斯匹次卑尔根岛南部的全新世冰川历史

斯瓦尔巴南部冰川Holocene动态研究整合地质地貌、碳定年及历史数据，揭示冰川退缩与暴发关联性，早Holocene冰川退缩使Hornsund湾冰缘环境形成，晚Holocene受2.2-1.8万及1.5-0.7万年前气候波动影响，受地形敏感性制约。

亚历山德拉·奥西卡（Aleksandra Osika）|雅切克·雅尼亚（Jacek Jania）|娜塔莉亚·皮奥特罗夫斯卡（Natalia Piotrowska）|德米特里·季霍米罗夫（Dmitry Tikhomirov）|乔安娜·埃娃·沙夫拉尼茨（Joanna Ewa Szafraniec）|达努什卡·德文德拉（Dhanushka Devendra）|马库斯·克里斯特尔（Marcus Christl）|马库斯·埃格利（Markus Egli）|安德烈亚斯·维利（Andreas Vieli）

西里西亚大学卡托维兹分校自然科学学院地球科学研究所，地址：Bedzinska 60，41-200，索斯诺维茨，波兰

摘要

气候变化影响着斯瓦尔巴群岛冰川的分布范围，全新世较温暖的时期可以作为预测其未来变化的参考。虽然斯瓦尔巴群岛中部、西部和北部地区的冰川历史已经得到了较为充分的研究，但人们对斯匹次卑尔根岛南部冰川变化的了解仍然有限。我们利用地貌学、地质年代学和历史数据，重建了霍尔森德（Hornsund）及其周边地区的冰川动态。新的和已发表的放射性碳（^14C）及宇宙成因核素（^10Be）测年结果与可追溯至17世纪的地图以及1872至1936年的照片相结合。来自冰碛沉积物和末次冰期（LIA）冰碛中的软体动物壳层的年龄表明，在早全新世期间冰川有所退缩，这促进了霍尔森德无冰区域的殖民。在晚全新世的前半段，潮水冰川的分布范围相较于末次冰期最大值有所减少。其有限的扩张可能受到约2.2–1.8千年前至1.5–0.7千年前海表温度上升和大气变暖的影响。晚全新世冰川的最大范围与冰川扩张事件相关，这些扩张可能发生在气候变冷和降水量增加之后。然而，在较温暖的条件下也可能发生类似的扩张现象。由于特定的地形特征（低海拔、坡度平缓、分支众多的冰川以及基岩中的凹陷），斯匹次卑尔根岛南部的许多冰川对气候变化极为敏感。在整个全新世期间，气候变率与冰川扩张之间的相互作用对冰川演化起到了关键作用。

引言

2010年左右，斯瓦尔巴群岛的冰川覆盖面积为33,750平方公里，占该群岛陆地总面积的57%（Nuth等人，2013年）。由于位于退缩的海冰边缘，并受到不同海洋和大气环境的影响，自1979年以来，斯瓦尔巴群岛的升温速度几乎是北极地区的两倍，是全球平均水平的两倍（Nordli等人，2020年；Rantanen等人，2022年）。自19世纪末末次冰期达到最大范围以来，冰川一直在退缩，并在20世纪90年代加速退缩（Nuth等人，2007年；Martín-Moreno等人，2017年）。Schuler等人（2020年）估计2000–2019年间斯瓦尔巴群岛冰川的总质量亏损为每年-8±6吉吨。以海洋为终界的冰川退缩速度更快，因为它们还通过前端消融失去质量（Błaszczyk等人，2013年）。这类冰川占斯瓦尔巴群岛冰川覆盖面积的60%以上（Błaszczyk等人，2009年），尽管在过去十年中，转变为陆地终界的潮水冰川数量有所增加（Kochtitzky和Copland，2022年）。

当前斯瓦尔巴群岛冰川的变化反映了空气和海水温度的升高，以及包括冰川扩张在内的动态变化（Luckman等人，2015年；Holmes等人，2019年；Błaszczyk等人，2023年）。将冰川扩张行为视为冰川范围快速变化的关键因素之一，有助于我们更好地理解其过去的行为、当前动态以及未来北极环境的变化（Hanssen-Bauer等人，2019年）。尽管早全新世和中全新世期间变暖阶段存在空间和时间上的差异，晚全新世期间出现冷却现象，但整个全新世期间北极不同地区的气候和冰川变化模式是一致的（Larocca和Axford，2022年）。斯瓦尔巴群岛的地质年代学记录显示，在全新世温暖期（HTM）期间冰川退缩，导致约8.0–6.0千年前冰川达到最小范围（Røthe等人，2018年；Allaart等人，2020年；Farnsworth等人，2020年）。4.0千年前后，随着气候变冷和冰川前进，夏季太阳辐射减少（Werner，1993年；Miller等人，2017年；Farnsworth等人，2020年），包括末次冰期期间（Martín-Moreno等人，2017年）。然而，气候变冷过程中也伴随着一些温暖阶段和冰川退缩现象，例如约1.2–0.7千年前的中世纪温暖期（MWP）（Dzierżek等人，1990年；Divine等人，2011年）。全新世冰川的前进反映了气候驱动因素和冰川扩张的结合（Lefauconnier和Hagen，1991年；Dowdeswell等人，2020年）。冰川扩张是近乎周期性的短暂现象，冰流速度可增加10至1000倍，通常伴随着大规模的前进（Meier和Post，1969年；Raymond，1987年；Sund等人，2009年）。斯瓦尔巴群岛是一组典型的冰川扩张区域（Sevestre和Benn，2015年），该群岛的地质记录表明全新世早期也发生过冰川扩张（例如Farnsworth等人，2016年；Flink等人，2018年；Larsen等人，2018年；Lovell等人，2018年；Zagórski等人，2023年）。相对丰富的数据表明，在末次冰期期间及之后，气候变化与冰川扩张动态之间存在相互作用（例如Dowdeswell等人，1995年；Lønne，2014年；Sund等人，2014年；Dunse等人，2015年；Zagórski等人，2023年），这些现象可以作为研究过去冰川行为的参考。

与研究较为充分的斯瓦尔巴群岛中部、西部和北部地区相比（Farnsworth等人，2020年），人们对斯匹次卑尔根岛南部全新世冰川变化的认识仍然有限。先前的研究表明，在早全新世和MWP期间冰川有所退缩，而在晚全新世期间冰川有所前进（Baranowski和Karlén，1976年；Lindner等人，1984年；Dzierżek等人，1990年；Birkenmajer和Olsson，1997年；Philipps等人，2017年；Osika等人，2022年；Osika和Jania，2024年；Jang等人，2025年）。Lindner等人（1986年，1987年）和Lindner与Marks（1993年）重建了该地区第四纪的地层年代学，但关于冰川前进时间的争议仍存在（Baranowski，1977年；Birkenmajer和Olsson，1997年；Osika等人，2022年；Jang等人，2025年）。如今，斯匹次卑尔根岛南部的冰川具有斯瓦尔巴群岛中最负的质量亏损（Nuth等人，2010年；Østby等人，2017年；Schuler等人，2020年；Schmidt等人，2023年）。它们对气候变化的敏感性与其地形特征密切相关。该地区的地形由构造决定的主要山谷网络构成，形成了低海拔、多分支的冰川系统，这些冰川容易受到消融作用的影响（Jania，1988年；Noël等人，2020年）。冰川下广泛的低洼区域在冰川前端到达基岩凹陷处时促进了冰川的退缩（Grabiec等人，2012b；Fürst等人，2018年；Błaszczyk等人，2021年）。由于斯匹次卑尔根岛南部冰川的表面积明显小于其他地区，它们对气候变暖引起的海平面上升更为敏感（van Pelt和Frank，2025年）。因此，研究其过去的变化对于预测未来北极地区的冰川范围具有重要意义。

在这里，我们利用新的和已发表的放射性碳及宇宙成因核素测年结果，以及17至20世纪斯瓦尔巴群岛探险的历史数据，重建了斯匹次卑尔根岛南部潮水冰川和陆地终界冰川的全新世动态变化。我们的工作将气候条件与冰川扩张动态联系起来（例如Dowdeswell等人，1995年；Sund等人，2014年；Dunse等人，2015年），以更准确地重建过去的冰川活动，并评估冰川扩张在全新世期间对斯匹次卑尔根岛南部冰川变化的影响。此外，我们还比较了斯匹次卑尔根岛南部冰川与斯瓦尔巴群岛其他地区在全新世期间对气候变化的响应方式和差异。

区域背景

斯匹次卑尔根岛南部是一个相对较小的区域，位于寒冷的东斯匹次卑尔根洋流（-1.5°C–2.0°C）和温暖的红海湾洋流（>3°C）之间，后者将大西洋水输送到北冰洋（Promińska等人，2018年；Błaszczyk等人，2021年），同时受到来自西南方向温暖湿润空气流的直接影响（Migała等人，2023年）。因此，斯瓦尔巴群岛具有海洋性气候，天气变化频繁。霍尔森德（Hornsund）、雷彻谢菲约登（Recherchefjorden）和巴伦支海沿岸

地貌测绘

2019–2024年间进行了地貌测绘和^14C及^10Be测年样本的采集工作。测绘重点在于识别冰川扩张的迹象（图2，图3），方法基于Chandler等人（2018年）推荐的遥感数据与实地调查的结合。对于汉斯布林冰川（Hansbreen）和韦伦斯基奥尔德布林冰川（Werenskioldbreen），我们使用了2020年6月由Dornier DO228飞机拍摄的高分辨率数字高程模型（DEM）和正射影像地图，这些数据由Błaszczyk等人制作并发布。

汉斯布林冰川（Hansbreen）

汉斯布林冰川的前缘特征明显属于扩张型冰川，包括带有裂缝挤压脊（CSRs）的凹槽状冰碛平原，以及试图越过山脊的末端冰碛（图2a和b）。地形以流线型的基岩为主，其上散布着凹槽状冰碛和丘状冰碛。CSRs既可以从退缩的冰川中观察到，也可以在外部区域观察到

^14C和^10Be测年结果的解释

放射性碳测年的软体动物壳层和重新沉积在冰碛中的鲸骨，以及冰川混杂岩下的古土壤，证明了冰川的退缩和随后的前进。重新加工的海洋壳层的年龄范围从早全新世延续到晚全新世，表明最近或当前冰川覆盖区域内的冰川范围减少，环境变得无冰（Blake，1989年；Salvigsen和Høgvard，2006年；Osika等人，2022年）。我们的软体动物标本代表了对温度变化敏感的悬浮摄食物种

从区域视角看斯匹次卑尔根岛南部的冰川变化

重建斯匹次卑尔根岛南部的冰川变化引发了关于其与斯瓦尔巴群岛其他地区相似性或差异性的问题。虽然整个群岛全新世冰川变化的数据有限，但不同地区温暖和寒冷阶段的时间分布大体一致（图8；Farnsworth等人，2020年）。该地区位于东格陵兰海温暖水域的西侧、寒冷的北冰洋的北侧以及凉爽的巴伦支海的交界处

结论

我们整合了地貌学、地质年代学和历史数据，重建了斯匹次卑尔根岛南部的冰川历史，重点研究了汉斯布林冰川（Hansbreen）、霍恩布林冰川（Hornbreen）、韦伦斯基奥尔德布林冰川（Werenskioldbreen）和韦斯特雷托雷尔布林冰川（Vestre Torellbreen）。

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  早全新世期间潮水冰川的退缩使得新的无冰区域得以被底栖生物占据。最古老的海洋软体动物壳层表明，11.3千年前汉斯布林冰川的规模比现在小。霍恩布林-汉伯格布林冰川系统的崩塌

作者贡献

AO：概念构思、数据管理、数据分析、资金获取、研究方法、项目管理、数据可视化、撰写。JJ：概念构思、资金获取、研究方法、资源管理、监督、撰写。NP：数据管理、数据分析、研究方法、资源管理、撰写。DT：数据管理、数据分析、研究方法、资源管理、撰写。JES：概念构思、监督、数据可视化、撰写——以及审稿

资金支持

本研究得到了波兰国家科学中心（项目编号2021/41/N/ST10/02070）、挪威研究委员会（北极野外研究项目编号310661）、西里西亚大学极地研究中心（KNOW，国家领先的地球科学研究中心，2014–2018年）[项目编号03/KNOW2/2014]以及西里西亚大学卡托维兹分校地球科学研究所的支持。N. Piotrowska还获得了欧盟FSD基金的支持——用于高等教育发展

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

我们感谢2019–2024年间由西里西亚大学卡托维兹分校组织的斯匹次卑尔根岛探险活动的参与者在野外工作中的支持。现场考察期间使用了波兰科学院地球物理研究所管理的霍尔森德极地站（Hornsund Polar Station）的基础设施。同时，我们也感谢Mateusz Strzelecki提供了弗罗茨瓦夫大学斯坦尼斯瓦夫·巴拉诺夫斯基极地站（Stanislaw Baranowski Polar Station）的使用权。研究工作使用了相关的后勤设备