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高考专题|冻土
什么是冻土?

零摄氏度以下,并含有冰的各种岩石和土壤。极地、亚极地地区和中低纬的高山、高原地区,在较强的大陆性气候条件下,气温极低,降水量很少,地表没有积雪,形成0℃或0℃以下并含有冰的冻结土层,称为冻土

冻土是一种对温度极为敏感的土体介质,含有丰富的地下冰。因此,冻土具有流变性,其长期强度远低于瞬时强度特征。正由于这些特征,在冻土区修筑工程构筑物就必须面临两大危险:冻胀和融沉。随着气候变暖,冻土在不断退化。


冻土分类


一般可分为短时冻土(数小时/数日以至半月)/季节冻土(半月至数月)以及多年冻土(又称永久冻土,指的是持续二年或二年以上的冻结不融的土层)。地球上多年冻土/季节冻土和短时冻土区的面积约占陆地面积的50%,其中,多年冻土面积占陆地面积的25%。

冻土随季节变化而发生周期性的融冻,如果冬季土层冻结,夏季全部融化,叫季节冻土

如多年处于冻结状态的土层,或至少连续3年处于冻结状态的土层,称为多年冻土



冻土分布


中国多年冻土分布又可分为高纬度多年冻土和高海拔多年冻土,前者分布在东北地区,后者分布在西部高山高原及东部一些较高山地(如大兴安岭南端的黄岗梁山地、长白山、五台山、太白山)。多分布在东北北部地区、西北高山区及青藏高原地区。

全球冻土的分布,具有明显的纬度和垂直地带性规律。自高纬度向中纬度,多年冻土埋深逐渐增加,厚度不断减小,年平均地温相应升高,由连续多年冻土带过渡为不连续多年冻土带、季节冻土带。极地区域冻土出露地表,厚达千米以上,年平均地温-15℃;到北纬60°附近,冻土厚度百米左右,地温升至-3℃~-5℃;至北纬约48°(冻土分布南界),冻土厚仅数米,地温接近0℃。

北半球冻土分布面积较大,俄罗斯和加拿大是冻土分布最广的国家。



冻土地貌


在高纬地区及中纬度高山地区,如果处于较强的大陆性气候条件下,地温常处于0℃以下,降水少,大部又渗入土层中,不能积水成冰,而土层的上部常发生周期性的冻融,在冰劈、冻胀、融陷、融冻泥流(统称冻融作用)的作用下而产生的特殊地貌,称冻土地貌。

冻融作用:是指冻土层中的水在气温周期性的正负变化影响下,不断发生相变和迁移,使土层反复冻结融化,导致土体或岩体的破坏、扰动和移动的过程。由冻融作用形成的各种地貌,称冻土地貌。

多年冻土区的地貌形成与冻融作用直接相关。


冻土的结构

多年冻土区的冻土可分为上下两层,上层是夏融冬冻或是昼融夜冻的活动层(又叫交替层)。下层是多年冻结不融的永冻层。

活动层的厚度随纬度和高度的增大而减小,它的冻融深度与每年冬夏季节的温度有关。

一般来说,活动层冬季冻结时可与下部的永冻层连接起来。【如果冬季气温较暖,活动层冻结时的深度达不到永冻层的顶部,这时在活动层与永冻层之间就出现一层未冻结的融区。如果来年夏季较凉,活动层的融化深度较小,结果便在活动层下部留下隔年冻结层。隔年冻结层较薄,只有10cm左右厚度,它可保存一年至数年。当某一年夏季较暖,活动层融化较深,隔年层即消失】

多年冻土层中活动层的变化
多年冻土层中常出现隔年冻结层和融区的多层结构特征。


多年冻土结构特征

当活动层于每年秋末自地表向下冻结时,由于底部的永冻层起阻挡作用,结果使其中间尚未冻结的融区(含水土层),在冻结层的挤压作用下,发生塑性变形,形成各种大小不一、形状各异的弯曲结构,这种现象称为冻融扰动构造(或称为冰卷泥)。

冰卷泥示意图
多边形构造土


在第四纪松散沉积物的平坦地面上,由冻融和冻胀作用,地面形成多边形裂隙,构成网状,称为多边形构造土。

从地表平面看,裂隙组成多边形,从剖面上看,裂隙呈楔形。

根据楔子内填充物的不同,又分为冰楔和砂楔。

冰楔

冰楔:在多年冻土区,地表水周期性注入到裂隙中再冻结,使裂隙不断扩大并为冰体填充,剖面成为楔状,称为冰楔。

冰楔的形成先是地表形成裂隙,地表水注入再冻结而成脉冰,由于脉冰常深入到永冻层中,到温暖季节,上部活动层的脉冰融化消失,永冻层中的脉冰则仍然存在。到了寒冷季节冻土又发生体积不均衡膨胀,原有的裂隙不断扩大。到来年夏季又在裂隙中注入水分,冬季再冻结胀裂,如此反复作用,就形成冰楔。

冰楔形成示意图

冰楔形成的条件:

①有深入到永冻层中的裂隙,并为脉冰所填充。

②冰楔的围岩是可塑性的,水在裂隙中才能冻结、膨胀,围岩不断受挤压变形,冰楔不断展宽。

③需要严寒的气候条件,年平均温度一般为-6~-3℃。

砂楔(古冰楔)

砂楔与冰楔形态相似,但裂隙中填充的不是脉冰,而是松散的砂土,叫砂楔。

砂楔可从冰楔演变而来,当冰楔内的脉冰完全融化后,砂土代替冰体填充于楔内,形成砂楔,所以又把砂楔看成古冰楔。

冻土地貌
石环、石圈和石带


石环

石环:是由细粒土和碎石为中心,周国由较大砾石为圆边的一种环状冻土地貌。【它们在极地、亚极地以及高山地区常有发育】

石环的直径一般为0.5~2.0m,在极地地区可达十余米。

石环示意图

石环是冻土中颗粒大小混杂的松散砂砾层,由于饱含水分,经频繁的冻融交替,产生物质分异形成的。

活动层中的大小混杂的砂砾,冬季,先从地面冻结,砂砾层孔隙中的水冻结膨胀,地面和砂砾层中的砾石一起被抬高,砾石的下部尚未冻结而出现空隙,砂土填入或水渗入形成冰透镜体。夏季,活动层上部解冻,由于砾石和砂土的导热率不同,砂土中的冰先融化,地面逐渐回降到原来位置,但砾石下部仍为冻结状态,这时一些大颗粒碎石或砾石却比周围含水砂土位置相对升高。等砾石下部冰开始融化时,砾石周围的砂土向砾石下部移动,填垫在砾石下部,当活动层全部融化后,砾石却相对抬升了一段距离,在这种冻融过程反复作用下,大的石块或砾石就逐渐被顶托到地面。

来源:湘说地理综合自网络

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