兰州马衔山多年冻土活动层厚度估算及影响因素分析

马衔山残存的多年冻土被誉为黄土高原地区多年冻土的"活化石". 自1986年发现多年冻土存在至今, 多年冻土发生了严重的退化, 活动层厚度增大, 面积由原来的0.16 km²减少到现在的 0.134 km². 本文基于马衔山多年冻土区的实际监测资料分析了气温、地表温度和N系数随时间变化特征以及活动层温度、土壤含水量的时空特征. 根据2010-2013年马衔山多年冻土区的日平均地表温度和土壤参数实测及实验室分析资料, 利用X-G算法模拟了马衔山多年冻土的冻融过程, 并模拟得到4年的活动层厚度均比实测值小, 这可能与活动层底部较高的未冻水含量有关. 然后进一步探讨了泥炭层和含水量对活动层厚度的影响, 泥炭层越厚, 其隔热作用越强, 活动层厚度越小; 反之, 活动层厚度越大; 含水量越高, 土壤的容积热容量越大, 活动层厚度越小; 反之, 活动层厚度越大.     

青藏高原多年冻土热融灾害发展预测

青藏高原多年冻土区是世界上中低纬度多年冻土面积最大的区域,气候变化引起青藏高原多年冻土区年平均地温上升、地下冰融化、多年冻土退化等问题。借助ARCGIS技术手段,通过地下冰计算模型和Stefan公式计算研究区不同气候变化情景模式下的地下冰体积含冰量和活动层厚度变化。结果表明:在未来几十年内多年冻土的分布范围将不会发生显著变化,多年冻土的主要退化形式为地下冰的消融、低温冻土向高温冻土转化;但本世纪末多年冻土将发生大范围的退化。这一过程将引起热融滑塌、热融沉陷等冻土热融灾害。将Nelson热融灾害风险性评价模式进行修正,对研究区灾害风险性进行评估区划。最大的危险区主要分布在西昆仑山南麓、青南山原中部、冈底斯山和念青唐古拉山南麓、喜马拉雅山南麓部分区域,在未来几十年内有加剧的趋势。     

应用探地雷达研究中国小兴安岭地区黑河北安公路沿线岛状多年冻土的分布及其变化

结合探地雷达对我国东北黑大公路黑北段岛状多年冻土的勘察结果进行了应用分析研究. 结果表明, 探地雷达可以较为有效确定多年冻土分布区域、 厚层地下冰存在位置, 是研究多年冻土的一种有效手段. 探地雷达勘测结果表明, 东北小兴安岭岛状多年冻土现在主要位于山间沟谷洼地、 或山间盆地中, 地表有积水、 塔头草生长茂盛、 草炭和泥炭发育的沼泽化湿地是其存在的重要标志;结合20世纪70年代对该区的冻土调查结果, 以及线路沿线现存冻土比例推断, 在过去30 a间小兴安岭岛状多年冻土发生了较为显著的退化;现存黑河北安公路沿线稀疏岛状多年冻土区的比例约为2%, 冻土厚度约2～9 m, 冻土上限约1～3 m. 在影响多年冻土分布的因素中, 地表水分条件是最为关键的因素, 该地表水分通过蒸发吸热、 单向导热等作用调节地中热流, 并维持一定的净放热, 在年平均气温接近0 ℃的条件下仍可以维持冻土的发育和存在;其它影响因素, 如地形、 地貌、 坡向、 植被、 地质条件等因素发挥次要作用.     

多年冻土南界附近青藏铁路路基下的冻土退化

基于2006-2012年青藏铁路多年冻土区唐古拉山南侧安多断面地温监测资料,分析了多年冻土南界附近路基下多年冻土的退化过程及其影响因素.结果表明：该监测断面天然场地多年冻土退化表现为多年冻土天然上限下降与多年冻土地温升高,观测期内多年冻土天然上限下降0.29 m,下降速率为4 cm·a^-1;路基下10 m处多年冻土温度升高0.03℃,升温速率为0.004℃·a^-1.该监测断面路基左路肩下多年冻土退化表现为多年冻土人为上限下降、多年冻土地温升高、多年冻土下限抬升以及多年冻土厚度减少.观测期内多年冻土人为上限下降0.41 m,下降速率为6 cm·a^-1;路基下10 m处多年冻土地温升高0.06℃,升温速率为0.009℃·a^-1;多年冻土下限抬升0.50 m,抬升速率为7 cm·a^-1;多年冻土厚度减少0.90 m,减少速率为13 cm·a^-1.工程作用是导致路基下多年冻土退化的主要原因,气温升温与局地因素中的冻结层上水发育促进了这一退化过程.路基下融化夹层的出现,导致多年冻土垂向上由衔接型变为不衔接型.     

中国-俄罗斯原油管道工程(漠河-大庆段)冻土工程地质考察与研究进展

在2005-2007年期间,先后3次对中国-俄罗斯原油管道漠河-大庆段沿线的冻土工程地质条件等进行科学考察,开展了冻土工程地质条件及其在气候变化和人类活动作用下的评价和预测研究.考察研究结果表明:管道沿线多年冻土在各类融区、季节冻土和水系等分隔作用下呈片状或岛状分布,沿线岛状、稀疏岛状及零星岛状占多年冻土区段的40%左右;管道沿线多年冻土随着气候的转暖和人类活动的影响不断退化.地形地貌单元、植被分布、地表水分条件的变化等局部因素对多年冻土的分布和地下冰的赋存产生重要的影响,管道沿线大约分布有50 km左右的沼泽湿地,其表层为腐殖质土及泥炭层,泥炭层下面分布着含土冰层或地下冰,是管道沿线最差的冻土工程地质地段;由于中俄原油管道沿线水系发育多,冻胀丘、冰椎和冰幔等不良冻土现象广泛分布.科学考察的成果为管道沿线冻土工程地质条件评价和预测、管道的稳定性影响分析以及后期的长期检测系统设置等研究奠定坚实的基础,进一步为即将开工的中俄原油管道漠河-大庆段工程的设计、施工提供科学依据.     

小兴安岭黑大公路沿线多年冻土分布及退化状态

黑大公路沿线多年土主要分布于黑河－北安段，属小兴安岭岛状多年冻土区，该区存在的多年冻土是晚全新世寒冷时期的产物，现处于欧亚多年冰土南界边缘，多年冻土发育在低洼、地表积水、塔头草生长茂密、草炭和泥炭发育的沼泽化湿地当中，沼泽湿地独特的热交换特性决定了其中发育的多年冻土处于退化的最晚阶段，冻土的退化在自然条件下可能依赖于由于至上的地下热流。多年冻土的地温剖面表现为零梯度曲且冰土温度接近于0℃，由此决定了多年冻土对人为活动干扰的敏感性。     

中德合作三江源区和甜水海地区多年冻土退化过程科学考察和研究进展

为准确了解青藏高原多年冻土退化过程及其环境效应,中国科学院寒区旱区环境与工程研究所和德国海德堡大学环境物理研究所共同组成科研小组,先后对我国三江源区、西昆仑甜水海地区进行了多年冻土退化过程的前期勘察研究工作.首次在人烟稀少的玉树-不冻泉沿线等地建立了3个长期综合观测研究站.在技术手段上,除应用常规的坑探、水土取样、水分现场观测、地面调查外,主要应用了最新的双天线、多回路探地雷达勘测技术,对不同地貌条件下的活动层结构特征、上限附近冻土结构、冷生组构等诸多方面进行了快速勘察,同时还进行了水分场分布规律、盐份迁移过程的初步研究.研究结果表明:地表景观特征对热质迁移规律、地温场具有重要影响;青藏高原新疆甜水海地区的低温(<-4℃)冻土与高原东部和腹地的高温(>-1℃)冻土在地质背景和地下冰发育情况等方面有所区别;甜水海地区生态环境在过去30多年的时间里已发生重大改变:地表植被发生大面积退化,地表普遍发生不同程度盐渍化;在该地区发现大量小型冻胀丘、石环等冰缘现象的存在.探地雷达勘察结果显示,地表地貌单元、植被分布、地表水分条件的变化均对多年冻土上限变化和地下冰的赋存产生重要影响.     

下边界条件对多年冻土温度场变化数值模拟的影响

在气候变暖背景下,北半球多年冻土呈现不同程度的退化趋势,冻土升温、活动层增厚、地下冰消融改变了区域工程地质条件、地形地貌,不仅对寒区环境和工程稳定性造成潜在的威胁,还影响着这些地区的气候、水文和生态过程.因此,准确评估和预估多年冻土热状况的变化具有重要科学和实践意义.现有用于模拟多年冻土热状况的各类模式重点考虑了近地表...     

青藏高原通天河盆地的多年冻土分布特征及其融区的发展趋势

青藏高原腹部地带的通天河盆地,具有高海拔、低气压、气候严寒多变、冻结期长等特点,理应是多年冻土发育之地区。但事实并非如此,而是融区分布范围相当广泛,就多年冻土区中,也存在着局部的岛状融区。并且这里的多年冻土,以年平均地温高、厚度薄、不稳定、无厚层地下冰等特征而区别于邻区。 形成这样广泛的融区并非偶然,笔者认为除地形、地貌、岩性特征,严寒多变的气候,地表光秃粗糙,河床宽浅等条件有关外,主要则是区域性的地壳构造活动所致。因在融区的形成和发展过程中,直接起控制作用的是地温,而地温又主要取决于地壳内部的地热,及地壳外部的气候条件这两个因素。同时,根据现有资料的分析,笔者认为此融区今后发展的总趋势是缩小(退化)。     

小兴安岭地区黑河-北安段多年冻土分布特征

对于寒区公路工程，查清冻土工程地质条件是至关重要的，利用地质雷达和探孔来研究多年冻土的分布，为路基设计和处理提供依据，研究结果表明，黑北段分布有17段岛状年冻土，总长度为3．165km，主要分布于沼泽化湿地、泥炭层和草炭层极为发育低洼地带、多年冻土上限约1．5－2．0m，多年冻土厚度3－6m，主要发育有多冰冻土、富冰冻土、饱冰冻土，多年冻土地温较高，热稳定性较差，多年冻土处于强烈的退化状态。     

兰州马衔山多年冻土区地表能量平衡特征分析

利用兰州马衔山多年冻土区2010年7月1日到2011年6月30日的气象资料, 采用气象梯度法计算了该地区的感热通量和潜热通量, 结合净辐射分析了该地区的地表能量平衡特征.结果表明: 马衔山多年冻土区净辐射呈现明显的年变化特征, 净辐射值较青藏高原西大滩地区略大, 而较唐古拉地区小; 净辐射冬春季主要转化为感热, 而夏秋季主要转化为潜热, 这一特点与青藏高原唐古拉和西大滩地区类似; 潜热年平均值略大于感热年平均值, 这与马衔山多年冻土区沼泽湿地的保护作用及充足的水分条件有关.此外, 地下冰的存在有效地保护了该地区的多年冻土.     

浅基岩埋深条件下多年冻土的瞬变电磁法探测研究

瞬变电磁法（TEM）在青藏高原、东北等地区的多年冻土调查中取得了较好的应用效果,但局限于松散沉积层较厚情形,在基岩埋深较浅条件下探测多年冻土基本处于空白。兰州马衔山多年冻土具有分布范围小、温度高、基岩埋深浅的特点,是应用TEM探测浅基岩埋藏条件下多年冻土分布的理想地区。以马衔山多年冻土为主要研究对象,以季节冻土为对照研究了瞬变电磁响应特征,结合区域构造特征、地层露头、钻孔岩心、地温监测数据等信息,论证并探讨了TEM应用于浅基岩埋深时对多年冻土的探测效果。结果表明：马衔山多年冻土分布受构造断裂形成的低阻带控制,下部为负温岩层,实际分布面积为0.11 km²;TEM应用于浅基岩埋深的多年冻土勘探时更多的对地下岩层做出响应,可结合地质、地貌、水文、植被等信息,利用多年冻土的特点和电阻率的变化情况来判断多年冻土的分布范围;当基岩埋深特别浅时可以与探地雷达、钻孔等其他手段联合反演,从而准确地识别多年冻土与下伏基岩。     

青海祁连山冻土区发现天然气水合物

祁连山冻土区位于青藏高原北缘,多年冻土面积约10×10~4km~2,具有良好的天然气水合物形成条件和找矿前景.2008～2009年间中国地质调查局在青海省天峻县木里煤田聚乎更矿区施工"祁连山冻土区天然气水合物科学钻探工程",迄今共完成钻探试验井4口,总进尺2059.13m,分别在DK-1、DK-2和DK-3钻井中钻获天然气水合物实物样品,取得了找矿工作的重大突破.天然气水合物产于冻土层之下,埋深133～396m.水合物呈白色、乳白色晶体,点火能燃烧,红外热像仪测温后呈明显的低温异常,放进水里强烈冒泡,水合物分解后能不断冒出气泡和水滴,并残留下特征的蜂窝状构造.激光拉曼光谱仪检测呈现特征的水合物光谱曲线,测井曲线也具有较明显的高电阻率和高波速标志.祁连山天然气水合物具有冻土层薄、埋深浅、气体组分复杂、以煤层气成因为主等明显特征,是一种新类型水合物.这是我国冻土区首次钻获的天然气水合物实物样品,也是全球首次在中低纬度高山冻土区发现天然气水合物实物样品,具有重要的科学意义和经济意义.     

Gas Hydrates in the Qilian Mountain Permafrost, Qinghai, Northwest China

Qilian Mountain permafrost, with area about 10×104 km2, locates in the north of Qinghai-Tibet plateau. It equips with perfect conditions and has great prospecting potential for gas hydrate. The Scientific Drilling Project of Gas Hydrate in Qilian Mountain permafrost, which locates in Juhugeng of Muri Coalfield, Tianjun County, Qinghai Province, has been implemented by China Geological Survey in 2008–2009. Four scientific drilling wells have been completed with a total footage of 2059.13 m. Samples of gas hydrate are collected separately from holes DK-1, DK-2 and DK-3. Gas hydrate is hosted under permafrost zone in the 133–396 m interval. The sample is white crystal and easily burning. Anomaly low temperature has been identified by the infrared camera. The gas hydrate-bearing cores strongly bubble in the water. Gas-bubble and water-drop are emitted from the hydrate-bearing cores and then characteristic of honeycombed structure is left. The typical spectrum curve of gas hydrate is detected using Raman spectrometry. Furthermore, the logging profile also indicates high electrical resistivity and sonic velocity. Gas hydrate in Qilian Mountain is characterized by a thinner permafrost zone, shallower buried depth, more complex gas component and coal-bed methane origin etc.     

中国天山西部那拉提山地区多年冻土分布特征

那拉提山位于中国天山西部, 其冻土变化过程对区域自然环境变化、 工程活动产生重要互馈作用. 结合即将修建的新疆伊(宁)-库(车)输电线路前期的冻土勘察结果, 对那拉提山地区冻土分布特性、 主要影响因素等进行了探讨. 结果表明: 那拉提山地区冻土分布属于典型的山地多年冻土, 冻土发育区域、 冻土类型和地下冰空间发育特征及冻土温度状况等主要受到海拔、 地形地貌、 地表水分条件等因素的影响和控制. 同时, 该地区大量发育有泥流阶地、 泥流舌、 热融滑塌、 石环、 石河等冰缘现象. 受坡向、 植被、 水分等因素影响, 区域内冻土活动层厚度为0.7~4.5 m, 随着海拔增加, 冻土厚度由阳坡连续多年冻土下界(海拔3 000 m)附近的约20~22 m增加到海拔3 300 m附近的约70~100 m. 自1985年以来, 区域年平均气温上升(约0.088℃·a^-1), 该区域内的冻土退化趋势明显.     

Permafrost and taliks and their changes on the south and north banks of the Tuotuo River in the Qinghai-Tibet Plateau under the climate warming北大核心CSCD

The distribution of permafrost and taliks is very complex in the Tuotuo River Basin(TRB), which is located in interior of the Qinghai-Tibet Plateau. Characterizing the spatial distribution and the thermal stability of permafrost and taliks is of great significance to community activities and engineering construction in TRB. Based on the zonation of permafrost and talik distribution around TRB conducted in the 1980s, the soil temperature and its variation process of permafrost and taliks in the south and north banks of the Tuotuo River were analyzed by using the observation data of five boreholes(N1~N5)along the Qinghai-Tibet Railway in the north bank and five boreholes(S1~S5)on the first terrace in the south bank. The results showed that, under the climate warming, permafrost and taliks in the north banks experienced significant degradation and warming process. From 2005 to 2020, the permafrost at the N1 borehole has undergone a significant down-draw degradation process, from extremely unstable and high-temperature permafrost to thawed zone. From 2005 to 2013, the annual average ground temperature of the talik at N2 increased at a rate of 0. 3~0. 4 °C·(10a)-1. At Maqutang on the south bank, permafrost prevails from the first-class terrace to the gentle slope of the Kaixinling Mountain, with both through and non-through taliks on the first-class terrace. The spatial distribution and the thermal stability of permafrost and talik in the TRB are further promoted by analyzing the changes in temperatures at boreholes in the basin. However, to meet the requirements of mapping and engineering construction of permafrost and taliks in the TRB, it is still necessary to carry out geological investigation with multiple methods and in-depth research on development mechanism of taliks in the future. © 2022 Nanjing Forestry University. All rights reserved.     

Growth behavior and resource potential evaluation of gas hydrate in core fractures in Qilian Mountain permafrost area,Qinghai-Tibet Plateau

The Qilian Mountain permafrost area located in the northern of Qinghai-Tibet Plateau is a favorable place for natural gas hydrate formation and enrichment, due to its well-developed fractures and abundant gas sources. Understanding the formation and distribution of multi-component gas hydrates in fractures is crucial in accurately evaluating the hydrate reservoir resources in this area. The hydrate formation experiments were carried out using the core samples drilled from hydrate-bearing sediments in Qilian Mountain permafrost area and the multi-component gas with similar composition to natural gas hydrates in Qilian Mountain permafrost area. The formation and distribution characteristics of multi-component gas hydrates in core samples were observed in situ by X-ray Computed Tomography (X-CT) under high pressure and low temperature conditions. Results show that hydrates are mainly formed and distributed in the fractures with good connectivity. The ratios of volume of hydrates formed in fractures to the volume of fractures are about 96.8% and 60.67% in two different core samples. This indicates that the fracture surface may act as a favorable reaction site for hydrate formation in core samples. Based on the field geological data and the experimental results, it is preliminarily estimated that the inventory of methane stored in the fractured gas hydrate in Qilian Mountain permafrost area is about 8.67×10¹³ m³, with a resource abundance of 8.67×10⁸ m³/km². This study demonstrates the great resource potential of fractured gas hydrate and also provides a new way to further understand the prospect of natural gas hydrate and other oil and gas resources in Qilian Mountain permafrost area.©2023 China Geology Editorial Office.     

祁连山冻土区天然气水合物气体组分的气相色谱法测定

建立了气相色谱法测定祁连山冻土区天然气水合物C1-C5气体纽分的分析方法,对比研究了单点法与多点法校正、外标法与外标归一化法定量。以及顶空法与排水法2种气体收集方式的区别。结果表明：顶空法制备、单点法校正、外标归一化法定量计算为气相色谱法测定天然气水合物气体组分的最佳方法。方法相对标准偏差（ILSD）为0-1．06％,检出限为0．0003％-0．0127％。通过对祁连山冻土区DK一2孔10个天然气水合物样品的测定,发现C,含量为60．64％-78．76％,C：含量为8．99％-13．60％,C3含量为6．58％-21．24％,C4和C5含量较少,可见c,气体组分含量丰富,具有较低的C1／C2＋比值（1．5-3．7）,显示出明显的热解气特征。关键词：祁连山冻土区;天然气水合物：气体组成;气相色谱法     

昆仑山隧道冻融特征分析

从分析昆仑山隧道渗漏水地形特征入手,得出沟谷地形是多年冻土隧道渗漏水的原因,重新定义移动边界概念,提出产生移动边界特征的充要条件,为进一步认识多年冻土提供了理论依据。引入移动边界计算模型,分析了计算参数的取值原则,采用有限元技术,利用该模型计算和预测冻土的融化深度,并将计算结果与工程实际进行比较,最后得出昆仑山隧道冻融区的变化规律,为隧道病害治理提供了可靠途径。