第6章 冰川、冻土地貌及堆积物(2)-林晓 [兼容模式]

第6章冰川、冻土地貌与堆积物
（2）
主讲教师：林晓中国地质大学（武汉）地学院
地貌学及第四纪地质学
Geomorphology and Quaternary Geology
四、冻土地貌
冰缘（periglacial ）：
⏹
狭义：冰川作用的外围地带，年均温度0 ℃左右，多年冻土层发育。

⏹
广义：凡是年均温度在0 ℃左右的地区，具有多年冻土层发育的气候条件，并不一定在冰川的外缘。

冻土区：指广义的冰缘环境。

课程结构
冻土与冻融作用
冻土定义、分层、分类、冻融过程及研究简史
1. 冻土与冻融作用
⏹
冻土：分为季节冻土（每年冬冻夏融）和多年冻土（多年不融），结构上分为活动层和多年冻土层。

⏹
冻融作用：每年气温的周期变化，使含水土层反复冻结和融化、裂开、扰动、变形、破坏和流动的过程。

地表温度低于0˚C的土层或岩层
寒土
Geli sol
冻土
Frozen ground
含冰
不含冰
多年冻土：
2年以上
季节冻土
半月～数月短时冻土
半月以内
干寒土
不含冰和重力水湿寒土
含盐水、卤水等
存在持续时间
是否含水
（1）冻土基本概念
Geocryology
冻土分层
⏹①活动层（Active layer）
位于多年冻土之上，夏
季融化冬季被冻结的表
层土层(S. Muller, 1947)
⏹②多年冻土层
（Permafrost）
位于活动层之下，常年
冰冻。

Freezing point
温度年变化深度
多年冻土上限
多年冻土下限
冻土分层
⏹③零幕层（Zero curtain）
位于多年冻土上限之上（活动层底
部）特定厚度的土层。

这层土的温
度在冻结过程中有相当长的时间为
0ºC。

“零幕层”是由冻结过程中冰－水
转化的冻结潜热释放所导致，活动层底部的含水量越大，“零幕层”越厚，持续时间越长。

-20
-10
10
050100150200250300350 A
T
/
º
C
风火山－高寒草甸
5月中9月中11月底
10月初
零幕层
冻土下界
⏹多年冻土下界（the lower limit of permafrost)
高山多年冻土所能够分布的最低海拔高度。

⏹多年冻土南界（the south limit of permafrost)
高纬多年冻土所能够分布的最南纬度。

冰川多年冻土
多年冻土下界⏹气候
⏹地质因素
⏹地表覆盖
⏹地貌因素
⏹水文因素
⏹时间
时间
多年冻土的实际存在年龄至少是多年冻土形成
所需要的时间（Lunardini,1995）。

多年冻土是历史气候的产物（Washburn,1979），
尤其是较深层的多年冻土是不同周期和强度气候波动
叠加作用于特定地质体的产物。

（2）冻土分类
⏹区域分布特征分类
⏹工程分类
⏹土壤分类
区域分布特征分类高纬度多年冻土
⏹连续多年冻土连续性>90%
⏹不连续多年冻土连续性25～90％
⏹岛状多年冻土连续性<25%
高海拔多年冻土
⏹大片连续连续性70～90％
⏹大片－岛状连续性30～70％
⏹岛状－稀疏岛状连续性<30％空
间
连
续
性
中国冻土分布区划图
青藏高原多年冻土分布图
（据李树德等，1996）
工程分类（程国栋，王绍令，1982）
上带
⏹极稳定型年均地温<-5ºC，厚度>170m
⏹稳定型年均地温<-3ºC，厚度>110m
中带
⏹亚稳定性年均地温<-1.5ºC，厚度>60m
⏹过渡型年均地温<-0.5ºC，厚度>30m
下带
⏹不稳定性年均地温0.5~-0.5ºC，厚度0~30m
⏹极不稳定型稳定性
程国栋院士
⏹程国栋,1943年7月生于上海市。

1965年毕业于北京地质学院
水文地质与工程地质系。

同
年，进入中国科学院冰川冻
土沙漠所工作。

历任中国科
学院兰州冰川冻土所所长（1991-1999），中国科学院
寒区旱区环境与工程研究所
所长（1999-2001），国际冻
土协会副主席（1988-1993）
主席（1993-1998），冻土工
程国家重点实验室主任
（1996-2005）。

土壤分类
⏹加拿大（Canadian Soil Classification System，1987，1998)——Cryosol
⏹世界粮农组织（FAO-World Reference Base for Soil Resources，1998)——Cryosol
⏹美国（Soil Taxonomy）（1994，1999）——Gelisol
⏹中国土壤分类系统（Chinese Soil Taxonomic System，1995)——冻土
（3）冻土研究简史
世界冻土研究简史
►1757：俄国科学家M.B.罗蒙诺索夫发表“冻土地”。

对冻
土形成得气候和地形条件提出看法；
►19世纪，西伯利亚冻土的温度、厚度、埋藏条件和分布状
况（前半期）；随着铁路建设得需要，出版了一系列多年
冻土方面的报告（1889～1895）；
►1917年，成立了冻土研究机构；
►1940年后，出版了一系列专著：《普通冻土学》（1940）、
《冻土学原理》（1959）、《苏联冻土学》（1988）；
►1970～80s，阿拉斯加输油管道的建设推动了美国多年冻土
发展。

⏹我国冻土研究简史
⏹春秋战国时期（公元前770～前221），《礼
记 月令》中有：“孟冬之月，水始冰，地
始冻。

仲冬之月，冰益坚，地始坼。

季冬之
月，冻方盛，水泽腹坚……孟春之月，东
风解冻”。

⏹1943年，刘培桐“中国气候与土壤之关系（续）”中：高山冰沼土；陈正祥“河西走廊”中：高山冰沼土
⏹1949～1959年，冻土研究的起步阶段：
东北的发展，促进了冻土学研究。

1954年青藏公路通车，高原冻土问题引起关注，1956年
铁道部开始勘测青藏线，对沿线冻土作初步调查多年冻土研究的初步认识阶段
⏹1960年，中国科学院冰川积雪冻土研究所筹委会成立，设
立冻土组；铁道部高原铁路科研所成立。

⏹1960～1962年，两所会同一些高校，青藏公路沿线冻土综
合考察，在风火山地区建立了铁路试验工程—风火山站
⏹1963年，周幼吾、杜榕桓“青藏高原冻土初步考察”发表
⏹1965年，《青藏公路沿线冻土考察论文集》出版；
⏹1964～1965年，中科院、铁道部、林业部在大兴安岭牙林
铁路冻土和工程冻害调查；
多年冻土研究的发展壮大阶段
⏹1966年，建立第一个冻土低温实验室；
⏹1966～1977年，与工程项目相结合的冻土研究：
⏹1969～1974，青海热水煤矿
⏹1972～1973，格尔木－拉萨输油管道
⏹1972～1976，南疆铁路
⏹1974～1978，青藏铁路
⏹1973～1974，东北多年冻土多学科综合考察
⏹1975～《冻土》出版系统总结和发展阶段（1978~1997）
⏹1979~1983，青藏高原多年冻土特征的系统总结
⏹1981，东北多年冻土分布图；
⏹1982，程氏假说——地下冰重复分凝机制
⏹1983，北半球高海拔多年冻土分布的三向地带性
理论——程氏定律
⏹1988，青藏高原综合观测研究站的建立。

⏹1990，郭东信，《中国的冻土》出版
⏹1991，国家冻土工程重点实验室建立
⏹1996，东北冻土南界，青藏高原多年冻土图。

1998～现在，监测与冻土理论深入研究期
对多年冻土与环境间的关系的认识，促进了多年冻土和活动层中物理机理的监测、研究的深入发展
⏹国际合作
⏹青藏公路多年冻土灾害深入研究⏹
2002，青藏铁路建设的需要
青藏高原多年冻土主要监测区
Tianshuihai
QTHW
QKHW
⏹
monitoring systems on surface changes of heat and moisture:4
（4）冻融过程（Freezing processes)
冻融过程中的水分迁移，水热耦合，物质迁移
水和热同时运移并相互作用的过程即是水
热耦合过程
液态水
水汽
冰
热
冰冻结体积膨胀10％
土壤颗粒周围的自由水，结合水，吸附水
Time
D e p t h (c m )
0冻融过程
高寒草原
SW
ST
AF
WC
夏季融化过程(ST) 秋季冻结过程(AF) 冬季降温过程(WC)和春季升温过程(SW)
推荐1篇文章（5）冻融作用-冻土地貌
定义：土中发生的冻结和融化过程及其所产
生的影响，其包含：
⏹冻融过程
⏹冻结楔入作用
⏹冻裂作用
⏹冻胀、冻拔作用
⏹物质置换过程
⏹分选作用
小结
冻土与冻融作用冻土定义、分层、分类、
冻融过程及研究简史
2. 冻土地貌
a、冰楔
形成条件：持续严寒，年均温-6 ℃~-9 ℃，裂隙发育，冰
脉逐年冻融，形成“V”形楔体、砾石定向、直立层理、围岩挤压变形，成群分布。

b、构造土（多边形、石环、石圈）
形成条件：水分充足、含砾石、反复冻融，垂直和水平分选共同作用的结果。

c、冻融褶皱：
形成的气候条件与冰楔近似，形态复杂。

活动层冻结产生的下压力、永冻层产生的顶托力共同作用。

d、冻胀丘
⏹冻胀丘：粒度和水分含量的不均匀，形成局部隆起。

⏹冰核丘：土层中不断吸收冻结层间水或层下水，形成地
下冰核使地面隆升形成冰核丘。

石河冻裂石柱
2. 冻土地貌
a、冰楔
形成条件：持续严寒，年均温-6 ℃~-9 ℃，裂隙发育，冰
脉逐年冻融，形成“V”形楔体、砾石定向、直立层理、
围岩挤压变形，成群分布。

b、构造土（多边形、石环、石圈）
形成条件：水分充足、含砾石、反复冻融，垂直和水平分
选共同作用的结果。

c、冻融褶皱：
形成的气候条件与冰楔近似，形态复杂。

活动层冻结产生
的下压力、多年冻土层产生的顶托力共同作用。

d、冻胀丘
冻胀丘：粒度和水分含量的不均匀，形成局部隆起。

冰核丘：土层中不断吸收冻结层间水或层下水，形成地下
冰核使地面隆升形成冰核丘。

冻融褶皱冻融褶皱
冻融泥流/阶地
2. 冻土地貌
a、冰楔
形成条件：持续严寒，年均温-6 ℃~-9 ℃，裂隙发育，冰
脉逐年冻融，形成“V”形楔体、砾石定向、直立层理、
围岩挤压变形，成群分布。

b、构造土（多边形、石环、石圈）
形成条件：水分充足、含砾石、反复冻融，垂直和水平分
选共同作用的结果。

c、冻融褶皱：
形成的气候条件与冰楔近似，形态复杂。

活动层冻结产生
的下压力、永冻层产生的顶托力共同作用。

d、冻胀丘
⏹冻胀丘：粒度和水分含量的不均匀，形成局部隆起。

⏹冰核丘：土层中不断吸收冻结层间水或层下水，形成地
下冰核使地面隆升形成冰核丘。

冻胀丘（pingo）
冻土冰
活动层
融土
泥炭丘（palsas)冻裂?
冰楔多边形（加拿大）
2. 冻土地貌
a、冰楔
形成条件：持续严寒，年均温-6 ℃~-9 ℃，裂隙发育，冰
脉逐年冻融，形成“V”形楔体、砾石定向、直立层理、围岩挤压变形，成群分布。

b、构造土（多边形、石环、石圈）
形成条件：水分充足、含砾石、反复冻融，垂直和水平分选共同作用的结果。

c、冻融褶皱：
形成的气候条件与冰楔近似，形态复杂。

活动层冻结产生的下压力、永冻层产生的顶托力共同作用。

d、冻胀丘
冻胀丘：粒度和水分含量的不均匀，形成局部隆起。

冰核丘：土层中不断吸收冻结层间水或层下水，形成地下冰核使地面隆升形成冰核丘。

冰楔（Icing）
冰楔
构造环构造环
热融地貌(thermokarst)
⏹热融滑塌（thaw slumps)
⏹热融湖(thaw lake; thermokarst lake)⏹热融洼地（alas)
多年冻土区灾害的工程治理冻土的危害性
⏹Trans-Alaska Pipeline
⏹
青藏高原公路铁路工程中的冻土问题
⏹
主动保护冻土的方式（青藏铁路）⏹被动保护冻土的方式（青藏公路）
青藏铁路建设“三个难”
青藏铁路沿线多年冻土属于高温高含冰量
多年冻土区筑路病害率在30%以上加上气候变化的影响
难更难
难上加难
多年冻土灾害治理：
⏹抛片石调温路基、抛石、碎石护坡、热棒技术已广泛应用于青藏铁路建设。

⏹通风管路基、遮阳板在青藏铁路、公路、青康公路开展试验
清水河大桥——以桥代路治理效果
⏹修建于100年前的俄罗斯冻土区铁路病害率达到了
40%，修建于上世纪80年代的俄罗斯冻土区铁路
病害率达到了30%，时速只有30-40公里，非常慢。

⏹虽然青藏高原的冻土问题更为棘手，但青藏铁路
修建时采取的冻土保护技术已非常比较先进，时
速被定为100公里。

小结
冻土地貌冻土与冻融作用冻土定义、分层、分类、
冻融过程及研究简史
冻土地貌类型
冻裂、冰楔、构造土、
冻融褶皱、冻胀丘
热融滑塌、热融洼地、
Thanks a lot !。