图 6-20 中国冻土类型及其分布(据童伯良、周幼吾等 , 1975; 转引自曹伯勋等,1995)
冻土的形成受气候、岩性、地层、含水性、地形、植被、地下水运动等因素影响 。对于多年冻土而言,年均气温要低于0℃,而季节冻土则是冻结季节气温低于 0℃ 。土层的隔热性能越好,越利于冻土的形成,因此土层越细、有机质含量越高、含水越多 , 越容易形成冻土 。阴坡比阳坡,缓坡比陡坡,平地比山坡 , 都容易形成冻土 。植被覆盖能起到保温作用,因此有植被覆盖的地区比没有植被覆盖的地区冻土发育,所以在高原或高寒地区,草原和草甸的破坏都会影响到冻土厚度的变化 。地表流动的水体对冻土的形成也有影响,常会在河床的下面形成融区(talik) 。
图 6-21 冻土的两层结构及其变化(据杨景春 , 1985)
2 冻土的结构与分布
多年冻土在剖面上可划分为两层结构,上面为活动层(active layer),下面为永冻层(permafrost layer)(图6-21a),也称多年冻层(ever-frozen layer) 。活动层随季节而变化,冬季冻结,而夏季融化 。活动层的厚度取决于冻土区的夏季气温、土层岩性、植被覆盖、透水性等 。活动层厚度的变化对工程影响非常大,在冬季由于冻结而膨胀,地面鼓起,而在夏季因融化地面下陷,这将导致地面构筑物的变形或破坏 。永冻层终年不融化,其厚度从数米到数百米 。如果今年是一个暖冬,活动层再冻结时深度达不到永冻层的顶部 , 那么在永冻层与冬季冻结层之间存在一层未冻结的融区(图6-21b); 如果翌年的夏季凉爽,融化深度又小于头年冬季的冻结深度,那么在活动层中的下部留下一层冻结的隔年层(pereletok)(图6-21b) 。
冻土的分布具明显的纬向性和垂向性 , 纬度和海拔越高,冻土越发育 。从冻土厚度来看,从低纬度到高纬度,从低海拔到高海拔,它是增厚的(图 6-22 及图 6-23) 。如祁连山北坡海拔4000m 处冻土厚100m,到海拔3500m 处厚度减到22m 。中国西部各山地随着纬度的增加,冻土发育的下限降低(图 6-23),在昆仑山为 4400 ~4300m,祁连山为 3800 ~3500m,到天山降到 2500m , 而阿尔泰山只有 1100 ~1000m 。在冻土类型上,由南向北,从低到高,依次出现瞬时冻土、季节冻土、不连续多年冻土、连续多年冻土 。
图 6-22 北半球多年冻土类型及厚度分布图(据 B J Skinner and S C Porter , 1994,修改补充)
图 6-23 中国多年冻土发育下限海拔高度和厚度分布图图中数字为冻土厚度
冻土中的冰可分为三种类型: 一是胶结冰,主要在冻土的表层,是碎屑颗粒间的吸着水、薄膜水冻结而成; 二是分凝冰,一般位于胶结冰的下面,是由于冻土层中的一些小冰粒或冰块,使其周围的水汽压减小 , 水分子就向冰粒或冰块聚集 , 造成冰粒或冰块长大而形成的冰; 三是构造冰 , 它是由于冻土层的冻裂,水充填到裂隙中形成的冰,这种冰也会不断地生长并挤压冻土层,造成冻土层的变形,形成一些冻土地貌 。
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