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地理解析冻土

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什么是冻土?

零摄氏度以下,并含有冰的各种岩石和土壤。极地、亚极地地区和中低纬的高山、高原地区,在较强的大陆性气候条件下,气温极低,降水量很少,地表没有积雪,形成0℃或0℃以下并含有冰的冻结土层,称为冻土。

冻土是一种对温度极为敏感的土体介质,含有丰富的地下冰。因此,冻土具有流变性,其长期强度远低于瞬时强度特征。正由于这些特征,在冻土区修筑工程构筑物就必须面临两大危险:冻胀和融沉。随着气候变暖,冻土在不断退化。

冻土分类

一般可分为短时冻土(数小时/数日以至半月)/季节冻土(半月至数月)以及多年冻土(又称永久冻土,指的是持续二年或二年以上的冻结不融的土层)。地球上多年冻土/季节冻土和短时冻土区的面积约占陆地面积的50%,其中,多年冻土面积占陆地面积的25%。

冻土随季节变化而发生周期性的融冻,如果冬季土层冻结,夏季全部融化,叫季节冻土。

如多年处于冻结状态的土层,或至少连续3年处于冻结状态的土层,称为多年冻土。

冻土分布

中国多年冻土分布又可分为高纬度多年冻土和高海拔多年冻土,前者分布在东北地区,后者分布在西部高山高原及东部一些较高山地(如大兴安岭南端的黄岗梁山地、长白山、五台山、太白山)。多分布在东北北部地区、西北高山区及青藏高原地区。

全球冻土的分布,具有明显的纬度和垂直地带性规律。自高纬度向中纬度,多年冻土埋深逐渐增加,厚度不断减小,年平均地温相应升高,由连续多年冻土带过渡为不连续多年冻土带、季节冻土带。极地区域冻土出露地表,厚达千米以上,年平均地温-15℃;到北纬60°附近,冻土厚度百米左右,地温升至-3℃~-5℃;至北纬约48°(冻土分布南界),冻土厚仅数米,地温接近0℃。

北半球冻土分布面积较大,俄罗斯和加拿大是冻土分布最广的国家。

冻土地貌

在高纬地区及中纬度高山地区,如果处于较强的大陆性气候条件下,地温常处于0℃以下,降水少,大部又渗入土层中,不能积水成冰,而土层的上部常发生周期性的冻融,在冰劈、冻胀、融陷、融冻泥流(统称冻融作用)的作用下而产生的特殊地貌,称冻土地貌。

冻融作用:是指冻土层中的水在气温周期性的正负变化影响下,不断发生相变和迁移,使土层反复冻结融化,导致土体或岩体的破坏、扰动和移动的过程。由冻融作用形成的各种地貌,称冻土地貌。

多年冻土区的地貌形成与冻融作用直接相关。

冻土的结构

多年冻土区的冻土可分为上下两层,上层是夏融冬冻或是昼融夜冻的活动层(又叫交替层)。下层是多年冻结不融的永冻层。

活动层的厚度随纬度和高度的增大而减小,它的冻融深度与每年冬夏季节的温度有关。

一般来说,活动层冬季冻结时可与下部的永冻层连接起来。

多年冻土层中活动层的变化多年冻土层中常出现隔年冻结层和融区的多层结构特征。多年冻土结构特征

当活动层于每年秋末自地表向下冻结时,由于底部的永冻层起阻挡作用,结果使其中间尚未冻结的融区(含水土层),在冻结层的挤压作用下,发生塑性变形,形成各种大小不一、形状各异的弯曲结构,这种现象称为冻融扰动构造(或称为冰卷泥)。

冰卷泥示意图多边形构造土

在第四纪松散沉积物的平坦地面上,由冻融和冻胀作用,地面形成多边形裂隙,构成网状,称为多边形构造土。

从地表平面看,裂隙组成多边形,从剖面上看,裂隙呈楔形。

根据楔子内填充物的不同,又分为冰楔和砂楔。

冰楔

冰楔:在多年冻土区,地表水周期性注入到裂隙中再冻结,使裂隙不断扩大并为冰体填充,剖面成为楔状,称为冰楔。

冰楔的形成先是地表形成裂隙,地表水注入再冻结而成脉冰,由于脉冰常深入到永冻层中,到温暖季节,上部活动层的脉冰融化消失,永冻层中的脉冰则仍然存在。到了寒冷季节冻土又发生体积不均衡膨胀,原有的裂隙不断扩大。到来年夏季又在裂隙中注入水分,冬季再冻结胀裂,如此反复作用,就形成冰楔。

冰楔形成示意图

冰楔形成的条件:

①有深入到永冻层中的裂隙,并为脉冰所填充。

②冰楔的围岩是可塑性的,水在裂隙中才能冻结、膨胀,围岩不断受挤压变形,冰楔不断展宽。

③需要严寒的气候条件,年平均温度一般为-6~-3℃。

砂楔(古冰楔)

砂楔与冰楔形态相似,但裂隙中填充的不是脉冰,而是松散的砂土,叫砂楔。

砂楔可从冰楔演变而来,当冰楔内的脉冰完全融化后,砂土代替冰体填充于楔内,形成砂楔,所以又把砂楔看成古冰楔。

冻土地貌石环、石圈和石带

石环

石环:是由细粒土和碎石为中心,周国由较大砾石为圆边的一种环状冻土地貌。

石环的直径一般为0.5~2.0m,在极地地区可达十余米。

石环示意图

石环是冻土中颗粒大小混杂的松散砂砾层,由于饱含水分,经频繁的冻融交替,产生物质分异形成的。

活动层中的大小混杂的砂砾,冬季,先从地面冻结,砂砾层孔隙中的水冻结膨胀,地面和砂砾层中的砾石一起被抬高,砾石的下部尚未冻结而出现空隙,砂土填入或水渗入形成冰透镜体。夏季,活动层上部解冻,由于砾石和砂土的导热率不同,砂土中的冰先融化,地面逐渐回降到原来位置,但砾石下部仍为冻结状态,这时一些大颗粒碎石或砾石却比周围含水砂土位置相对升高。等砾石下部冰开始融化时,砾石周围的砂土向砾石下部移动,填垫在砾石下部,当活动层全部融化后,砾石却相对抬升了一段距离,在这种冻融过程反复作用下,大的石块或砾石就逐渐被顶托到地面。

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