青藏高原多年冻土区热融滑塌发育特征及规律

在全球气候变暖和高原多年冻土持续退化的背景下,青藏高原多年冻土区热融滑塌现象普遍发育,其形成不仅影响区域生态环境,还可能威胁工程构筑物的稳定性。本文在多年野外调查工作的基础上,结合遥感及历史气象资料对青藏高原多年冻土区热融滑塌的诱发因素、分布特征及演化过程进行了分析。结果表明：冻土活动层滑脱的发生是诱发青藏高原多年冻土区热融滑塌的主要因素,其次为工程扰动和湖水的热侵蚀;活动层滑脱型热融滑塌的发育过程主要包括冻土活动层滑脱的发生、后缘坍塌后退及坡面泥流的形成等三个阶段,热融滑塌形成以后其溯源侵蚀过程将持续数年甚至十几年直到后缘位置地下冰含量明显减少或者消失为止;在空间分布方面,热融滑塌更倾向于分布在坡度较为平缓（3°~8°）的丘陵山地及山麓区域的阴坡一侧;近年来青藏高原多年冻土区热融滑塌呈剧烈增多的趋势,且这种骤增现象主要发生在有极端气温出现的特殊年份,并不是均匀的分布在每一年。研究成果对未来青藏高原工程规划、资源开发及环境协调发展具有重要的指导意义。     

基于地貌分类对祁连山大通河源区多年冻土地下冰储量估算

多年冻土地下冰作为一种特殊的存在形式, 对高原生态、 冻土环境以及冻土工程建设等都有深刻影响, 但是目前对于青藏高原地下冰储量的研究很少。以祁连山中东部大通河源区为例, 基于源区地貌分类、 冻土分布等研究, 利用源区多年冻土钻孔数据和公路地质勘测资料, 在水平和垂直两个方向上估算了多年冻土层地下冰储量。计算表明： 大通河源区多年冻土层2.5~10.0 m深度范围内地下冰总储量为（11.70±7.24） km³, 单位体积含冰量为（0.396±0.245） m³。其中冰缘作用丘陵和冰缘湖沼平原等地貌区含冰量较高, 而冰缘作用台地、 冲积洪积平原则含冰量较低。在垂向上多年冻土上限附近含冰量最高, 并随深度增大而缓慢减小。随着未来气候变暖、 多年冻土退化以及环境变化, 准确把握多年冻土区地下冰储量和分布特点对生态、 水文地质、 地质灾害预估、 冻土工程建设具有深远意义。     

青藏高原热喀斯特湖演化及其对多年冻土的热影响模型计算研究北大核心CSCD

青藏高原热喀斯特湖分布广泛,近年来在气候变暖背景下快速发展。热喀斯特湖的形成和发展与地下冰含量及气候变化有着密切关系,强烈影响多年冻土的热稳定性。为了更深入理解在气候变暖背景下热喀斯特湖的发展及其对下伏多年冻土的影响,以青藏高原北麓河地区一个典型热喀斯特湖的长期监测数据为资料,发展了耦合大气—湖塘—冻土三个过程要素的一维热传导模型,模拟了四种不同深度热喀斯特湖在气候变暖背景下的发展规律及其对多年冻土的热影响。结果表明:浅湖(<1.0m)在目前稳定气候背景下处于较稳定状态,湖冰能够回冻至湖底,对下伏多年冻土影响较小;较深湖塘(≥1.0m)冬季不能回冻至湖底,湖深不断增加,且底部在50年内将会形成不同深度的融区。随着气候变暖,热喀斯特湖的热效应显著,深度快速增加,较深湖塘的最大湖冰厚度减小,底部多年冻土快速融化形成开放融区。研究将有助于理解气候变化对青藏高原多年冻土区地貌演化及水文过程的影响。     

青藏高原多年冻土层中地下冰储量估算及评价

过去几十年来,沿青藏公路/铁路多年冻土区已经完成了数千个钻孔的钻探工作.经过仔细筛选,对其中的697个钻孔剖面的地下冰分布状况和其中9261个重量含水量的分布特征进行了分析.在水平方向上,依据地下冰的分布特征,把青藏公路/铁路沿线的多年冻土划分成少冰冻土、多冰冻土、富冰冻土、饱冰冻土和含土冰层5个含冰量类别,并详细统计了各类冻土沿公路所占里程.在垂向上,将每个钻孔划分出3个深度段:即多年冻土上限以下1m范围内、上限下深1～10m段及上限下10m以下段,统计了各深度地下冰储量.青藏公路沿线多年冻土的平均厚度为38.79m,平均含水量为17.19%,据此初步估算出青藏高原多年冻土区地下冰的总储量为9528km3.     

青藏高原腹地各拉丹冬南北坡多年冻土考察初步结果

青藏高原唐古拉山南北两侧在地形地貌、地理和气候特征上存在显著差异,多年冻土的发育状况和特征也明显不同。受第二次青藏高原综合科学考察研究等项目资助,多年冻土对亚洲水塔的影响专题考察分队分别于2019年和2020年的10—11月对唐古拉山各拉丹冬南侧的色林错上游扎加藏布源区（简称“湖源区”）和北侧的长江上游沱沱河源区（简称“江源区”）进行了多年冻土野外考察。利用钻探、坑探、地球物理勘探等方法对多年冻土的分布边界、多年冻土剖面的地层、地下冰等特征进行了描述和取样,同步构建了多年冻土温度和活动层水热观测网络,为多年冻土对亚洲水塔影响的机理分析、数值模拟以及情景预估提供数据保障。对野外调查资料的初步分析认为,各拉丹冬南北两坡地层沉积类型和地下冰赋存状态存在明显差异,北坡多年冻土的热稳定性、地下冰含量、冰缘地貌类型多样性均高于南坡,但由于受到构造地热、河流融区等多种因素的影响,北坡的冻土分布形式更为复杂。江源区100 m钻孔剖面揭示了连续分布的、厚度大于50 m的地下冰;在该区域发现了多年生冻胀丘分布群,并利用钻探和地球物理勘探方法对该区域规模最大、结构最完整的冰核型冻胀丘进行了较为系统的勘察剖析。两次野外调查工作共采集钻孔岩心、表层土壤、冰水等各类样本近1.2万件,为后期区域冻土理化指标分析,冻土环境化学、古气候环境研究的开展奠定基础。     

青藏高原多年冻土区热喀斯特湖环境及水文学效应研究

结合国际冻土研究的热点问题和青藏高原脆弱生态环境可持续发展的需求,针对多年冻土退化过程中趋于加剧的热喀斯特现象,及其因融穿冻土、造成区域地下水位的改变而诱发的生态环境影响,在国家自然科学基金重点项目支持下开展"青藏高原多年冻土区热喀斯特湖环境及水文学效应"研究。项目主要通过遥感分析及野外调查,分析气候变化和工程活动影响下的青藏工程走廊内热喀斯湖时空分布规律,评价其生态环境效应;选取热喀斯湖广泛发育区域,调查其发育条件、规模和几何分布特点,揭示典型热喀斯特湖影响因素变化、水热状况等,通过水文学、同位素示踪试验等阐明热喀斯特湖与地下水之间的转换关系;结合抽水疏干试验进行热喀斯特湖对区域地下水位影响分析,并通过数值模型及模拟,依热喀斯特湖发育不同阶段、规模,分析其对区域冻土、水文条件及生态环境的影响。研究成果将有助于区域性冻土生态环境演化准确评价及趋势预测,以及深入理解诸如江河源多年冻土区水文状况演化影响因素,及其相应的生态环境响应机制。     

基于SBAS-InSAR技术的西大滩——昆仑垭口地区多年冻土形变分析

多年冻土活动层内部冰-水相变会导致多年冻土地表出现季节性的冻胀和融沉,而其上限处地下冰融化将引起地表的长期沉降,因此揭示地表形变的季节和长期变化规律可为多年冻土变化研究提供新的视角和方法。本文以青藏高原多年冻土区北界(西大滩—昆仑垭口)为研究区,利用C波段降轨Sentinel-1数据,采用SBAS-InSAR技术获取该地区多年冻土2014—2020年的地表形变时间序列结果,并基于长期形变速率和季节性形变量探讨了该地区的多年冻土形变规律。结果表明:在多年冻土北界西大滩沟谷地区,不连续多年冻土区形变空间差异较大,多年冻土区的长期沉降速率和季节性的形变量高于季节冻土区。此外,高温多年冻土地表沉降比低温多年冻土更为显著,形变空间分布特征与地貌单元紧密联系。与西大滩谷地相比,昆仑山垭口地区和楚玛尔河高平原区域的长期形变速率与季节性形变量都明显增大。同时热融湖塘的形成过程与地表形变有着直接的关联,在热融湖塘发展早期,地下冰融化使得区域季节性形变量增大,随着热融湖塘扩张,区域长期沉降速率加剧,热融湖塘进一步发展后,区域季节性形变量可能降低。     

东北多年冻土退化及环境效应研究现状与展望

东北多年冻土属中高纬度多年冻土,对气候变化非常敏感。数据模型模拟表明,21世纪东北多年冻土区气温会持续上升,显著的变暖将导致多年冻土退化。东北多年冻土呈现自南向北的区域性退化趋势,多年冻土区南部表现为南界的北移、融区的扩大和多年冻土的消失,而北部表现为多年冻土下限的上移、活动层厚度增大及地温升高等。多年冻土的退化会导致寒区生态环境的恶化,如兴安落叶松占绝对优势的天然林带锐减,林带北移,沼泽湿地萎缩等。随着多年冻土的迅速退缩和变薄,原多年冻土中蕴藏的碳将释放出来,对气候变化产生积极的正反馈,加速变暖,并影响全球碳循环。多年冻土退化导致其热状态失稳而造成寒区基础设施损坏,并且影响冻土微生物、碳循环、寒区生态和水文等,而它们是区域气候变化的重要因子,也将成为未来多年冻土研究的重点。而这些研究都需要长期的基础数据作支撑,因此需要进一步完善冻土参数监测网络,用模型厘清气候变化与多年冻土退化及其环境效应之间的关系。     

多年冻土上限附近厚层地下冰成因探讨

冰是地球上一种质量最轻、融点最低、最后分异而成的表生矿物。地面以下的冰体,不论其成因、形状、分布,均称为地下冰。 地下冰的存在和相变,影响着地层的生物化学作用和冻土的物理力学性质。地下冰往往引起冻土产生各种不良物理地质现象,严重地危胁着冻土区建筑物的安全与稳定。特别是多年冻土上限附近的厚冰层危害最大。本文仅就上限附近的厚层地下冰问题,谈谈粗浅看法。     

青藏公路沿线热喀斯特湖分布特征及其热效应研究

热喀斯特湖的出现和发育是多年冻土变暖的指示器,研究热喀斯特湖发育及其热效应是应对青藏高原气候变化和人类活动诱发冻土灾害的基础工作.基于SPOT-5卫星影像资料,在ArcGIS平台下解译遥感影像,获取了青藏公路沿线楚玛尔河至风火山段热喀斯特湖的数量和分布特征,这些热喀斯特湖以楚玛尔河高平原和北麓河盆地为主要分布区,且80％发育于高含冰量多年冻土区.热喀斯特湖通过竖向和侧向2种传热方式影响多年冻土,竖向传热会造成其下部多年冻土融穿,侧向传热会造成湖岸多年冻土增温,扩大热影响范围.通过北麓河地区一典型热喀斯特湖的数值计算,湖全年都在向湖岸放热.当热喀斯特湖离路基较近,将会对公路产生潜在或者直接的危害,其侧向热侵蚀往往会导致冻土路基温度升高,诱发路基病害.     

Thermal hazards zonation and permafrost change over the Qinghai–Tibet Plateau

The Qinghai–Tibet Plateau is the largest permafrost region at low latitude in the world. Climate warming may lead to permafrost temperature rise, ground ice thawing and permafrost degradation, thus inducing thermal hazards. In this paper, the ARCGIS method is used to calculate the changes of ground ice content and active layer thickness under different climate scenarios on the Qinghai–Tibet Plateau, in the coming decades, thus providing the basis for hazards zonation. The method proposed by Nelson in 2002 was used for hazards zonation after revision, which was based on the changes of active layer thickness and ground ice content. The study shows that permafrost exhibits different degrees of degradation in the different climate scenarios. The thawing of ground ice and the change from low-temperature to high-temperature permafrost were the main permafrost degradation modes. This process, accompanied with thinning permafrost, increases the active layer thickness and the northward movement of the permafrost southern boundary. By 2099, the permafrost area decreases by 46.2, 16.01 and 8.5% under scenarios A2, A1B and B1, respectively. The greatest danger zones are located mainly to the south of the West Kunlun Mountains, the middle of the Qingnan Valley, the southern piedmont of the Gangdise and Nyainqentanglha Mountains and some regions in the southern piedmont of the Himalayas. The Qinghai–Tibet Plateau permafrost region is in the low-risk category. Climate warming exacerbates the development of thermal hazards. In 2099, the permafrost region is mainly in the middle-risk category, and only a small portion is in the low-risk category.     

Natural gas hydrates in the Qinghai-Tibet Plateau: Characteristics,formation, and evolution

The Qinghai-Tibet Plateau (also referred to as the Plateau) is the largest area bearing alpine permafrost region in the world and thus is endowed with great formation conditions and prospecting potential of natural gas hydrates (NGH). Up to now, one NGH accumulation, two inferred NGH accumulations, and a series of NGH-related anomalous indicators have been discovered in the Plateau, with NGH resources predicted to be up to 8.88×10¹² m³. The NGH in the Qinghai-Tibet Plateau have complex gas components and are dominated by deep thermogenic gas. They occur in the Permian-Jurassic strata and are subject to thin permafrost and sensitive to environment. Furthermore, they are distinctly different from the NGH in the high-latitude permafrost in the arctic regions and are more different from marine NGH. The formation of the NGH in the Plateau obviously couples with the uplift and permafrost evolution of the Plateau in spatial-temporal terms. The permafrost and NGH in the Qilian Mountains and the main body of the Qinghai-Tibet Plateau possibly formed during 2.0–1.28 Ma BP and about 0.8 Ma BP, respectively. Under the context of global warming, the permafrost in the Qinghai-Tibet Plateau is continually degrading, which will lead to the changes in the stability of NGH. Therefore, The NGH of the Qinghai-Tibet Plateau can not be ignored in the study of the global climate change and ecological environment.©2021 China Geology Editorial Office.     

青藏高原北麓河地区原状多年冻土导热系数的试验研究

取自青藏高原北麓河试验段的原状冻土, 利用 QL-30 热物性分析仪测定原状冻土的导热系数. 结果表明: 原状冻土和重塑土的导热系数变化规律存在着较大差别. 对于浅部冻土层, 气体体积含量和含冰量是影响原状冻土导热系数的控制因素; 而对于地下冰层, 冰是控制其导热系数的最重要因素, 气体体积含量的大小也对其导热系数有影响. 对于深部强 全风化泥岩, 气体体积含量控制着它的导热系数的大小.     

青藏高原气候转暖与冻土工程的关系

工程作用和气候转暖影响加剧了工程下部多年冻土的退化,导致冻土工程稳定性发生显著变化.本文从气候转暖和工程活动下多年冻土变化和冻融灾害的视角探讨了气候转暖与工程稳定性的关系,给出了青藏高原气候转暖下活动层厚度、冻土温度等变化和青藏公路和青藏铁路工程下部多年冻土上限、冻土温度和路基变形等特征.同时,系统梳理了青藏高原冻土工...     

青藏高原热融湖横向扩张速率对湖下融区发展影响的数值模拟

热融湖是高纬度和高海拔富冰多年冻土区重要的自然景观。这些湖由于富冰多年冻土或地下冰的融化而形成,由于湖水向周边多年冻土传递热量而持续扩张。以青藏高原北麓河地区一个热融湖的信息和冻土监测资料为基础,运用柱坐标系下伴有相变的热传导模型模拟了以不同的横向扩张速率演化的热融湖湖下融区的发展过程。结果表明：在青藏高原多年冻土厚度为75 m的北麓河盆地,分别以横向扩张速率0.10 m·a^-1、0.15 m·a^-1、0.20 m·a^-1和0.25 m·a^-1演化的热融湖,在湖形成分别达760 a、703 a、671 a和652 a时,湖下形成贯通融区,相应的多年冻土从上向下融化的平均速率分别为8.22 cm·a^-1,8.89 cm·a^-1,9.31 cm·a^-1和9.74 cm·a^-1。热融湖的横向扩张速率对湖下的融区发展和土壤热状况有重要的影响,在现场调查资料的基础上选取正确的热融湖横向扩张速率是热融湖对多年冻土热状况作用数值模拟研究的必要前提。     

青藏高原多年冻土区地下水及其变化

青藏高原的高海拔多年冻土的分布格局及其动态变化、季节冻结融化作用与地下水的补给、径流和排泄关系密切,对各种尺度的水文地质环境具有控制或重要影响。作为一个隔水层或弱透水层,冻土层在地下水形成、演化、运移和水动力过程方面具有抑制作用,从而对地下水的分布、动态和水循环产生重要影响。而且,冻土可通过其中的水分迁移、冰分凝和地下冰结构重组等方式,形成和改变地下冰储量及地下水动静储量,调节水文地质循环。气候变暖显著和人类活动日益增加,冻土退化显著,已经普遍影响到了高原冻土生态水文地质环境,并引发了一系列水文（地质）、生态和环境问题,亟待系统、长期和细致的观测、试验和模型研究。     

青藏铁路主要冻土路基工程热稳定性及主要冻融灾害

在介绍青藏高原多年冻土退化背景及其工程影响的基础上,通过主要冻土路基现场监测和沿线调查,对青藏铁路冻土路基2002年以来的地温发展过程、热学稳定性及次生冻融灾害进行了分析。结果表明：青藏铁路自2006年通车后冻土路基整体稳定,列车运行速度达100 km/h,达到设计要求,但不同结构路基的热学稳定性不同,采取＂主动冷却＂方法的路基稳定性显著优于传统普通填土路基。管道通风路基、遮阳棚路基及U型块石路基冷却下伏多年冻土的效果显著,块石基底路基左右侧对称性较差,而处于强烈退化冻土区和高温冻土区的普通路基热稳定性差,需结合路基所在区域局地气候因素予以调整或补强。以热融性、冻胀性及冻融性灾害为主的次生冻融灾害对路基稳定性存在潜在危害,主要表现为路基沉陷、掩埋、侧向热侵蚀等,其中目前最为严重的病害是以路桥过渡段沉降为代表的热融性灾害。     

青藏工程走廊典型热融灾害现象及其热影响研究

在全球变暖及人类工程活动的影响下,青藏工程走廊内的热融灾害普遍发育。研究走廊内各类热融灾害的发育现状及其对多年冻土的热影响对今后的工程规划和冻土环境保护具有一定的指导意义。本文通过大量的野外调查工作,总结了走廊内热融灾害的类型及其发育现状,并选取3种典型热融灾害进行现场地温监测,分析其对多年冻土的热影响方式和程度。研究结果表明:3种热融灾害对其发育区域及附近的多年冻土都产生了巨大的热影响,热融滑塌和热融沟主要影响浅层的地温状况,而热融湖塘的影响范围更大,其发育甚至会导致湖塘下部形成多年融区。此外,侧向热流计算结果表明,3种热融灾害全年都在向其周边的多年冻土放热,通过对比发现热融湖塘的侧向热侵蚀能力最强,其次是热融沟,侧向热侵蚀最小的是热融滑塌。