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四、我国多年冻土的主要特征
1.冻土的温度及厚度
冻土温度和厚度反映着冻土的发育程度,其值大小对评价建筑地基稳定性有着重要意义。多年冻土的温度和厚度是进行各类型建筑地基基础设计不可缺少的依据。
在介绍我国冻土的温度和厚度之前,先说明一下冻土温度和厚度的函义。
一定深度内的冻土温度,是随气温的变化而变化的。我们将某一深度处的地温在一年中变化幅度的一半称为地温年较差。随深度增加,地温年较差减小,到某一深度其值等于零。地温年较差等于零的深度,称地温年变化深度(图7)。此深度以上的地温一年中是变化的;此深度以下的地温进行着多年变化,它受长周期气候波动和来自地下深处的地中热流控制。
地温年变化深处的地温值称为冻土年平均地温。其值愈低,表明冻土稳定性愈大,冻土愈厚;相反,则冻土稳定性愈小,并且冻土厚度也薄。
前边介绍过,多年冻土地区,地表以下一定深度由每年夏季融化,冬天冻结,称季节融化层。季节融化层底板以下,终年处于冻结状态。季节融化层底板的埋藏深度,也称多年冻土上限。
多年冻土层的底部称作多年冻土下限,下限处的地温值为零度。下限以上为多年冻土;以下为融土。冻土上限和下限之间的距离为多年冻土厚度(见图7)。
冻土层的产生是大气圈与岩石圈热交换作用的结果。而影响二者之间热交换过程的自然因素,诸如地理纬度、海拔高度、气候、地表状况、植被、坡向、岩性、地质构造等,在整个自然中千变万化。因而冻土层的温度和厚度在整个冻土地区的变化也非常之大,可以说,找不到冻土温度和厚度完全相同的地方。但也不是说冻土温度和厚度完全杂乱无章,无规律可循。高纬度冻土及高海拔多年冻土,由于所在地理纬度不同,以及冻土形成过程中受控的主要因素不同,因而冻土在温度和厚度上反映的规律也不一样。
我国东北大小兴安岭多年冻土区,地处欧亚大陆冻土南缘,与苏联、北美冻土相比,这里的冻土温度高得多,厚度也薄得多。但它和苏联、北美多年冻土一样,其温度及厚度受纬度地带性制约。由冻土南界往北,冻土温度降低,厚度增大。冻土南界附近,年平均地温为0~℃,冻土厚度为5~~℃,冻土厚度增厚到50~℃,冻土厚度增加10~℃) 年平均地温
(℃) 冻土厚度
(米) 大块连续冻土
岛状融区冻土
岛状冻土 由南界向北 -5.0°
-5.0~°
-3.0~° -1.5~~~~~~℃,冻土厚度为120米;阴坡冻土温度1.9℃,阳坡为零度,冻土厚度阴坡比谷底减薄了40米,阳坡上冻土已近消退。
为什么大小兴安岭多年冻土区的地温低处普遍比高处低,并冻土厚度大呢?这是由于一系列地质地理因素综合影响的结果。其中具有普遍意义的因素,这是逆温层广泛分布。逆温的存在使得低处比高处气温低。大约每升高100米,气温升高0.5~℃。我们知道,现在存在的多年冻土,是地质历史时代寒冷气候时期而产生的。与冻土形成时期相比,今日气温大约高10℃左右,因而目前现存冻土正处在退化之中。自然,气温低的地方比气温高的地方冻土退化要慢些。经历漫长的地质历史过程,现存冻土表现出低处温度低,厚度大。其次,低洼地段及谷底,一般都有不同程度的沼泽化,同时植被茂密,泥炭苔藓层发育(与高处相比)。这些因素均有利于冻土保存,因此形成低处及谷底冻土退化慢于别处。年复一年,其结果表现出谷底冻土温度低,厚度大。就是同一谷地,因底部植被多少、苔藓泥炭层的发育及沼泽化程度的不同,冻土的温度和厚度在不同地段也有差异。
前面第二部分已经讲了,我国西部高山、高原的多年冻土,由于受海拔高度控制,其分布有明显的垂直地带性规律;反映多年冻土特征及发育程度的主要标志——冻土温度及厚度也同样表现出上述规律,即随海拔升高,冻土温度降低,厚度增大。对于高海拔多年冻土来说,上述规律是普遍存在的。但由于不同山地的具体地质地理条件不同,随海拔升高,冻土温度及厚度变化幅度也并非到处一样。
祁连山地区,在多年冻土下界附近(海拔3500~~~~~~℃。
表8 祁连山热水煤矿地区冻土温度、厚度、海拔关系
海拔(米) 3500 3700 3850 4050 冻土厚度(米) 20 30 60 90 冻土温度(℃) 0 -1.5
在天山,海拔大约每升高100米,冻土厚度可增加20米左右。天山莫托萨拉煤矿取得冻土厚度171米,是目前天山已知冻土厚度的最大值。
其它山地,如阿尔泰山、横断山、喜马拉雅山等,目前还没有冻土测温资料,随海拔升高,冻土温度及厚度如何变化还不得而知,但上述规律是肯定存在的。
大家知道,我国西部各山脉的走向基本上是近东西或北西——南东方向。如阿尔泰山、天山、祁连山、喜马拉雅山,以及青藏高原上的昆仑山、唐古拉山、念青唐古拉山等。由于山地接收太阳辐射热量南坡大于北坡,随纬度偏北,差异增大。由此产生了山地南、北坡冻土温度和厚度的不对称性。同一山地相同海拔高度
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