亚欧大陆北部冻结层上地下水分布规律

维克多·瓦西里耶维奇·舍佩廖夫著;戴长雷,张一丁译

(1.俄罗斯科学院西伯利亚分院麦尔尼科夫冻土研究所，萨哈共和国 雅库茨克 677010；2.黑龙江大学 寒区地下水研究所，黑龙江 哈尔滨 150080；3.黑龙江大学 水利电力学院，黑龙江 哈尔滨 150080)



亚欧大陆北部冻结层上地下水分布规律

维克多·瓦西里耶维奇·舍佩廖夫1著;戴长雷2,3,张一丁3译

(1.俄罗斯科学院西伯利亚分院麦尔尼科夫冻土研究所，萨哈共和国 雅库茨克 677010；2.黑龙江大学 寒区地下水研究所，黑龙江 哈尔滨 150080；3.黑龙江大学 水利电力学院，黑龙江 哈尔滨 150080)

亚欧大陆北部冻结层上地下水分布规律一直备受人们关注。在充分梳理既有研究成果的基础上指出：影响冻结层上水形成和分布的因素有自然因素、地球历史因素以及岩层生成基质的低温变化因素等；亚欧大陆北部冻结层上地下水冻土区可分为北部冻土区、过渡冻土区和南部冻土区；冻结层上水分布的垂直地带性与冻土条件变化的垂直地带性关系密切。

冻结层；地下水；亚欧大陆

本文是在维克多·瓦西里耶维奇·舍佩廖夫教授的代表性著作《寒区冻结层上水》(新西伯利亚科技出版社，2011)的基础上翻译节选修订而成的。

作者现为俄罗斯科学院西伯利亚分院麦尔尼科夫冻土研究所(该研究所在中国通常被称为西伯利亚冻土所)科研副所长、萨哈(雅库特)共和国科学院院士、俄罗斯工程院通讯院士，长期致力于寒区地下水相关方向的科研和教学工作。立足于作者扎实的理论基础、俄罗斯广袤的寒区环境、以及西伯利亚冻土所丰富的监测数据，相关研究成果在寒区地下水领域达到了世界一流的水平。

本文节选的内容主要为立足于亚欧大陆的关于冻结层上水分布规律的论述，值得一提的是，本文关于冻结层上水地理分布和垂向分布的许多研究成果都是作者在系统研究的基础上独立完整提出的，可为国内从事寒区和极地资源环境研究的同行提供一个重要的参鉴窗口。

1　影响冻结层上水分布的因素

弄清冻结层上水的分布规律十分困难。原因在于，影响冻结层上水形成和分布的自然因素有很多，例如：土壤湿度、地形高度、地面坡度、岩石成分及地质剖面部分的岩层特性，大气沉淀物的季节扩散、一年中冷季和暖季的比例、气温、季节性冻结层和融化层的深度等。

由于全球各局部区域的气候和岩层温度不同，几乎所有上述因素都会发生周期性变化。而且，不仅个别参数特征会发生改变，甚至于连具有不可逆性的自然条件也会发生变化。因为，在季节性及多年性冻结岩层外的生成基质非常保守地应对各种气候变化。在寒区，在各种气候变化的持续影响下，岩层的生成基质发生了本质变化，周期性地从低温状态转为后低温状态，再由后低温状态转为低温状态。因此，在研究冻结层上水分布规律时，除了上述的自然因素之外，必须还要考虑地球历史因素及岩层生成基质的低温变化因素。

地理历史因素对弄清冻结层上水的形成和分布规律发挥着很重要的作用。众所周知，北半球第四纪气候特征是冷暖循环交替。它们有着不同的持续性和起源，类似的周期，互相影响，形成了独特的热共振效应，本质上提升了温度变化的幅度[1-3]。在变暖期间，活动层的厚度增加，季节性融化层的冻结层上水转化成冻结层上地下水，形成了冻结层上层滞水。在变冷期间，含水层的冻结层上地下水的面积和厚度减小，并转化成一种冻结层间水，之后可能会完全冻结。由于冻结层上水形成条件的多因素性，得出了冻结层上水的分布受全球气候变化影响的结论。而实际上，个别地区的局部区域特点使弄清冻结层上水的分布规律更加复杂。在这种情况下，深入全面的统计是十分必要的。

2　冻结层上水的地理分布特征

首先，C.M.法吉耶夫(1978)用地球历史法对寒区地下水的形成和分布状况进行了分析，按多年冻结层的形成、分布、发展状况及地下水低温变化的特性，将苏联地区进行区域划分。

在对冻结层水文地质状况进行地球历史分析时，C.M法吉耶夫选取了距我们最近的3个全球

气候变化时期作为例证：①在北半球的晚更新世变冷时期，多年冻结层的厚度和分布面积有所增加(最小约为2万～1.8万年前);②全新世变暖时期，在此期间多年冻结层的面积急剧缩小(从大约6000～5000千年前);③晚更新世变冷时期始于大约5000年前并持续到现在，在此期间，在全新世最佳条件的融区发生了大规模冻结。C.M.法吉耶夫将地下水和多年冻结层在地球历史发展时期相互间的联系编制在区域划分图中，后来该图经过几次补充[4]。

在B.B.巴武林、H.C.塔尼洛瓦、K.A.康德拉吉耶瓦(1987)和K.A.康德拉吉耶瓦、Э.Д叶尔绍夫(1988)等研究人员的研究结果及著作的基础上，作者编制了欧亚大陆北部冻结层上地下水的冻土区分布图[5-6],如图1所示。图1中划分出了3个主要的冻结层上地下水分布冻土区：北部冻土区、过渡冻土区和南部冻土区。

1—北部冻土区；2～4—带亚带的过渡冻土区；2—冻结层上地下水在更新世单层冰岩带的局部分布；3—冻结层间水在双层冰岩带的分布；4—冻结层上地下水在更新世残留的冻土区的分布；5—南部冻土区；6—冻土区分布边界图1　欧亚大陆北部冻土区冻结层上地下水分布图

北部冻土区包含了冻土区的广大区域，该区没有发生过全新世期多年冻结层的大面积融化。在全球气候大变暖时期，该区的冻土条件对冻结层上水的形成和分布发展十分不利。显然，在当前时期，该区的冻土区条件对冻结层上水的形成和分布发展也是不利的。这里的冻结层上地下水呈局部分布的特征，归属于(下溢的和地下的)水下不透水融区。

过渡冻土区包括这样的区域：在全新世气候变暖时期，多年冻结层顶部在此发生了大规模、很深的融化(达到120～200 m)，也就是说可以观察到冻土区状况的实质变化。该区域分为3个子区域：

第一个子区是仅在全新世期残存的半包气带融区的局部区域，由于冻结保留至今。类似融区的形成，也是由于冻结并长久保存至今。这种情况是特殊的自然条件造成的，它通常在高渗透沉积层的表层埋藏(大颗粒风积沙或冲击沙、含碳酸盐的裂缝岩层等)。这使得类似地区的包气带岩层内水流快，对流传热和冷凝过程活跃。

第二个子区融化层面积大，岩层厚，这类融化层和岩层的残留聚合物形成在全新世时期，保存至今，表层普遍发生多年冻结。在这个子区中，冻结层上地下水在半包气带融区和水下融区的局部地段存在并发展。冻结层上地下水和冻结层间水有着紧密的联系，冻结层上水和冻结层间水以地下蓄水池或地下水流的形式存在，两者有统一的水循环系统。

第三子区是过渡区，它包括更新世时期的残留冻土区。在更新世时期形成的冻结层上地下水含水层和残留聚合物发展至今，分布广、岩层厚，表层没有遭受到多年冻结。

南部冻土区域内，更新世时期的多年冻结层在全新世时期完全融化。如今，基本上是全新世早期的多年冻结层的遗迹。通常，多年冻结层上地下水被划归为新形成的多年冻结层区域内的不透水融区。

在研究冻结层上地下水的形成及分布规律时，考虑地球历史因素的影响具有非常重要的意义，图1着重强调了这一点。这类水分布广阔，特征清晰，其形成受全球气候条件变化的制约，具有明显的区域性特征。

除了地球历史因素外，岩层生成基质的低温变化因素对弄清冻结层上地下水的形成及分布规律也十分重要。众所周知，在冻土区，坚硬岩石的物理风化作用更快，因此，水由液态变为固态，又由固态变回液态。这一过程对岩层的结构性质及联系产生了实质性的影响。坚硬的岩层受低温破坏使得裂隙度和孔隙度增大，这就显著提高了沉积层的渗透性。

正如现场试验调查结果所示，解冻后，由于低温后裂隙度和孔隙度的增大，黏性土(黏土、砂质黏土等)的低温变化通常可以提高岩层的渗透性[7-15]。在这种情况下，在类似的沉积层中低温后的裂隙具有向下垂直的倾向性。因此，在解冻时，黏性土的渗透性提高。

在这种情况下，岩层的低温变化从整体上能提高其矿化度，也能够促进冻结层上水在沉积层中的形成。按照岩石圈的特点，沉积层属于非寒区的不透水融区。岩层的透水性很大程度上影响着地下水蓄积和形成。考虑到这种情况和渗透条件的多变性，研究冻结层上水的分布规律、在寒区低温形成过程及分布多变性的特征具有重要的意义。

许多研究者指出了寒区生成过程具有区域性特征[16-26]。例如，А.И.波波夫(1983)在分析岩层表面生成特征的基础上，把欧亚大陆寒区(冰岩带)发展过程分为4个亚纬度子区：极地子区、副极地子区、北方子区和亚北方子区。在极地子区，冻结成岩过程具有明显的优势。这一过程通过水流的移动、裂隙度的扩大以及在冰岩带剖面上部形成多边形冰等方式使得岩层的水分发生变化。在后两个子区中，冻结成岩逐渐减少，低温风化作用增强。如今，在最南部的亚北方子区有季节性冰岩带的分布，冻结表生作用显著。А.И.波波夫(1983)认为，在一些区域，冰岩带的生成过程具有变化性。这些区域是岩石圈中年平均气温和温度梯度差比较大的区域。

H.H.罗曼诺索夫斯基 (1977)更深入地分析了冻结成岩出现的区域特征，将其分成3种低温裂隙类型：北部类型、过渡类型和南部类型(图2)。

北部类型的特点是季节性融化层完全冻结后形成了冷冻裂隙。由于这一特性，冷冻作用形成的裂隙能增加沉积层和多年冻结层上部的渗透性。多边形冰楔在这些裂隙中形成并发育。冬季末期，裂隙宽度达到2 cm，而活动层底部裂隙宽度达到0.5～1.0 cm。裂隙平均深度为4～6 cm，最深可达13 m甚至更深。在多边形网状区域中，裂隙之间的距离在10～30 m之间[27]。本类型存在的区域气候寒冷，活动层薄。

1,2—北部和过渡类型低温裂隙主要发育地区；3—南部低温裂隙主要发展地区；4—多年冻结层的南部边界图2　欧亚大陆北部不同类低温型裂隙岩层的分布

在过渡类型中，季节性低温裂隙多发生在寒冷条件适中的地区。冬季，岩层冻结时，这里的冷冻裂隙主要在活动层形成。在多年冻结层与季节冻结层融合后，只有一部分裂隙渗透到活动层。其结果如H．H．罗曼诺索夫斯基所说，形成了由地下岩脉和双层冰脉(冻结层)组成的多边形岩脉系统。裂隙宽度可以达到0.2～2.0 cm，深度可以达到2～4 m。在多年冻结岩中，裂隙距离可以达到5～15 m。

在南部类型中，低温裂隙出现在季节性冻结区。这种类型的特点是冻结裂隙只在活动层形成。秋季时，裂隙数量达到最高值，这时雪层薄，对活动层的保护作用甚微。在昼夜温差波动的影响下，活动层的张力急剧拉伸[28-29]。因此多边形的宽度不大(平均0.3～2.0 m)。而裂隙的宽度取决于沉积层的岩石成分，在2～16 cm之间。

从图2中可以看出，低温裂隙各种类型的分布区域具有明显的纬度特征。结合低温裂隙相应类别的特点，可以确定活动层冻结层上水分布的纬度带。例如，北部类型区域内，在岩层低温裂隙形成的季节性融化层冻结层上水的特点，与冷冻裂隙不断增大(明露性)息息相关。这些裂隙不仅渗入到了活动层，还渗入到了很深的多年冻结层。春季，在积雪融化期，一部分大气降水和季节性融化层的冻结层上水沿着冷冻裂隙流入多年冻结层，转化为固相，使多边形冰脉数量达到最大值。因此，该区域每年都会在活动层冻结层上水和大气降水水循环中发生低温回潮。由于季节性融化层岩层薄，因此水容量较小(大约0.5 m)。在短暂的暖季，受水量小及北极冻土带地形平坦的影响，在此形成了独具特色的无法划分的表层——冻结层上水，加速了该区域的沼泽化[30-31]。

在后两个低温裂隙类型的分布区域内，活动层冻结层上水分布广阔，这与较深的季节性融化层有关(达到1.5～3.5 m)。在疏松的细沉积沙层(亚砂土、砂质黏土)的分布地段，岩层的冷冻裂隙性促进了季节性融化层冻结层上水的形成。在春夏季节，部分融化的雪水和大气降水沿着冷冻裂隙和冷冻后裂隙入渗。可以说，在类似的地段，入渗补给和冻结层上水水流呈独特的局部多边形形状。在这种情况下，大气降水的入渗、冻结层上水的形成和流动主要在冷冻后裂隙(由于冷冻裂隙呈多边形网状发展而形成的)中进行。

3　冻结层上水的垂向分布特征

除了具有纬度性特征，冻结层上水作为自由换水区的重力地下水，总体上具有垂直分布特征或垂直地带性，这是形成于连续山区及断裂冰岩带的冻结层上水的主要特点。而形成于冰岩带岛屿的山区及季节性冻结层的冻结层上水通常不具有垂直地带性，这是因为此处的冻结层上水分布呈局部性特征。

许多研究者致力于研究冻结层上水的分布与垂直地带性及区域地形特征之间的关系问题[32-42]。通过对这些研究者的研究成果，再结合自己的观察[43-44]，可以指出，冻结层上水的分布规律与冰岩带外圈山区地下水的分布规律是一样的，都受地域的垂直高度影响。

造成地下水分布呈垂直地带性的主要因素如下：①近地面气温与大气降水的变化；②表层和含水层成分的变化；③地区坡度的突然改变。

上述因素对冻结层上水分布的影响，在某种程度上改变了冻土因素的作用。冻结层上水具有垂直地带性的特点。例如，在冰岩带的山区可以观察到，随着大气降水的增加，水平面的海拔也随之升高。然而，在同样的条件下，中-高山区的年平均气温和辐射热平衡面积会有所降低，这使得季节性融化层的深度和河床含水融区的厚度发生减小。所以，尽管随着海拔的增加，冻结层上水依靠大气降水的入渗补给的潜在能力会增大，然而随着地区海拔的升高，冻土条件不适宜大量的冻结层上水的形成。

考虑到这种情况，一些研究人员在研究冰岩带中-高山区冻结层上水的垂直地带性的特点时，划分了冻结层上水的地下热水蓄水区，该蓄水区通常位于山间河流流域的上游[45]。而高山地带的名称和分类强调了冻结层上水的形成、分布、补给与冻土条件间的紧密关系。

由于冻结层上水的埋藏深度受低温隔水层制约，而大多数情况下，低温隔水层顶部通常和地面坡度一致。在中-高山地区，无论是季节性融化层的冻结层上水，还是在河床上聚积的冻结层上地下水，它们的分布都具有明显的垂直地带性。在图3中，作者编绘了类似区域内河流域流体垂直地带的总示意图。

图3中划分了3个水文地质动态区域：冻结层上水水流的缓慢区，快速区和极快速区。在个别河流流域，受河流长度和水量、地形特征、气候及岩层成分等因素的不同影响，个别河流流域没有被划分为3个水文地质动态区，而是划为2个或4个。

总体上得出的结论是：冻结层上水分布的垂直地带性与冻土条件变化的垂直地带性关系密切。

在冰岩带(寒区)低山区(绝对标高小于1000 m)，年平均气温、辐射热平衡面积以及活动层厚度的变化更为复杂。例如，逆温不是随着海拔的升高，气温降低；反而是随着海拔的升高，气温升高。所以，在这样的条件下，冻土因素将不会对依靠大气降水下渗补给的地下水的垂直补给面积产生根本性影响。这种情况促使分水地段在冰岩带之外的区域获得了原始的水文地质学数值，这是地下水渗入供给的局部地域。由于冻土因素对有地下水分布的垂直地带影响降低，所以雅库特南部低山地区能够存在并形成分水融区。图4中是类似条件下形成的分水层区冻结——水文地质图。夏季，地下水的补给主要依靠大气降水通过透水分水融区入渗补给。由于补给量大，致使融区地下水水位抬升。地下水水位超过河流水位时，就会形成从分水区流向河床的地下水流。而冬季时，由于没有了下渗补给，分水融区的地下水水位低于河流水位。水文地质状况这种转换证明，在断续寒区，地下水的形成和补给条件，分布和水体状况有些复杂。

Ⅰ—透水的分水融区的季节性冻结层的部分区域；Ⅱ—无季节性冻结层区域；Ⅲ—河底融区1—解冻的非含水层；2—含水层；3—河体及其上覆冰盖；4—多年冻结层及其边界；5—季节性冻结层；6—夏季地下水水位最大值；7—冬季地下水水位最小值(3月、4月)；8—大气降水对地下水的入渗补给；9—冬季地表水对地下水的入渗补给；10—夏季地下水运动方向；11—冬季地下水运动方向；12—季节泉；AM—年地下水水位最大波动幅度；Hmax—年地下水静水压最大值图4　在透水的分水融区，河水与地下水相互关系示意图

对上述问题进行分析之后，应当强调的是，整体来看，对冻结层上水分布的纬度带和垂直地带性问题的研究，暂时还不全面。这是因为对冻结层上水的研究还很薄弱。实际上，在几十年前还没有任何关于寒区冻结层上水形成和分布条件示意图，仅仅在20世纪90年代科学院西比利亚分院冻土学研究所才绘制了一幅雅库特地区冻结层上水示意图,比例为1∶25 000 000(1993)和图例剖析(1991)。这个团队成功制作了一幅综合性的冻结层上水形成和分布示意图，涵盖整个雅库特地区。在分析这幅示意图时，论述了季节性含水沉积层成分、低温隔水层的深度、冻结层上水的水化学特征和分布状况、水量。在图例解析中，描述了示意图绘制的方法。并指出，“示意图绘制的是冻结层上融区水和季节性融化层区水，该冻结层上融区形成在多年性的融化-冻结周期过程中”。然而，图例的主要颜色代表季节性含水沉积层的岩石成分，颜色背景的色调既表现低温隔水层的深度，也表现季节性融化层岩层厚度。因此，可以得出这样的结论：图4展示的只是季节性融化层冻结层上水的形成和分布状况。但它却是关于冻结层上水区域示意图的第一次尝试，毋庸置疑，为后续的类似研究打下了良好的基础。

4　结　论

从整体来看，目前对亚欧大陆北部冻结层上地下水分布规律的研究暂时还不全面。结合理论分析和自身研究，可以得出：

(1)影响冻结层上水形成和分布的因素有很多，除土壤湿度、地形高度、地面坡度等自然因素外，还有地球历史因素以及岩层生成基质的低温变化因素等。

(2)根据欧亚大陆北部冻土区冻结层上地下水分布图，地下水冻土区可分为北部冻土区、过渡冻土区和南部冻土区。

(3)冻结层上水分布的垂直地带性与冻土条件变化的垂直地带性关系密切。

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Northern Eurasian groundwater in the upper frozen layer distribution rulesWritten by Viktor Vasilievich Shepelev1；Translated by

DAI Changlei2,3,ZHANG Yiding3

(1.MelnikovPermafrostInstituteSiberiaBranchoftheRussianAcademyofSciences,Yakutsk,theSakhaRepublic, 677010,Russia;2.InstituteofGroundwaterinColdRegion,HeilongjiangUniversity,Harbin,Heilongjiang, 150080;3.SchoolofHydraulic&Electric-power,HeilongjiangUniversity,Harbin,Heilongjiang,150080)

Northern Eurasian groundwater in the upper frozen layer distribution rules has been drawing people’s attention.On the basis of combing research results adequately,this paper points out：The factors influencing the formation and distribution of the frozen layer includes natural factors,earth historical factors and low temperature changing factors caused by rock layer generating matrix,etc；The groundwater permafrost partition in the Northern Eurasian upper frozen layer can be divided into the northern permafrost area,the transition permafrost area and the southern permafrost area；The vertical zonal of the upper frozen layer water’s distribution is close to the vertical zonal of the permafrost condition changing.

frozen layer；groundwater；Eurasian

维克多·瓦西里耶维奇·舍佩廖夫(1941-)，男，俄罗斯萨哈共和国雅库茨克人，博士，教授，主要从事寒区地下水相关方向的科研和教学工作。

译者简介：戴长雷(1978-)，男，副教授，博士，主要从事寒区地下水及国际河流方向的教学及科研工作。

P641

A

2096-0506(2016)03-0019-08