基于GIS空间分析模型的祁连山多年冻土研究

傅连珍，胡道功，张绪教，游报捷，吴泽群，叶梦旎

（1.中国地质大学地球科学与资源学院，北京 100083；2.中国地质科学院地质力学研究所，北京 100081）

基于GIS空间分析模型的祁连山多年冻土研究

傅连珍1，胡道功2，张绪教1，游报捷1，吴泽群1，叶梦旎1

（1.中国地质大学地球科学与资源学院，北京 100083；
2.中国地质科学院地质力学研究所，北京 100081）

依据祁连山和青藏高原气温、地温、冻土厚度与经纬度以及海拔的经验公式，通过ArcGIS空间分析，获得了祁连山地区年均气温、年均地温和冻土厚度的空间分布规律。祁连山多年冻土区年均气温和年均地温分别为－12～－6℃和－4～－2℃，多年冻土厚度变化于90～140 m之间。其中，哈拉湖地区海拔4300 m以上的高山区温度最低、冻土最厚，年均气温和年均地温分别低于－10℃和－4℃，多年冻土厚度大于140 m。结合祁连山烃源岩区域分布特征和木里天然气水合物钻孔的冻土厚度资料，认为中祁连盆-山构造地貌发育区为天然气水合物成藏最有利区域。

多年冻土；GIS；DEM；空间分析；天然气水合物；祁连山

0 引言

2008年祁连山木里冻土区发现天然气水合物，这是中国陆域首次钻获天然气水合物［1～3］。多年冻土是天然气水合物形成和富集的决定因素之一，对水合物成藏特征具有明显的控制作用［4］。前人对祁连山冻土进行过多年研究，划分了祁连山地区冻土类型，并探讨了区域内多年冻土和季节冻土的平面分布特征［5～8］。李静等［9］借助DEM和地形因子模拟了柴达木—木里沿线多年冻土分布概率；张文杰等［10］通过高程数据、年平均气温和垂直递减率，研究了祁连山近40年来的冻土分布面积和退化情况。然而，目前尚缺乏对该区域冻土厚度及其空间变化规律的研究，进而影响了对祁连山地区天然气水合物资源潜力评价和成藏规律的研究。

本文根据青藏高原和祁连山地区气温、地温、海拔及经纬度与冻土厚度的经验公式，结合数字高程模型（DEM），利用ArcGIS的空间分析模块，提取祁连山及年平均气温、年平均地温和多年冻土厚度等参数，建立该地区年平均气温、年平均地温及多年冻土厚度的空间分布模型，并讨论各相关要素的空间分布特征，为祁连山地区天然气水合物的资源勘查提供科学依据。

1 区域概况

祁连山位于青藏高原东北缘，地处河西走廊与柴达木盆地之间，由北祁连山缝合带、中祁连地块和南祁连地块等构造单元组成。北祁连缝合带和中祁连地块由一系列北西—南东走向的山脉和盆地组成，发育有托来南山、疏勒南山、党河南山、土尔根达坂山和大通山等高山（见图1），其间分布疏勒和木里等盆地，地势西北高东南低，海拔3500～5000 m，山峰多在4000 m以上，最高峰为疏勒南山的团结峰，海拔5826.8 m。南祁连地块地势较平坦，大片新生代夷平面连续分布，海拔4000～4300 m。祁连山南、北两侧的柴达木盆地和河西走廊地形相对平坦，海拔一般小于3000 m。区内水系主要由青海湖、哈拉湖、布哈河、黑河、大通河及巴音郭勒河等构成。

图1 祁连山地貌及冻土类型分布（冻土类型边界据文献［6］）Fig.1 Geomorphology and permafrost type distribution of Qilian Mountains

根据周幼吾等［6］的划分方案，祁连山及邻区涵盖了阿尔金山—祁连山高寒带山地多年冻土区、阿尔金山—祁连山高寒带季节冻土区、河西走廊—阿拉善高原温带季节冻土区、柴达木盆地温带季节冻土区和青藏高原东缘高寒带季节冻土区（见图1）。研究区内高山发育现代冰川，其中走廊南山、疏勒南山和党河南山冰川数量最多，疏勒南山、土尔根达坂山和走廊南山冰川规模最大。研究表明，祁连山地区年平均地表温度－2.4～0℃，冻土下界海拔为3500～3900 m，冻土厚度8.0～139.3 m；其中连续冻土区年均地表温度－2.4～－1.5℃，冻土厚度50.0～139.3 m；岛状冻土区年平均地温为－1.5～0℃，冻土厚几米到几十米不等［6］。

2 冻土参数提取

年平均气温、年平均地表温度和多年冻土厚度等冻土参数的提取过程主要包括数据源和经验公式的选取与GIS空间分析。GIS空间分析包括数据预处理、字段计算、IDW（反距离权重）空间插值和三维可视化表达等4个方面（见图2）。

2.1 数据源获取

本文采用“地理空间数据云”网站平台提供的SRTM3雷达影像数据作为数字高程模型（DEM）的数据基础。需要指出的是，该数据分为SRTM1和SRTM3，空间分辨率分别为30 m和90 m。考虑到数据运算量及精度的要求，本文选用SRTM3（90 m分辨率）作为数据源进行冻土参数的提取。

2.2 冻土参数经验公式选取

邱国庆等［11］根据西藏和青海78个气象站点的多年气象资料，统计分析得到青藏高原年平均气温与纬度、经度及海拔之间的经验公式：

式中：T——年平均气温，℃；x1——纬度，m；x2——经度，m；x3——海拔，m。

周幼吾等［6］依据青海省26个站点的年平均地表温度和年平均气温观测值资料，统计得到了年平均地表温度与年平均气温之间的经验关系式，并建立了祁连山多年冻土厚度与年平均地表温度之间的经验公式：

式中：t——年平均地表温度，℃；T——年平均气温，℃；B——多年冻土厚度，m。

通过分析，本文选取上述公式（1）、（2）和（3）分别反演祁连山地区年平均气温、年平均地表温度和多年冻土厚度。

2.3 冻土厚度GIS空间分析

利用ArcGIS软件中的空间分析模块，对DEM进行计算和IDW（Inverse Distance Weighted，反距离权重）空间插值，根据点的空间位置属性，结合冻土参数与空间位置关系模型进行计算机模拟，通过叠加山体阴影制作视立体多年冻土厚度分布图，获取研究区多年冻土厚度空间分布特征。

2.3.1 数据预处理

对原始STRM3高程数据进行镶嵌和裁剪，得到研究区DEM。运用栅格数据矢量化计算转化为高程点矢量数据，转化后的矢量点数为14408401个，结合本研究计算所需的精度，运用统计分析方法进行抽稀。本文从原高程点矢量数据中以邻域计算方法进行抽稀，选取百分之一后剩下144084个点进行运算，其结果可以满足研究精度需要。

2.3.2 字段计算

运用Add XY Coordinates工具为抽稀后的高程点赋予经纬度属性，得到含坐标的高程点，该数据具有纬度（x1）、经度（x2）、高程（x3）等属性列信息。

打开含坐标高程点属性表，添加年平均气温字段，使用字段计算器将纬度、经度和高程属性列代入公式（1），计算得到年平均气温属性列T；再将年平均气温属性列T代入地温计算公式（2）求得年平均地温属性列t；最后将年平均地温属性列t代入冻土厚度计算公式（3），计算得到冻土厚度属性列B。

2.3.3 IDW空间插值

插值是在合理选取采样点的基础上，通过采样点的测量值，采用适当的数学模型对区域所有点位进行合理测算，模拟区域测量值。IDW插值作为一种确定性插值方法，适合在样本密集且均匀分布的情况下使用。该方法空间分布的对象都是空间相关的，彼此邻近的对象具有相似性特征，插值结果可以反映对象特征变化的空间相关性。

采用ArcGIS空间分析模块下的IDW插值工具，由矢量高程点空间插值生成栅格面。分别使用年平均气温T、年平均地温t、冻土厚度B作为空间插值的z_field字段值，依次得到年平均气温、年平均地温、冻土厚度的栅格面数据。

2.3.4 三维可视化表达

在3D分析工具集下的Hillshade（山体阴影）工具中设置太阳高度角和方位角，用年平均气温栅格数据生成气温数据山体阴影。将气温栅格面图层叠加至气温山体阴影图层之上，设置气温栅格的透明度，两图层叠置，得到气温栅格数据的立体显示。同理，可实现年均地温及冻土厚度栅格数据的立体可视化显示。

经过上述GIS空间分析，得到了研究区年均气温分布图、年均地温分布图和多年冻土厚度分布图（见图3—图5）。

图3 祁连山年均气温分布图（单位：℃）Fig.3 Distribution of mean annual temperature in Qilian Mountains

图4 祁连山年均地温分布图（单位：℃）Fig.4 Distribution of mean annual ground temperature in Qilian Mountains

图5 祁连山多年冻土厚度分布图（单位：m）Fig.5 Distribution of permafrost thickness in Qilian Mountains

3 结果分析

3.1 祁连山年均气温

由图3可见，祁连山多年冻土区除深切河谷外，年均气温一般为－12～－6℃；其中疏勒南山、土尔根达坂山和党河南山为年均气温最低的区域，年均气温可低至－10℃以下，以团结峰年均气温最低（低于－12℃）；而祁连山季节冻土区除个别海拔较高的区域外，年均气温相对较高，一般为－6～0℃。

3.2 祁连山年均地温

祁连山多年冻土区年均地温一般为－4～－2℃（见图4），其中疏勒南山、土尔根达坂山和党河南山为研究区内年平均地表温度最低的区域，一般为－8～－4℃；季节冻土区除个别海拔较高的地区外，年均地温相对较高，一般高于－1℃；祁连山多年冻土下界与年平均地温零度等值线分布大体一致。

3.3 祁连山冻土厚度

由图5可见，祁连山多年冻土区冻土厚度分布极不均匀。疏勒南山、大通山西段、土尔根达坂山、哈拉湖南及党河南山区域内多年冻土厚度最大，一般大于140 m；南祁连山中西部地区分布厚度90～140 m厚的冻土，而南祁连东部及疏勒河、大通河及黑河谷地冻土厚度一般小于70 m。

4 讨论与结论

祁连山多年冻土区冻土厚度分布受海拔、经纬度等因素的影响，在已发现天然气水合物的木里地区和南祁连广袤的夷平面上，冻土厚度一般大于90 m，在疏勒南山等高山地区冻土厚度大于140 m，在深切河谷区和南祁连东部冻土厚度一般小于70 m。

已发现天然气水合物的木里聚呼更矿区三露天DK-9孔冻土长期监测结果（胡道功等，另文发表）表明，该地区冻土厚度110 m左右，与模型计算结果相一致，说明本文采用的冻土厚度反演模型与冻土参数提取方法不失为研究冻土区域分布规律的有效方法。模型计算的年平均气温、年平均地温和多年冻土厚度，为祁连山天然气水合物的远景调查提供了科学依据。

野外调查结果［12］表明，祁连山有效烃源岩主要分布在中祁连地块中西部和南祁连地块的北部地区，根据前人研究得到的青藏高原天然气最浅顶界埋深为74 m左右［13］，再结合本文冻土厚度及其空间分布状况，认为中祁连盆-山构造区为天然气水合物成藏的最有利地区。

需要说明的是，本文采用的经验公式考虑了海拔、经度、纬度等主要因素的控制作用，但水体、活动断裂等因素对多年冻土厚度也有一定的影响。如：哈拉湖和青海湖地区，大面积湖水的保温效应可能会使该地区实际冻土厚度小于模型计算值；同样地，在活动断裂经过的地方，由于地下水和地壳内热量的影响，也会造成冻土厚度值变小。这些因素对多年冻土厚度及天然气水合物成藏影响的定量分析还有待进一步细化和深入研究。

［1］ 卢振权，祝有海，张永勤，等.青海省祁连山冻土区天然气水合物基本地质特征［J］.矿床地质，2010，29（1）：182～191.

LU Zhen-quan，ZHU You-hai，ZHANG Yong-qin，et al.Basic geological characteristics of gas hydrates in Qilian Mountain permafrost area，Qinghai Province［J］.Mineral Deposits，2010，29（1）：182～191.

［2］ 张永勤.国外天然气水合物勘探现状及我国水合物勘探进展［J］.探矿工程：岩土钻掘工程，2010，37（10）：1～8.

ZHANG Yong-qin.Exploration current status of the gas hydrate abroad and the progress of the gas hydrate in China［J］. Exploration Engineering：Rock＆Soil Drilling and Tunneling，2010，37（10）：1～8.

［3］ 祝有海，张永勤，文怀军.祁连山冻土区天然气水合物科学钻探工程概况［J］.地质通报，2011，30（12）：1816～1822.

ZHU You-hai，ZHANG Yong-qin，WEN Huai-jun.An overview of the Scientific Drilling Project of Gas Hydrate in Qilian Mountain Permafrost，northwestern China［J］.Geological Bulletin of China，2011，30（12）：1816～1822.

［4］ 王平康，祝有海，卢振权，等.祁连山冻土区天然气水合物岩性和分布特征［J］.地质通报，2011，30（12）：1839～1850.

WANG Ping-kang，ZHU You-hai，LU Zhen-quan，et al.Gas hydrate in the Qilian Mountain permafrost and its distribution characteristics［J］.Geological Bulletin of China，2011，30（12）：1839～1850.

［5］ 周幼吾，郭东信.我国多年冻土的主要特征［J］.冰川冻土，1982，4（1）：1～19.

ZHOU You-wu，GUO Dong-xin.Principal characteristics of permafrost in China［J］.Journal of Glaciology andGeocryology，1982，4（1）：1～19.

［6］ 周幼吾，郭东信，邱国庆，等.中国冻土［M］.北京：科学出版社，2000：19～316.

ZHOU You-wu，GUO Dong-xin，QIU Guo-qing，et al.Geocryology in China［M］.Beijing：Science Press，2000：19～315.

［7］ 吴吉春，盛煜，于晖，等.祁连山中东部的冻土特征（Ⅰ）：多年冻土分布［J］.冰川冻土，2007，29（3）：418～425.

WU Ji-chun，SHENG Yu，YU Hui，et al.Permafrost in the middle-east section of Qilian Mountains（I）：Distribution of permafrost［J］.Journal of Glaciology and Geocryology，2007，29（3）：418～425.

［8］ 吴吉春，盛煜，于晖，等.祁连山中东部的冻土特征（Ⅱ）：多年冻土特征［J］.冰川冻土，2007，29（3）：426～432.

WU Ji-chun，SHENG Yu，YU Hui，et al.Permafrost in the Middle-East Section of Qilian Mountains（II）：Characters of permafrost［J］.Journal of Glaciology and Geocryology，2007，29（3）：426～432.

［9］ 李静，盛煜，陈继，等.青海省柴达尔—木里地区道路沿线多年冻土分布模拟［J］.地理科学进展报，2010，29（9）：1100～1106.

LI Jing，SHENG Yu，CHEN Ji，et al.Modeling the distribution of permafrost along a transportation corridor from Cetar to Muri in Qinghai Province［J］.Progress in Geography，2010，29（9）：1100～1106.

［10］ 张文杰，程维明，李宝林，等.气候变化下的祁连山地区近40年多年冻土分布变化模拟［J］.地理研究，2014，33（7）：1275～1284.

ZHANG Wen-jie，CHENG Wei-ming，LI Bao-lin，et al.Simulation of the permafrost distribution on Qilian Mountains over past 40 years under the influence of climate change［J］.Geographical Research，2014，33（7）：1275～1284.

［11］ 邱国庆，程国栋.中国的多年冻土——过去与现在［J］.第四纪研究，1995，（1）：13～22.

QIU Guo-qing，CHENG Guo-dong.Permafrost in China：Past and present［J］.Quaternary Sciences，1995，（1）：13～22.

［12］ 宋换新，曾艳涛，文志刚.祁连山冻土区烃源岩生烃潜力评价［R］.武汉：长江大学，2014.

SONG Huan-xin，ZENG Yan-Tao，WEN Zhi-gang.Hydrocarbon potential evaluation of hydrocarbon source rock in Qilian Mountain permafrost area［R］.Wuhan：Yangtze University，2014.

［13］ 吴青柏，蒋观利，蒲毅彬，等.青藏高原天然气水合物的形成与多年冻土的关系［J］.地质通报，2006，25（1/2）：29～33.

WU Qing-bai，JIANG Guan-li，PU Yi-bin，et al.Relationship between permafrost and gas hydrates on Qinghai-Tibet Plateau［J］.Geological Bulletin of China，2006，25（1/2）：29～33.

STUDY ON PERMAFROST OF QILIAN MOUNTAINS BASED ON GIS SPATIAL ANALYSIS MODEL

FU Lian-zhen1，HU Dao-gong2，ZHANG Xu-jiao1，YOU Bao-jie1，WU Ze-qun1，YE Meng-ni1

（1.School of Earth Science and Resources，China University of Geosciences，Beijing 100083，China；
2.Institute of Geomechanics，China Academy of Geological Sciences，Beijing 100081，China）

Based on those empirical formulas of temperature，permafrost thickness，latitude，longitude and altitude in Qilian Mountains and Tibet Plateau，the distribution characteristics of mean annual temperature，mean annual ground temperature and the thickness of permafrost in Qilian Mountains are obtained by ArcGIS spatial analysis model.The results show the average annual temperature and annual mean ground temperature of the permafrost regions in Qilian Mountains are in the range of－12～－6℃and－4～－2℃correspondingly，and the thickness of permafrost varies from 90 to 140 meters.The area with elevation above 4300 m around Hala Lake has the lowest temperature and the thickest permafrost.Its average annual temperature and ground temperature are lower than－10℃and－4℃respectively，and permafrost is thicker than 140 m. Combined with the distribution of hydrocarbon source rock and the permafrost thickness of gas hydrate drilling in Qilian Mountains，the middle of Qilian basin-mountain tectonic zone is believed to be the most favorable area for the gas hydrate reservoir.

permafrost；GIS；DEM；spatial analysis model；gas hydrate；Qilian Mountains

P642.14

A

1006-6616（2015）03-0371-07

2015-03-25

中国地质调查局“陆域天然气水合物分布特征及资源潜力评价（力学所）”项目（GZH201400304）

傅连珍（1990-），女，硕士研究生。主要从事第四纪地质和地理信息系统应用研究。E-mail：yesterdayfu＠163.com