大凌河口附近海冰的内部结构分析

黄文峰，孔祥鹏，杨跃忠，张丽敏，李志军，许占堂

(1. 大连理工大学海岸与近海工程国家重点实验室，辽宁 大连116024；2. 大连海事大学环境科学与工程学院，辽宁 大连116026；3. 中国科学院南海海洋研究所LED实验室，广东 广州510301）

大凌河口附近海冰的内部结构分析

黄文峰1，孔祥鹏2，杨跃忠3，张丽敏1，李志军1，许占堂3

(1. 大连理工大学海岸与近海工程国家重点实验室，辽宁 大连116024；2. 大连海事大学环境科学与工程学院，辽宁 大连116026；3. 中国科学院南海海洋研究所LED实验室，广东 广州510301）

在中高纬度水域，近海与海洋生产建设不可避免的要遭遇冰的影响，尤其在冬季。因此，认真研究海冰的基本物理性质和本构特征尤为重要。对取自大凌河口的两根海冰冰样进行分析，沿厚度连续地自上而下竖直切片，并且等间距地水平切片，在正交偏光镜下观测冰晶结构；同时测量了每个样本不同位置的密度、盐度和含泥量以及分析其孔隙率；最后探讨了这些物理量之间的关系。结果得到：冰样上层为颗粒状晶体，中下层为柱状晶体；气泡多为球形，百分含量较低；冰密度在860～930 kg/m3之间，盐度随深度呈C字型变化。

海冰；晶体结构；气泡；密度；盐度

渤海为内海，且水深较浅，因此与相近纬度的北半球其他海区相比，海冰冰情较为严重，成为北半球结冰的南边缘。海冰厚度多为15～40 cm，冰期一般为90～130 d[1]。渤海海冰在热力和动力诸多因素的影响下，冰情十分复杂。由于该海区内近海渔业、航行、生产平台密集，海冰对冬季安全生产以及生态环境影响极为广泛，常常引起一些冰灾害。

目前国内对渤海海冰的研究主要集中在渤海冰情预报、表面形态分析、物理和力学性质以及遥感监测技术[1,2]。例如赵进平[3]、顾卫[4]等人基于遥感观测获取海冰信息；岳前进等[5]，史庆增等[6]从抗冰结构物角度对海冰也开展深入研究；许大志等[7]对海冰光学特性进行探讨。海冰内部结构是控制冰行为的内在因素，它影响冰的所有性质，而以往对渤海海冰研究都是从宏观方面入手，鲜有对海冰的晶体结构、气泡等微观特征进行的研究。李志军曾在辽东湾海冰调查中对海冰内部结构做过研究，并且对冰晶体结构和其内叶绿素进行分析，以及将渤海海冰与北极多年冰从组构和晶体结构进行比较[8,9]。本文以2008－2009年冬季辽东湾海冰光学性质测试和近岸堆积冰调查为目的，采集大凌河口冰样，观测和分析冰样的晶体结构、密度、气泡以及冰内含泥量，并根据其所处冻结环境不同，给出合理解释。

1 取样背景和晶体结构分析

本次共采集两根冰样，其中冰样A为沿岸堆积冰，B为固定冰，均于2009年1月15日取自于大凌河口附近海域，具体位置分别为：40 º 49´13.2〞N，121 º 32´44.5〞E和40 º 49´18.0〞N，121 º 32´07〞E。采样时天气晴朗，无风，气温为-2.7℃。

冰样A：取样时间16∶27（退潮）；采集点是在海岸上，取自高出海平面近2 m的一块大而较完整的堆积冰块，颜色、结构与周围冰完成不同，白色；冰表面脏、疏松，较平整且无积雪，易断碎。初步推测，冰块应该是在海上冻结，涨潮时随流飘移至岸边而搁浅。

冰样B：取样时间为14∶30。采集点离岸边较远，四周冰面平整，表面呈波纹状。由于岸边有一作业油井，冰面沉积有燃烧不彻底灰条而使颜色显土灰色，无积雪。涨潮时冰底面至海底半米左右，退朝时冰紧贴泥沙。在取样之时已开始退潮，水深十几厘米。现场锯出0.5 m × 0.5 m × 0.24 m的冰块，冰厚24 cm。可以明显看出整块冰由数层组成，因含有泥沙等杂质而整体呈土黄色。 现场将冰样沿厚度方向分割为两块，一块用于盐度测量，另一块用于实验室测试。

图1 冰样的晶体照片Fig. 1 Photos of crystals in samples

在实验室内，将每个冰样沿垂直方向切开，分为3组，分别用来分析垂直切片、水平切片和密度。根据每段冰样厚度和费氏台物镜直径，冰样A切出2片垂直切片，从表面算起分别位于0.2～6 cm、6 ～12 cm处。冰样B切出3片，从表面算起分别位于0～8 cm、8～16 cm和16～23 cm处。沿冰样垂直方向等间隔切出水平切片，冰样A切割3片，分别位于0.2 cm、6 cm和11.5 cm处；冰样B切割4片，分别位于0.2 cm、8 cm、16 cm和23 cm处。切出的冰片一面研磨平整，贴到温度稍高于0℃的玻璃片上，放置到低温处冻结。然后将玻璃片上的冰片削至厚度为1 mm左右，在透视光下观测气泡分布、在正交偏光镜下观测冰晶体结构。两冰样的晶体结构如图1所示。另外，将冰样A、B的第三部分皆沿垂向分为等长的三段，每段再切割出多块规则体，测量出体积和质量，计算冰密度。由于冰样B含有大量杂质和多处泥包裹体，密度测完后，融化并烘干测量出每块含泥的质量。

2 海冰晶体结构描述和分析

海冰的晶体结构揭示海冰内部“骨架”构造，是剖析冰内部组构、成冰机制和发现冰内的微观过程的关键。冰结构主要包括冰晶的尺寸和形状、冰晶C轴的空间分布，以及冰晶与冰内包裹体的存在形式。

冰样A自表面到底面全为柱状冰，平均粒径在5.5 mm左右，最大可达到16 mm，如表1所示。粒型较为规则，其纵截面多为多边形。在0～3 cm处，晶粒比较细碎，并聚集成倒三角形楔入柱状晶体间，由于该处颗粒冰尺寸较大，且与尺寸更大的柱状冰晶交替排列，故可以排除是冻结时水面环境较为复杂，上层覆盖雪层融化再冻结，以及冰表面部位的融化再冻结作用。而应该是该冰芯并不完整，缺失顶部，该处不过是完整冰样表层颗粒冰向柱状冰过渡的部位。从3 cm往下晶粒越来越规则，反映出冻结面往下推进时，周围冻结环境平静和稳定，受到很少的干扰。在柱状晶粒侧边局部夹有比较细碎的晶粒和明显的包裹晶体，反映了卤水通道的冻结作用。

冰样B从表至底皆为颗粒状冰，晶粒小而均匀。水平切片内，晶粒形状多呈狭长状。等效粒径为2 ～3.7 mm，最大粒径为9.2 mm，如表1所示。该冰样粒径尺寸变化很小，仅随深度增加，粒径稍微变小。垂直切片内，从表面0～1.5 cm处，晶体粒径与形状明显不同于其他部位，为较大颗粒。其与下部晶体接触面起伏不平，犬牙交错，这属于一个过渡阶段，晶体生长逐渐趋于稳定。从1.5 cm处向下晶体普遍呈针刺状，长轴主要集中在垂直方向内。垂向切片中有几条明显的粒径更加细小的水平层带间断出现，反映出因外界条件的突变而导致冻结速率的变化，该层的厚度反映出变化持续的时间较短。

表1 冰样晶体粒径尺寸Tab. 1 Diameters of ice crystals in samples

晶体C轴位向揭示了晶体的光学特性和晶体空间排列特征。每一个冰晶体都具有一个a-轴和C-轴（也称光轴），C-轴空间方位可通过费氏台的旋转、定位来测定，并以方位角和倾角给出。将每一切片内全部冰晶体的C-轴空间方位全部确定后，采用下半球投影至Schmidt等面积正交网格，可得到每一冰切片内的晶体C-轴组构图（圆的圆心代表极轴方位，圆周上代表水平面），便可直观地看出单个晶体C-轴的空间位向和全部晶体的空间分布特征。图2（a）、（b）分别为冰样A、B的C-轴组构图。两冰样C-轴组构基本呈大圆环型。冰样A从表面就开始稍有优势取向。冰样B的表面处切片的晶体C-轴主要集中于极轴及其附近，很难观测C-轴方位，图2中未给出，8 cm以下切片的晶体C-轴呈现平面内随机分布。两冰样皆为平面内各向同性材料。

3 海冰内部气泡、密度及盐度特征

3.1 气泡特征

在海水冻结过程中，在冻结面上由于海水中溶解氧析出时未来得及排出而形成气泡镶嵌在冰晶间，所以天然海冰含有大量气泡[10,11]。Light等将气泡大致分为两类：一种是存在于冰晶颗粒之间的气泡；另一种是存在附着在卤水胞边缘的气泡[11]。

图2 (a) 冰样A的C-轴组构图Fig. 2 (a) Fabric diagrams of C-axes in sample A

图2 (b) 冰样B的C-轴组构图Fig. 2 (b) Fabric diagrams of C-axes in sample B

海冰中气泡含量不仅可以影响海冰的导热系数，而且从一定程度上改变了冰下海水与冰外大气的导热通道和形式[12]。同时由于空气的折射率不同于纯冰，致使光的折射、反射、散射途径改变，使得进入冰下海水的日照强度和辐射总量减弱，影响水生生物的生长和海冰遥感[13,14]。

海冰中气泡分析主要涉及气泡的分布、形状、尺寸大小和平面百分含量（气泡面积所占冰截面面积的比例）特征。本次海冰气泡分析主要包括对冰样水平、垂直薄片在正常光下照相，对所得图像处理分析，如图3。

冰样A，在水平切片内，气泡平均平面百分含量为3.2%，气泡等效直径在0.18～0.24 mm（表2），最大直径可达10 mm左右。在垂向切片内，表面到4 cm间气泡多为圆形和近圆形，不过其间夹杂着少许柱状和针状气泡，随着深度的增加，针状气泡的比例不断增加；自5～6 cm处往下，针状气泡已占据绝对主导地位，针管直径极细，约为0.1 mm左右，并在整个垂直切面上可以观察到明显的卤水通道。

冰样B为纵穿冰层的完整冰样，含有较多杂质（泥土），呈灰色。在水平切片内，气泡多为圆形和近圆形，平均百分含量在5.2%左右，气泡含量随着深度的增加呈现出递减的趋势，可能达到一定深度后气泡含量就会趋于某个恒定值（表2）。气泡平均直径在0.2～0.3 mm间，且随深度加深粒径有微弱减小的趋势。冰样局部含有罕有的大气泡，直径竟达11 mm左右（见表2）。在垂向切片内，上部气泡密集，表面到3 cm内，气泡圆形和近圆形，直径在0.2～1.2 mm之间；3～8 cm内圆形气泡与柱状气管交错分布，并含有尺寸较大的气泡聚集体；8～16 cm间，气泡相对稀少，圆度很好，直径较小，可以看到粒径很小而分散的泥土颗粒。自16 cm向下，气泡呈须状且较细，相互交接，并分散着大量杂质；在19～20 cm处，可以看到几条黑色带状物，这是冻结在冰中的泥，主要是因为该位置已接近水底以及冻结环境受的一定的扰动。

图3 冰样A气泡特征Fig. 3 Features of air bubbles in ice sample A

表2 冰样气泡特征Tab. 2 Features of air bubbles in samples

可以看出，两冰样中气泡平面百分含量介于3% ～8%之间，低于前人提出的典型海冰气泡含量的9% ～16%的范围，而冰样A的含量更少，仅在3.2%左右，基本上处于河湖淡水冰气泡含量的范围内，由此可以推测冰样A是在上游冻结后断裂破碎而漂移至取样点的；而冰样B则因位于大凌河口咸淡水交汇处，气泡的形成与含量受到河流与海洋环境的共同影响。

表3 冰样密度、含泥量和盐度Tab. 3 Density, mud content and salinity in samples

3.2 海冰密度和盐度特征

密度是海冰最基本的物理性质指标，纯冰密度值为917 kg/m3，但是天然海冰只有一个密度范围，没有一个确切的值，因为海冰是由冰晶体、气泡、卤水、固体盐颗粒以及杂质等构成的混合物，而各组分的含量变化导致海冰总体密度变化。而海冰盐度是指将海冰冰样融化后盐分所占冰样总质量的百分比值，其取决于所含卤水包的相对含量。一般一年生天然海冰的密度值介于890～930 kg/m3间[13]。由于海冰的密度还不能进行原位测量，所以本文密度是-15℃室温下的密度值。

冰样A上、中、下3层的密度分别为888 kg/m3、869 kg/m3和891 kg/m3(见表3)，平均密度为883 kg/m3，总体盐度为4.0；冰样B上、中、下3层的密度分别为861 kg/m3、929 kg/m3和915 kg/m3，平均密度为902 kg/m3，其值均在李志军[15]给出的辽东湾海冰平均密度770～920 kg/m3的范围内。由表3还可看出，冰样B盐度值随深度大致呈现C字型，与李志军[15]所得结果一致。本次冰样取自大凌河口附近，为咸淡水交汇区，兼具淡水冰与海冰的特征；再者，冰样B因含有一定量的泥土（表3），因泥土的密度大于冰晶密度，故含有泥土可以增大海冰的总体密度，故使得其密度范围更靠近其上限。

4 结 论

a）冰样上层为颗粒状晶体，中下层为柱状晶体，冰样A、B平均粒径分别为5.5 mm、3 mm左右。冰样A晶体C-轴为平面内随机分布，为平面内各向同性材料；冰样B除表层晶体C-轴集中于极轴附近，中下层均在平面内随机分布，为平面内各向同性材料，冰的性质表现出垂向差异性。

b）两冰样气泡等效直径均在0.2～0.3 mm，冰内气泡平面百分含量介于3%～8%之间，且随深度增加而减少。

c）冰样A密度介于860～890 kg/m3之间，盐度为4.0；冰样B密度介于860～930 kg/m3之间，盐度值随深度大致呈现C字型。

d）推测冰样A是来自取样点上游的浮冰块，更接近淡水冰；冰样B为固定冰，各物理特征更加接近于海冰。由于河流入海口处潮、流、水温和盐度特征比较复杂，冻结环境受河流和海洋共同控制，对该类地区海冰的研究尚属少数，本文方法与结论对未来深入开展河口地区海冰的调查研究具有一定的借鉴和指导意义。

致谢：感谢辽河石油公司对本文工作的开展给予的协助，以及实验室李广伟、刘普等付出的辛勤劳动。

[1] 李志军. 辽东湾海冰现场调查研究 [J]. 海洋预报, 1999, 16(3):48-56.

[2] 刘钦政, 白珊, 吴辉碇. 中国海冰研究 [J]. 海洋预报, 1998,15(4): 8-13.

[3] 赵进平, 任敬萍. 从航空数字影像提取北极海冰形态参数的方法研究 [J]. 遥感学报, 2000, 4(4): 271-278.

[4] 国巧真, 顾卫, 孙从容, 等. 基于遥感数据的渤海海冰面积提取订正模式研究.海洋科学, 2008, 32(8): 70-75.

[5] 岳前进, 杜小震, 毕祥军, 等. 冰与柔性结构作用挤压破坏形成的动荷载 [J]. 工程力学, 2004, 21(1): 202-208.

[6] 史庆增. 孤立桩柱上冰压力的经验公式计算方法及试验验证 [J].海洋工程, 1993, 11(1): 1-11.

[7] 许大志, 曹文熙, 孙兆华. 辽东湾海冰光衰减特性 [J]. 海洋通报, 2007, 26(1): 12-19.

[8] 李志军, 丁德文, 闫启仑, 等. 辽东湾海冰晶体结构及其内部叶绿素的初步研究 [J]. 海洋通报, 1997, 16(3): 21-28.

[9] 李志军, 康建成, 蒲毅彬. 渤海和北极海冰组构及晶体结构特征分析 [J]. 海洋学报, 2003, 25(6): 48-53.

[10] Carte A E. Air bubbles in ice [J]. Proceedings of the Physical Society, 1961, 77(I3): 757-768.

[11] Light B, Maykut G A. Effects of temperature on the microstructure of first-year Arctic sea ice [J]. Journal of Geophysical Research,2003, 108(C2): 3 051-3 066.

[12] Usowicz B, Lipiec J, Usowicz J B. Thermal conductivity in relation to porosity and hardness of terrestrial porous media. Planetary and Space Science, 2008, 56: 438-447.

[13] Perovich D K. Variability in Arctic sea ice optical properties [J].Journal of Geophysical Research, 1998, 103(a): 1198-1208.

[14] Helgi Arst, Ants Erm, Antti Herlevi, et al. Optical properties of boreal lake waters in Finland and Estonia [J]. Boreal Environmental Research, 2008, 13: 133-158.

[15] 李志军, 张涛. 辽东湾暖冬海冰特征分析 [J]. 海洋环境科学,1992, 11(2): 74-78.

Inner structural study of sea ice in Dalinghe River estuary region

HUANG Wen-feng1, KONG Xiang-peng2, YANG Yue-zhong3, ZHANG Li-min1,LI Zhi-jun1, XU Zhan-tang3
(1. State Key Laboratory of Coastal and Offshore Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024 , China;2. Environmental Science and Engineering College, Dalian Maritime University, Dalian 116026, China;3. LED Laboratory, South China Sea Institute of Oceanology , Chinese Academy of Science, Guangzhou 510301, China)

In the middle and high latitude regions, offshore and marine production and construction are inevitably subjected to ice load, especially in winter. Therefore, it is vital to study earnestly the basic physical properties and construction characteristics of sea ice. In this paper, two natural sea ice samples, derived from Dalinghe River estuary area, were vertically sliced continuously and horizontally sliced with equal spacing into thin sections according to the length brought about when taking samples. Putting the thin sections under the Universal Stage (a polarized light mirror structure), we observed the crystal structures of sea ice. Densities，salinities and air bubbles in different parts of samples were measured as well as the amounts of mud contained，and the relationship among these physical amounts were discussed. Results have been obtained as follows: the upper layer is grained crystal; the lower-middle layer is prismatic crystal; the bubbles in ice present spherical shape and have a low percentage concentration; the ice density varies between 860 and 930 kg/m3and the salinity presents a C-shaped curve against depth.

sea ice; crystal structure; air bubbles; density; salinity.

P731.15

A

1001-6932(2010)03-0247-06

2009-07-23；收订日期：2009-11-27

国家自然科学基金(40876057)、国家863探索性项目(2006AA09Z154)

黄文峰（1985－），男，硕士，主要从事海冰与淡水冰内部结构和冰裂缝研究。电子邮件：findyhung@126.com