大通河源区的冻融作用与生态环境效应.docx

大通河源区的冻融作用与生态环境效应冻融作用是高寒冻土地区最为普遍和常见的外动力地质作用，其强弱直接影响着高寒冻土地貌的景观特征、土壤质地和生态环境。尤其是在煤炭开发1 -2、建筑施工、过度放牧等各种人为因素的影响下，多年冻土层开始融化，上覆土层在土体自重及外力作用下产生沉陷、滑塌等，对周边环境造成损害。有关青藏高原冻融作用的类型和成因，已有不少学者进行过相关研究，取得了一系列成果3 -11.而针对大通河源区冻融作用的研究甚少。本文在野外调查和室内分析的基础上，对该区冻融作用的类型和动力条件及其环境效应进行研究，为保护脆弱的高寒冻土生态环境提供参考和依据。1 研究区概况大通河源区地处青藏高原东北部边缘，由大通山北坡、拖来南山和大通河源谷地组成。大通河发源于青海省天峻县托来南山，由木里曲及唐姆尔曲等汇流而成，自西北向东南流经木里 - 江仓盆地，汇入湟水为黄河二级支流。主要支流有阿泽河、克克赛曲、江仓曲、甲日果日曲和聂赫作曲等，构成了以大通山、托来山为分水岭的枝状水系。干流总长554km,总流域面积达 15 133 km2.研究区属高原温带半干旱气候，多年平均气温- 0. 3 8. 0 ,多年平均降水量 467. 6 mm,接受大气降水、冰雪融水和地下水的补给，其中冰雪融水是主要补给源，水质良好，水资源丰富。区内平均海拔 3 800 4 100 m,现代冰缘地貌和多年冻土发育。依据成因、形态特征及物质组成，可划分为构造冰蚀角峰状高山、剥蚀堆积低山丘陵、剥蚀堆积冰川冰湖堆积高台地、山间波状冻土平原和河谷冲积带状平原等地貌类型（ 图 1） .地层自前寒武系至第三系均有出露，其中以中下寒武系最为发育，第四系地层以中更新统、上更新统的冰碛、冰水相沉积为主，并有下更新统的湖相地层及全新统的冲洪积、风积和沼泽沉积等。受自然地理条件的制约，区内广泛分布片状多年冻土（ 岩） ,约占全区面积的 80%.位于雪线以下至 3 800 m 之间，呈片状分布。实际调查证实，大通山、托来山、木里 - 江仓盆地均为片状多年冻土（ 岩） 分布区。仅大通河及其支流河床、热融湖塘湖底及构造富水带等存在局部融区。岛状多年冻土分布区，位于多年冻土边缘平均气温 -2. 4 以上的地带，呈岛状分布。多年冻土平均厚度约 30 60 m,最大厚度达百米以上，季节融化深度在 2 m 左右。源区北侧的拖来山是大通河流域和黑河流域的分水岭，受断层作用控制，呈 NW - SE 走向。南侧的大通山是大通河外流水系与青海湖内陆水系的分水岭，为 NWW - NW 向延伸的背斜褶皱12.2 冻融作用研究区气候恶劣，其特殊的自然地质环境，使得冻融作用强烈，主要表现为寒冻风化剥蚀作用，冻融滑移作用，冻胀 - 融沉作用等，对应于源区不同的地形条件和地貌单元，分别形成山顶寒冻风化剥蚀带；山坡冻融滑移带； 山前倾斜平原及河谷平原冻胀 -融沉带等几种地貌类型。冻融作用的类型和规模取决于活动层的土层特征、温度状况、含冰量变化、地形条件和植被特征等因素（ 图 2） .2. 1 寒冻风化剥蚀作用寒冻风化剥蚀作用是研究区最主要的外动力地质作用之一。主要分布在大通山、拖来山等海拔4 100 m 以上的基岩山地，由于基岩表面节理、裂隙中水分冻结，体积膨胀，导致岩体崩解破坏。崩解后形成的岩块、碎石在冻胀力、重力、风力、季节性水流等作用下，形成石河、倒石堆和岩屑坡等，自山脊向山谷延伸或围绕山峰呈环带状或条带状分布。本区主要的寒冻风化作用过程，如表 1 所示。图 3 显示的是大通山北坡基岩山顶在寒冻风化剥蚀等作用下形成的岩屑带，呈散体状结构，主要为碎石、岩块、岩屑等，自基岩山顶至坡脚，长达 200 m以上，厚度小于 1 m,山顶裸岩植被发育稀少。岩屑带碎石、岩块在向下运移的过程中，不断破坏高寒草甸，压覆植被，使地表粗糙化，改变原有的土地覆被状态。2. 2 冻融滑移作用冻土是一种对温度极为敏感的土体，随温度升高，其强度显著降低，土体融化后的强度与其冻结时的强度相比以几何数量级的尺度降低。源区山坡冻融滑移作用，主要表现为冻融蠕移、热融滑塌和融冻泥流。2. 2. 1 冻融蠕移冻融蠕移是冻融滑塌的初级阶段，是边坡土壤在冻胀融沉、干湿循环等作用下产生的比较缓慢的运动。当斜坡土壤发生冻胀时，土颗粒垂直于斜坡向上抬起，融化时沿重力方向下落。每经过一次冻融循环，斜坡上的土颗粒就从原来的位置向下移动一段距离（ 图 4） .此外，冻胀和融沉的交替进行，使土颗粒之间存在空隙，出现土体密度和强度降低的松弛现象，从而加大冻融蠕移的速度和规模。在地下冰发育的斜坡上，由于河流侵蚀或人为活动，使地下冰层或富冰土层出露，且不断融化，以多年冻土层上界为滑床，在冻结层上水和重力作用下，滑面上土层发生蠕滑，同时后缘出现拉裂，高寒草甸发生撕裂，压覆下部植被，在后期流水及其他外动力地质作用下，高寒冻土生态系统不断遭到侵蚀破坏。2. 2. 2 热融滑塌热融滑塌是热融蠕滑的进一步发展，塌落后的土体处于饱和、过饱和状态。冻结层上界提供了良好的滑动面，饱和、过饱和的岩土体在冻结层与土层间水的润滑作用下，顺着地下冰面或冻土层面往下滑动形成滑坡。滑坡进一步引起斜坡土体的开裂、坍塌和滑动，随温度变化，这种坍塌、滑动、再坍塌、再滑动周而复始地进行，直至滑坡前缘土体随排水、固结及地下冰融化面加深而趋于稳定.热融滑塌多发生在 10° 25°的斜坡 - 坡麓或沟谷谷肩地带以及无常年性流水的沟谷中，呈条状或带状分布。滑塌体一般长 30 250 m,宽 20 100m 不等（ 图 5） .2. 2. 3 融冻泥流融冻泥流多发生在粘性土组成的坡度较为平缓且有多年冻土发育的地段。每年4-10 月，气温升高，当表层地温超过 0 时，冰砾石层和冻土层开始融化，冻土结构破坏，上部融化土与下部多年冻土界面处形成滑动面，饱和融土在自重作用下沿融冻界面缓慢蠕动形成泥流，呈不规则的条带形，长 10 200m,宽 10 m.其组合物多为饱水的高寒草甸、泥炭土和砂砾石土混合物，蠕动后的滑动面多为无地表植被发育的光滑面。包括泥流阶地、泥流舌、鱼鳞状草皮等多种地貌类型。融冻泥流受季节变化的影响，具有间歇性，且通常规模较小、运动缓慢，但由于其分布范围广、稳定性差，在暴雨和地下水径流下会掩埋道路、破坏高寒草甸层等14 -17.2. 3 冻胀 - 融沉作用大通河源区山前倾斜平原及河谷平原冻融作用主要表现为点状分布的冰椎、冻胀丘和热融沉陷等。冰椎和冻胀丘多分布在多年冻土区地下水较丰富的山间凹地和山前河流阶地，且多在冬季发生。当冻胀自上而下进行时，地下水成为积压水，在冻结表层下汇集冻结，随积压增大，地面隆起，形成冻胀丘，当积压继续增大至地表破坏后，积水冻结形成冰椎。冻胀丘一般呈半圆 - 椭圆丘状，高出地面 10 20 cm,直径 40 80 cm,丘顶有时呈现 10 20 cm 的冻胀裂缝，分布均匀而致密，使整个地表凸凹不平。区内大通河干流、克克赛曲、江仓曲等河流阶地之上均有不同程度的发育。热融沉陷常见于多年冻土下限附近的沟谷底部、山前倾斜平原或河流两侧，此处厚层地下冰埋藏较浅、地势起伏不大18 -19.地表形态呈圆形和不规则椭圆形，直径数米至数百米不等，周边有同心环状拉张 - 弯曲裂缝发育，常与冻胀丘伴生（ 图 6） .3 生态环境效应大通河源区主要为多年冻土分布区，高寒冻土生态环境发育脆弱，一旦破坏很难恢复。冻融作用，尤其是热融滑塌、热融沉陷和融冻泥流会加剧高寒冻土生态环境的破坏。生态效应主要表现为如下。3. 1 高寒草甸破坏严重源区主要为片状多年冻土分布区，高寒草甸成土环境不稳定，冻融交替作用变化剧烈，昼夜温差通常达 10以上（ 图 6） .强烈的冻融作用，导致表土层土颗粒和有机质胀缩性不同，在一定坡度下，土壤层滑移剥离，使原本平坦的草甸形成大小不等的凹坑，破坏地表植被和土壤结构的完整性，在剥落物向下运移过程中，造成土壤、植被大面积的破坏20.调查发现，大通河源区大通山及托来山坡麓、山脚、山间谷地及低洼地带等均存在不同程度的植被压占、破坏等状况。3. 2 土地荒漠化趋势增强高寒严酷的自然环境使得区内生态环境显得十分脆弱，强烈的风蚀、水蚀和冻融交替作用，使源区土地荒漠化趋势增强。天然条件下，源区 90% 以上的降水集中在每年的 5-10 月，其余季节比较干旱；而大风则主要出现在每年的 12 月至次年 4 月。高寒草甸经过强烈地冻融剥离作用，水土流失严重，加之冬春季的大风，风蚀作用使各种成因形成的秃斑地不断扩大和连接，最终造成土地荒漠化趋势增强。3. 3 冻融灾害增多如前所述，源区主要为多年冻土分布区，冻融现象比较严重。受冻融作用的影响，多年冻土活动层稳定性差，土体结构松散，易造成厚层地下冰融化、热融沉陷、热融滑塌、融冻泥流、边坡滑塌等灾害； 岩屑坡、碎屑流、石河、倒石堆破坏地表植被，威胁道路交通安全、堵塞河道等； 此外还有局部由冻胀融沉作用引起的冰椎、冻胀丘、热融塌陷等冻融灾害，在本区虽然规模都比较小，运动速度缓慢，与其他类型的灾害相比，突发性和危害性程度较低，但是由于其分布范围广，类型也比较多，持续性危害广泛存在，需要引起足够的重视。而且，随着人类工程活动的增加，本区冻融灾害呈不断增加的趋势。3. 4 生态景观破坏冻融作用对源区的生态景观产生了重要影响：一方面，使源区冻土地貌呈现不同的生态景观，不同高程的地貌有垂直分带现象，自山脊而下依次为寒冻风化剥蚀带、冻融滑移带、冻胀 - 融沉带； 另一方面，使景观要素发生变化，导致景观斑块的比例结构发生变化，尤其是覆盖层厚度较薄或季节性冻融比较强烈，坡度又比较缓的斜坡上，易形成阶梯状或鱼鳞状草皮坡坎，改变了原有的地形地貌以及自然景观，导致生物多样性减少，生态系统功能下降。总之，上述冻融作用是高寒冻土环境特有的性质。他们一方面使高寒草甸遭到破坏，生态环境急剧恶化，草场退化、水土流失及生物多样性不断减少等，最终成为风蚀荒漠化的物源； 另一方面打破了源区多年冻土热平衡状态，导致建筑物地基失稳，路基变形甚至道路翻浆。如冬库煤矿至 S204 省道之间山前一带道路翻浆现象尤为严重。4 结论大通河源区冻融作用发育强烈，从山顶、山坡到山前倾斜平原和河谷平原地区，主要有寒冻风化剥蚀、冻融滑移、冻胀 - 融沉等作用参与，形成了山顶寒冻风化剥蚀带、山坡冻融滑移带、山前倾斜平原及河谷平原冻胀 - 融沉带等几种地貌类型，冻土地貌呈垂直分带规律。冻融作用是高寒冻土生态环境变化的主要驱动力，导致高寒草甸退化、土地荒漠化趋势增强、生态景观破坏和冻融灾害增多等，其中冻融滑塌、融冻泥流和冻融沉陷对区域生态环境的危害最大，尤其是随着人类工程活动的增加，这类灾害呈逐年增多的趋势，加强对冻融作用及其生态环境效应的相关研究是一项长期而艰巨的工作。