高考热点：冻土
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关于冻土的知识
什么是永久冻土？
在极地、亚极地地区和中低纬度的高山、高原，在强烈的大陆性气候条件下，气温极低，降水极少，地表无雪，形成0℃或0℃以下、含有冰的冻土层，称为多年冻土。
冻土随季节变化而周期性地解冻，如果冬季土壤冻结，夏季土壤完全融化，则称为季节性冻土。
季节性冻土示意图绘制 | 椰子皮
连续多年或至少连续三年处于冻结状态的土壤称为永久冻土。
永久冻土示意图 | 椰子皮
01
冻土分布
全球永久冻土总面积约3500万平方公里，占地球陆地面积的25%。
全球多年冻土分布图（红色圆圈：青藏地区的多年冻土）
北半球的冻土分布面积较大，俄罗斯和加拿大是冻土分布最广的国家。
我国多年冻土分布在东北北部、西北高山区和青藏高原。
我国冻土分布图
02
冻土厚度
多年冻土区的冻土分为两层，上层每年夏季融化，冬季冻结，称为活动层；下层终年冻结，称为多年冻土。
冻土层示意图 | 椰子皮
多年冻土厚度从高纬度到低纬度逐渐减小，甚至完全消失。【例如北极地区的多年冻土厚度超过1000米，年平均地温为-15℃，多年冻土顶部接近地面。向南，在连续多年冻土的南边界，多年冻土厚度减小到100米以下，年平均地温为-3~-5℃，多年冻土顶部埋藏较深。多年冻土的南边界大致在48°N附近，那里的年平均地温接近0℃，多年冻土厚度只有1~2米。】
多年冻土不仅从高纬度到低纬度逐渐变薄，而且由连续冻土带过渡到不连续冻土带，多年冻土不连续带由许多分散的冻土块组成，称为岛状冻土。
在中低纬度的高山、高原，冻土厚度主要受海拔控制。一般来说，海拔越高，地温越低，冻土层越厚，冻土顶埋深越浅。【海拔每上升100-150m，年平均地温下降1℃左右，冻土顶埋深减少0.2-0.3m】
虽然冻土厚度受纬度和海拔控制，但同一纬度和海拔高度的冻土厚度也有差异，这与其他自然地理条件有关。
1. 气候影响
大陆性半干旱气候更利于冻土的形成，而温暖湿润的海洋性气候则不利于冻土的发育。【欧亚大陆内部半干旱气候区的冻土南界（47°N）比北美地区冻土南界（52°N）更靠南，受海洋性气候的影响更大。另外，在同样的纬度和海拔条件下，大陆性半干旱气候区的冻土厚度大于海洋性气候区的冻土厚度。】
2 岩性影响
沙子的导热系数较大，且易透水，不利于冻土的形成。
粘土热导率低，不易透水，有利于冻土的形成。
泥炭的导热系数最低，最有利于冻土的发育。
3. 坡向和坡度的影响
坡向和坡度直接影响地表接收的太阳辐射热量。
阳坡日照时数较长，受热程度较阴坡为高，因此同一高度不同坡向的冻土深度、分布高度和地温都不同，冻土厚度也不同。【据观测，在昆仑山西大滩不同坡向的坡面上，相同高度和深度的阴坡地温比阳坡低2~3℃，阴坡的冻土厚度也较大，冻土分布下界比阳坡低100m。坡向对冻土发育的影响也随坡度的降低而减弱，如大兴安岭，当坡度为20~30°时，南北坡同一高度地温相差2~3℃。 随着坡度的减小，同一高度不同坡向的地温差异减小，冻土厚度差异也较小。
4. 植被和积雪的影响
冬季，植被和积雪阻止土壤热量散失。夏季，植被和积雪减少地面加热。因此，在有积雪和植被的地区，年地温差减小。【例如，在大兴安岭的落叶松和桦树林和青藏高原的高山草甸，与附近的裸地相比，年地表温差可减小4-5℃，多年冻土层的顶部深度变浅，多年冻土层厚度相对增加，活动层厚度相对减少】
03
冻土的结构
多年冻土区的冻土可分为两层：上层为活动层，夏季融化，冬季冻结，或白天融化，夜间冻结（也称交替层）；下层为多年保持冻结状态而不融化的多年冻土层。
活动层厚度随纬度和海拔的升高而减小，其冻融深度与每年冬季和夏季的气温有关。
一般来说，冬季活动层结冻时，可以与下方的冻土层相连。【若冬季气温较暖，活动层结冻时深度达不到冻土层顶部，则活动层与冻土层之间出现未冻结的融雪带。若次年夏季较凉，活动层融化深度较小，导致活动层下方出现冻土层。冻土层较薄，仅厚约10厘米，可持续一年至数年。当某一年夏季较暖时，活动层融化更深，冻土层消失。】
绘制永久冻土活动层的变化图 | 椰子皮
永久冻土通常具有多层结构，其中冻结层和解冻区交替出现。
永久冻土结构特征测绘 | 椰子皮
每年深秋时活动层自地表向下冻结时，底部的冻土起着屏障作用，导致中间未冻结的融雪带（含水土层）受到冻结层的挤压而发生塑性变形，形成大小不一、形状各异的弯曲结构，这种现象称为冻融扰动结构（或冰卷泥）。
冰卷泥示意图绘制 | 椰皮
04
冻土热状态
永久冻土的热状态因自然地热增温和气温的影响而变化。
地温由地表至地下逐渐升高，平均地热自然增温速率约为3℃/100m。
气温对地面动力层地温的影响在地表最大，随着深度的增加而减小。【气温年变化对冻土温度变化的影响只限于地下一定深度以内，在一定深度以下，气温年变化对地温没有影响，这里的地温年变化等于零，也就是气温年变化对冻土影响的最大深度。在此深度以下，冻土温度受年平均气温和地热增温的影响，随着深度的增加，温度升高。】
05
地面冻害的原因
气候产物
当今世界上看到的大多数永久冻土都是第四纪冰河时期的遗迹。（北极最古老的永久冻土形成于约 60 万年前，西伯利亚的永久冻土也有 10 万年历史。）
间冰期，虽然很多地方的冻土已经全部或部分融化，但在山区和高纬度地区气温极低的大陆性气候区，仍然残留着大面积的冻土，这部分没有融化而保存下来的冻土称为残留冻土。
此外，还有相当一部分冻土是全新世以来形成的。[例如，晚冰期大陆冰盖退缩后发育的冻土，以及在全新世地层中形成的冻土。在西西伯利亚北部，2000-3000年前寒冷时期形成的新冻土与残存的冻土相连；在南部，新形成的冻土尚未与下方残存的冻土相连，中间夹有一层融化物，形成双层冻土结构。]
06
冻土地貌
多年冻土区地貌的形成与冻融作用有直接关系。
冻融作用：指冻土层中的水分在周期性的正负温度变化的影响下发生相变和迁移，使土层反复冻结、融化，导致土体或岩石破坏、扰动和移动的过程。由冻融作用形成的各种地貌称为冻地貌。
冻土地貌组合图 | 椰子皮
1. 石海、石河、石冰川
石海：岩石在霜冻风化作用下，被霜冻崩解，形成巨大的巨石，堆积在平地上。
形成条件：
①气温常在0℃左右波动，日温差较大，且有一定湿度，使岩石沿节理反复冻融崩塌。
②地势较为平坦，地面坡度小于10°，可以防止霜冻崩塌的岩石顺坡而下，而固定在原地。
③坚硬而节理较多的块状岩石，如花岗岩、玄武岩、石英岩等，在霜冻作用下，往往碎裂成大块，并保留在原地。
石海形成后，组成石海的大块岩石很少移动，同时石海中缺少细粒物质，水分较少，冻融分选困难，因此石海能长期保存。石海常发育在同向、同岩性、有一定高度的坡地上部，边界平坦，称为石海线。[如昆仑山石海线4900m，石海线比同期雪线低200~300m或400~500m，石海线可粗略测定古雪线的高度。石海线是一条重要的气候、地貌分界线。]
石河：山坡上冻土风化产生的大量碎石，滚落至谷地，堆积厚度逐渐增大，在冻融和重力作用下整体运动而形成。
石河运动是石块在重力作用下沿潮湿碎屑下垫面或冻土顶面移动，温度变化在这里起着重要作用，会造成碎屑缝隙中水分的反复冻结、融化，导致碎屑膨胀、收缩，促使石河向下移动。
石河的流速相对较小，但中部流速大于两侧，湿润气候区的石河流速大于干燥气候区的石河流速，经过长期的运动，石河中的岩石可被搬运到山脚下沉积下来，形成石流扇。
石河运动的停止是气候变暖的标志之一。[当石河停止运动时，角砾岩表面开始生长地衣和苔藓，有时石河上会长出树木或堆积新的沉积物。这些石河一般分布在现今冻土带的南部边界附近（在北半球的高纬度地区）或高山冻土带的下边界附近]
石冰川：冰川退缩时，聚集在冰斗、冰槽内的冰屑，在冻融作用下，沿谷地向下移动。
岩冰川分布于高山林线以上，由锐角的岩石碎屑构成，平面形状与冰川舌十分相似。岩冰川纵断面常外凸呈弧形，横断面中部凸起。其长度一般可达300~400m，宽度约100m。【阿拉斯加最大的岩冰川长3km，端岸高60m。】
2.多边形结构土
在第四纪松散沉积物的平整地面上，由于冻融冻胀作用，地面形成多边形裂缝，构成网络，称为多边形构造土。
从表面平面看，裂纹呈多边形，从横截面看，裂纹呈楔形。
根据挖起杆内部填充物不同，分为冰挖起杆和沙挖起杆。
冰楔：在多年冻土地区，地表水定期注入裂缝中，随后冻结，导致裂缝不断扩展并被冰填充，断面变成楔状，称为冰楔。
冰楔的形成，始于地面裂缝的形成，地表水注入后结冰形成脉冰。由于脉冰往往深入冻土层深处，在温暖季节，上部活动层的脉冰融化消失，但冻土层中的脉冰仍然存在。在寒冷季节，冻土层不均匀膨胀，原有的裂缝继续扩大，次年夏季又向裂缝中注水，冬季又结冰、开裂，如此反复作用，就形成了冰楔。
冰楔形成示意图 | 椰子皮
冰楔形成的条件：
① 存在深入冻土层的裂缝，裂缝内充满脉冰。
②冰楔围岩具有塑性，水可在裂缝中结冰膨胀，围岩不断受到挤压变形，冰楔不断加宽。
③要求耐严寒气候条件，年平均气温一般为-6～-3℃。
沙楔（古冰楔）
沙楔形状与冰楔相似，但裂缝中填塞的不是脉冰而是松散的沙子，称为沙楔。
沙楔可由冰楔演化而来，当冰楔中的脉冰完全融化后，砂土替代冰并填满楔体，形成沙楔，因此沙楔也被认为是古老的冰楔。
3. 石环、石圈、石带
石环：以细粒土、砾石为中心，以较大的砾石为圆周边缘的环状冻土地貌。（多发育于极地、亚极地及高山地区）
石环直径一般为0.5~2.0m，在极地可达十余米。
石环图绘制 | 椰皮
石圈是冻土层中松散的、大小不一的砾石层，由于饱含水分，经过频繁的冻融作用，物质发生分异而形成的。
活动层中大小不一的混合砾石在冬季冻结脱离地面，砾石层孔隙中的水冻结膨胀，将地面和砾石层中的砾石一起抬升，砾石下部尚未冻结，出现空隙，由砂土填入或水下渗，形成冰透镜。夏季活动层上部解冻，由于砾石和砂土的导热系数不同，砂土中的冰先融化，地面逐渐恢复原位，但砾石下部仍处于冻结状态。此时，一些大颗粒的碎石或砾石相对高于周围含水的砂土。当砾石下的冰开始融化时，砾石周围的砂土向砾石下部移动，并填满砾石下部。当活动层全部融化后，砾石相对被抬升一段距离。 在这种冻融过程的反复作用下，大块石头或碎石逐渐被抬升至地面。
石圈：在斜坡上发育的石圈，常在重力作用下呈椭圆形，其前端由大块石块组成石堤，此种石圈亦称石圈。
石带：在较陡的坡地上，石圈前端往往分离，经冻融分选而成的最大岩块集中在纵向延伸的裂隙中，形成石带。
4. 冰芯山
冻土层中常有未冻层，未冻层中的水分在地下慢慢凝结成冰，使地面膨胀隆起，形成冰芯丘。
冰芯丘平面呈圆形或椭圆形，顶部平整，周长陡峭，倾角为40～50度，冰芯丘顶面因地表隆升而变形，产生许多不同方向的裂纹并下陷。
冰芯丘大小不一，一年生冰芯丘较小，高几十厘米至几米；多年生冰芯丘较大，高十余米至几十米，直径30m至70m不等。
冰芯丘有时会发生爆炸，夏季气温快速升高，上部冻土层快速融化，冻土层迅速变薄，此时冰芯丘内若有气体，压力较高的地下水可能会发生喷水爆炸。
5、土阶：是多年冻土区山坡上的一种地貌现象，当冰融化后，地表过湿的松散沉积物顺坡流下，往往在前部形成一个陡峭的阶梯，称为土阶。
土台阶高约1m，宽4-5m，有的甚至更大。形成原因是冻土上部活动层周期性融化，融化的水被下面的冻土阻挡，不能渗透。结果，活动层中的松散物质被水浸泡，内摩擦力减小，在重力作用下，缓慢地顺坡滑落。如遇障碍物或坡度变缓，流速减慢，前端受阻，形成斜坡。
6、热融塌陷洼地：由于气温升高，地下冰融化，地面塌陷而形成的各种洼地。
这种塌陷过程与岩溶塌陷过程类似，且塌陷原因与温度有关，因此又称热岩溶。
冻土带上方的温度上升，可能是气候周期性变暖所致，也可能是人为因素所致。（例如，砍伐森林、开垦荒地、人工引水蓄水等，都会导致地温升高。）
热熔塌陷洼地在斜坡上发育，形成各类滑坡洼地，在平地上发育，形成漏斗状的沉陷洼地，洼地内常有水积聚形成湖泊，称为热熔塌陷湖。
在冻土发育的高原或平原地区，大大小小的热融塌陷湖随处可见。热融塌陷湖形成后，湖水对湖底土层的传热作用，使底土层升温，活动层深度增加，地下冰融化速度加快，湖泊进一步下沉，直至湖底地下冰全部融化，湖泊停止下沉和扩张。
05
高考试题
2015年全国统考试卷 ①
37.（24分）阅读图片材料，完成以下要求。
冻土分为两层，上层为夏季融化、冬季冻结的活动层，下层为多年冻土层。我国多年冻土主要分布在东北高纬度地区和青藏高原高海拔地区。东北高纬度地区多年冻土南界年平均气温为-1°至1℃，青藏高原多年冻土下界年平均气温约为-3.5°至-2℃。
由我国设计、建造的青藏铁路格尔木至拉萨段，成功穿越约550公里的连续冻土带，是目前世界上穿越高原、高寒、冻土区的最长铁路。冬季活动层冻土的反复冻融和不完全冻结，将对铁路路基造成危害。青藏铁路建设者创造性地提出了“主动降温、降温路基、保护冻土”的新思路，并采用了热棒等新技术。图8a为青藏铁路格尔木段及沿线年平均气温分布图，其中西大滩至安多为连续冻土分布区。图8b为青藏铁路路基两侧热棒照片及其散热工作原理示意图。 热棒的地上部分为冷凝段，地下部分为蒸发段，当冷凝段温度低于蒸发段温度时，蒸发段中的液态物质气化上升，在冷凝段冷却成液体，又回到蒸发段，重复循环。
注：第37题为原试卷题号
（1）分析青藏高原冻土年平均气温低于东北高纬度地区的原因。（8分）
【参考答案】
青藏高原纬度低、海拔高，太阳辐射强；（3分）（东北高纬度地区年平均气温低于-1℃~1℃，可形成冻土。）青藏高原年温差小，年平均气温在-1℃~1℃时，冬季气温高，冻土厚度薄，夏季全部融化，不能形成冻土。（5分）
【分析】
冻土可以是夏季完全融化，也可以是夏季上层融化，或者终年不融化。标题说的冻土是指夏季上层融化的情况。第一个关键词是冻土，对应的是夏季上层融化。青藏高原冻土形成的年平均温度较低。也就是说，为什么青藏高原更容易形成上下层都融化的冻土，而不是多年冻土呢？可能是冻土厚度比较薄，夏季冻土层完全融化，无法形成冻土。因此可以推断，青藏高原纬度低，海拔高，太阳辐射强，青藏高原冻土形成的年平均温度较低。注意是年平均温度，也就是第二个关键词。年平均温度是一年12个月平均温度的平均值。 青藏高原年内温差较小，冬季气温较高，夏季气温较低，年平均气温同为-1℃~1℃时，冬季气温较高，冻土厚度较薄。
（2）图8a中A点路堤比五道梁路堤不稳定，请解释原因。（8分）
【参考答案】
A区年平均气温接近0℃，受气温变化影响，活动层冻融现象较为频繁（冻时膨胀，融时收缩），对路基的危害较大。（4分）A区年平均气温高于五道梁，夏季活动层较厚，冬季有时不能完全冻结，影响路基的稳定性。（4分）
【分析】
材料中明确指出，冻土活动层反复冻融、冬季不完全冻结会对铁路路基造成危害。因此，A场地路基的稳定性比五道梁路基更差，这也是从活动层反复冻融、冬季不完全冻结的角度考虑的。从图中可以看出，A场地年平均气温接近0度，受气温影响，活动层反复冻融更加剧烈，且冬季存在不完全冻结，影响路基稳定性。
（3）根据加热棒的工作原理，判断加热棒散热的工作季节（冬季或夏季），简述判断依据；分析加热棒倾斜设置的原因（图8b）。（8分）
【参考答案】
冬季。（2 分）
依据：冬季气温低于地面温度，热棒蒸发段吸收冻土层热量（液态物质汽化上升，接触地面上方较冷的管壁，凝结，释放潜热），将冻土层中的热量传递至地面（大气中）。（3分）
热棒倾斜的原因是为了让热棒能直接穿透铁轨下方，以保护铁轨下方的路基（冻土）。（3分）
【分析】
热棒技术原理为“主动降温，降温路基，保护冻土”，即热棒对路基降温，将路基内的热量散发到大气中。热棒地上部分为冷凝段，地下部分为蒸发段。当冷凝段温度低于蒸发段温度时，蒸发段内液态物质气化上升，在冷凝段冷却成液体，又回到蒸发段，循环往复。即热棒散热时间为地面温度高于空气温度的时间。青藏高原冬季地面温度高于空气温度，夏季空气温度高于地面温度，所以热棒散热工作季节为冬季。 （解释-pibet平台上的空气温度与地面温度之间的关系：地面是大气的直接热源，因此在正常情况下，地面温度高于空气温度。-pibet 处于高空，空气很薄，大气绝缘效应很弱，因此大量的辐射范围是一定的 and in in in in in in in 除了接收地面辐射外，大气还接收一些太阳辐射，带有更长的波长，导致温度相对较高。
加热棒倾斜，使其可以直接在轨道下穿透，从而使热量散热和冷却效果更加明显。
图表
多年冻土图
热棒的垂直插入和倾斜插入之间的差异
标题后写
这个问题是基于-pibet铁路的构建的热杆技术。
- 结尾 -