千里冰封的杰作

耿成宝 魏海峰

“北国风光，千里冰封，万里雪飘”选自毛泽东《沁园春·雪》，生动描绘出北方冬季壮丽的自然景色。每当秋去冬来，随着气温的逐渐降低，地表的岩石和土壤温度也随之降低，当岩石和土壤温度降到0 ℃以下，岩石和土壤内的部分水固结成冰，同时将岩石或土壤颗粒胶结在一起，即形成了冻土。学术上讲，冻土是指0 ℃以下，并含有冰的各种岩石和土壤。

冻土的组成及分类

冻土的基本组成成分为岩石或土壤的固体矿物颗粒、冰、液相水和气体（水汽和空气）。按时间将冻土分类为永久冻土、季节性冻土、短暂冻土，持续几年到几十年的冻土为永久冻土或多年冻土，随着季节的变化而冬冻夏融的冻土为季节性冻土，几小时到几昼夜短暂形成的冻土为短暂冻土；按含冰量将冻土分类为富冰冻土（含冰量大于50%）、含冰冻土（含冰量25%～50%）、微含冰冻土（含冰量小于25%）；按物理状态将冻土分类为低温冻土、高温冻土，低温冻土为冰所牢固胶结的、不可压缩的坚硬冻土，永久冻土分布区较为发育，高温冻土为含较多未冻水的、冻结状态时压缩性较小的塑性冻土，典型例子是季节性冻土秋冬交替时节较为发育。

冻土的分布及影响因素

根据全球冻土的分布情况，我们发现越靠近南北极的高纬度地区，冻土越发育。并且，随着纬度变高，冻土埋深变厚，冻土类型依次为短暂冻土、季节性冻土、永久冻土。典型如我国华南地区分布短暂冻土、北方大部分地区分布季节性冻土、东北大兴安岭漠河县地区分布多年冻土。同时，冻土在高山垂直带上部也较为发育，典型如我国青藏高原地区大面积分布的不连续多年冻土。结合对冻土的研究，我们总结出，冻土的形成受控于岩石和土壤的温度及含水量。影响岩石和土壤温度的主要因素有纬度、地形、地温、岩性等；影响岩石和土壤含水量的主要因素为降水和地下水情况等。

冻土的特征及危害

冻土具有流变性，即在外荷载作用下，冻土中的应力和应变随时间变化的特性，其长期强度远低于瞬时强度特征。例如用重物瞬时击打冻土，冻土瞬时强度高、受损小，但在冻土上长时间放置等质量的重物，冻土会随重物的加载时间变长而产生变形。冻土区修筑工程构筑物常面临两大危险：冻胀和融沉。频繁冻融直接影响和危害人类经济活动和工程建设。在日常生活中经常可以看到，由于冻土的冻融导致道路产生裂隙、翻浆等危害工程构筑物的现象。就其危害程度来说，多年冻土的融化作用危害较大，而季节性的冻融作用危害更大。冻土在冻结、融化时，还可能产生裂缝、热融滑塌或冻融泥石流等灾害。

冻土退化的影响

在全球气候显著变暖背景下，冻土面积正在退缩、分布下界普遍升高。冻土普遍退缩的大趋势，其影响主要有以下几个方面。

改变局部生态环境

永久冻土融化后，生态环境可能会暂时变好。如气温升高冻土融化，导致了西藏那曲县部分牧区冒水，水分条件得以改善。但从长远来看，冻土融化导致水位下降，土壤中水分含量不足，植物根系吸收不到水分，那些湿生植被将向相對旱生性植被类型发展，导致植物群落的演替。对于高山来说，冻土层的融化甚至可能导致崩塌、泥石流等地质灾害。

危害基础设施

冻土的冻胀和融沉对工程构筑物具有破坏作用，冻土退缩，势必对现有构筑物基础产生影响，进而影响构筑物稳定性。为保证青藏铁路冻土路基的稳定性，我国工程师利用碳素无缝钢管制成的高效热导装置即热棒，将冻土热量及时传导至外界，形成“永冻层”，提高了冻土的强度。虽然我国工程师解决了青藏铁路冻土路基融沉的问题，但是为了防止冻土融化，我们也付出了高额的成本。

加快全球变暖

众所周知，人类在生产生活中会产生大量的温室气体，同时过度的森林采伐和植被破坏使地球产生了温室效应，地球温度上升。据研究，全球寒带和极地冻土层含有大量有机碳，在全球变暖的大环境下，冻土层不断融化，冻土层中保存的大量温室气体进入大气层，势必导致全球变暖进一步加剧。

作者单位：中国地质调查局哈尔滨自然资源综合调查中心