[科普中国]-冻土层

简述

所谓冻土是指温度下降到零度或零度以下，壤里的水分就会凝结成冰，并将土壤也冻结在一起，形成一层坚硬的冻土层。冻土有季节性冻土和多年冻土。冻土层的厚度与地表、地下温度关系密切。
当天气变暖时冻土层就会融化，我们称这种冻土为季节冻土。但在有些地方存在一种持续多年不化的冻土，那就是多年冻土。如在北极、青藏高原，因为那里常年温度都在零度以下，所以冻土就会保持常年不化，即使在温度偏高的年份，只是表面一小层土壤被融化，深层仍然是坚硬的冻土。
冻土的存在主要受温度的影响，纬度越高的地方温度就越低，多年冻土主要分布在亚欧大陆和北美洲的北部，南半球陆地面积少，冻土的面积少。另外，从地面往高空,越往高处温度越低。有些高山上的温度常年也都低于零度，如美洲的安第斯山脉，非洲的乞立马扎罗山以及我国的青藏高原，那里的坡地、山峰终年积雪。所以中低纬度的高山和高原上也存在多年冻土。
我国高纬度多年冻土主要集中分布在大小兴安岭，面积为38-39万平方公里；高海拔多年冻土分布在青藏高原、阿尔泰山、天山、祁连山、横断山、喜马拉雅山以及东部某些山地，如长白山、五台山等地。1

类别

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分布地区前苏联和加拿大近一半的领土都是冻土层，阿拉斯加有85%的土地都是冻土层，赤道附近的乞力马扎罗峰顶也发现有多年冻土。年平均温在0℃以下，一般都在-10℃至-17℃，冬季气温可低至-40℃，甚至-55℃，夏季温度也很低，7月份平均温度不超过10℃，全年结冰日长达240天以上。好山与漠土年均温也很低，一般为-4℃至-12℃。冻土区降水很少，欧洲部分为200—300毫米，亚洲和北美洲北部在100毫米以下，西藏冻漠土区因地势高、远离海洋，降水更稀少，一般为60～80毫米，其北部更少，为20～50毫米，其中90%集中于5—9月。降水虽然少，但气温低，蒸发量不大，长期冰冻，土壤湿度很大，经常处于水分饱和状态，夏季土壤—母质融化，砂土可达1～1.5米，壤土70～100厘米，泥炭土35～40厘米，以下即为永冻层，高山冻漠土在宽谷、湖盆永冻层深度80厘米，山坡上可达150厘米。1

冻土层施工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，冻土中有一定数量的未冻水存在。不含冰的岩土称为寒土。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，冻胀是因为凝结的冰块非常坚固，膨胀的冰块将土顶上来，并形成大土包。中国的青藏铁路全长1956公里，其中有长达550公里的地段需要通过冻土层，其中风火山隧道全部位于永久冻土层内，另外还有长达111公里的 “片石层通风路基”。工程师需要透过多种方法如：石气冷、碎石护坡、以桥代路、热棒降温等方式使冻土层的温度稳定，以避免因为冻土层的转变而使铁路的路基不平，防止意外的发生。中国专家指出，青藏铁路的冻土区使用了“热棒”技术，所谓的热棒是一根根中空密闭的钢管，直径约15厘米，高约2米，里面注入氨水，并将热棒的一部份埋入地下，由于上下的温差会让氨水变成气体上升，带走热量，可用以降低冻土的温度，到了夏季，热棒则停止工作。2005年10月12日青藏铁路全线贯通，冻土层行车时速为100公里。2

暖化冻原依据其地理位置，可分为北极冻原、南极冻原及高山冻原三大类。西伯利亚西部冻土层含有大量的甲烷，达七百多亿吨，占全球地表甲烷总数四分之一。近年来由于受全球气候变暖的影响，世界各地的冻土有解冻的情况发生，近50年来，北半球冻土面积缩小了300万—400万平方公里。青藏铁路最终克服冻土工程，成为中国引以为傲的成就，但有科学家指称，随着全球暖化的情况日益严重，青藏高原的永久冻土层正在迅速融化中，造成冻土区域的地面不稳定性，再加上青藏高原地震活动频繁，使得青藏铁路的未来抹上一层隐忧。无论哪一类冻原，占优势的植物都是草、苔藓和地衣。在森林和冻原之间的过渡地带称为树木线。

在地质学里有一门专科叫作冻土学，专门研究有关冻土层的地质特性。2

中国各地区冻土深度俗话说：“冰冻三尺，非一日之寒。”北方地区，冬季温度常在0℃以下，潮湿的土壤呈冻结状态，这种现象在气象学上称为冻土。温度愈低且持续时间愈久，冻土层便愈厚。根据埋人地面气象观测场中的冻土器内水柱冻结的部位和长度，可探测冻结层次的上限和下限深度。

进入北极圈，冻土厚度可达200～600米，有的地方甚至达到了1000米。在北冰洋沿岸，冻土层厚达400～900米，这里是世界上冻土厚度最后的地方，最厚的地方达1400米。

在世界各地，冻土带占据苏联领土的一半，加拿大和阿拉斯加的大部分地区，地球陆地面积1/4。我国冻土带主要分布在北纬30度以北的广大地区，此线以南几乎不见冻土。西部川陕地区由于山脉地形屏障，北纬33度以南未出现过冻土现象。

冻土最深的地方是在大兴安岭北部、新疆和青藏高原，例如，内蒙古的二连浩特和新疆的乌恰都在300厘米以上，位于新疆天山腹地的和静县巴音布鲁克气象站，曾记录到439厘米的深度，是我国冻土记录中的冠军。

在高山或高原上的冻土，有些年份常延至盛夏才能融化，还有至9月份未化完的，新的一年的冻土过程又开始了，实际上这些地区已逐渐向永久冻土层过渡。大约在年平均气温低于-5度，便会有永冻土存在，青藏公路昆仑山北坡、西藏北部安多地区永久冻土层厚达80—100米；

山西省海拔2896米的五台山气象站1976年修建上山公路，在顶段一米深也有经夏不化的永冻土存在。

我国永冻土面积约有214.8万平方公里，主要集中在青藏高原和大小兴安岭地区。

冻土气象观测资料对建筑、工程施工、交通运输和农田水利建设都具有重要意义。在季节性冻土地区埋设输油管道和自来水管等地下管道时，需在冬季采取加热或绝热措施，或者深埋至最大冻土层以下，以免有冻裂的危险，但过深则会造成人力、物力的浪费；房屋地基也要在最大冻土深度以下，以保证坚固安全；春季冻土融化使道路返浆，不便行走和运输、并对农业生产和人民生活造成重大影响。1