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青藏高原多年冻土区热融滑塌发育特征及规律.docx
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青藏高原多年冻土区热融滑塌发育特征及规律.docx
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青藏高原多年冻土是世界中、低纬度地区高海拔多年冻土的代表,分布面
积约 1.5×10
6
km
2
,占我国冻土面积的 70%
[ 1]
。多年冻土对温度变化极为敏感,
气温的微弱变化都可能导致其温度状况和稳定性发生很大的变化
[ 2]
。在全球
气候变暖的影响下,环北极高纬度多年冻土在过去几十年经历了持续的退化过
程
[ 3-6 ]
,青藏高原作为全球变化的“驱动器”和“放大器”,其多年冻土的退化速
率更加明显
[ 7-9]
。从 20 世纪 70—90 年代,青藏高原多年冻土的年平均地温在
非连续多年冻土区增加了 0.3~0.5 ℃,在连续多年冻土区增加了 0.1~0.3 ℃
[ 7]
。自 1999 年以来,青藏高原不同区域多年冻土活动层厚度增加了 35~61 cm,
年平均增加速率为 4 cm
[ 9]
。此外,模拟结果表明:在年增温 0.02 ℃情形下,
50 年后青藏高原多年冻土面积比现在缩小约 8.8%;若升温率为 0.052 ℃·a
-1
,
50 年后高原多年冻土将退化 13.5%
[ 10-11]
。因此,气候变化和工程活动影响下
的青藏高原多年冻土正处于退化过程,并且这种退化趋势将持续存在。
多年冻土退化导致的地下冰融化将诱发一系列热融现象的发育,这种热融
现象在平坦区域主要表现为热融湖塘和热融沉陷,在斜坡区域主要表现为热融
滑塌。热融滑塌一般指在厚层地下冰分布的斜坡区域,由人为活动或自然因素
而造成地下冰暴露,在融化季节地下冰融化使其上覆的融土失去支承而在自重
作用下发生塌落的现象。热融滑塌的发生会对区域生态环境产生重要影响,很
多学者认为热融滑塌的形成不仅会导致其下部数米高含冰量冻土融化,还会导
致周边数公顷范围内冻土的热状态发生改变
[ 12-13]
。同时,在热融滑塌的发生
过程中会释放以前保存在冻土层中的化学溶质,使得滑坡区域土壤的离子浓度
和 pH 值均高于非滑坡区域
[ 14]
。因此,在热融滑塌的影响下,其临近区域内
的地温状况、植被结构、生物群落以及湖泊的湖底沉积物化学性质都将发生改
变
[ 15]
。更重要的是热融滑塌的发生还将导致近地表冻土层中的碳释放到大气
中,进而影响区域碳循环过程及气候变化
[ 16-18 ]
。此外,热融滑塌的发生还可
造成工程设施的直接破坏,诸如 2018 年 9 月发生在风火山南麓的一处热融滑
塌造成铁路防洪及路基热棒设施的直接损坏;同年 8 月发生在国道 G214 温泉
乡附近一处热融滑塌直接掩埋公路,影响车辆的正常通行。热融滑塌发生以后
由于滑壁位置地下冰的暴露和融化而产生大量泥流物质沿坡面向下流动,这些
泥流物质会进一步掩埋道路和堵塞桥涵,并将加速路基下部多年冻土融化以及
路基软化湿陷,严重影响工程构筑物的长期稳定性。
虽然目前针对青藏高原多年冻土区热融滑塌开展了大量研究工作
[ 19-21]
,
但这些工作基本都是以单点研究为主,系统性和区域性研究工作仍然比较缺乏。
青藏高原未来规划了高速公路、新的输电工程、输油管线工程甚至有可能修建
铁路复线,受制于青藏工程走廊工程容量以及密集工程之间的相互热影响,新
建的线性工程必将着眼向两侧的丘陵山地区域扩展。此外,随着内地资源探明
储量的减小,未来各种矿产资源开采会逐渐考虑向青藏高原多年冻土区转移。
热融滑塌的发育一方面会对这些工程设施的稳定性和安全运营造成威胁,另一
方面工程建设又会诱发大量热融滑塌的发生,破坏区域生态环境。因此,热融
滑塌对青藏高原多年冻土区未来工程规划、建设及环境保护的影响将日趋突出。
在未来青藏高原多年冻土区工程建设和矿产资源开发增多以及环境保护要求
提升的大背景下,准确掌握青藏高原多年冻土区热融滑塌的发育机理、特征及
规律,可为区域工程规划、资源开发及环境协调发展提供有力的科技支撑。
1 热融滑塌的发育机理及诱发因素
国内外研究普遍认为各种自然和人为因素导致的多年冻土斜坡区域地下
冰暴露和融化是热融滑塌形成的主要原因。在高纬度多年冻土区,热融滑塌一
般是由河流或波浪的冲刷侵蚀
[ 22]
、湖岸的坍塌
[ 23]
、地表径流导致的冰楔融
化
[ 24]
以及森林大火燃烧腐殖质层
[ 25]
等过程引起地下冰的暴露而诱发。近年
来的野外调查发现,青藏高原多年冻土区热融滑塌主要由工程扰动、湖水侵蚀
以及冻土活动层滑脱的发生而诱发(图 1)。工程扰动型热融滑塌主要以发育
在青藏公路里程 K3035 路基西南侧的一处热融滑塌为主要代表,该热融滑塌
是 20 世纪 90 年代初青藏公路二次整治过程,由于路基坡脚开挖导致地下冰的
暴露而引起。该类型的热融滑塌主要发生在青藏工程走廊范围内,且目前基本
上处于稳定状态,对工程和环境的影响较小;湖水侵蚀型热融滑塌主要发生在
有厚层地下冰发育的湖岸斜坡区域,该类型的热融滑塌目前仅在可可西里地区
错达日玛湖东南侧湖岸有大量分布,别的区域几乎没有发现;活动层滑脱型热
融滑塌是由冻土活动层滑脱发生以后其滑壁位置地下冰的暴露和融化而形成,
该类型的热融滑塌大量分布在青藏高原多年冻土区有厚层地下冰发育的丘陵
山地区域。
图 1
图 1 青藏高原多年冻土区热融滑塌:工程扰动诱发的热融滑塌(青藏公路里程
K3035)(a);湖水侵蚀诱发的热融滑塌(可可西里,错达日玛湖)(b);冻土活
动层滑脱诱发的热融滑塌(红梁河附近)(c)
Fig.1 The retrogressive thaw slump developed in permafrost region of the
Qinghai-Tibet Plateau: the one induced by engineering activities (K3035 of
Qinghai-Tibet Highway) (a); the one induced by lakeshore erosion
(Cuodarima Lake, Hoh Xil) (b); the one induced by the occurrence of
active-layer detachment (near the Hongliang River) (c)
通过对目前青藏高原多年冻土区已调查和标记的热融滑塌(约 200 多个)
进行统计发现,95%以上的热融滑塌是由冻土活动层滑脱的发生而诱发。冻土
活动层滑脱是指在多年冻土区地下冰发育的斜坡区域,活动层土体连同其上覆
的植被作为一个整体与其下部多年冻土发生分离并滑移的现象
[ 26]
。活动层滑
脱的形成主要是因地下冰融化而形成的融水不能及时排出,最终导致活动层与
冰面之间的抗剪强度减小而引起
[ 26]
。国外大量的研究表明活动层滑脱的发育
与土质类型、冻土含冰量
[ 27]
以及一些特定的外部诱发因素(包括极端的夏季
高温、森林大火,以及极端的降水事件)密切相关
[ 28-29]
。在青藏高原多年冻
土区,罗京等人通过典型冻土活动层滑脱的现场水热监测、冰-土界面现场直
剪试验以及考虑降雨和地震影响下冻土斜坡的稳定性分析,明确了极端高温和
降水事件引起的厚层地下冰过度融化和冰-土界面抗剪强度减小是诱发青藏高
原多年冻土活动层滑脱发生的主要原因
[ 30-31]
。
2 典型热融滑塌的发育过程
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