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第6章 冰川、冻土地貌及堆积物

归档日期:10-01       文本归类:冰分凝      文章编辑:爱尚语录

  第6章 冰川、冻土地貌及堆积物_哲学/历史_人文社科_专业资料。?2016/3/23 地貌学及第四纪地质学 Geomorphology and Quaternary Geology 第6章 冰川、冻土地貌与堆积物 (2) 主讲教师:林 晓 中国地质大学(武汉)地

  ?2016/3/23 地貌学及第四纪地质学 Geomorphology and Quaternary Geology 第6章 冰川、冻土地貌与堆积物 (2) 主讲教师:林 晓 中国地质大学(武汉)地学院 四、冻土地貌 冰缘(periglacial): ? 狭义:冰川的外围地带,年均温度0 ℃左右, 多年冻土层发育。 ? 广义:凡是年均温度在0 ℃左右的地区,具 有多年冻土层发育的气候条件,并不一定在冰 川的外缘 (冻土区)。 课程结构 冻土地貌 冻土与冻融作用 冻土地貌类型 冻土灾害与工程治理 冻土定义、分层、分类、 冻融过程及研究简史 冻裂、冰楔、构造土、 冻融褶皱、冻胀丘 热融滑塌、热融洼地、 热融湖 1. 冻土与冻融作用 ? 冻土:分为季节冻土(每年冬冻夏融)和多年 冻土(多年不融),结构上分为活动层和多年 冻土层。 ? 冻融作用:每年气温的周期变化,使含水土层 反复冻结和融化、裂开、扰动、变形、破坏和 流动的过程。 (1)冻土基本概念 Geocryology 含冰 地表温度低 于0?C的土层 或岩层 冻土 Frozen ground 不含冰 寒土 Geli sol 存在持续 时间 是否含水 多年冻土: 2年以上 季节冻土 半月~数月 短时冻土 半月以内 干寒土 不含冰和重力水 湿寒土 含盐水、卤水等 ?1 ?2016/3/23 冻土分层 ? ①活动层(Active layer) 位于多年冻土之上,夏 季融化冬季被冻结的表 层土层(S. Muller, 1947) ? ②多年冻土层 (Permafrost) 位于活动层之下,常年 冰冻。 Freezing point 温度年变化深度 多年冻土上限 多年冻土下限 冻土分层 ? ③零幕层(Zero curtain) 位于多年冻土上限之上(活动层底 部)特定厚度的土层。这层土的温 度在冻结过程中有相当长的时间为 0?C。 “零幕层”是由冻结过程中冰-水 转化的冻结潜热释放所导致,活动 层底部的含水量越大,“零幕层” 越厚,持续时间越长。 Depth/m AT/?C 风火山-高寒草甸 10 0 -10 -20 0 0 -50 -100 -150 50 100 150 200 250 300 350 5月中 9月中 10月初 11月底 零幕层 50 100 150 200 250 300 350 Julia Date ?2 冻土下界 ? 多年冻土下界(the lower limit of permafrost) 高山多年冻土所能够分布的最低海拔高度。 ? 多年冻土南界(the south limit of permafrost) 高纬多年冻土所能够分布的最南纬度。 ?2016/3/23 (2)冻土分类 ? 区域分布特征分类 ? 工程分类 ? 土壤分类 区域分布特征分类 空 高纬度多年冻土 间 ? 连续多年冻土 连续性90% 连 ? 不连续多年冻土 连续性25~90% 续 ? 岛状多年冻土 连续性25% 性 高海拔多年冻土 ? 大片连续 ? 大片-岛状 ? 岛状-稀疏岛状 连续性70~90% 连续性30~70% 连续性30% 中国冻土分布区划图 ?3 青藏高原多年冻土分布图 (据李树德等,1996) ?2016/3/23 工程分类(程国栋,王绍令,1982) 稳 上带 ? 极稳定型 年均地温-5?C,厚度170m 定 性 ? 稳定型 年均地温-3?C,厚度110m 中带 ? 亚稳定性 年均地温-1.5?C,厚度60m ? 过渡型 年均地温-0.5?C,厚度30m 下带 ? 不稳定性 年均地温0.5~-0.5?C,厚度0~30m ? 极不稳定型 程国栋院士 ? 程国栋, 1943年7月生于上海市。 1965年毕业于北京地质学院 水文地质与工程地质系。同 年,进入中国科学院冰川冻 土沙漠所工作。历任中国科 学院兰州冰川冻土所所长 (1991-1999),中国科学院 寒区旱区环境与工程研究所 所长(1999-2001),国际冻 土协会副主席(1988-1993) 主席(1993-1998),冻土工 程国家重点实验室主任 (1996-2005)。 土壤分类 ? 加拿大(Canadian Soil Classification System, 1987,1998)——Cryosol ? 世界粮农组织(FAO-World Reference Base for Soil Resources,1998)——Cryosol ? 美国(Soil Taxonomy)(1994,1999)—— Gelisol ? 中国土壤分类系统(Chinese Soil Taxonomic System,1995)——冻土 (3)冻土研究简史 ? 世界冻土研究简史 ? 1757:俄国科学家M.B.罗蒙诺索夫发表“冻土地”。对冻 土形成得气候和地形条件提出看法; ? 19世纪,西伯利亚冻土的温度、厚度、埋藏条件和分布状 况(前半期);随着铁路建设得需要,出版了一系列多年 冻土方面的报告(1889~1895); ? 1917年,成立了冻土研究机构; ? 1940年后,出版了一系列专著:《普通冻土学》(1940)、 《冻土学原理》(1959)、《苏联冻土学》(1988); ? 1970~80s,阿拉斯加输油管道的建设推动了美国多年冻土 发展。 ? 我国冻土研究简史 ? 春秋战国时期(公元前770~前221),《礼 记?月令》中有:“孟冬之月,水始冰,地 始冻。仲冬之月,冰益坚,地始坼。季冬之 月,冻方盛,水泽腹坚… …孟春之月,东 风解冻”。 ?4 ?2016/3/23 ? 1943年,刘培桐“中国气候与土壤之关系(续)” 中:高山冰沼土;陈正祥“河西走廊”中:高山 冰沼土 ? 1949~1959年,冻土研究的起步阶段: 东北的发展,促进了冻土学研究。 1954年青藏公路通车,高原冻土问题引起关注,1956年 铁道部开始勘测青藏线,对沿线冻土作初步调查 多年冻土研究的初步认识阶段 ? 1960年,中国科学院冰川积雪冻土研究所筹委会成立,设 立冻土组;铁道部高原铁路科研所成立。 ? 1960~1962年,两所会同一些高校,青藏公路沿线冻土综 合考察,在风火山地区建立了铁路试验工程—风火山站 ? 1963年,周幼吾、杜榕桓“青藏高原冻土初步考察”发表 ? 1965年,《青藏公路沿线冻土考察论文集》出版; ? 1964~1965年,中科院、铁道部、林业部在大兴安岭牙林 铁路冻土和工程冻害调查; 多年冻土研究的发展壮大阶段 ? 1966年,建立第一个冻土低温实验室; ? 1966~1977年,与工程项目相结合的冻土研究: ? 1969~1974,青海热水煤矿 ? 1972~1973,格尔木-拉萨输油管道 ? 1972~1976,南疆铁路 ? 1974~1978,青藏铁路 ? 1973~1974,东北多年冻土多学科综合考察 ? 1975~《冻土》出版 系统总结和发展阶段(1978~1997) ? 1979~1983,青藏高原多年冻土特征的系统总结 ? 1981,东北多年冻土分布图; ? 1982,程氏假说——地下冰重复分凝机制 ? 1983,北半球高海拔多年冻土分布的三向地带性 理论——程氏定律 ? 1988,青藏高原综合观测研究站的建立。 ? 1990,郭东信,《中国的冻土》出版 ? 1991,国家冻土工程重点实验室建立 ? 1996,东北冻土南界,青藏高原多年冻土图。 1998~现在,监测与冻土理论深入研究期 对多年冻土与环境间的关系的认识,促进了多年冻 土和活动层中物理机理的监测、研究的深入发展 ? 国际合作 ? 青藏公路多年冻土灾害深入研究 ? 2002,青藏铁路建设的需要 青藏高原多年冻土主要监测区 Tianshuihai QTHW QKHW ?5 ? monitoring systems on surface changes of heat and moisture:4 ?2016/3/23 (4)冻融过程 冻融过程中的水分迁移,水热耦合,物质迁移 水和热同时运移并相互作用的过程即是水 热耦合过程 冰冻结体积 膨胀10% 液态水 热 土壤颗粒周围 的自由水,结 合水,吸附水 冰 水汽 Depth(cm) 冻融过程 0 -50 -100 -150 -200 -250 高寒草原 SW ST 16 14 12 10 8 6 4 2 0 -2 -4 -6 -8 -10 -12 -14 WC -16 AF -18 -20 Jan. Febr. March April May June July Time Augu. Sept. Oct. Nov. Dec. 夏季融化过程(ST) 秋季冻结过程(AF) 冬季降温过程(WC)和春季 升温过程(SW) 推荐1篇文章 (5)冻融作用-冻土地貌 定义:土中发生的冻结和融化过程及其所产 生的影响,包含: ? 冻结楔入作用 ? 冻裂作用 ? 冻胀、冻拔作用 ? 物质置换过程 ? 分选作用 ?6 ?2016/3/23 冻土地貌 小结 冻土与冻融作用 冻土地貌类型 冻土灾害与工程治理 冻土定义、分层、分类、 冻融过程及研究简史 冻裂、冰楔、构造土、 冻融褶皱、冻胀丘 热融滑塌、热融洼地、 热融湖 2. 冻土地貌 a、冰楔 形成条件:持续严寒,年均温-6 ℃~-9 ℃,裂隙发育,冰 脉逐年冻融,形成“V”形楔体、砾石定向、直立层理、 围岩挤压变形,成群分布。 b、构造土(多边形、石环、石圈) 形成条件:水分充足、含砾石、反复冻融,垂直和水平分 选共同作用的结果。 c、冻融褶皱: 形成的气候条件与冰楔近似,形态复杂。活动层冻结产生 的下压力、永冻层产生的顶托力共同作用。 d、冻胀丘 ? 冻胀丘:粒度和水分含量的不均匀,形成局部隆起。 ? 冰核丘:土层中不断吸收冻结层间水或层下水,形成地 下冰核使地面隆升形成冰核丘。 石河 冻裂石柱 2. 冻土地貌 a、冰楔 形成条件:持续严寒,年均温-6 ℃~-9 ℃,裂隙发育,冰 脉逐年冻融,形成“V”形楔体、砾石定向、直立层理、 围岩挤压变形,成群分布。 b、构造土(多边形、石环、石圈) 形成条件:水分充足、含砾石、反复冻融,垂直和水平分 选共同作用的结果。 c、冻融褶皱: 形成的气候条件与冰楔近似,形态复杂。活动层冻结产生 的下压力、多年冻土层产生的顶托力共同作用。 d、冻胀丘 冻胀丘:粒度和水分含量的不均匀,形成局部隆起。 冰核丘:土层中不断吸收冻结层间水或层下水,形成地下 冰核使地面隆升形成冰核丘。 冰楔 ?7 冻融褶皱 冻融褶皱 ?2016/3/23 冻融泥流/阶地 2. 冻土地貌 a、冰楔 形成条件:持续严寒,年均温-6 ℃~-9 ℃,裂隙发育,冰 脉逐年冻融,形成“V”形楔体、砾石定向、直立层理、 围岩挤压变形,成群分布。 b、构造土(多边形、石环、石圈) 形成条件:水分充足、含砾石、反复冻融,垂直和水平分 选共同作用的结果。 c、冻融褶皱: 形成的气候条件与冰楔近似,形态复杂。活动层冻结产生 的下压力、永冻层产生的顶托力共同作用。 d、冻胀丘 ? 冻胀丘:粒度和水分含量的不均匀,形成局部隆起。 ? 冰核丘:土层中不断吸收冻结层间水或层下水,形成地 下冰核使地面隆升形成冰核丘。 ?8 冻胀丘(pingo) 活动层 冰 冻土 融土 ?2016/3/23 冻裂? 2. 冻土地貌 a、冰楔 形成条件:持续严寒,年均温-6 ℃~-9 ℃,裂隙发育,冰 脉逐年冻融,形成“V”形楔体、砾石定向、直立层理、 围岩挤压变形,成群分布。 b、构造土(多边形、石环、石圈) 形成条件:水分充足、含砾石、反复冻融,垂直和水平分 选共同作用的结果。 c、冻融褶皱: 形成的气候条件与冰楔近似,形态复杂。活动层冻结产生 的下压力、永冻层产生的顶托力共同作用。 d、冻胀丘 冻胀丘:粒度和水分含量的不均匀,形成局部隆起。 冰核丘:土层中不断吸收冻结层间水或层下水,形成地下 冰核使地面隆升形成冰核丘。 ?9 冰楔多边形(加拿大) ?2016/3/23 冰楔(Icing) 构造环 构造环 ?10 ?2016/3/23 热融地貌(thermokarst) ? 热融滑塌(thaw slumps) ? 热融湖 (thaw lake; thermokarst lake) ? 热融洼地(alas) ?11 ?2016/3/23 冻土地貌 小结 冻土与冻融作用 冻土地貌类型 冻土灾害与工程治理 冻土定义、分层、分类、 冻融过程及研究简史 冻裂、冰楔、构造土、 冻融褶皱、冻胀丘 热融滑塌、热融洼地、 热融湖 多年冻土区灾害的工程治理 冻土的危害性 ?12 ?2016/3/23 冻土灾害的工程治理 ? Trans-Alaska Pipeline ? 青藏高原公路铁路 ? 主动保护冻土的方式(青藏铁路) ? 被动保护冻土的方式(青藏公路) 青藏铁路建设“三个难” 多年冻土区筑路病害率 在30%以上 青藏铁路沿线多年冻 土属于高温高含冰量 难 更难 加上气候变化的影响 难上 加难 ?13 ?2016/3/23 多年冻土灾害治理: ? 抛片石调温路基、抛石、碎石护 坡、热棒技术已广泛应用于青藏 铁路建设。 ? 通风管路基、遮阳板在青藏铁路、 公路、青康公路开展试验 ?14 ?2016/3/23 清水河大桥——以桥代路 治理效果 ? 修建于100年前的俄罗斯冻土区铁路病害率达到了 40%,修建于上世纪80年代的俄罗斯冻土区铁路 病害率达到了30%,时速只有30-40公里,非常慢。 ? 虽然青藏高原的冻土问题更为棘手,但青藏铁路 修建时采取的冻土保护技术已非常比较先进,时 速被定为100公里。 冻土地貌 小结 冻土与冻融作用 冻土地貌类型 冻土灾害与工程治理 冻土定义、分层、分类、 冻融过程及研究简史 冻裂、冰楔、构造土、 冻融褶皱、冻胀丘 热融滑塌、热融洼地、 热融湖 Thanks a lot ! ?15

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