微专题,冻土,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,称为冻土冻土的概念:,冻土的分布:,世界上冻土总面积约为,3500,万平方千米,占地球大陆面积的,25%,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我国多年冻土分布在,东北北部地区,、,西北高山区,及,青藏高原地区,如果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,称为多年冻土冻土的类型:,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冻土层的厚度,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例如,北极的多年冻土厚达百米到千米永冻层的顶面接近地面,逐渐向南,多年冻土厚度减到,100m,以下,永冻层的顶面埋藏变深大致,北纬,48,附近是多年冻土的南界,冻土厚度仅,1,2m,超过这一界限,就从,连续冻土带过渡到不连续冻土带,。
后者由许多分散的冻土块体组成,这种分散的冻土块体称为岛状冻土块多年冻土层从高纬度(左)向低纬度(右)的变化示意图,一般来说,,活动层,冬季冻结时可与下部的,永冻层连接,起来如果冬季,气温较暖,,活动层冻结时的深度达不到永冻层的顶部,这时在活动层与永冻层之间就出现一层,未冻结的融区,如果来年,夏季较凉,,活动层的,融化深度较小,,结果便在活动层下部留下,隔年冻结层,隔年冻结层较薄,只有,10cm,左右厚度,它可保存一年至数年当某一年夏季较暖,活动层融化较深,隔年层即消失多年冻土层中活动层的变化,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)冻土的成因:,多年冻土的厚度虽然受纬度和高度的控制,但在同一纬度和同一高度处的冻土厚度还有差别,这和其他自然地理条件有关1.,气候的影响,大陆性半干旱气候,较有利于冻土的形成,而温暖湿润的海洋性气候不利于冻土的发育在欧亚大陆内部的半干旱气候区的冻土南界(北纬,48,)比受海洋性气候影响较大的北美冻土南界(北纬,52,)要更南一些。
另外,在纬度和高度相同的条件下,大陆性半干旱气候区的,冻土厚度,比海洋性气候区的要大),2.,岩性的影响,砂土导热率较高,易透水,不利于冻土的形成黏土,导热率较低,,,不易透水,,,有利于冻土的形成泥炭的导热率最低,最有利于冻土的发育3.,坡向、坡度的影响,坡向和坡度直接影响地表接受太阳辐射的热量阳坡日照时间长,受热多于阴坡,因而在同一高度、不同坡向冻土的深度、分布高度和地温状况都不同,冻土的厚度也不同根据观测,昆仑山西大滩不同坡向的山坡,在同一高度和同一深度的阴坡地温比阳坡地温要低,23,,阴坡冻土的厚度也要大一些,冻土分布下界高度较阳坡低,100m,),4.,植被、雪盖的影响,冬季,植被和雪盖,阻碍土壤热量散失,夏季,植被和雪盖,减少地面受热,因此,在有雪盖和植被的地区,地面年温差减小例如大兴安岭落叶松、桦树林区和青藏高原的高山草甸地区,能使地表年温差比附近裸露地面降低,45,),永冻层顶面深度变浅,,永冻层厚度相对增大,,,活动层厚度相对减小,现在世界上所见到的多年冻土绝大部分是,第四纪冰期,时的遗留物北极的最老多年冻土大约在,60,万年前就已形成,西伯利亚的多年冻土的年代距今也有,10,万年),在,间冰期,时,虽然在许多地方的冻土全部或部分融化了,但在,高山和高纬,的气温很低的大陆性气候区,仍保留了,大面积冻土,,这部分没有融化而保存下来的冻土称为,残留冻土,。
此外,还有一多分冻土是全新世以来形成的例如在冰后期大陆冰盖退却后发育的冻土和在全新世地层中形成的冻土西西伯利亚北部,,20003000,年前寒冷期形成新的多年冻土与残留的多年冻土衔接在一起;在南部,新形成的多年冻土与下部残留多年冻土还没有衔接上,中间夹有一层融化层而成双层多年冻土结构),冻土消融的影响:,1.,释放温室气体,加剧全球变暖很多多年冻土中,富含有机物,(长久以来上层动植物死亡后被埋在地底),冰冻可以减缓永冻层内的有机物分解(参照冰箱里的蔬菜和肉坏的慢)据估计,多年冻土中的含碳量是大气中的两倍,约为,16000,亿吨但是,如果温度上升,多年冻土融化,微生物将迅速分解暴露出来的有机物,同时释放出温室气体:二氧化碳、甲烷、一氧化氮等,加速全球气候变化特别是甲烷,甲烷虽然在大气中含量少,且是短寿命温室气体(在大气中十年以内几乎就会被化学反应掉;相比而言,二氧化碳一旦排放到大气,可以停留上千年),但甲烷的温室效应是二氧化碳的,30,倍!甲烷的大量释放可以在短期内急剧推升全球气温而且,这是一个正反馈:多年冻土融化,-,释放温室气体,-,全球变暖加剧,-,多年冻土融化!,2.,破坏土地稳定性,破坏上层建筑和设施。
在接近极地和中低纬度高山区域,很多设施比如公路、房屋等都建设在多年冻土之上据估计,全球大约,350,万人生活在多年冻土或邻近区域一旦多年冻土开始部分消融,上层土地开始变得非常,不稳定,,滑坡等地质灾害必然会加快,破坏建造在其上的设施图,5,是加拿大一个小镇上被不稳定的土地破坏的道路受不稳定的多年冻土影响的区域还有俄罗斯、阿拉斯加、挪威、中国高原区(青藏高原)等等冻土消融的影响:,3.,释放出封存在其内的各种污染物、微生物最近发表在,GRL,的一个研究表明:北半球的多年冻土储存了超过,150,万加仑的汞:这个量是大气、海洋、其余土壤中全部汞含量的两倍!多年冻土的消融将导致这些汞的释放,威胁全球生物和人类,而过去几十年已经观测到了全球多年冻土在释放汞多年冻土分为上下两层,上层为夏季融化,冬季冻结的活动层,下层为多年冻结层冻土层对铁路路基影响显著,如开挖路堑后地下水自边坡流出,在隆冬季节随流随冻,影响铁路运营下图为我国多年冻土分布示意图1),说出与东部相比,我国西部多年冻土的主要分布特点4,分),西部多年冻土面积大,多大片状和大片岛状多年冻土多年冻土分为上下两层,上层为夏季融化,冬季冻结的活动层,下层为多年冻结层。
冻土层对铁路路基影响显著,如开挖路堑后地下水自边坡流出,在隆冬季节随流随冻,影响铁路运营下图为我国多年冻土分布示意图2),大兴安岭北部岭西地区为大片多年冻土,而岭东地区为稀疏岛状多年冻土分析造成岭西地区多年冻土发育程度好于岭东地区的主要原因4,分),冬季,岭西地区位于冬季风迎风坡,冷空气在岭西地区堆积,气温低于岭东2,分)岭西地区海拔高,夏季气温低于岭东2,分),多年冻土分为上下两层,上层为夏季融化,冬季冻结的活动层,下层为多年冻结层冻土层对铁路路基影响显著,如开挖路堑后地下水自边坡流出,在隆冬季节随流随冻,影响铁路运营下图为我国多年冻土分布示意图3),冻土问题是青藏铁路建设中克服的三大难题之一根据冻土的特征推断冻土对铁路运输可能产生的影响3,分),活动层融化导致路基沉陷;(,1,分)活动层冻胀导致路基和轨道变形;(,1,分)增加行车安全隐患1,分),冻土地貌:,多年冻土区的地貌形成与冻融作用直接相关冻融作用:,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,称冻土地貌冻土地貌组合,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。
冰楔形成的条件:,有深入到永冻层中的,裂隙,,并为脉冰所填充冰楔的,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,冰楔不断展宽需要,严寒的气候条件,,年平均温度一般为,-6-3,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它们在极地、亚极地以及高山地区常有发育),石环的直径一般为,0.52.0m,,在极地地区可达十余米在石环分布的地区,地表物质是,粗细混杂,的砾石块和沙土在冬季,地表冻结,沙粒层孔隙中的水分便结冰膨胀,使得包括砾石在内的整个,地面上升,到春天解冻时,,沙土中的冰,先融化,,接着地面下降,,沙土充填周围孔隙之后,,砾石解冻,,却由于没有足够空间,再也不能回到原来的位置这样循环往复,砾石便完全露出了地面等到含水较多的沙土再次冻结,地面便出现了微微凸起的膨胀中心,地面上的砾石当然就会被挤压到边缘,形成近似圆形的石环。
冰核丘:,冻土层中常夹有未冻结层,,未冻结层中的水分,在地下慢慢凝结成冰体,使地面膨胀隆起,形成冰核丘冰核丘的平面呈圆形或椭圆形,顶部扁平,周边较陡,可达,4050,冰核丘的顶部表面因地表隆起变形,产生许多方向不一的张裂隙而下陷冰核丘的规模大小不等一年生的冰核丘的规模较小,高只有数十厘米至数米;多年生的冰核丘规模较大,高可达十余米至数十米,直径从,30m,到,70m,不等冰核丘有时能产生,爆炸,在夏季气温上升很快,上部冻结层迅速融化,冻结土层急剧变薄,这时如冰核丘内含有气体,承压力很高的地下水就可能发生喷水爆炸土溜陡坎:,是多年冻土区坡地上的一种地貌现象当融冰时地表过湿的松散沉积物沿坡向下流动,前端常成一陡坎,叫土溜阶坎土溜阶坎高约,1m,左右,宽,45m,,有的规模还要大一些成因是多年冻土上部的,活动层周期性融化,,融化的水受下部,永冻层的阻挡,不能下渗,结果,活动层的松散物质被水浸润,,内摩擦减小,在,重力作用,下就缓缓沿坡向下滑动,如,遇阻,或,坡度变缓,,流动的速度减慢,前端就壅塞成一个坡坎热融塌陷洼地:,是因温度升高,,地下冰融化引起地面塌陷,所形成的各种洼地这种塌陷过程类似喀斯特塌陷过程,而塌陷原因和,温度,有关,故又称,热力喀斯特,。
多年冻土上部的温度升高可能是气候周期性的转暖形成的,也可能是人为因素造成的如砍伐森林、开垦荒地和人工截流蓄水等都可以使地面温度增高),热融塌陷洼地发育在斜坡上形成各种滑塌洼地,在平坦地面上形成漏斗状沉陷洼地,洼地内常积水成湖,称,热融塌陷湖,多年冻土发育的高原或平原地区,大大小小的热融塌陷湖星罗棋布热融塌陷湖形成以后,,湖水对湖底土层的传热作用,,使底部土层增温,活动层的深度加大,地下冰融化速度加快,湖泊进一步沉陷,直到湖底地下冰全部融化后,湖泊才停止下沉和扩大冻土是温度在,0,或,0,以下,并含有冰的各种岩(土)冬季含冰冻结、夏季全部融化的岩土被称为季节冻土下图为北半球冻土分布剖面图,读图回答,12,题1.,下列关于冻土叙述的不正确的是(),A.,冻土可分为季节冻土和多年冻土,B.,中纬度的多年冻土随纬度增高而增厚,C.,纬度较低的青藏高原也有冻土层,D.,季节冻土水平分布的范围小,冻土是温度在,0,或,0,以下,并含有冰的各种岩(土)冬季含冰冻结、夏季全部融化的岩土被称为季节冻土下图为北半球冻土分布剖面图,读图回答,12,题2.,铁路通过季节冻土层地段,下列措施最经济有效的(),A,设计冷冻系统,全年处于冻结状态,B,打穿冻土层,将承重分散到基岩,C,设计遮盖系统,使路基避免阳。