研究论文 正式出版 版本 4 Vol 11 (2) : 169-180 2020
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冈底斯中段冷布岗日嘎尔琼沟MIS3以来冰川重建及其平衡线高程估算
Reconstruction past glacier since MIS3 and estimate its area, volume and equilibrium-line altitudes in Gaerqiong valley, Lunpo Gangri central Gangdese
: 2019 - 10 - 09
: 2019 - 12 - 18
: 2019 - 12 - 30
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摘要&关键词
摘要:冰川与全球气候变化、水资源保护等有着密切关系。根据前人测得的噶尔琼沟冰碛物10Be暴露年龄,以及冰川塑性流动理论重建深海氧同位素3阶段(MIS3)以来12次冰进期古冰川表面高程和厚度分布,并分别运用积累区面积比率法(accumulation area ratio,AAR)和面积-高程平衡率法(area altitude balance ratio,AABR)重新估算各期冰川作用的平衡线高程(equilibrium-line altitude,ELA)。结果显示:(1)该冰川面积从MIS3时期的18 km2减少为现在的7.5 km2,小冰期(Little Ice Age,LIA)以来锐减;(2)冰川体积从MIS3时期的1.909 km3减少为现在的0.703 km3,缩减1.206 km3;(3)ELA自MIS3以来上升296 m或227 m,MIS2早期以来上升220 m或178 m,末次冰盛期(Last Glacial Maximum,LGM)以来上升206 m或169 m,早全新世以来上升169 m或144 m,新冰期以来上升113 m或108 m,LIA以来上升79 m或85 m。通过区域对比发现,从30 ka BP开始,青藏高原总体上趋向干旱化,嘎尔琼沟冰进规模逐次减小是对干旱化气候背景的响应。新冰期研究区冰川萎缩速度加快,可能与青藏高原季风在同时期的显著减弱有关。
关键词:MIS3以来;古冰川重建;冰川体积;平衡线高程;冈底斯山
Abstract & Keywords
Abstract: Background, aim, and scope Glaciers are closely related to global climate change and water conservation. Reconstruction of paleoglacial surface and its equilibrium-line altitude (ELA) has gradually become new hotspots. Gaerqiong valley is located in middle Gangdese, and preserved glacial landform evidence since Marine Isotope Stage 3 (MIS3). In order to learn more about the history of glaciers in the area, firstly we reconstructed paleoglacial thickness, then calculated glacial volume and finally estimated ELAs. Materials and methods According to the moraines ridges of different periods in the Gaerqiong valley and the glacial plastic flow theory, we used a series of ArcGIS scripting tools to reconstruct paleoglacier and estimated its volume. Then we used the accumulation area ratio (AAR) and area altitude balance ratio (AABR) methods to estimate the ELA of the glacial advance in each period. Results The results show that: (1) the area of the glaciers decreased from 18 km2 in the MIS3 period to the current 7.5 km2; (2) the volume of glaciers decreased from 1.909 billion m3 in the MIS3 period to the present 703 million m3, reduced by 1.206 billion m3; (3) ELA from MIS3 Since then, it has risen by 296 m or 227 m. Since early MIS2, it has risen by 220 m or 178 m. Since Last Glacial Maximum (LGM), it has risen by 206 m or 169 m. Since the early Holocene, it has risen by 169 m or 144 m. Since Neoglaciation, it has risen by 113 m or 108 m. Since the Little Ice Age (LIA), it has risen by 79 m or 85 m. Discussion Comparing the ΔELA calculated by the toe to headwall altitude ratio (THAR) method, it can be found that the results of the LGM and early Holocene are significantly different. This is because the elevation of the glacial tongue does not have a large vertical drop downstream, resulting in little change in the ΔELA of the THAR method. Conclusions Tibetan Plateau generally became arid since 30 ka BP which resulted in shrinking of Gaerqiong glacier advances. Neoglaciation was a turning point of glacial shrinking, that may be related to the significant weakening of the Tibetan Plateau monsoon during the same period. The sharp rise in greenhouse gas (such as methane) concentrations and temperatures since the Industrial Revolution is a key factor in the rapid shrinkage of the LIA glacier. Recommendations and perspectives The reconstruction of paleoglacial is difficult job, but it is of great significance for our understanding the Quaternary glacial changes with the development of computer technique and the improvement of glacial dynamics models, we will be able to reconstruct more accurate paleoglacial picture.
Keywords: since MIS3; glacial ice volume; paleoglacial ELA; Gangdese
冰川作为气候变化的敏感指示器(施雅风等,2006),其面积、厚度、平衡线高程(equilibrium-line altitude,ELA)等是外部气候塑造和内部力学平衡的结果,如果外部的气候强迫或者内部应力条件改变,其形态也相应演变(Berthier,2011)。冰川储量是一种重要的淡水资源,冰川体积的变化对冰川作用区及其邻近地区下游的水资源影响很大(易朝路,2018)。ELA是划分冰川积累区和消融区的带状区域,代表着特定时间内冰雪的积累和消融质量完全平衡的位置(Bakke and Nesje,2011)。冰川质量平衡高度依赖气候条件,若冰川质量平衡为正(积累量-消融量>0),则ELA下降,反之则上升,因而量化气候对冰川影响的最有用的指标是ELA(刘宗香等,2000)。通过研究现在温度、降水等气候因子和ELA之间的量化关系,以及过去几个时间段的ELA位置,就能推算出一些地区过去的气温和降水(Meierding,1982)。因此,重建第四纪古冰川并估算其冰量与ELA的变化具有重要的历史和现实意义。
采用冰川塑性流动模型重建青藏高原的古冰川已有多次报道,例如:金耀(2013)重建了念青唐古拉山曲噶切冰川LGM(Last Glacial Maximum)的古冰川,Dong et al(2017)重建念青唐古拉山穷母岗日东侧山谷冰川LGM的表面和冰厚,刘金花等(2018)重建了藏南枪勇冰川新冰期的表面高程和冰厚,建立起了运用该方法研究青藏高原古冰川及其古环境的基本思路。
冈底斯山地区存留有许多的古冰川遗迹,测年技术的发展日趋进步,应用亦日趋广泛,与之相比古冰川的重建工作明显不足,特别是对于古冰川厚度的重建。Zhang et al(2018a)用冰川最高与最低点的中值高程(toe to headwall altitude ratio,THAR;比值=0.5)代替ELA计算了申扎山、冷布岗日和冈仁波齐不同时期的ELA变化。THAR法的参数较易获得且操作简便,但未考虑冰川高程-面积特征和物质平衡情况。为了进一步了解该地区的冰川变化历史,本文以冷布岗日东南坡的山谷冰川为例,根据冰川塑性流动理论重建MIS3以来12次冰进期的古冰川厚度,估算其冰量,同时优化过程参数,用AAR(accumulation area ratio)和AABR(area altitude balance ratio)法重新计算冷布岗日不同时期ELA的变化情况,并通过区域对比探讨冰川冰量和ELA变化背后的气候变迁。
1    1 研究区
冈底斯山是藏北羌塘高原和藏南雅鲁藏布江谷地的分界线,又是青藏高原内陆水系与印度洋水系的分水岭,东西横亘约1100 km,平均海拔大于4800 m,最高峰冷布岗日达7095 m。冷布岗日(又称冷波岗日、罗波岗日、罗波峰或伦博峰)位于冈底斯山脉中段,该地区处在印度季风主导的喜马拉雅山脉和以西风为主的羌塘高原之间的过渡地带(Zhang et al,2018a)。西风和印度季风两大环流系统与巨大的地形地貌相结合,控制着现代冰川的分布(Yao et al,2012)。据研究区所在萨嘎县2012年5月—2019年5月的气温记录,一年中平均高温为0—19℃,平均低温为-17—6℃(http://lishi.tianqi.com/saga/index.html/)。年平均降水量以该区周围的改则、普兰和拉孜3个气象站点1981—2010年的记录为参考,在151—328 mm(http://data.cma.cn/data/weatherBk.html/)。
研究所选取的嘎尔琼沟地处冷布岗日峰东南坡,沟内现代冰川面积约7.67 km2,沟口由内向外分布着12道保存程度不同的冰碛垄,以沟口的冰川湖为界,东西跨度约5000 m。Zhang et al(2018a)使用10Be暴露测年方法对沟内的冰碛垄进行了定年:M1、M11无样品,M4、M5未限定正确年龄。M2、M3、M6、M7—M10、M12年代分别为(0.22±0.04) ka、(0.32±0.04) ka、(1.8±0.18) ka、(2.75±0.37) ka、(10.62±1) ka、(19.78±1.9) ka、(24.19±2.29) ka和≥(43.09±4.18) ka,分别代表小冰期、新冰期、早全新世、LGM、MIS2早期和MIS3或更早的8次冰进(图1)。


图1   冈底斯山脉及周边(a)、嘎尔琼沟地貌图(b)
Fig.1 Gangdise mountains and surroundings (a), Gaerqiong valley geomorphological map (b)
2 数据和方法
本研究中,嘎尔琼沟的现代冰川轮廓数据来自Randolph Glacier Inventery 6.0(http://www.glims.org/RGI/rgi60_dl.html/);高程数据来自地理空间数据云ASTER GDEM2 (http://www.gscloud.cn/);古冰川轮廓则是冰碛垄、冰川剪切线和冰川后壁脊线外插所得。研究方法主要分为三步(图2)。


图2   古冰川重建及ELA估算流程图
Fig.2 Flow chart of glacial reconstruction and ELA estimate
第一步:估算现代冰川厚度并剔除。Nye(1951)假设冰川或冰盖为理想塑性体,冰体形变由驱应力(冰体自身重力的分量)和屈服应力(地形的剪切应力)的变化引起。当驱应力大于屈服应力,冰体下移,冰川变薄,从而减小驱应力;当驱应力小于屈服应力,冰川变厚,驱应力增加;当驱应力等于屈服应力时,冰川达到稳定状态:
\[τ=ρg htan⁡α (1)\]
式中:τ(Pa)为剪切应力,ρ(kg ∙ m−3)为冰密度,g为重力常量,h(m)为冰厚度,α为冰表面坡度。对于山谷冰川来说,因为其山谷两侧的侧向阻力,冰川中流线处的基础剪切应力比式⑴中小,因此引入地形因子f(≤1)(Nye,1952):
\[τb = fρghtanα                   (2)\]
f因子是一个与冰川横截面纵横比相关的量,Li et al(2012)基于抛物线型冰川谷拟合出f关于冰川横截面宽度的一半w和中线处厚度h的表达式:
\[f = 1 − 1/(1 + mw/h)              (3)\]
当m = 0.9时拟合优度可达0.999。Driedger and Kennard(1986a)通过分段观测美国华盛顿与俄勒冈州交界处的火山冰川的表面积、表面坡度和体积,发现了冰川的基础剪切应力与冰川表面积的统计学关系:
\[τ_b=2.7×〖10〗^4 ∑_(i=1)^n▒(A_i/cos⁡〖α_i 〗 )^0.106 (4)\]
式中:Ai(m2)是高程区间的面积,ai是该区间的平均表面坡度τb(Pa)是基础剪切应力。后经Driedger and Kennard(1986b)测试,用该方法估算冰川体积与实测体积的标准偏差在8%以内。综上,冰川中流线的内插厚度可表达为:
\[h=0.9w(τ_b/(ρg htan⁡α ))/(0.9w-(τ_b/(ρg htan⁡α )) ) (5)\]
基于以上成果,James and Carrivick(2016)建立了ArcGIS的脚本工具VOLTA,用作估算冰体厚度分布和模拟生成冰下地形。
将现代冰川轮廓线以及冰面DEM输入到VOLTA模型,模型自动从下至上绘制中流线。再将冰川轮廓线、冰面DEM和生成的中流线输入模型,在中流线插值估算厚度,插值间距默认为DEM数据的分辨率,即30 m;插值的坡度的上下阈值设定为30°和4°,以排除过于陡峭和平坦地形产生不符合实际的冰厚度;模型自动将厚度沿着中流线及其支线插值到整个冰川,并返回现代冰川冰体厚度模拟结果。
第二步:模拟古冰川厚度分布和表面高程并计算体积。以上一步模拟生成的冰床DEM为其中一项输入值、古冰川轮廓为第二项输入值,基于山谷地形并用ArcGIS水文工具模拟的冰川中流线作为第三项输入值,运用Pellitero et al(2016)开发的基于ArcGIS界面的Python脚本工具GlaRe完成古冰厚度及其表面的重建,据此求得古冰川体积。该模型沿流线自下而上迭代计算冰川厚度并插值到整条冰川(Schilling and Hollin,1981):
\[ H_(i+1)=H_i+τ_av/fρg∙∆x/h_i (6)\]
Hi 代表冰表面高程,hi是对应该处的冰厚,∆x是自下向上的插值距离,τav为该段的基础剪切应力。山地冰川的基础剪切应力范围通常在50 — 150 kpa(Nye,1965;Pellitero et al,2016)。由于冰舌端冰厚为0,不在方程表达范围内,所以Benn and Hulton(2010)选取hi+1⁄2 处计算i阶的冰厚,即hi +1⁄2  =hi+hi+1 ;设冰下高程为Bi,则有hi+1 =Hi+1Bi+1 ;分别代入式(6)可得:
\[〖H_(i+1)〗^2-H_(i+1) (B_i+B_(i+1) )+H_i (B_(i+1)-h_i )=(2∆xτ_av)/fρg (7)\]
Bi 本身即为VOLTA的模拟结果之一。但是不同于现代冰川,古冰川的基础剪切应力τ av和地形因子f无法从面积-高程信息中获得。嘎尔琼沟分成两条支沟,根据VOLTA模型的计算结果,北侧支沟所得冰川的基础剪切应力为134.60 kpa,山谷因子f取众数0.78;南侧支沟基础剪切应力为116.57 kpa,山谷因子f取众数为0.77;侧壁剪切应力取100 kpa,山谷因子为1。然而现代冰川仅限于沟谷内,古冰川的冰舌则有延伸至谷外的情形,该部分位于宽缓地形(<4°或<5°)(Farinotti et al,2009;Li et al,2012)上,受力与冰盖型冰体类似,基础剪切应力取50 kpa,以避免产生过厚的不符合实际的冰体,f取1(图3)。


图3   剪切应力和地形因子
Fig.3 Shear stress and topographical factors
第三步:重建古冰川ELA。一般可以用两种方法来推算ELA。一种比较简单(也是应用最广)的方法是积累区面积比率法(AAR),即积累区占整个冰川的比例。现代冰川的AAR值取决于冰川的积累消融速率,不同的气候区具有很大差异,在区域内比较稳定,例如阿尔卑斯地区为0.61±0.08,加拿大极圈地区为0.69±0.02(Andrews,1975;Porter,1975;Meierding,1982;Sutherland,1984)。假设古冰川AAR值与现代冰川一致,那么在那些能够求得过去冰川表面高度分布的地区,通过地图或影像就能很快地计算出ELA。AAR法估算古冰川ELA首要任务在于选取适宜的AAR比值,AAR取值介于0.5—0.8,而模拟所得的ELA则可能相差数百米。中国西部山地冰川的AAR值平均为0.71(刘潮海等,2000),青藏高原内陆水系冰川的AAR值为0.69±0.02(程磊,2004);张鲜鹤等(2017)基于第二次冰川编目数据的中国冰川高度结构分析得出,青藏高原内陆地区,AAR值都在0.7以上。本文在模拟计算中AAR取值0.7±0.05。第二种估算ELA的方法称面积-高程平衡比率法(AABR),由Furbish and Andrews(1984)提出。AABR法在计算ELA时首先需要假定一个ELA(如冰川最高与最低点平均海拔高度),划分出冰川的积累与消融区,再根据其面积-高程曲线计算积累区和消融区的面积加权平均高度值Z ac和Z ab,随后检测(Z ac·A ac)/(Z ab·A ab)是否与消融区和积累区净平衡梯度比值bnab /b nac(即BR值)相等。若相等,说明此ELA即为所求的ELA;否则,增加或降低ELA直至BR值与(Z ac·A ac ) / (Z ab·A ab)的值一致(Furbish and Andrews,1984;Benn and Lehmkuhl,2000;Osmaston,2005;Berthier,2011)。


 
式中:Aac和Aab为积累区和消融区面积,Z ac和Z ab分别为积累区和消融区面积加权平均高程。Z · A的值可将积累区和消融区各自划分为n和m份并依每一小份的面积加权求和得到。Rea(2009)给出中亚地区的BR代表值为1.75 ± 0.56,本文在模拟计算中也采用了这一范围。相关计算均在正轴等面积割圆锥投影(中央经线84°E、割线39°N和30°N)下进行。
3 结果与讨论
3.1 现代冰川
研究区主沟冰川的中流线剖面厚度分布较均匀,上游500 m内较薄和下游500 m逐渐收缩减薄,较厚的冰体主要赋存于中流线中上游,此处冰床地形有一定的下陷,为冰体的赋存提供了条件;支沟地形狭小,且沟谷中上游地形陡峭,下游沟口收缩,因此其中流线上游和下游末端冰体很薄,冰体主要赋存于中流线中下游(图4、图5)。


图4   嘎尔琼沟现代冰川冰体厚度
Fig.4 Contemporary glacial thickness in Gaerqiong valley


图5   中流线剖面
Fig.5 Centre flowline profiles
主沟冰川面积为6.686 km2,平均冰厚98 m,体积约0.659 km3;支沟面积为0.984 km2,平均冰厚46 m,体积约为0.097 km3。现代冰川面积合计7.67 km2,储量合计为0.703 km3。ELA为(5873±19) m(AAR=0.7±0.05)或(5883±15) m(BR=1.75±0.56);据第二次冰川编目统计,冈底斯山ELA均值为5837 m(张鲜鹤等,2017),据Zhang et al(2018b)估算为5876 m,最大相差不过46 m。现代冰川表面积在高程中段(5800 m到6000 m)增加明显(图6),该区间宽缓的山谷地形贡献了70%的冰川表面积;冰川体积随高程的增高而增加的速率相对平缓,在5800 m以上增速明显更快,指示5800 m以上是主要接受并保存冰雪的区域。


图6   冰川面积、体积随高程的变化
Fig.6 Change of glacier area, volume with elevation
3.2 古冰川
根据图7、图8关于古冰川表面高程和厚度的重建结果计算,嘎尔琼沟冰川面积从MIS3或更早期的18 km2减少为现在的7.5 km2,LIA以来锐减,年均减少5000 m2以上;冰量持续缩减,从MIS3或更早期的1.909 km3减少为现在的0.703 km3,缩减1.206 km3。嘎尔琼古冰川早全新世的冰川波动与色林错沉积环境的冷事件保持了高度的一致性(图9b)。从冰量萎缩的速度来看,可以发现新冰期是冰量变化的一个转折点,可能与色林错(图1a)沉积物揭示的4.2—3.4 ka BP和2.4—1.4 ka BP青藏高原季风的显著减弱(顾兆炎等,1993)有关。LIA冰量和冰川面积的锐减与达普索冰芯(图1)所记录的工业革命以来甲烷浓度和温度的急剧升高有关(姚檀栋等,2002)。同时,因为面积越小的冰川对气候的响应更快(Loibl et al,2014),缩减速度随着温度升高会持续加快。


图7   古冰川表面高程
Fig.7 Elevation of paleoglacial surface


图8   古冰川厚度分布
Fig.8 Distribution of paleoglacial thickness


图9   古里雅冰芯氧同位素(a),色林错CH8803沉积岩芯方解石同位素(b、c);嘎尔琼冰川ELA、面积和体积(d—f)
Fig.9 Guliya ice core oxygen isotope (a); Calcite oxygen isotope in sedimentary core CH8803 of Selin Co (b, c); ELA, area and volume of Gaerqiong glacier (d—f)
ELA值自MIS3以来基本呈现上升趋势:MIS3或更早期为(5656±19) m或(5577±37) m,MIS2早期为(5705±21) m或(5653±35) m,LGM时期为(5714±42) m或(5667±35) m,早全新世为(5739±20) m或(5704±28) m,新冰期为(5775±24) m或(5760±36) m,LIA为(5799±21) m或(5795±25) m。随着冰川范围的缩减,ELA的上升趋势是必然的,然而运用不同方法估算的同一冰川同一时期的ELA亦有可能相差数百米,与之相比,ΔELA(ELA古冰川-ELA现代冰川)消减了方法带来的部分系统误差,因此更具可比性。以各时期ELA同现代冰川ELA均值做差,得到表1数据,并与Zhang et al(2018a)计算结果对比,发现LGM和早全新世结果差异较大,这是由于THAR法所关注的冰川末端高程在下游垂直落差不大,导致ΔELA变化不大,以佩枯岗日冰川(刘耕年等,2011)为例,THAR估值较AAR估值也偏小。
表1   MIS3以来几个ΔELA(m)值比较
论文和方法
Article and Methods
冰期
Ice Age
佩枯岗日(刘耕年等,2011)
Peiku Gangri (Liu Gengnian et al,2011)
冷布岗日(Zhang et al, 2018a)
Lunpo Gangri (Zhang et al,2018a)
冷布岗日(本研究)
Lunpo Gangri (This Research)
THAR/mAAR/mTHAR/mAAR/mAABR/m
MIS3或更早
MIS3 or Earlier
230380296227
MIS2早期
Early MIS2
220178
末次冰盛期
LGM
270400110206169
早全新世
Early Holocene
110169144
新冰期
Neoglaciation
101113108
小冰期
LIA
567985
MIS3一般称为末次冰期的间冰阶,在深海氧同位素记录和南极冰芯记录中均为末次冰期中的弱暖期,古里雅冰芯中所记录的MIS3阶段出现异常高温,δ18O值高于现代,但同时也记录了不少于4次的冷事件,特别是47—43 ka BP的冷事件,δ18O值降低到接近末次冰期早冰阶(MIS4)和晚冰阶(MIS2)(姚檀栋等,1997)。此外,许多中低纬地区冰进事件也出现在这一阶段,规模远超MIS2阶段。因此,前人在末次冰期间冰阶(58—32 ka BP)中间划分出MIS3b冷阶,或称末次冰期中冰阶,而MIS3阶段对应的高温期(40—30 ka BP)由于高原湖泊的广泛发育被称为大湖期(MIS3a)(施雅风,2002;易朝路等,2005)。据扎布耶错(图1a)沉积钻孔的地化、矿物标志显示:在29 ka BP以前扎布耶错处于高湖面,在29 ka BP扎布耶错与其南北的大型补给湖泊分开,22 ka BP气候进一步干化,在13—11 ka BP和6—4 ka BP有两次明显的潮湿气候波动(齐文和郑棉平,1995)。位于冷不岗日南部的佩枯错(图1a)在31—15 ka BP也进入了萎缩期,与此同时气候向寒冷方向发展,15 ka BP出现的冻融褶皱指示气候突然变冷,佩枯错进入大规模萎缩阶段,全新世初期(11 ka BP)开始,气候又有所湿润(韩建恩等,2009;边彦明等,2012)。气候进入温暖的全新世并非一直稳定,古里雅冰芯显示在早全新世(9—8 ka BP)有一次降温,随后进入全新世大暖期,5 ka BP左右又出现剧烈降温,延续至近代温度才再次上升。冷不岗日所在的冈底斯南北麓在30 ka BP以来总体是干旱化的,因此历次冰进的规模也在缩小,该地区气候环境在逐渐变干的总趋势上经历了多次明显的冷暖干湿波动。
4 结论
基于现有的地貌证据和模型,估算得嘎尔琼沟冰川的面积从MIS3时期的18 km2减少为现在的7.5 km2,LIA以来锐减,年均减少5000 m2以上;体积从MIS3时期的1.909 km3减少为现在的0.703 km3,缩减1.206 km3;ELA则上升了227 m或296 m,自LGM以来则升高169 m或206 m,新冰期以来上升了108 m或113 m,小冰期以来升高79 m或85 m。THAR法所估计的ΔELA值比AAR或AABR的估值偏小,可用冰川末端高程在下游垂直落差不大而导致ΔELA偏小来解释。
从30 ka BP开始,冷布岗日所在的冈底斯中段总体趋向干旱化,因此嘎尔琼沟的冰进规模逐次缩减;从冰量萎缩的速度来看,新冰期是一个转折点,此后冰体萎缩加快,可能与同期青藏高原季风的显著减弱有关;工业革命以来温室气体(如甲烷)浓度和温度的急剧上升是LIA冰川的快速萎缩的重要因素。
致谢
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稿件与作者信息
王友琪
WANG Youqi
周卫健
ZHOU Weijian
weijian@loess.llqg.ac.cn
毋宇斌
WU Yubin
黄土与第四纪地质国家重点实验室开放基金(SKLLQG1836)
Open Fund for State Key Laboratory of Loess and Quaternary Geology (SKLLQG1836)
出版历史
出版时间: 2019年12月30日 (版本4
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地球环境学报
Journal of Earth Environment