冰坝形成的湖泊、突发性洪水，以及挪威东北部芬马克地区加切塔夫日（Gaccetáv?i）峡谷的形成

《Geomorphology》：Ice-dammed lakes, outburst floods, and formation of the Gaccetáv?i ravine in Finnmark, NE Norway

冰缘湖地貌演化与Gaccetáv?i峡谷形成机制研究：基于LiDAR与多源数据融合分析，揭示挪威北极圈地区冰退过程中冰缘湖叠合发育、多阶段溃决排水事件及其地貌响应，提出湖泊-冰缘交互作用模型。

　　

A. Goodship|J. Anjar|E. Gjermundsen|H. Alexanderson

挪威东南大学自然、健康与环境系，B? i Telemark，3802，挪威

摘要

在芬诺斯堪的亚冰盖从挪威东北部撤退期间，年轻的德里亚斯（Younger Dryas）冰碛与塔纳河（Tana River）流域之间形成了多个冰坝湖泊。这些湖泊的排水在地貌上留下了不可磨灭的痕迹：Gaccetáv?i峡谷就是一个长达10公里、最深处达120米的地质特征。本文利用基于LiDAR的数字地形模型，结合实地调查和新型遥感技术，提出了这些湖泊的形成、演变以及最终导致峡谷形成的过程。最初，在年轻的德里亚斯时期结束后，四个较小的湖泊在较高地形的冰层覆盖下形成。随着冰盖的逐渐退缩，这三个湖泊合并，并突破冰坝与第四个湖泊相连，形成了一个大型湖泊。该湖泊最大时面积达59平方公里，蓄水量为1.7立方公里。第一次突破引发了洪水爆发，开启了峡谷的形成过程。随后，随着冰盖前沿的波动和新排水通道的开启，湖泊持续排水。这一过程在峡谷周围及向南延伸至塔纳河的区域留下了多级冰川河流阶地和侵蚀地貌。

引言

冰坝湖泊是格陵兰和南极冰盖边缘以及全球冰川覆盖山区常见的地貌（Grinsted等人，2017年；Hata等人，2023年）。当冰川冰层阻塞了冰盖或冰川边缘的水流和排水时，就会形成这些湖泊。在适宜的地形条件下，冰层起到坝的作用，水体会在其后方积聚。随着全球气温上升和冰盖退缩速度加快，这种现象变得越来越普遍（Carrivick和Quincey，2014年；Mallalieu等人，2021年；Rosa等人，2022年）。冰坝湖泊的排水通常表现为冰川湖溃决洪水（GLOFs），即湖泊中的水和沉积物突然大量释放，这种现象具有破坏性，能在短时间内对周边地貌造成显著变化（Roberts等人，2003年；Taylor等人，2023年；Vuichard和Zimmermann，1987年；Zheng等人，2021年）。随着全球范围内冰盖和冰川的加速退缩，冰坝湖泊的形成及其引发的GLOFs在山区和极地地区的人口密集区成为日益严重的隐患（Compagno等人，2022年；Kattelmann，2003年；Kochtitzky等人，2020年；Skvarca和Naruse，2006年；Taylor等人，2023年）。因此，研究湖泊的形成和排水机制是一个关键领域。研究表明，这些湖泊的形成直接影响冰盖的行为（Carrivick和Tweed，2013年；Larsen等人，2016年；Quiquet等人，2021年；Regnéll等人，2023年），导致湖泊形成区域的冰盖边缘出现水下退缩现象。在前芬诺斯堪的亚冰盖（FIS）、劳伦蒂德冰盖（LIS）和巴塔哥尼亚冰原（Patagonian Ice Field）的边缘地区，已记录到多个不同规模的湖泊形成案例（Aurand等人，2024年；Lundqvist，1972年；Mangerud等人，2004年；Ploeg和Stroeven，2025年；Regnéll等人，2019年；Regnéll等人，2023年；Winsemann等人，2016年），这些地貌记录了湖泊的形成和最终排水的过程。曾经被FIS覆盖地区的地质记录表明，冰坝湖泊的规模从小于1平方公里到波罗的海冰湖（面积达349000平方公里）都有（Andrén等人，2011年；Jakobsson等人，2007年）。这些湖泊的排水可能是突然且具有破坏性的，例如Nedre Glomsj?（H?gaas等人，2023年；H?gaas和Longva，2018年）或Pite河谷（Regnéll等人，2019年）的情况。

年轻的德里亚斯时期（约12.9–11.7千年前）被认为是影响FIS的最后一次大规模冰川寒冷逆转和重新前进阶段。对该时期FIS退缩的区域重建显示，冰盖边缘的行为高度多变，受地形控制，同时形成了广泛的冰坝湖泊（Hughes等人，2016年；Patton等人，2017年；Stroeven等人，2016年）。因此，将局部冰坝湖泊和排水过程置于这一更广泛的FIS退缩框架中进行研究，对于理解边缘过程和地貌响应至关重要。

本研究聚焦于挪威芬马克（Finnmark）东北部年轻德里亚斯冰碛与塔纳河之间的冰坝湖泊的形成和排水过程（见图1）。该研究区域曾位于FIS覆盖之下，保存了极为完好的冰川和冰川后地貌。由于地理位置偏远，该地区及芬马克东北部的退冰模式研究相对较少。Sollid等人（1973年）对该地区的退冰过程进行了最全面的综述，包括广泛的实地观察和测绘工作，确定了海岸线、冰流方向和冰川亚阶段。此前在该区域已绘制出三条可追溯长距离的主要终端冰碛（Olsen等人，1996年；Sollid等人，1973年）。其中最南端的“Main”终端冰碛被认为是年轻德里亚斯时期冰盖最大范围的标志（Romundset等人，2017年），它贯穿研究区域的中心。该区域的一个显著特征是长达10.6公里的Gaccetáv?i峡谷，其走向为西南-东北（见图1）。通过航拍照片对峡谷周围的冰缘和冰川河流沉积物进行了测绘，在中分辨率卫星图像（如Google Earth）中可见多级阶地。Gaccetáv?i周围的景观是低海拔的苔原高原，使其成为这一大型侵蚀地貌的显著特征。其名称“Gaccetáv?i”源自萨米语，意为“爪状峡谷”（Sara Inger Sara，个人交流，2025-03-10）。以往的研究尚未对其形成机制提出解释。Sollid等人（1973年）虽未考察过Gaccetáv?i，但完成了西部和北部的研究工作。Romundset等人（2017年）使用宇宙成因表面暴露测年法将Kirkenes地区的“Main”年轻德里亚斯时期冰碛年代定为11.9±1.2千年前（n = 13），但未采集到穿过研究区域的同一冰碛区域的样本。Cuzzone等人（2016年）和Anjar等人（2021年）均指出在芬马克南部发现了冰坝湖泊形成的证据。Marthinussen（1961年）在芬马克北部发现了冰坝湖泊的痕迹。芬兰地质调查局（GTK）的测绘还发现Kaamasjoki河谷北侧的逆坡上存在冰坝湖泊。Tanner（1930年、1938年）记录了该区域内的多个大型排水通道，先前测绘中也发现了冰川河流沉积物（Olsen等人，1996年；Sollid等人，1973年）。然而，这些沉积物及其相关地貌的分布范围和控制因素尚不明确。

本研究旨在重建位于芬马克东北部年轻德里亚斯冰碛带与塔纳河之间的冰坝湖泊的形成、演变和排水历史。具体而言，我们（1）绘制并解释与古代冰坝湖泊相关的冰川、冰川河流和湖泊地貌及沉积物；（2）模拟年轻德里亚斯冰盖退缩期间的湖泊范围和排水路径；（3）分析形成Gaccetáv?i峡谷及相关阶地系统的过程。通过结合高分辨率LiDAR地形测绘、野外沉积学研究、POSL筛选和基于GIS的湖泊建模，我们对该地区冰盖退缩过程中的湖泊演变和洪水爆发动态进行了过程性重建。

地质测绘

在进行野外工作之前，首先通过ArcGIS Pro分析山体阴影模型确定了关键调查地点。挪威的LiDAR数据来自Hoydedata（https://hoydedata.no/LaserInnsyn2/），芬兰的数据来自Maanmittauslaitos（https://asiointi.maanmittauslaitos.fi/）。挪威LiDAR数据的最小点密度为每平方米2至5个点，芬兰数据的最小点密度为每平方米0.5个点。

测绘

通过遥感测绘，我们在研究区域内识别出了冰缘冰碛、冰川河流沉积物、 eskers（冰川侵蚀形成的垄状地貌）、河流沉积物和海岸线特征。侵蚀特征包括深切的河道、河流沉积阶地以及因河流或冰川河流侵蚀而暴露的基岩表面（见图2、图3）。后期侵蚀和有限的沉积物保存情况影响了这些地貌的完整性。

湖泊历史

冰盖从年轻德里亚斯时期的Main冰碛开始退缩，进入逆坡区域，这可能限制了冰川融水的流出，导致水在边缘积聚形成冰坝湖泊。此时西部盆地可能形成了冻结的冰盖基底，阻碍了该区域的冰下排水。这一过程得到了西部研究区域边缘排水通道的证实。

结论

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  紧密排列且重叠的冰缘冰碛表明，在冰盖退缩初期，冰盖位于低角度坡面上时处于振荡状态；随后随着冰盖在更陡峭地形上的退缩，退缩速度加快。
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  冰盖在逆坡上的退缩导致了研究区域内冰坝湖泊的形成。
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  Gaccetáv?i峡谷很可能是由年轻德里亚斯时期冰盖退缩过程中在FIS边缘前形成的冰坝湖泊排水形成的。
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  证据表明……

CRediT作者贡献声明

A. Goodship：撰写初稿、方法论制定、资金申请、数据分析、概念构建。J. Anjar：撰写、审稿与编辑、项目监督、概念构建。E. Gjermundsen：撰写、审稿与编辑、数据分析、概念构建。H. Alexanderson：撰写、审稿与编辑、调查、数据分析。

写作过程中使用生成式AI和AI辅助技术的声明

在准备本论文时，作者使用了Claude AI工具来改进句子的表达和简洁性。使用该工具/服务后，作者对内容进行了必要的审阅和编辑，并对发表文章的内容负全责。

利益冲突声明

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