[科普中國(guó)]-地下冰

定義

地下冰是指地殼巖土內(nèi)所含冰的統(tǒng)稱。據(jù)粗略的估計(jì)，地球上的地下冰的總體積約為50×104㎞3，占地球上冰體積的2%。主要分布在巖石圈上部10～30米以上的深度內(nèi)。在北半球的高緯度地帶有很多地方分布在其上部0～30m的深度內(nèi)．其體積含冰量達(dá)到50%~80%，地下冰是多年凍土地區(qū)極為重要的水資源，地下冰的存在對(duì)凍土工程和氣候變化等產(chǎn)生極大的影響。1

特征多年凍土的地下冰具有細(xì)粒狀、微層狀、厚層狀、透鏡狀、脈狀等形式，與土體組合構(gòu)成整體狀、層狀、網(wǎng)狀、礫巖狀、包裹狀、裂隙一脈狀等的凍土構(gòu)造。在湖相、坡積一泥流相、泥炭及黏土、亞黏土的土層中，存在著厚度不等的層狀地下冰，主要是以分凝形式形成的屬高含冰量主要分布地段。在中細(xì)砂層中形成整體狀構(gòu)造。在砂礫石層中，主要以礫巖狀、包裹狀地下冰存在，含量較小。在凍結(jié)的基巖中，地下冰僅以裂隙——脈狀冰的形式充填于基巖裂隙中，含冰量取決于基巖裂隙大小和充水程度。

地下冰主要的發(fā)育深度，一般在20m以內(nèi)，特別富集于多年凍土0.5m~10m深度內(nèi)。大、小興安嶺為0.3m~1.5m，青藏高原為0.9m~3.0m，以1m~2m居多。

凍土中地下冰含量的多少取決于不同成因類型土的粒度、礦物、化學(xué)成分，土層的埋藏條件、初始含水量及其水分補(bǔ)給條件，土層的凍結(jié)條件及其與地面的熱交換條件等。顆粒粒徑為0.074mm~0.005mm的粉土、砂土是分凝冰形成的最佳范圍，粉質(zhì)亞黏土、亞黏土、粉質(zhì)亞砂土、黏土、亞砂土及粉砂是地下冰富集的土層，其含量也基本上依此順序排列。2

分類地下冰的存在是凍土的基本特征，按成因和埋藏方式，一般將地下冰分為組織冰、埋藏冰和洞脈冰三類。3

組織冰土層中原有的水分凍結(jié)生成的地下冰，稱為組織冰，也叫構(gòu)造冰或原生冰?？煞窒铝兴姆N：

①膠結(jié)冰

膠結(jié)冰一般分布在土層的上部，是存在于土層顆粒間孔隙中的水直接凍結(jié)而成的細(xì)小冰晶。膠結(jié)冰的特征是水分在原地凍結(jié)，基本上沒(méi)有水分遷移作用，因而土粒幾乎不發(fā)生位移，僅被冰膠結(jié)在一起。在含水量較大的沙礫石土層中，膠結(jié)冰可包裹在沙礫表面，使凍土具有礫巖狀構(gòu)造。3

②分凝冰

在土層凍結(jié)過(guò)程中，當(dāng)冰、水共存時(shí)，由于冰周圍溫度低，飽和蒸氣壓小，而水周圍溫度相對(duì)較高，蒸氣壓也較大，這就必然會(huì)發(fā)生氣態(tài)水分子的移動(dòng)，使氣態(tài)水不斷地在固相冰體上凝結(jié)起來(lái)，結(jié)果冰體不斷增大。這種通過(guò)氣態(tài)水分子的移動(dòng)不斷加大冰休的作用稱為聚冰作用。通過(guò)聚冰作用形成的冰叫做分凝冰，且其形成于潮濕的粘性土和粉質(zhì)土中。在一定條件下，這些土凍結(jié)時(shí)會(huì)發(fā)生水分遷移現(xiàn)象(見(jiàn)凍融時(shí)水分遷移)。遷移的水分在凍結(jié)鋒面后一定距離凍結(jié)，排開土粒而聚冰，形成分凝冰。在有外部水源補(bǔ)給的情況下，土的凍結(jié)強(qiáng)度與水分遷移速度之間的平衡如能長(zhǎng)期維持，則往往形成大塊分凝冰。這種大塊冰一般厚1～40米，水平延伸幾十米至2000米，分布深度為3～5米至40米，有時(shí)可達(dá)200米深。分凝冰局限于某處時(shí)，往往形成凍脹丘。

分凝冰的最主要特征是在凍結(jié)過(guò)程中有水分遷移參與。在過(guò)濕的細(xì)粒土孔隙中，分凝冰往往垂直于凍結(jié)面而伸長(zhǎng)，形成冰針。隨著冰針不斷向上增長(zhǎng)，能將其上的沙子或小石托起。這種上舉力可以很大，因?yàn)楸w增長(zhǎng)時(shí)可以產(chǎn)生14kg/cm2的壓力，當(dāng)白天冰針融化時(shí)，被其頂托的礫石就會(huì)失去平衡而向一側(cè)傾倒。這個(gè)過(guò)程的反復(fù)進(jìn)行，砂石就逐漸被抬升和傾移。這是凍土表面物質(zhì)進(jìn)行自然分選和緩慢遷移的一種方式。分凝冰一般在土體中呈水平層狀或透鏡狀，厚度不等，厚者可達(dá)20~30cm。冰體較純，具有結(jié)晶方位定向性。其分布不如膠結(jié)冰廣泛，往往見(jiàn)于較低洼的河漫灘、低階地及盆地和平緩山坡的坡麓等地貌部位。

③侵入冰

侵入冰是地下承壓水沿凍土層中的融化通道或沿凍土層與融化層的交界面貫入，再凍結(jié)形成的冰。與分凝冰不同的是形成侵入冰的水為重力水。侵入冰在接近地表處形成時(shí)，便產(chǎn)生凍脹丘。

④脈冰

脈冰是指巖石裂隙中的水凍結(jié)后形成的冰。它與多邊形脈冰不同：脈冰是由未凍的巖石裂隙中的水凍結(jié)而成，為原生的；多邊形脈冰是凍土遇冷收縮產(chǎn)生的裂隙充水后再凍結(jié)形成，為后生的。

地下冰中分布最廣的是膠結(jié)冰和分凝冰，其次為多邊形脈冰、脈冰和侵入冰，埋藏冰較少。3

埋藏冰被堆積物掩埋的冰體，稱為埋藏冰。埋藏冰主要是冰川融化以后殘留下來(lái)的冰被冰磧物覆蓋形成的，分布在冰川前緣地區(qū)。覆蓋在堆積物下的冰錐、河冰、湖冰等也屬于埋藏冰，但分布面積有限。埋藏冰融化以后形成低洼的熱融塌陷地形。

從形態(tài)上看，厚層地下冰主要有互層狀地下冰與透鏡狀地下冰兩種類型?；訝畹叵卤c沉積層呈互層關(guān)系，最厚單層地下冰可達(dá)5m。透鏡狀地下冰夾于沉積層內(nèi)，最厚可達(dá)10余米。3

洞脈冰洞脈冰由地表水充填于凍土中的洞穴和裂隙后凍結(jié)形成，叫做洞脈冰或次生冰。洞脈冰分為脈冰和洞穴冰兩種。3

①脈冰

脈冰是由地表水注人土體或巖石垂直裂隙中凍結(jié)而成。脈冰對(duì)圍巖起著極大的破壞作用，使裂隙更加擴(kuò)大。這種作用稱為冰劈作用。

凍土在季節(jié)性凍融變化過(guò)程中，地表水向裂隙的注人過(guò)程表現(xiàn)為周期性，因此，脈冰也可經(jīng)多次重復(fù)凍結(jié)而成，這樣的脈冰稱為復(fù)脈冰。復(fù)脈冰具有垂直條帶狀構(gòu)造，一層條帶代表一個(gè)年層（冰年層），冰年層由里向外，形成年代由新變老。具有垂直冰年層的復(fù)脈冰，稱為冰楔。由于冰楔在生長(zhǎng)過(guò)程中裂隙中的水反復(fù)凍結(jié)，發(fā)生體積膨脹，對(duì)周圍土體不斷發(fā)生擠壓，結(jié)果使圍巖（土）層理發(fā)生彎曲。冰楔主要形成在具有裂隙和可塑性較大的土體或巖體內(nèi)。

冰楔可分為后生冰楔和同生冰楔兩類，前者指冰楔形成于為寒凍裂隙所分裂的沉積層之后，后者指與沉積層同時(shí)生成。后生冰楔規(guī)模較小，平均寬度約數(shù)十厘米，深度常不足1m，同生冰模因冰聚合體規(guī)模較大，故冰楔寬可達(dá)5m-8m，最大深度達(dá)40m以上，主要分布在高緯度極地平原地區(qū)。

與冰楔形態(tài)相似，但裂隙中充填的不是脈冰，而是松散土類物質(zhì)的叫土楔或沙楔。土楔可能是從冰楔演變而來(lái)，當(dāng)裂隙內(nèi)的脈冰完全融化后，沙土代替冰體充填于楔內(nèi)，于是形成土楔，所以可把土楔視作古冰楔。土楔也可能與冰楔無(wú)關(guān)，即一開始楔內(nèi)就沒(méi)有脈冰

②洞穴冰

在多年凍土分布區(qū)，存在著一些地下洞穴，充填在這些洞穴中的冰叫做洞穴冰。3

危害地下冰往往引起凍土產(chǎn)生各種不良物理地質(zhì)現(xiàn)象，嚴(yán)重危脅著人們的生活穩(wěn)定與人身安全以及建筑物的安全與穩(wěn)定。而其主要的不良物理地質(zhì)現(xiàn)象有熱融沉陷和熱融湖塘、熱融滑塌及融凍泥流這三類。地下冰產(chǎn)生的主要危害也基本來(lái)源于這三類物理地質(zhì)現(xiàn)象。詳細(xì)介紹如下：

熱融沉陷和熱融湖塘

當(dāng)厚層地下冰消融時(shí)，地表發(fā)生沉陷，形成垂直下陷的凹地的過(guò)程稱為熱融沉陷。當(dāng)這些熱融沉陷凹地被地表水或地下水注滿時(shí)就形成了熱融湖塘。而這兩種不良的物理地質(zhì)現(xiàn)象，嚴(yán)重地危脅著凍土區(qū)建筑物的安全與穩(wěn)定及人們的生命安全。4

熱融滑塌

在有厚層地下冰分布的斜坡上，當(dāng)坡腳處的地下冰在夏季暴露時(shí)而發(fā)生融化時(shí)，其上覆融土及植被失去支撐而塌落，掩蓋了坡腳及其兩側(cè)暴露的冰層，同時(shí)卻暴露了上方的地下冰層，使它發(fā)生融化，產(chǎn)生新的塌落，如此反復(fù)滑塌，一直向斜坡下方發(fā)展，形成融凍滑塌。融凍滑塌體形成的稀泥物質(zhì)常順坡向下流動(dòng)掩埋道路、堵塞橋涵，使路基濕軟，危害其下方和坡上方建筑的穩(wěn)定和安全。

融凍泥流

緩坡上的細(xì)粒土由于凍融作用而結(jié)構(gòu)被破壞，又因下伏凍土層阻隔，土中水分不能下滲．從而使土飽和甚至成為泥漿，沿層面順坡向下蠕動(dòng)，這種現(xiàn)象稱為融凍泥流。它有表層泥流和深層泥流兩種。表層泥流分布廣、規(guī)模小、流動(dòng)快；深層泥流以地下冰或多年凍土層為滑動(dòng)面，長(zhǎng)達(dá)幾百米，寬幾十米，移動(dòng)速度緩慢。融凍泥流極大地威脅著其下方的工程設(shè)施及建筑物安全。4

應(yīng)用及其影響1、冰是地球上一種質(zhì)量最輕、融點(diǎn)最低、最后分異而成的表生礦物。地面以下的冰體，不論其成因、形狀、分布，均稱為地下冰。 地下冰的存在和相變，影響著地層的生物化學(xué)作用和凍土的物理力學(xué)性質(zhì)。地下冰往往引起凍土產(chǎn)生各種不良物理地質(zhì)現(xiàn)象，嚴(yán)重危脅著凍土區(qū)建筑物的安全與穩(wěn)定。特別是多年凍土上限附近的厚冰層危害最大。5

2、基于青藏高原多年凍土區(qū)三個(gè)鉆孔的地球物理測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)和鉆孔編錄資料，相關(guān)研究人員對(duì)多年凍土厚度和多年凍土層內(nèi)地下冰與地球物理測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)之間的關(guān)系進(jìn)行了相關(guān)的分析研究，研究表明，當(dāng)?shù)貙訛橥寥李愋蜁r(shí)，可以使用井徑和側(cè)向測(cè)井曲線來(lái)判斷多年凍土層厚度;而當(dāng)?shù)貙訛橹旅艿幕鶐r時(shí)，不能使用上述兩種測(cè)井曲線來(lái)判斷多年凍土層厚度.此外，還可以使用長(zhǎng)源距伽馬-伽馬曲線和側(cè)向測(cè)井曲線來(lái)識(shí)別多年凍土層內(nèi)部分地下冰層的位置，其前提條件是地下冰層具有一定的厚度，或即使厚度較薄，但連續(xù)出現(xiàn).這一研究結(jié)果對(duì)于利用地球物理測(cè)井曲線來(lái)調(diào)查多年凍土情況具有一定的應(yīng)用價(jià)值.。6

3、在未來(lái)幾十年內(nèi)多年凍土的分布范圍將不會(huì)發(fā)生顯著變化，多年凍土的主要退化形式為地下冰的消融、低溫凍土向高溫凍土轉(zhuǎn)化；但本世紀(jì)末多年凍土將發(fā)生大范圍的退化，這一過(guò)程將引起熱融滑塌、熱融沉陷等凍土熱融災(zāi)害。相關(guān)研究人員可將Nelson熱融災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)性評(píng)價(jià)模式進(jìn)行系列修正，對(duì)研究區(qū)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)性進(jìn)行具體的評(píng)估區(qū)劃。7