千里冰封的杰作

耿成寶 魏海峰

“北國(guó)風(fēng)光，千里冰封，萬(wàn)里雪飄”選自毛澤東《沁園春·雪》，生動(dòng)描繪出北方冬季壯麗的自然景色。每當(dāng)秋去冬來(lái)，隨著氣溫的逐漸降低，地表的巖石和土壤溫度也隨之降低，當(dāng)巖石和土壤溫度降到0 ℃以下，巖石和土壤內(nèi)的部分水固結(jié)成冰，同時(shí)將巖石或土壤顆粒膠結(jié)在一起，即形成了凍土。學(xué)術(shù)上講，凍土是指0 ℃以下，并含有冰的各種巖石和土壤。

凍土的組成及分類(lèi)

凍土的基本組成成分為巖石或土壤的固體礦物顆粒、冰、液相水和氣體（水汽和空氣）。按時(shí)間將凍土分類(lèi)為永久凍土、季節(jié)性?xún)鐾?、短暫凍土，持續(xù)幾年到幾十年的凍土為永久凍土或多年凍土，隨著季節(jié)的變化而冬凍夏融的凍土為季節(jié)性?xún)鐾?，幾小時(shí)到幾晝夜短暫形成的凍土為短暫凍土；按含冰量將凍土分類(lèi)為富冰凍土（含冰量大于50%）、含冰凍土（含冰量25%～50%）、微含冰凍土（含冰量小于25%）；按物理狀態(tài)將凍土分類(lèi)為低溫凍土、高溫凍土，低溫凍土為冰所牢固膠結(jié)的、不可壓縮的堅(jiān)硬凍土，永久凍土分布區(qū)較為發(fā)育，高溫凍土為含較多未凍水的、凍結(jié)狀態(tài)時(shí)壓縮性較小的塑性?xún)鐾?，典型例子是季?jié)性?xún)鐾燎锒惶鏁r(shí)節(jié)較為發(fā)育。

凍土的分布及影響因素

根據(jù)全球凍土的分布情況，我們發(fā)現(xiàn)越靠近南北極的高緯度地區(qū)，凍土越發(fā)育。并且，隨著緯度變高，凍土埋深變厚，凍土類(lèi)型依次為短暫凍土、季節(jié)性?xún)鐾?、永久凍土。典型如我?guó)華南地區(qū)分布短暫凍土、北方大部分地區(qū)分布季節(jié)性?xún)鐾?、東北大興安嶺漠河縣地區(qū)分布多年凍土。同時(shí)，凍土在高山垂直帶上部也較為發(fā)育，典型如我國(guó)青藏高原地區(qū)大面積分布的不連續(xù)多年凍土。結(jié)合對(duì)凍土的研究，我們總結(jié)出，凍土的形成受控于巖石和土壤的溫度及含水量。影響巖石和土壤溫度的主要因素有緯度、地形、地溫、巖性等；影響巖石和土壤含水量的主要因素為降水和地下水情況等。

凍土的特征及危害

凍土具有流變性，即在外荷載作用下，凍土中的應(yīng)力和應(yīng)變隨時(shí)間變化的特性，其長(zhǎng)期強(qiáng)度遠(yuǎn)低于瞬時(shí)強(qiáng)度特征。例如用重物瞬時(shí)擊打凍土，凍土瞬時(shí)強(qiáng)度高、受損小，但在凍土上長(zhǎng)時(shí)間放置等質(zhì)量的重物，凍土?xí)S重物的加載時(shí)間變長(zhǎng)而產(chǎn)生變形。凍土區(qū)修筑工程構(gòu)筑物常面臨兩大危險(xiǎn)：凍脹和融沉。頻繁凍融直接影響和危害人類(lèi)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)和工程建設(shè)。在日常生活中經(jīng)?？梢钥吹剑捎趦鐾恋膬鋈趯?dǎo)致道路產(chǎn)生裂隙、翻漿等危害工程構(gòu)筑物的現(xiàn)象。就其危害程度來(lái)說(shuō)，多年凍土的融化作用危害較大，而季節(jié)性的凍融作用危害更大。凍土在凍結(jié)、融化時(shí)，還可能產(chǎn)生裂縫、熱融滑塌或凍融泥石流等災(zāi)害。

凍土退化的影響

在全球氣候顯著變暖背景下，凍土面積正在退縮、分布下界普遍升高。凍土普遍退縮的大趨勢(shì)，其影響主要有以下幾個(gè)方面。

改變局部生態(tài)環(huán)境

永久凍土融化后，生態(tài)環(huán)境可能會(huì)暫時(shí)變好。如氣溫升高凍土融化，導(dǎo)致了西藏那曲縣部分牧區(qū)冒水，水分條件得以改善。但從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，凍土融化導(dǎo)致水位下降，土壤中水分含量不足，植物根系吸收不到水分，那些濕生植被將向相對(duì)旱生性植被類(lèi)型發(fā)展，導(dǎo)致植物群落的演替。對(duì)于高山來(lái)說(shuō)，凍土層的融化甚至可能導(dǎo)致崩塌、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害。

危害基礎(chǔ)設(shè)施

凍土的凍脹和融沉對(duì)工程構(gòu)筑物具有破壞作用，凍土退縮，勢(shì)必對(duì)現(xiàn)有構(gòu)筑物基礎(chǔ)產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響構(gòu)筑物穩(wěn)定性。為保證青藏鐵路凍土路基的穩(wěn)定性，我國(guó)工程師利用碳素?zé)o縫鋼管制成的高效熱導(dǎo)裝置即熱棒，將凍土熱量及時(shí)傳導(dǎo)至外界，形成“永凍層”，提高了凍土的強(qiáng)度。雖然我國(guó)工程師解決了青藏鐵路凍土路基融沉的問(wèn)題，但是為了防止凍土融化，我們也付出了高額的成本。

加快全球變暖

眾所周知，人類(lèi)在生產(chǎn)生活中會(huì)產(chǎn)生大量的溫室氣體，同時(shí)過(guò)度的森林采伐和植被破壞使地球產(chǎn)生了溫室效應(yīng)，地球溫度上升。據(jù)研究，全球寒帶和極地凍土層含有大量有機(jī)碳，在全球變暖的大環(huán)境下，凍土層不斷融化，凍土層中保存的大量溫室氣體進(jìn)入大氣層，勢(shì)必導(dǎo)致全球變暖進(jìn)一步加劇。

作者單位：中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局哈爾濱自然資源綜合調(diào)查中心