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气候变暖,会导致哪些地质灾害?

时间:2022-09-18 09:58来源: 中科院地质地球所微信公作者:孔佑兴

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       尽管秋天已经来临,但正在看此文的小伙伴们,恐怕对今年的高温天气印象深刻,甚至有些仍然在高温中备受煎熬。尽管“今年在未来十年中最凉快”的新闻已经得到了辟谣,但在全球变暖的大背景下,全球温度逐年持续走高却是不争的事实(图1)。面对高温,我们人尚可以选择栖居在空调房里享受清凉,而大自然的江河湖海、山川峻岭,却不得不暴露在烈日之下。气候变暖,会导致哪些地质灾害呢?

冰川消融(Glacier melting)

       在全球变暖的影响下,冰川首当其冲。通过全球区域温度变化图可以看到,极地、格陵兰岛、我国的青藏等高寒地区的温度变化幅度较大。而这里正是冰川广布的区域。



图2 2021年全球温度与1951-1980年平均值的比较图。(图片来源:NASA)

       可以看到,两极地区受全球变暖的影响最大。

       在全球变暖的影响下,冰川呈现出加速退缩的趋势。根据卫星图像,全球75%的冰川都在萎缩,只有8%的面积增长。而NASA的卫星监测数据则显示,仅在2003-2007这四年,地球上南极、北美阿拉斯加和北极格陵兰岛的陆地冰川就融化了超过2万亿吨。

       位于冰岛首都雷克雅未克的奥克冰川,形成于约700年前,却在短短的一百多年中,面积从16平方公里减小到了不足0.7平方公里,在2014年被正式宣告“死亡“,成为第一个被宣布死亡的冰川。2019年8月18日,冰岛主要官员及科学家前往冰川原址,为冰川举行“葬礼”。它的墓碑上刻着“给未来的一封信”,希望可以藉此呼吁全球关注气候变暖对冰川的影响。



图3 奥克冰川(Okjokull)消融前后对比。(图片来源:NASA)



图4 2019年8月18日,人们为奥克冰川举行了“葬礼”。(图片来源:https://viaggi.corriere.it/eventi/islanda-funerale-del-ghiacciaio-okjokull-seva-project/)

       在中国,冰川消融的问题同样严峻。中国是世界冰川资源大国。根据中国第一次冰川编目(1978-2002年开展)资料统计,中国境内冰川共计 46377 条,总面积 59425km2;而2014年发布的《中国第二次冰川编目》则显示,中国境内面积超过 0.01km2 的冰川共有 48571条,总面积达51766km2,短短二三十年,中国境内冰川就减少了约20%。



图5 位于四川省甘孜藏族自治州贡嘎山东坡的海螺沟冰川。(图片来源:海螺沟景区官网)

       冰川快速消融,会带来诸多灾难性的后果,其中最为严重的就是海平面上升,据NASA的数据表明,目前全球海平面较1870年已经上升了20厘米,且海平面上升的速度也在加快,从1990年代的2.5毫米/年,增加到了现在的3.4毫米/年。而南极科学研究委员会(SCAR)发表的报告表明,南极西部冰川融化加速,预计到2100年全球海平面会上升1.4米,全球10%以上的人口会失去赖以生存的土地。



图6 NASA根据卫星数据分析的1992-2014年全球海平面变化。(图片来源:NASA)

       同时,冰川融化也是一种巨大的资源损失。地球上,人类赖以生存的淡水资源共约2825×104km3而其中的85%是储存于冰川。冰川消融将会大大影响水文状况与生态环境。同时,冰川融化也会大大增加冰川的不稳定性,从而引发一系列的灾害。

冰崩(Ice avalanche/Glacier Collapse)

       如同岩体崩塌一样,冰崩是指在坡度较大的斜坡上大块冰体甚至整条冰川在重力作用下沿着冰川内部破裂面或脆弱面,脱离母体而迅速倾倒或滑塌、坠落的现象,是最激烈的冰川灾害形式。在历史上,冰崩灾害曾多次发生,但往往规模较小、频率较低。而近些年,冰崩灾害却频繁发生,规模也较大,发生原因也与气候变暖关系密切。一方面,冰川融化本身就会增加冰体的不稳定性,另一方面,融水进入裂隙,也会对冰体产生压力并起到润滑作用,大大增加崩塌的危险性。



表1 截至2016年,历史上有记录的大型冰崩灾害记录

       2016年7月17日,我国青藏高原阿里地区阿汝错湖区冰川群53号冰川,从海拔大约5800米处断裂,断面宽2.4公里,扇长5.7公里,碎冰滑落至海拔5000米左右,面积达9.4平方公里,造成9人遇难。2个月后,其南侧的50号冰川同样发生冰崩事故。如此大规模的冰崩发生在冰川活动一直较为稳定的青藏高原西北部地区,实为罕见,在国内外引起了很大反响。



图7 西藏阿里地区53号冰川冰崩前后遥感图。



图8 阿里冰崩发生后,救援队正在实施救援。(图片来源:央视新闻)

       2021年2月7日,印度北阿坎德邦(Uttarakhand)查莫里(Chamoli)地区冰川崩塌,引发阿勒格嫩达河(Alaknanda)和杜利恒河(Dhauli Ganga)的大规模洪水,冲毁沿岸居民房屋和两座水电站工程,造成周边地区数千人被迫紧急撤离,超过200人死亡或失踪。



图9 冰崩引发了洪水,造成巨大灾难。(图片来源:International Business Times)

       而就在不久前2022年7月3日,意大利北部马尔莫拉达山区(Marmolada)一处高山冰川同样发生崩塌,山顶的冰盖垮塌后,夹杂着石块在海拔3300多米的山上倾泻而下。造成11人死亡,8人受伤。



图10 救援直升机正在紧急救援。(图片来源:Washington Post)

       冰崩灾害的发生为我们敲响了警钟,不仅仅在于其本身的灾害性,更重要的是它可能导致一系列的灾难。若冰崩发生的海拔较高,还能够进一步诱发冰碛物碎屑流、冰川泥石流、冰湖溃决等次生灾害。

冰川跃动(Glacier surge)

       冰川并非静止不动,而是在重力作用或下部基岩变形的影响下,时刻发生着缓慢的运动,速度从每年数米至上百米不等。而冰川跃动是一种特殊的冰川运动现象,它是指冰川在数天或数十天内以超出正常运动速度数十倍甚至数百倍以上的速度快速前进,是冰川不稳定的一种表现形式。



图11 位于阿拉斯加的马拉斯皮纳冰川(Malaspina Glacier, Alaska)从陡峭的山谷溢出到平原上。(图片来源:Wikipedia Common)

       冰川跃动,一类是在气候寒冷条件下,由冰下压力增高发生压融并润滑冰川导致跃动;另一类是在气候较温暖条件下,由冰川融水向下迁移导致冰下静水压力升高而润滑产生跃动。冰川跃动,将会淹没草场、农田、房屋,对基础设施等造成破坏。



图12 2015年5月新疆克拉牙依拉克冰川发生跃动后停止,图中红色部分运动速度发生明显变化。此次跃动造成草场和部分房屋被淹没。

冰湖溃决(Glacial lake outburst flood, GLOF)

       冰湖是以现代冰川融水为主要补给源或在冰碛垄洼地内积水形成的天然水体,包括冰川末端湖、冰川表面湖、冰川补给湖等类型。

       冰湖溃决洪水,指的是由冰湖坝体垮塌、大量排水而形成的突发性洪水。冰湖坝体溃决的原因有很多,如冰川运动、流水侵蚀、水压超过坝体承载力、岩体和冰体崩塌、地震等,均会导致冰湖溃决。而气候变暖,高温天气导致的冰体融化,近年来也成为冰湖溃决的重要原因之一。



图13 2002年8月14日,位于阿拉斯加的哈巴德冰川(The Hubbard Glacier,Alaska)被史上第二大冰湖溃决洪水所淹没。(图片来源:Wikipedia)

       我国的青藏高原地区是冰湖溃决的高发地区,这里地势高,气候寒冷,冰川广布。冰川融水汇成河流,使这里成为长江、黄河等几条大河的发源地,因此被誉为“亚洲水塔”,融水也汇聚成了众多冰湖。有学者统计,天山山脉、喀喇昆仑山、喜马拉雅山脉、念青唐古拉山、横断山等地冰湖溃决洪水频发,其中犹以喜马拉雅地区为最。20世纪八十年代以来,喜马拉雅山脉和念青唐古拉山地区,平均每年发生1.3起溃决事件。而冰崩、冰川滑塌、上游来水是导致冰湖溃决的主要原因,而这些都与气候变暖脱离不了干系。



图14 亚洲高山区冰湖溃决洪水事件分布

       冰湖溃决洪水突发性强,往往对下游造成灾难性的侵蚀与破坏。例如,2013年7月5日,位于西藏自治区嘉黎县的然则日阿错溃决,受灾人口达1160 人,49座房屋被毁,大量农田、桥梁遭到破坏,直接经济损失高达2. 7亿元。



图15 西藏嘉黎县然则日阿错湖泊范围变化图。该湖在1970-2013年6月16日期间面积由0.16km²增长至0.58km²,溃决后分离为两个小湖。持续降水和气温回升造成的雪崩和冰崩导致了这一灾害。

冰川泥石流(Glacial debris flow)

       冰川泥石流是指在高山冰川环境下由冰川洪水与冰川或其他寒冻风化沉积物所形成的泥沙流,具有突发性强、运动速度快(可达200km/h)、运动距离远(可波及数十公里)、规模大(体积可达百万立方米)的特征。与一般的泥石流一样,其发生也需要具备能量(陡峭的地形提供重力势能)、物源(丰富的松散堆积物如冰碛物、冰水沉积物)和水源(冰雪融水或冰湖溃决洪水)这三个条件。根据其成因的不同,可以将其划分为冰川消融型泥石流、冰崩雪崩型泥石流和冰湖溃决型泥石流。



图16 冰川消融型泥石流,这类泥石流一般规模较小,流速较低,往往在山前形成坡度平缓的泥石流滩地。



图17 冰崩泥石流,这类泥石流冲刷强,沿山谷下泄冲刷出V形滑道。



图18 冰湖溃决型泥石流,这类泥石流规模大,破坏性强。

       连接中国和巴基斯坦的中巴喀喇昆仑公路,穿越了喀喇昆仑-喜马拉雅地区。在悬殊的地形落差、频繁的地震、活跃的冰川运动和极端降雨等众多环境因素影响下,冰川泥石流极端发育,使这里成为世界上最险峻的公路之一。



表2 2008-2011年中巴公路主要冰川泥石流事件

冻土退化(Permafrost degradation)

       冻土,顾名思义,指的就是冻结的土壤。根据冻结时间长短,可以分为短时冻土、季节冻土和多年冻土。其中,多年冻土是指存在时间两年以上、温度低于0℃的岩石或土壤,也常常被称为“永久冻土”。一般来讲,土壤根据温度差异可以分为三层:接近地表的土壤在夏季融化、冬季冻结,被称为“活动层”(active layer);随着土壤深度增加,温度不再受大气的影响,常年冻结,为“多年冻土层”;而深层的土,由于地热的影响,不再冻结,称为“未冻层”。



图19 陆地多年冻土(a)及其垂直剖面示意图(b)

       我国冻土类型多样、分布面积广。尤其是青藏高原地区,独特的高寒环境孕育了一百多万平方千米的高海拔多年冻土,是全球中低纬度多年冻土分布最广的区域。但是,近几十年来,青藏高原地区的冻土退化极为严重,2000年,青藏高原多年冻土面积为1.40×106 km²,而在2019年的调查中则为1.06×106 km²,退化面积超过24%。有学者对青藏高原地区冻土退化情况进行了预测,情况同样不容乐观。



图20 中国冻土分布图(图片来源:国家青藏高原科学数据中心)



图21 学者模拟出的青藏高原未来冻土退化趋势,可以看到,冻土面积急剧减小,活动深度增大,浅层冻土几乎消失。

       冻土退化对生态环境和人类活动等均会产生重要影响。冻土融化将影响水循环,造成水资源分布不均,进而影响植被生长。而土壤中的冰融化后体积减小,则会造成地面塌陷,形成热熔湖塘、热熔滑塌等现象,导致原本建在多年冻土层上的房屋倒塌、路基、桥梁破坏。



图22 热熔湖塘(a)与热熔滑塌(b)。热熔湖塘是冻土融化、地面塌陷后融水汇聚形成的湖塘;热熔滑塌是冻土融化后导致地层架空、岩土强度下降后发生的滑塌,也可能会表现为大面积的山体滑坡。

       此外,冻土中冻结的物质,也不容小觑。漫长历史中冻结的冰体里,可能封存着大量有害物质和病菌,一旦融化,可能对生态系统和人类的生命安全带来风险。同时,大量的有机碳被储存在冻土层中,冻土融化后有机碳被分解释放,成为温室气体进入大气,将导致温度进一步升高。



图23 2016年10月,西伯利亚爆发炭疽疫情。此次疫情被认为是多年冻土退化、地表露出了75年前感染炭疽病毒死亡的驯鹿遗体所致。(图片来源:Screenshot Siberian Times)

冻融滑坡(Freeze thaw landslide)

       滑坡,即边坡岩土体受水、地震、人类活动等因素的影响,在重力作用下沿着软弱面发生滑动的现象。在我国,大约有8%的滑坡是由冻融循环所直接或间接诱发的。而气候变暖,则无疑会增加冻融滑坡灾害的比例。



图24 中国大型滑坡的主要触发和诱发因素

       冻融作用之所以能够诱发滑坡,是因为其将大大削弱岩土体的强度。一方面,反复的冻融,会使土体内部的水分不断胀缩,增大土体孔隙,使其变得松散;另一方面,大量产生的融水渗入岩土体内部,不仅增加了土体的自重、对土体施加了额外的水压,还会使土体软化,最终发生破坏。



图25 2013年3月29日,西藏墨竹工卡县扎西冈乡发生滑坡泥石流灾害,一处矿区被埋,事故造成83人死亡。此次事故,就是由冰雪冻融引发的滑坡碎屑流灾害。(图片来源:央视网)

       气候变暖导致的种种地质灾害,是大自然为人类敲响的警钟。人类在追求高速发展的同时,也需要兼顾大自然的保护。所幸,减少温室气体的排放、阻止全球变暖已经成为全人类的通识。尽管这一举措将面临重重困难,人类也会因之付出诸多代价。但相信在大家的共同努力下,一定会不断取得突破,人类也会迎来更美好的明天。
(责任编辑:wxc)
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