Introduction to Glacier Landforms (冰河地形簡介)

這篇主要是從Glacier National Park(冰河國家公園)裡節錄出基本的冰河知識，再加上一些改動。

在我去過的不少國家公園裡多少都有被冰河切割過的景觀，包括Grand Teton、Sequoia/Kings Canyon、Lassen Volcanic、Mount Rainier、Crater Lake、North Cascades、Yosemite、Great Basin......等，但以Glacier National Park最齊全、最易觀賞以及最具代表性，兼具觀光以及教育功能，可說是最栩栩如生的冰河教科書。雖然之後有不少例子都會以這公園的景觀來做說明，但在適當的情況下也會把其他公園看到的冰河景觀也放進來。


Figure 1: 右手邊的Grinnell Point屬於常見的冰河地形之horn(角峰)，在冰河國家公園很多地方都可以看到這種東西，這個角度是早上從Many Glacier Hotel的陽台看的。大家不妨假想自己就選了其中一個椅子坐著，一邊欣賞眼前的風景，一邊瞭解之後要講的冰河相關知識。

首先要問的是，冰河是如何產生的？

雖然目前地球大部分的冰河(glacier)存在於極地(pole)地區，但從地球形成以來，除了澳洲之外，我們可以在包括非洲的各個大陸，發現冰河存在過的證據。冰河需要相當特殊的條件才能生成，簡單的說，冬天的雪量要夠大而夏天的溫度得夠低，這樣才能保證冬天儲存的雪量不會流失。也因為需要這種夠冷的環境，使得冰河侷限在極地或是高山(alpine)地區，而冰河也可據此而劃分為兩大類。在極地地區的冰河被稱為continental glaciers，或是ice sheets；而存在高山的冰河則稱為valley glaciers、mountain glaciers或是alpine glaciers。


Figure 2: 華盛頓州的Mount Rainier National Park是48州裡觀看冰河的最佳地點，亦有不少冰蝕地形。


Figure 3: Mount Rainier東側的Emmons Glacier為此山25條冰河裡規模最大的。

當雪越積越多時，下方的雪於是受到上壓的關係而被壓縮成冰，依據受壓力道的不同，冰河大都由三種不同的冰層所組成。最上方的雪會變成硬且易碎的冰，中間則是顆粒狀的冰雪混合物，稱為névé。而下方的冰層因為受到更大的壓力，會更進一步被壓縮而成為為firn(粒雪)。當雪層越積越多，則下方受到的壓力越大，並將藏在其中的空氣擠出，最後形成密度更高的glacier ice(冰河冰)。通常glacier ice需要五至廿年才能長成，且看起來會帶點藍色，因為其他顏色的可見光被吸收在裡面。而這最下層的glacier ice也因受壓的關係而富有彈性，使得冰河能夠彎曲也較容易在崎嶇不平的地上移動。這整個冰層，少可以是幾百呎，多甚至可以超過一萬五千呎；也由於需要經年累月(常常是一百年以上)地累積，冰河不能在太斜的地形生成，不然會先形成雪崩(avalanche)而無法結成夠厚的冰。


Figure 4: 位於加州Sierra Nevada山脈的Kings Canyon也是冰河之傑作，現在亦是個國家公園。

當上方的雪積到夠多時(一般至少需60呎以上)，受到地形以及重力的影響，使得整個冰層開始移動，這時冰河正式形成。若是valley glacier，則冰河會順著地勢(通常是山谷)而向下滑，並順便攜帶岩石一起移動；若是continental glacier，則會從一個中心點向四面八方擴展。一般來說，冰河的(平均)移動速度很緩慢，一年通常只移動幾十至幾百公尺。如果用龜兔賽跑來形容的話，跟冰河比起來，龜的速度就像兔子一樣快。不過，也是有一些冰河一天的移動距離可以超過十公尺。

歸納起來，冰河要形成先得累積夠多的雪並壓縮成冰，一直到重量夠重的時候再藉著重力使自己移動。若要對冰河做個簡單的定義，就是冰河是一種藉著重力移動的冰石混合物。在美國，觀看冰河最佳的地方當然是阿拉斯加(Alaska)；若只算48州，華盛頓州的Mount Rainier National Park則是首選。


Figure 5: Yosemite National Park是另一個知名的國家公園，也是世界遺產位址，公園裡的Yosemite Valley也是冰河作用下的傑作。

在瞭解冰河如何形成後冰河地形，現在就可以介紹一下常見的冰河景觀了。

冰河從生成、前進(advance)與消退(retreat)的過程中，因為侵蝕(erosion)、囤積(deposition)以及搬運(transportation)等作用，會形成相當多不同的景觀，這邊簡單介紹幾樣，主要是侵蝕這部分，是valley glacier作用後常見的景觀，而且大部分都可以在冰河國家公園裡輕易看到。


Figure 6: Grand Teton National Park裡的山脈形狀非常有形，冰河是主要的推手。

如之前所說，冰河的移動通常很緩慢，第一時間光用肉眼看是很難分辨那到底是一塊不動的冰、或是會動的冰河。但如果對因為冰河作用下的地形有所認識，可以搭配周遭的景觀，藉以判斷出(你要說是用猜的也可以)那到底是個冰河或只不過是個冰；甚至是向John Muir他老人家一樣，在沒看到冰河的情形下就認定Yosemite Valley之前有過冰河運動，並因此而造成現今的景觀。

雖然由於大家生得太晚的關係以致於地球上的冰河輪不太到大家來發現，但也許還有機會可以發現其他星球的冰河......。


Figure 7: 一些常見的冰蝕地形示意圖(from internet)。

Figure 7大致將這邊要介紹的幾種冰河地形都刻畫了出來，在一邊對照這張圖以及其他相關照片下，應該可以容易理解這幾種因侵蝕所形成的冰河地形才是。

(1) Cirque(冰斗)

在valley glacier裡，cirque是個相當常見的冰河地形，大部分valley glacier的源頭(headwater)都是在這種情形下產生的。其生成的原因在於積雪在經年累月的反覆凍融下，造成下面岩石的崩解，在重力與融雪水的共同侵蝕下，將岩石侵蝕成像碗公(bowl)或是圓形露天劇場(amphitheater，就是像羅馬競技場觀眾席的那種東西)的形狀，因此稱之為cirque。在cirque上的冰河，則稱為cirque glacier。


Figure 8: 冰河國家公園內的Avalanche Lake，湖水上方的山壁就是個cirque(冰斗)。

中文取其狀似漏斗，故曰之冰斗。如果直接用bowl或amphitheater翻，一時之間還真不知該叫啥名字。


Figure 9: 冰河國家公園內的Hidden Lake屬於cirque lake，旁邊是Bearhat Mountain。

典型的cirque會被岩壁從三面圍著，只在下方有一開口，於是冰河順此一路前進(advance)；但若冰河處於消退(retreat)過程，則會在岩壁下的窪地因融雪而積水成湖，這種湖稱為cirque lake(冰斗湖)，或是叫做tarn(cirque是法文，tarn比較屬於北歐的用法)。


Figure 10: 冰河國家公園內的Ptarmigan Lake也是個冰斗湖，這個角度也可以清楚看到湖上方的cirque以及通往終點Ptarmigan Tunnel的步道。也就是說，這個部分的步道是直接走在cirque裡，但我走的時候並沒有什麼特別的感覺就是。

在冰河國家公園裡有相當多的cirque lake，比如Avalanche Lake、Cracker Lake、Hidden Lake、Iceberg Lake、Ptarmigan Lake以及Upper Two Medicine Lake......等等。


Figure 11: 由Crater Lake National Park的Watchman Overlook看到的前方Wizard Island火山口與遠方的Mount Scott，這角度看過去Mount Scott的斜坡就是個cirque。這張圖同時有crater、caldera、cirque以及之後會提到的U-shaped valley(最右邊凹下去的地方)四種地形，是個可以同時看到火山與冰河地形的地方。


Figure 12: 雖然可以看到cirque的地方不少，但大都是由下往上看。可以從cirque的上方往下看的地方不多，其中之一是爬上Mount Scott，也就是上張圖Figure 11的山頂，就會看到如這張圖的景色，前景這個斜坡就是個cirque。

其他可以看到cirque的地方包括Crater Lake National Park裡的Mount Scott、Lassen Volcanic National Park的Lake Helen等。如果你有去Grand Teton National Park且有帶望遠鏡的話，不妨望向山峰，也可以在望遠鏡頭裡看到cirque。


Figure 13: 位於Nevada的Great Basin National Park裡的Wheeler Peak，其下有這州目前僅存的冰河，亦可看見cirque這種冰蝕地形。


Figure 14: 位於加州Lasssen Volcanic National Park裡的Lake Helen也屬於cirque lake。


Figure 15: Grand Teton National Park裡的山峰下有不少cirque，但大都得用望遠鏡才看得清楚。

(2) Arête(刃脊)

另一種常見的冰河地形為arête，在冰河國家公園裡最醒目的當屬Garden Wall，只要你有經過Logan Pass附近，很難不吸引到你目光；這公園另一個較容易看到的arête就是Ptarmigan Wall，從Many Glacier這地方走Ptarmigan Tunnel Trail不到半小時就可以看到。


Figure 16: Garden Wall是冰河國家公園內最容易見的arête(刃脊)。


Figure 17: 冰河國家公園內另一個容易見的arête(刃脊)就是Ptarmigan Wall。

這種地形的形成，跟之前介紹的cirque有相當的關係。一般來說，cirque會以向源侵蝕(headward erosion)的方式向上方的岩石「軟土深掘」(對冰河來說，石頭應該算軟)。若一個岩壁的背對背兩面都剛好各有一個cirque，在侵蝕到一定的時間後會使得這兩個cirque快接在一起或甚至是接在一起。這時候，在兩個cirque的交界處的山峰會很尖，狀似刀背，因此叫做arête(刃脊，刃嶺或是刀嶺)。其中，arête是法文，意思是fishbone(魚骨)。


Figure 18: Mount Rainier National Park裡的Sunrise Visitor Center上面，就是個arête，旁邊是Emmons Glacier。


Figure 19: 如果你有走過Sequoia/Kings Canyon National Parks的Moro Rock Trail，會看到如這張圖的The Great Western Divide，有帶望遠鏡的話可以看到其上的arête。

其他可以看到arête的地方包括Mount Rainier National Park、Sequoia/Kings Canyon National Parks以及Yosemite National Park等。

(3) Horn(角峰)

如同之前cirque對兩個面作用而形成arête，若一個岩塊有三個或更多個面，當每個面都被cirque軟土深掘時，就會形成horn(角峰)這種有趣的形狀。


Figure 20: Reynolds Mountain是horn(角峰)的代表，可以在冰河國家公園的Logan Pass附近看見。

在美國本土，冰河國家公園是欣賞horn這種冰河地形的主要地方。其中一個地方是Going-to-the-Sun Road上的Logan Pass附近，最醒目、也是最容易看到的horn當屬Reynolds Mountain與Clemens Mountain，只要你有經過Logan Pass，一定不可能錯過這兩座山，除非你在睡覺或是眼睛瞎了。


Figure 21: 左手邊的Reynolds Mountain與右手邊的Clements Mountain。這張是在早晨照的，因此陽光還打不到下面的山谷。這兩座山都屬於horn，而且好像雙胞胎一樣。

若你在冰河國家公園的Many Glacier這一區，則以Grinnell Point為最醒目的horn。而在Ptarmigan Tunnel Trail上走不久可以看到Mount Wilbur的另一面(如Figure 25所示)，也是個很漂亮的horn。


Figure 22: 左手邊的Grinnell Point是冰河國家公園Many Glacier這區最醒目的horn。實際上，右手邊的Mount Wilbur也是個horn，甚至Grinnell Point旁邊那個小小尖尖的Swiftcurrent Mountain也是horn！而Mount Wilbur的另一面可以在Ptarmigan Tunnel Trail上看到，如Figure 25所示。

如果一個horn有四個面且非常對稱，則有一個叫做matterhorn的別稱。最有名的matterhorn不在這公園，而是瑞士阿爾卑斯山的Matterhorn(馬特洪峰)，如Figure 24所示。實際上，Matterhorn特別的不僅如此，這座山峰有部分是歐洲土產，其他部份則是來自非洲，由來自非洲的義大利因板塊移動撞上歐亞大陸而形成。


Figure 23: 這是在Mount Rainier National Park的Sunrise這一區看到的一個horn，山峰下還可以看到cirque。


Figure 24: 位於瑞士與義大利交界的Matterhorn(馬特洪峰)，是阿爾卑斯山最有名的山峰之一，是個有四個面的horn(from Wiki)。

一個有趣的事情是，當你看到一個horn時，通常可以在不遠的地方看到arête，如Figure 25所示；但反之則未必成立，參考一下Figure 7，應該可以找到原因。


Figure 25: 左手邊的Grinnell Mountain是個horn，旁邊伸展成整排的是Ptarmigan Wall，是個arête，可以在冰河國家公園裡的Ptarmigan Tunnel Trail看到。

(4) Col(冰啞)

當arête或類似ridge的地形整個被冰河覆蓋時，原本尖銳的山脊線會被進一步侵蝕而越來越平緩，最後形成一個類似鞍部鞍部(saddle point)的形狀，就形成了所謂的col。冰河國家公園有不少叫Pass的地方都是col的好例子，包括最多人到的Logan Pass，而其他包括Dawson Pass、Swiftcurrent Pass、Siyeh Pass、Piegan Pass、Gunsight Pass......等也都是col，Figure 27是快走到Siyeh Pass前看到的一個col地形。


Figure 26: 鞍部(saddle point)示意圖，且冰河國家公園的Logan Pass就是個col(from internet)。


Figure 27: Glacier National Park的Siyeh Pass是個col的好例子。

(5) U-shaped Valley(U型谷)

有別於被河流侵蝕成的V-shaped valley(V型山谷)，被冰河侵蝕的山谷剖面看起來會比較平緩，狀似英文字母的U，故稱為U-shaped valley，也稱做glacial trough(如Figure 7所示)。


Figure 28: 位於冰河國家公園Logan Pass與Jackson Glacier Overlook中間的U-shaped valley，可以在Logan Pass東邊隧道的路上看到。

U-shaped valley是冰蝕地形中最常見的之一，在冰河國家公園的不少地方都可以看到這種U-shaped valley，如Figure 28至Figure 31所示。這種U-shaped valley的產生，常常是因為之前先被河水劃上一刀成為V-shaped valley，之後冰河再撕裂這道傷口成為U-shaped valley。


Figure 29: 從冰河國家公園的Ptarmigan Tunnel看到的U-shaped valley，下面那個湖是Elizabeth Lake。

如果你有走冰河國家公園裡的Grinnell Glacier Viewpoint Trail，你會看到如Figure 31的景色。除了一次看到三個湖以外，這其實也是個U-shaped valley。在冰河術語裡，有個叫paternoster lakes(念珠湖)的專有名詞，並且拿「幾乎」是圖Figure 31的風景來當例子。這邊確實也有paternoster lakes，但指的是Grinnell Lake、Lake Josephine與Swiftcurrent Lake，三個湖間並有溪流相通。這一串湖的形成跟moraine(冰磧石)的囤積與冰河消退有關，且通常最上游的湖是個cirque lake，也就是Grinnell Lake。


Figure 30: 冰河國家公園裡的McDonald Creek Valley是另一個U-shaped valley。

但Figure 31最遠的那個湖不是Swiftcurrent Lake、而是Lake Sherburne，且是個人工湖，因此用這張相片的這個角度會misleading。據說有的「類似」Figure 31角度的相片有掃到一點點的Swiftcurrent Lake，但我不確定Figure 31是否有掃到那一點點的Swiftcurrent Lake就是。

正港的由Grinnell Lake、Lake Josephine與Swiftcurrent Lake組成的paternoster lakes在這個連結，也許下次我再去走這一條trail時會找找是否有類似這個角度來表達paternoster lakes。


Figure 31: 這是從Grinnell Glacier Viewpoint Trail照的，也是個U-shaped valley。

Figure 32是Yosemite Valley，經典的Yosemite Valley眺望處有Tunnel View與Valley View這兩個地方，圖Figure 32屬於後者。不同於Figure 28至Figure 31由上往下看，Figure 31是在valley的谷底看，整個山谷的剖面會比較像英文字母U。Figure 5是Yosemite Valley的另一個角度，也可以看出是個U-shaped valley。

這麼U的U-shaped valley是很難見的，也就是谷底很平且谷壁幾近垂直，據說世界很難找到這麼標準的U-shaped valley。但Yosemite Valley這麼U的山谷並不完全是冰河切割的傑作。在10,000年前整個山谷是個湖，在泥沙淤積以及湖水消逝下，才變得這麼平。


Figure 32: Yosemite的Valley View，可以清楚看出Yosemite Valley也是個U-shaped valley。

有這麼標準、這麼U的U-shaped valley，照理說應該列為冰河或地質學科的教科書裡。但以當時人類對冰河的瞭解，大概以瑞士阿爾卑斯山為主要印象(也就是跟冰河國家公園看到的類似)，在看到這麼U的U-shaped valley時反而可能有too good to be true的感覺，因而不覺得是冰河造成的。而當時的地質專家Josiah D. Whitney更認為是因為某種如地震般的劇烈地殼變動形成的。Whitney是當初蓋Continental Railroad時，負責探勘Sierra Nevada這座山脈的主要負責人，功勞很大，對加州的地質有相當深厚的瞭解；而位於Sequoia/Kings Canyon National Park的美國本土最高峰Mount Whitney，就是以他命名。所以當權威說那不是冰河而是地震造成的，非常多的人都接受這個說法。何況，這也符合加州給人多地震的印象。

因此當John Muir提出冰河是雕塑Yosemite Valley主要推手這個「異端邪說」後，馬上遭到以Whitney為首的人圍剿。當時一方面沒多少人認識John Muir，再加上Whitney是耶魯(Yale)大學畢業的鴻儒之士，而John Muir是威斯康新大學(UW at Madison)肄業，不但學校名氣沒有耶魯大，也沒什麼地質相關方面的成就，因此John Muir的這個理論就如同年輕的愛因斯坦(Einstein)剛提出相對論一樣，乏人問津。不過John Muir的命運比較慘，因為還得被Whitney等人批評為amateur(業餘的)、不學無術或是放羊的(sheepherder)，可說是被用各種方法discredit。


Figure 33: Crater Lake National Park在夕陽時很漂亮，不過這張圖是要跟大家說在這公園也看得到U-shaped valley，如中間凹下的Kerr Notch以及右邊凹下的Sun Notch，都是火山爆發前被冰河切割出來的U-shaped valley。左邊那座山Mount Scott在Figure 11提到過，被太陽打亮的這一面是一個cirque。

其實John Muir不孤單，當初提出Continental Drift(大陸漂移理論)的德國氣象學家(meteorologist)Alfred Wegener，也是遭到當時地質學家不分黨派的圍剿，再加上Wegener確實也是用閒暇時間研究這些地質問題當消遣，於是他的理論被這些地質學基本教義派吐槽為邪說誤人，還揶揄說，Wegener大概是研究氣象中毒太深，因此把這些腳踩的大陸當作是天上的雲可以隨意飄來飄去。

(6) Hanging Valley(懸谷)

就如同河流有主流與支流(tributary)，冰河也有主流(main glacier，或是trunk glacier)與支流。通常主流的流量大，因此下切力道較支流強。這種下切力道的不同，在不斷經年累月下，主流與支流的bedrock(床岩)於是不在同一平面，且主流的bedrock在下，支流的bedrock在上。當冰河消退(retreat)後，支流的bedrock於是懸在主流的bedrock上，故稱為hanging valley(懸谷)。


Figure 34: 冰河國家公園裡Clements Mountain的下方有個瀑布，瀑布上方就是個hanging valley。


Figure 35: 拉近一點看上圖Figure 34裡的Clements Mountain下方瀑布，可以清楚看到瀑布上方的hanging valley。

找hanging valley最容易的方法，就是找瀑布！如Figure 34至Figure 37裡的瀑布上方，就是個hanging valley。也就是說，瀑布常常是下方的主valley與上方hanging valley的一個連接處。


Figure 36: 這個是在冰河國家公園Grinnell Glacier Viewpoint Trail的終點照的，圖中的瀑布是Salamander Falls，瀑布上方Salamander Glacier佔據的地方，就是個hanging valley，同時也是個cirque；山壁上凹下的那一塊，應該是col。

冰河國家公園較有名因hanging valley形成的瀑布有Bird Woman Falls、Avalanche Falls、St. Mary Falls、Baring Falls、Rockwell Falls與Florence Falls等等。


Figure 37: 這個是Yosemite National Park的Tunnel View，Bridalveil Falls這個瀑布也是因為上方的hanging valley所形成。

大家都曉得Yosemite的瀑布很有名，包括Vernal Falls、Nevada Falls、Bridalveil Falls與Yosemite Falls等在Yosemite Valley看到的瀑布，都是因為hanging valley形成的。Figure 37是從Tunnel View照的，可以同時看到瀑布上方的hanging valley。

實際上，John Muir認為冰河是造成Yosemite景觀的主要推手，跟他看到谷裡的那些瀑布後所受到的啟發也很有關係。所以說啦，下次看到美麗的風景，不妨多想想為什麼，也許你會變成下一個John Muir也說不定！


Figure 38: 這個是Yosemite National Park裡Upper Yosemite Falls的源頭(headwater)，瀑布的水就從這個hanging valley流到Yosemite Valley去。


Figure 39: Zion National Park裡解說牌對hanging valley的解釋。

如之前所提到，hanging valley是因為主流與支流向下侵蝕速度不同所造成，因此這並不是冰河(river of ice)的特產，一般的河水(river of water)也可以形成hanging valley。比如Zion National Park裡因為Virgin River切割出的Zion Canyon，在這峽谷的兩旁也有不少hanging valley。

(7) Fjord(峽灣)

簡單的說，fjord可以視為是U-shaped valley的一種special case，當這個valley一路延伸到海邊，在冰河消退後，海水一路湧進這山谷，而這些沒入海的部分，就稱為fjord(或是fiord)。簡單的說，fjord可視為是U-shaped valley的海水版。


Figure 40: 位於阿拉斯加Kenai Fjords National Park裡的一個峽灣(from Wiki)。

世界最有名的fjord觀賞地點包括挪威(Norway)、紐西蘭(New Zealand)與阿拉斯加(Alaska)，冰河國家公園是看不到fjord這東西的(如果看到的話，那人類大概也差不多完蛋了)。

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