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“冰洞”三尺,非一日之寒

点击数:213 更新时间:2019-09-20 11:50:39

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转眼间炎炎夏日已经过去一大半,但没有小伞庇护的我走在路上依然有一种马上就要变成孜然烤肉的赶脚。小伙伴们在这个夏天又是如何避暑的呢?

西瓜,冷饮,冰淇淋;

还是风扇、空调、电冰箱

我们今天要说的猪脚——冰洞,希望能让大家领略地质之美的同时,感受到一种由内而外的“清凉”。

冰洞是啥?都在哪?

简单粗暴地来说,冰洞,就是指全年365天都存在冰的洞。哈哈,感觉是不是跟没说一样?可是大家不要小瞧这全年不化的冰,要知道在中纬度中山地区,冰洞的存在较为罕见。在我国境内仅有10个左右,其中大部分到夏季时,洞内仅存少量冰体或没有。

目前我国对外开放旅游的冰洞有张家口锡儿山冰洞、河北省涞源县冰洞、黑龙江省五大连池冰洞、山西省宁武冰洞和云丘山冰洞。还有一些小型冰洞,如在湖南怀化芦坪乡的冰洞、湖北五峰县白溢寨冰洞、湖北神农架冰山冰洞、陕西翠华山冰洞、河南林县石板乡的“冰冰背”、重庆巫溪城西80km的夏冰洞(巫溪冰洞)、吉林白山市白云冰洞等,这些冰洞由于规模比较小、存冰少,地方偏僻,受到条件制约而没有对外开放。

在国外,冰洞就更少了,主要有位于奥地利萨尔茨保市附近的爱斯里森卫尔特冰洞,该洞被认为是世界上最大的冰洞,在过去的15到20年里,冰洞增长明显;斯洛文尼亚冰洞,该洞规模较小,仅几十米长,洞中结的是自然冰,冰量不大,现为私人管理开放;东南极Yatude峡谷发育的冰洞;瑞士Livres冰洞以及冰岛瓦特纳冰洞等。

奥地利爱斯里森卫尔特冰洞(图片来源:网易号:地理沙龙)

冰岛瓦特纳冰洞(图片来源:互动百科)

而我们今天主要介绍的位于山西省的两个冰洞,是目前所知全球冻土带以外,垂直洞穴中保存的冰体规模最大、最多、最好的。一个位于山西省宁武县春景洼乡麻地沟村之东南约2km的山顶面附近,是由国土资源部2005年批准的第四批国家地质公园。目前观点认为其形成于距离我们遥远的新生代第四纪冰川期,已有300多万年的历史,因此当地百姓都叫它“万年冰洞”。另一个冰洞——云丘山冰洞位于山西省乡宁县境内,地处吕梁山南端,西邻黄河,东近汾河,南侧是晋南盆地。该冰洞同样形成于第四纪冰川期,于2019年2月才对外开放。

云丘山所处位置(图片来源:央视节目《地理中国》)

冰洞长啥样?又有啥特点呢?

宁武冰洞自1998年被发现后,引起地学界高度重视。中国地质调查局于2003年专门立项进行调查研究。并通过2003年、2004年的多次野外实际调查,取得许多重要的第一手资料。

万年冰洞地表洞口呈圆形,垂直地面分布。口宽约10m,在深约5m呈陡倾向下延伸至深20m处呈垂直圆筒状。中空、洞壁有厚薄不等冰层覆盖(包括人造冰)。上部冰体可见水平层状结构特征,局部见弯曲状冰体发育,冰层厚约5m。下部冰体因后期开发、旅游有人造冰体覆盖。地表水或泉水以夏季为最丰富。在春、冬初季节,进入洞中的流水可见夹有不少小冰块并随流水落入深约50m人工堵塞成的小冰湖中,洞中气温约为-1℃,冰温-1.2℃、围岩岩石温度在-0.9℃左右。而以本地洞外的气候条件论,这里根本构不成结冰的环境,但事实上这里洞内冰柱一年四季不化,这也是它的奇特所在。

宁武万年冰洞洞口(图片来源:搜狐号:大学直通车)

宁武冰洞发育的冰幔景观

进入洞中有冰笋、冰柱、冰幔、冰瀑布、冰帘、冰锥、冰钟乳,一派冰凉彻骨、冰雕玉砌的严冬景象,万年冰洞是一座自然天成的地质博物馆,洞中的冰层具有极高的科研价值。更为神奇的是洞内有一种罕见的地质现象:负地热现象,它成了万年冰洞的谜中之谜。越往洞下走,温度越低,冰层越厚。这一现象也使得很多专家学者费解。

洞中冰柱上结满了冰笋(图片来源:搜狐号:无锡都市频道)

宁武冰洞中的冰瀑

洞里挂满了冰锥,就像是万剑的封存地,场面十分震撼(图片来源:搜狐:三晋直播)

说到冰洞的不解之谜,还有一奇谜更使人们惊叹不已:与冰洞相距不到二百米处,有一处千年不熄的地火(大量地下煤自燃),当地人称“千年火山”。这一冰一火,本是相克,却奇妙地共存于同一山上,可谓“水火相容”。

冰洞附近的“千年火山”

而云丘山冰洞群属世界罕见超大冰洞群,洞穴相互贯通,蜿蜒曲折,总长100多米,最宽处有12米,最高有15米,洞内四壁结冰,五步一景,冰柱、冰笋、冰钟乳、冰石花分布整个空间,大大小小的冰凌晶莹剔透,在五彩灯光的映照下呈现出梦幻般景象,犹如龙宫御舍。

云丘山冰洞群(图片来源:搜狐:山西青年)

如此漂亮又冷酷的冰洞是如何形成的呢?

如此神奇的地质现象怎会让人类轻易看透,因此目前关于冰洞的成因依然存在很多争议,主要分为两个方面:

一是洞体的成因,关于洞体产生机制的观点主要有三种:

一、宁武冰洞洞体是由于灰岩形成的地下河上方因岩石不稳定,发生崩塌作用形成的天井。

二、该洞体是由于地表水流沿灰岩裂隙,自上而下不断冲蚀和溶蚀作用进而产生的岩溶漏斗。

三、宁武冰洞洞体的形成与冰臼形成相似,不过由于基岩为灰岩,强度较小,且裂隙发育,有利于形成规模大的洞穴。并且把与冰臼形成相似的巨大垂直灰岩基岩洞穴称之为“洞冰臼”(下图中的A-C过程)。

另一方面则是冰体的成因,最新的观点将冰体形成分为三个阶段:

(1)早更新世末冰缘期冰体形成阶段:万年冰洞洞体,自早更新世晚期形成后,区域很快进入冰缘期发展阶段,在寒冷的冰缘气候条件下,夹带大量冰块的地表流水,进入冰洞后,水沿灰岩裂隙下渗至潜水面以泉水方式很快流失,而冰块则残留于洞底之中。年复一年,洞中冰块越积越多。这是冰体形成最重要阶段(如下图A1)。

(2)中晚更新世雨期、间雨期水平冰体形成阶段:区域冰缘期过后,进入中晚更新世雨期、间雨期发展阶段。由于气温明显升高,温暖的地表流水进入冰洞后使上部冰体产生局部融化,形成低温流体充填冰体中的孔隙和围岩中的裂隙,并与冰体冻结为一体,使冰体上部成为不透水层。夏季流入的地表水在冰体上部积水成湖,到了冬季则被冻结成水平冰层(如下图B1)。

(3)全新世冰后期冰体解体阶段:万年冰洞水平冰体形成后,是冰体达到最大的时期。之后区域进入温暖的冰后期发展阶段。温暖的地表流水进入冰洞后,由于冰体上部的不透水冰层被融化,流水不断冲蚀溶蚀中部冰体,而最后成为空洞,仅在洞壁残存较多冰体(如下图C1)。洞壁冰体进一步融化,至现代在距洞口40m以上仅见较多层状冰残留(如下图D1)。

万年冰洞洞体形成过程剖面(A、B、C)及冰洞冰体形成发展剖面(A1、B1、C1、D1)示意图(据孟宪刚,2006)

冰体形成后又是如何保留至今的呢?

俗话说:“打江山容易,守江山难”。前面我们已经介绍了万年冰洞所处的自然条件,其地处永久冻土带之外,在夏季,洞外气温高达 10 ℃以上,绿草如茵,鲜花盛开,根本不构成冻冰的环境。而且距万年冰洞不过数百米之外,更是有大量地下煤自燃。那么万年冰洞在现有的地质地貌和自然地理条件下,冰体为何能保存至今呢?

最初有些学者认为其之所以能常年不化,可能是该地区存在负低温或负地热异常,而近些年科学家通过对该地区的一系列相关测量否定了这两种观点。目前认为其长期不化的原因可能受三个方面的因素影响:

一是其自然地理条件位置有利。万年冰洞地处较高的纬度(北纬 38°57′)和较高的海拔高度(2120m),以及周边大面积森林覆盖,使大气气温常年保持较低环境,年平均气温为 2.3℃,6~9月份平均气温14.6℃,使冰洞中冰体受大气影响减少到最低限度。

冰洞附近自然地理条件

二是冰体与围岩以热传导方式和冰体与岩石裂隙空气以对流方式产生热平衡而形成岩石低温保护层。前述可知,冰洞中的冰体开始形成于早更新世末期 ,在寒冷的冰缘气候条件下,冰体负温大与具良好热导率的围岩(灰岩)进行热平衡过程中,热传导起主导作用。实际地温测量资料表明,围绕冰洞,地温、地表温度及气温明显下降(如下图),说明冰体与周围岩石产生热平衡的结果已波及地温并产生显着影响,这一过程称之为“冰室效应”

万年冰洞—千年火山一带实测地温(A)、地表

温度(B)及气温(C)变化曲线图(据孟宪刚,2006)

而“千年火山”的存在也对冰体的保存提供了有利条件,其对大气的加热产生大面积对流作用,促使冰洞附近保持低温状态。“千年火山”存在所产生的热力作用称为“热力效应”。

万年冰洞及周边热力分布示意剖面图(据孟宪刚,2006)

万年冰洞所在地——芦芽山景区(图片来源:山西省文化和旅游厅)

正是由于万年冰洞地处有利的自然地理位置,冰洞 、冰体和“千年火山”的存在所产生的“冰室效应”和“热力效应”等多种因素综合作用下,万年冰洞中的冰体才保持常年不化,成为举世瞩目的地质奇观。值得一提的是,上述观点只是目前学者一些认识,其成因依然值得探讨。而云丘山冰洞由于缺少第一手的考察资料,冰洞成因仍是未知之谜。

未标注图片来源于网络

参考文献:

方世明, 郭旭, 郑斌等. 山西宁武冰洞国家地质公园典型地质遗迹资源及科学意义[J]. 地球学报, 2010, 31(4):605-610.

孟宪刚. 山西宁武"万年冰洞"形成机制初探[J]. 地球学报,2006,27(2):163-168.

孙占亮. 山西宁武冰洞国家地质公园地质遗迹景观评价[J]. 华北国土资源, 2013(1):89-92.

美编:王水水

校对:陶 ? 琴

(责编:定西信息网)

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