑的最大長度 a、中間長度 b 和最短長度 c，并觀測和記錄巖屑的磨圓度。

研究區均位于岡底斯巖漿巖帶內，巖性均為花崗巖，可不考慮巖性對巖屑形狀的影響。據Benn 等（1994）的研究，為便于直觀統計巖屑的形狀，根據測量的a、b、c 值繪制三元圖，并計算C40指數（c/a 值＜0.4 的巖屑所占比例），C40指數能夠用來反映巖石受后期改造的程度，C40指數越大受后期改造程度越弱。磨圓度分類用頻率分布圖繪制（不同級別磨圓度巖屑所占百分比），以用于可視化評估磨圓度分布，將次棱角狀與棱角狀巖屑數量的比值定義為SA 指數，SA 指數越大后期改造作用越強。通過C40指數、SA指數來定量分析石冰川巖屑的演化過程。

2 結果與分析

2.1 石冰川分布

根據遙感影像解譯，研究區內共發育有256 條石冰川，主要發育于桑-加峽谷左岸，多沿山脊兩側的冰蝕凹槽內分布，分布總面積達113.49 km2（圖6）。根據統計，研究區內石冰川主要以冰磧型石冰川為主，發育有201 條，占石冰川發育總數的78.5%；倒石堆型石冰川發育較少，僅發育有55 條，占石冰川發育總數的21.5%。石冰川平面形態以舌狀為主，發育有213 條，占石冰川總數的83.2%，呈葉狀的石冰川僅有43 條，占石冰川發育總數的16.8%。

圖6 研究區石冰川分布圖Fig.6 Distribution map of rock glaciers in the study area

對研究區各石冰川的分布面積、末端高程、頂部高程、長度及坡度等參數進行統計（圖7）?？芍獏^內石冰川單體平面面積主要集中于0.2～0.6 km2，其中葉狀石冰川平面面積差異較大，可達1.2 km2；右岸冰磧型石冰川面積平均值高于左岸，倒石堆型石冰川面積平均值低于左岸，兩岸舌狀石冰川面積接近，右岸葉狀石冰川面積平均值高于左岸（圖7a）。整體上右岸石冰川的末端高程低于左岸，右岸石冰川末端高程主要分布于4 000～4 950 m，左岸石冰川末端高程主要分布于4 800～5 150 m，冰磧型石冰川末端高程低于倒石堆型石冰川，舌狀石冰川末端高程低于葉狀石冰川（圖7b）。石冰川頂部高程差異不大，主要分布于5 150～5 500 m（圖7c）。冰磧型石冰川長度在兩岸差異較小，倒石堆型石冰川長度在兩岸差異明顯，右岸倒石堆型石冰川平均長度（1.34 km）高于左岸（0.84 km）；兩岸舌狀石冰川長度（0.8～1.5 km）均高于葉狀石冰川長度（0.3～0.7 km）（圖7d）。舌狀石冰川的長度和末端高程反映了該類型石冰川的流動性更強，更具有擴展性，因而也更易形成災害體威脅下游。冰磧型石冰川長寬比在兩岸差異較大，左岸長寬比平均值為4.9，右岸長寬比平均值為3.8，反映了左岸冰磧型石冰川相比右岸流動性更強，發育較少的倒石堆型石冰川長寬比為左岸小于右岸，主要與倒石堆型石冰川分布的斜坡坡形有關（圖7e）。左岸石冰川表面平均坡度（一般為18°～30°）多小于右岸（一般為20°～50°），反映了整體上右岸發育石冰川的冰蝕槽谷、洼地及基巖斜坡的坡角較大，在重力作用下下滑力更高，對石冰川的蠕滑流動更具有促進作用；右岸目前已不存在冰川，而左岸峰頂仍然存在大量冰川覆蓋，表明在歷史時期右岸冰川萎縮退化速率大于左岸，冰川融水對石冰川的促進推動作用在右岸更為強烈。著名的雅魯藏布江縫合帶斷裂自西向東從峽谷右岸經過，相比左岸，在構造作用下峽谷右岸巖體破碎程度更高，石冰川物源補給更為充足，更有利于石冰川的發育和流動，因此在地形坡度、冰川萎縮退化強度和構造作用下右岸石冰川的末端高程更低。兩岸舌狀石冰川表面平均坡度均小于葉狀石冰川，這主要與孕育石冰川的基床形狀有關，孕育舌狀石冰川的基床多為縱向分布的冰蝕槽谷和洼地，其坡度一般較緩，而葉狀石冰川一般由崩落于坡腳的倒石堆形成，沿陡峭的坡腳向下游延伸，其坡度一般較大（圖7f）。

圖7 石冰川屬性參數統計圖Fig.7 Rock glacier property parameter statistics

對石冰川的流向進行統計，其流向主要受孕育石冰川基床的坡向控制。將石冰川表面的平均坡向作為流向，并按流向方位角劃分為N（＞348.75°或＜11.25°）、NNE（11.25°～33.75°）、NE（33.75°～56.25°）、ENE（56.25°～78.75°）和E（78.75°～101.25°）等16 類。根據各石冰川的坡度和流向作出玫瑰花分布圖（圖8），可看出研究區石冰川的坡度大多介于10°～30°，流向以為正東、正西和西北向為主，其中流向為正東向的石冰川所占比例最大，其次為西北西流向的石冰川，流向朝南的石冰川發育最少。石冰川主要沿坡頂山脊兩側的冰蝕洼地、槽谷和坡腳發育，而研究區山脊多為近SN 走向，因而造成石冰川流向多為E、W 向，而偏南流向的石冰川發育最少，極可能與太陽輻射有關，南坡太陽輻射最強，抑制冰膠結體的發育，不利于石冰川的形成。

圖8 研究區石冰川坡度和流向分布圖Fig.8 Distribution of slope and flow direction of rock glaciers in the study area

2.2 石冰川組成物質

對桑-加峽谷右岸康金拉地區的典型冰磧型石冰川和倒石堆型石冰川表層的組成物質進行了現場測量（圖9、圖10）?，F場測量后的巖屑尺寸分布如圖11和圖12 所示，可知巴龍貢巴倒石堆型石冰川C40指數（31.7%）高于噶瓊絨冰磧型石冰川（20.4%），而SA 指數是巴龍貢巴倒石堆型石冰川（0.71）小于噶瓊絨冰磧型石冰川（1.08）。兩條鄰近的典型石冰川均位于花崗巖地區，所受構造和外動力侵蝕作用近乎一致，通過巖屑C40指數和SA 指數大小的測定，在一定程度上反映了冰磧型石冰川受后期改造作用要強于倒石堆型石冰川，與冰磧型石冰川搬運路徑長和活動性更強烈的特征一致。

圖9 巴龍貢巴倒石堆型石冰川表層照片Fig.9 Surface layer of Barungunba talus-type rock glacier

圖10 噶瓊絨冰磧型石冰川照片Fig.10 Gaqiongrong moraine type rock glacier

圖11 巖屑尺寸統計圖Fig.11 Rock chip size statistics

圖12 巖屑磨圓度統計Fig.12 Rock chip grinding roundness statistics

2.3 石冰川形成條件

根據現場調查和遙感分析，研究區石冰川具有獨特的氣候、地形和物源條件。

（1）氣候

桑-加峽谷處于雅魯藏布江中游，夏季南亞季風攜帶印度洋流的大量水汽經雅魯藏布江橫向河谷由南向北、由東向西運移至青藏高原腹地，最終形成冬季干旱寒冷，降雨主要集中于夏季的現代東亞季風氣候。受地形及山脈起伏度的影響，由東向西沿雅魯藏布江河谷運移的暖濕氣流逐漸減弱，受阻于隆起抬升作用強、海拔高、通道狹窄的桑-加峽谷后，形成雨影區，在這一帶產生大量降水，谷頂兩岸海拔較高，氣溫降低，有利于冰川的發育。

（2）地形

桑-加峽谷一帶地殼抬升作用強烈，最大垂直活動速率可達1.2 mm/a（吳中海等，2007）。據Brozovic等（1997）研究，物質平衡線會隨著地殼的抬升而降低，長期地殼抬升作用下冰川和地表徑流的刨蝕和下切侵蝕作用較強，造成研究區內冰蝕槽谷、洼地和冰斗等侵蝕地貌較為發育，有利于碎屑物質的堆積和水源匯集，為石冰川的形成提供了有利的地形條件。

（3）物源

桑-加峽谷右岸羅布莎一帶鉆取埋深30～50 m的巖芯后，巖芯多呈薄片狀裂開，反映了這一區域地應力較高（劉勇，2021）。在河流下切后，岸坡卸荷作用強烈，造成表層巖體節理裂隙發育，滲流通道豐富，在強烈凍融作用下，冰劈裂縫較發育，導致巖體整體差，表面破碎，在重力等外力剝落作用下往往易在坡腳附近形成以粗砂、細角礫為主的倒石堆型巖屑錐（周敖日格勒等，2022），為石冰川的形成提供了豐富的物源補給。

2.4 石冰川危險性分析

根據遙感識別，峽谷左岸沃德貢杰雪山主峰附近發育有兩條冰磧型石冰川，平面形態呈舌狀，位于冰蝕懸谷內，長度均超過600 m，表面坡度約為30°，弧狀蠕滑紋理明顯；石冰川前緣呈自然流沙坡，坡度較陡為45°～50°，坡面組成物質不含冰膠結體，較為松散，呈自然休止角狀態（圖13）。為分析兩條石冰川的活躍性，基于ArcGIS 軟件將鎖眼衛星影像與高分二號影像進行校正，并繪制石冰川的輪廓和蠕滑紋理線（圖14）。從圖中可看出，1965～2020 年以來，石冰川前緣輪廓線與表面蠕滑紋理線均處于不穩定移動過程中，其中石冰川表面紋理整體上均呈現出向下移動特征，最大移動距離可達83 m，表明石冰川尚處于活動狀態中，而石冰川前緣輪廓線局部區域呈現出一定的退縮趨勢，這主要與近年來氣候呈現出變暖趨勢有關。雖然氣候變暖通常會導致山岳冰川的退縮，但石冰川由冰和巖屑混合而成，其物理特性與傳統的純冰冰川不同，內部大量巖屑可以在一定程度上抵御氣候變暖的影響，減弱內部冰的融化和流失，保持較高的強度和冰川蠕變性，使石冰川仍具有向前端推進作用；石冰川表層因受氣溫升高影響，冰膠結程度降低，穩定性下降，表層巖屑物質向下游的蠕變作用增強，尤其是位于坡度較大的懸谷內石冰川，內外蠕變作用較強，表面蠕滑紋理更為明顯。石冰川前緣冰膠結體在氣溫升高影響下逐步向石冰川內部融化，膠結程度下降，導致石冰川前緣堆積體的自然休止角降低，在重力等外力作用下加劇石冰川前緣的溜滑，致使石冰川前緣局部地區出現退縮。石冰川前緣溜滑直接威脅下游桑加查公路的行車安全，并影響下游峽谷內水電站的安全運行。

圖13 沃德貢杰石冰川分布全貌圖Fig.13 Full view of the Waldegrenje Rock Glacier

圖14 沃德貢杰石冰川輪廓線分布圖（底圖為1965 年鎖眼衛星影像）Fig.14 Distribution of contour lines of the Waldegunjerite glacier

桑-加峽谷西接沃卡-邛多江斷裂帶，南鄰雅魯藏布江縫合帶，構造活動活躍，歷史上地震頻發，1915 年鄰近峽谷入口左岸的藏噶地區發生過7.0 級強震（張升林等，1991），據西藏《噶廈檔案》記載，此次地震在研究區西側的沃卡鄉一帶造成了大量的崩塌、滑坡和泥石流災害。研究區石冰川多位于谷頂冰蝕洼地和懸谷內，地震作用下，谷頂地震波能量可放大2～7 倍（王運生等，2019），石冰川快速獲取能量后，產生急劇的往復振動運動，會加劇內部冰膠結體裂解，降低石冰川組成物質的粘聚力。石冰川上游頂部往往與冰川或冰湖相連（圖6），上游溫度較低且內部冰膠結體含量較高，固結程度較好，穩定性高，而下游溫度較高，堆積體更厚，冰膠結物含量逐漸降低，松散性增加，因而在反復振動拉裂作用下極易造成石冰川下游斷裂，并出現解體潰滑，形成高位滑坡災害。

三面環山的冰蝕槽谷、洼地等凹陷地形不僅有利于碎屑物質堆積，也有利于冰雪融水和降雨的匯集（叢凱等，2019）。隨著近年來氣溫升高和短歷時強降雨增加，由冰川斷裂和強降雨引起的冰湖潰決風險增大。根據現場調查，由冰磧作用形成的冰蝕槽谷上游多為開闊平緩的“U”型谷，下游逐漸轉變為谷窄坡陡的“V”型谷，且下游縱坡降逐漸增大，上游碎屑物質在蠕滑作用下進入下游后，受狹窄的“V”型谷約束，往往會形成淤堵，造成下游石冰川碎屑物質不斷增厚（圖15）。當上游冰湖出現潰決或出現短歷時強降雨時，下游松散碎屑物質極易形成泥石流災害，對下游造成威脅。

圖15 沃卡盆地東側冰蝕槽谷前緣淤堵照片Fig.15 Siltation at the leading edge of the ice-eroded trough valley on the east side of the Voka Basin

因此，在氣溫升高、短歷時強降雨或強烈地震作用下，研究區石冰川有形成泥石流或滑坡災害的風險，主要表現為石冰川下游段組成物質的不穩定性。

3 結論

（1）桑-加峽谷兩岸共發育有256 條石冰川，分布總面積達113.49 km2。受孕育石冰川的基床地形和太陽輻射影響，單體平面面積集中于0.2～0.6 km2之間，主要發育于左岸，以冰磧型和舌狀石冰川為主，舌狀石冰川更具擴展性，多處于活動狀態，更易形成災害體。整體上左岸石冰川表面平均坡度小于右岸，石冰川流向多為東、西向，在太陽輻射最強的南坡發育最少。

（2）冰磧型石冰川受后期改造作用要強于倒石堆型石冰川，整體上冰磧型石冰川組成物質的磨圓度好于倒石堆型石冰川。

（3）桑-加峽谷處于雅魯藏布江中游，地殼抬升和地表侵蝕作用強烈，自東向西的印度洋水汽在這一區域受阻后形成大量降水，加之峽谷兩岸高地應力卸荷與強烈的寒凍風化作用，為石冰川的形成提供了有利條件。

（4）在氣溫升高、短歷時強降雨或強烈地震作用下，石冰川有形成泥石流或滑坡災害的風險，主要表現為石冰川下游段組成物質的不穩定性。