千里冰封的杰作

耿成寶 魏海峰

“北國風光，千里冰封，萬里雪飄”選自毛澤東《沁園春·雪》，生動描繪出北方冬季壯麗的自然景色。每當秋去冬來，隨著氣溫的逐漸降低，地表的巖石和土壤溫度也隨之降低，當巖石和土壤溫度降到0 ℃以下，巖石和土壤內的部分水固結成冰，同時將巖石或土壤顆粒膠結在一起，即形成了凍土。學術上講，凍土是指0 ℃以下，并含有冰的各種巖石和土壤。

凍土的組成及分類

凍土的基本組成成分為巖石或土壤的固體礦物顆粒、冰、液相水和氣體（水汽和空氣）。按時間將凍土分類為永久凍土、季節性凍土、短暫凍土，持續幾年到幾十年的凍土為永久凍土或多年凍土，隨著季節的變化而冬凍夏融的凍土為季節性凍土，幾小時到幾晝夜短暫形成的凍土為短暫凍土；按含冰量將凍土分類為富冰凍土（含冰量大于50%）、含冰凍土（含冰量25%～50%）、微含冰凍土（含冰量小于25%）；按物理狀態將凍土分類為低溫凍土、高溫凍土，低溫凍土為冰所牢固膠結的、不可壓縮的堅硬凍土，永久凍土分布區較為發育，高溫凍土為含較多未凍水的、凍結狀態時壓縮性較小的塑性凍土，典型例子是季節性凍土秋冬交替時節較為發育。

凍土的分布及影響因素

根據全球凍土的分布情況，我們發現越靠近南北極的高緯度地區，凍土越發育。并且，隨著緯度變高，凍土埋深變厚，凍土類型依次為短暫凍土、季節性凍土、永久凍土。典型如我國華南地區分布短暫凍土、北方大部分地區分布季節性凍土、東北大興安嶺漠河縣地區分布多年凍土。同時，凍土在高山垂直帶上部也較為發育，典型如我國青藏高原地區大面積分布的不連續多年凍土。結合對凍土的研究，我們總結出，凍土的形成受控于巖石和土壤的溫度及含水量。影響巖石和土壤溫度的主要因素有緯度、地形、地溫、巖性等；影響巖石和土壤含水量的主要因素為降水和地下水情況等。

凍土的特征及危害

凍土具有流變性，即在外荷載作用下，凍土中的應力和應變隨時間變化的特性，其長期強度遠低于瞬時強度特征。例如用重物瞬時擊打凍土，凍土瞬時強度高、受損小，但在凍土上長時間放置等質量的重物，凍土會隨重物的加載時間變長而產生變形。凍土區修筑工程構筑物常面臨兩大危險：凍脹和融沉。頻繁凍融直接影響和危害人類經濟活動和工程建設。在日常生活中經常可以看到，由于凍土的凍融導致道路產生裂隙、翻漿等危害工程構筑物的現象。就其危害程度來說，多年凍土的融化作用危害較大，而季節性的凍融作用危害更大。凍土在凍結、融化時，還可能產生裂縫、熱融滑塌或凍融泥石流等災害。

凍土退化的影響

在全球氣候顯著變暖背景下，凍土面積正在退縮、分布下界普遍升高。凍土普遍退縮的大趨勢，其影響主要有以下幾個方面。

改變局部生態環境

永久凍土融化后，生態環境可能會暫時變好。如氣溫升高凍土融化，導致了西藏那曲縣部分牧區冒水，水分條件得以改善。但從長遠來看，凍土融化導致水位下降，土壤中水分含量不足，植物根系吸收不到水分，那些濕生植被將向相對旱生性植被類型發展，導致植物群落的演替。對于高山來說，凍土層的融化甚至可能導致崩塌、泥石流等地質災害。

危害基礎設施

凍土的凍脹和融沉對工程構筑物具有破壞作用，凍土退縮，勢必對現有構筑物基礎產生影響，進而影響構筑物穩定性。為保證青藏鐵路凍土路基的穩定性，我國工程師利用碳素無縫鋼管制成的高效熱導裝置即熱棒，將凍土熱量及時傳導至外界，形成“永凍層”，提高了凍土的強度。雖然我國工程師解決了青藏鐵路凍土路基融沉的問題，但是為了防止凍土融化，我們也付出了高額的成本。

加快全球變暖

眾所周知，人類在生產生活中會產生大量的溫室氣體，同時過度的森林采伐和植被破壞使地球產生了溫室效應，地球溫度上升。據研究，全球寒帶和極地凍土層含有大量有機碳，在全球變暖的大環境下，凍土層不斷融化，凍土層中保存的大量溫室氣體進入大氣層，勢必導致全球變暖進一步加劇。

作者單位：中國地質調查局哈爾濱自然資源綜合調查中心