第七届青年地学论坛

冰与岩石（或岩屑）的混合物广泛存在于地球表面和近表面环境，以及太阳系行星、小行星和卫星的表面与内部。这些混合物组按含冰量的多少，形成了冻土、永久冻土、冰下沉积物、冰川和冰盖等大型冰体。这些冰体在受力变形时的强度是冰冻圈科学、冰川学、实验岩石学等领域的关注重点。尽管过去有一些实验工作研究了冰与岩石混合物的塑性变形行为，即流变性质，但是这些实验结果却不一致或相悖。因为过去的研究仅把岩石颗粒的含量作为唯一变量进行控制，而我们认为岩石颗粒的分布方式、大小、强度也可能有着影响，同时这些变量对冰的不同变形机制可能也有着不同的影响。
为了解决这一问题，我们聚焦于分布在冰的晶粒边界的岩石颗粒，对含有这类岩石颗粒的冰样品在236 K的温度下和20 MPa的围压下进行了一系列恒定应变率的变形实验。我们发现了一个岩石含量的阈值，~6%。岩石含量在此阈值之下时，混合物在位错蠕变和晶界滑移两个机制下的流动行为和纯冰基本一致。岩石含量在此阈值之上时，混合物在位错蠕变下流动行为和纯冰基本一致，但在纯冰以晶界滑移为主导的应力区间内，混合物却仍以位错蠕变为主导机制，即晶粒边界的岩石颗粒抑制了晶界滑移这一变形机制。
这一实验结果可以应用到对火星极地冰盖成分的推测中。火星极地冰盖作为火星目前最大的储水地，是未来火星长期基地建立所必需的水源。然而由于目前无法在火星极地采样，因此冰盖的含冰量仍是未知。通过观测并分析火星冰盖上陨石坑的粘性松弛过程，前人已推测出火星冰盖的粘滞系数范围。而这一范围要求其中的冰必需以晶界滑移的机制变形。根据我们的实验结果，这意味着冰盖中的岩石含量不会超过阈值，即6%。这是目前对火星冰盖含冰量的最高精度估算。

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