融区是多年冻土地区普遍存在的一种自然现象,是多种自然因素共同作用的产物。不同类型的融区因产生的原因不同,所以出现的地貌部位及分布规律也就不完全一样。
处于不同的目的和需要,划分融区类型的原则及方法也各不相同。比如说,按融区出现的地貌部位,可以分为分水岭融区、斜坡融区、河谷融区;按融区与冻土层的相互关系,可以划分出贯穿融区(融区贯穿冻土层厚度)、不贯穿融区;从供水角度出发,可分为有水融区、无水融区;考虑随时间推移的融区变化,又可分为稳定融区、准稳定融区、不稳定融区;对比融区和冻土层二者形成的时间,可分为原生融区和次生融区,在寒冷期到来时,冻土广泛发育,由于某种特殊的环境条件,一些地段未能形成冻土,以融土形式保留下来,即是原生融区。冻土产生之后,由于环境因素改变(气候变暖、地下水溢出、地表状况变化等),使冻土层部分或全部融化,如此产生的融区,称次生融区。了解此类融区的形成、发育过程及其稳定性。对恢复古气候,重建古环境具有很大意义。
根据融区产生的主要原因,以及决定融区存在的条件,可将融区分为如下几种类型:辐射融区、地表水融区、构造--地热融区、化学融区、人为融区等。这种融区分类,表现了融区存在的根本条件,给人们利用和改造融区提供了许多方便。下面我们将着力介绍这类融区。
(1)辐射融区及辐射--渗透融区
在相同纬度的地方,达到地面的太阳辐射大致相同。但是,由于地表状况,组成物质及坡向的不同,它们对太阳辐射的反向率不同。反射率大的表面,吸收太阳辐射热量就小;相反,反射率小的表面得到的辐射热都大。表11是通过大量观测统计得到的数据,它充分说明了这个道理。日久天长,年复一年,由于吸收的太阳辐射热不同,当某些地段的年平均地温升高到正温时,冻土逐渐融化而形成辐射融区。当某些地段由于地表裸露,砂石遍布,有利于大气降水的渗入,并具有正温的大气降水时,则促进了融区生成。这种情况下,产生的融区,不仅有太阳辐射的作用,而且降水入渗也帮了大忙,有人称此类融区为辐射--渗透融区。
表11 各种物体表面反射率及吸收率
物体名称 | 反向率(%) | 吸收率(%) |
深色土壤 | 10~15 | 90~85 |
浅色土壤 | 22~32 | 76~68 |
绿草 | 26 | 74 |
干草 | 19 | 81 |
黑钙土 | 14 | 86 |
松树顶 | 10 | 90 |
阔叶树林 | 18 | 82 |
针叶树林 | 6~19 | 94~81 |
新雪 | 75~90 | 25~10 |
旧雪 | 30~50 | 50~70 |
年辐射总量随着纬度的增高而逐渐减少。在北极圈以北,年总辐射量最小,只有55~60千卡/厘米2/年,北纬40度地区为130千卡/厘米2/年,北纬30~35度地区为150千卡/厘米2/年,最大值达到220千卡/厘米2/年。说到这里你会理解了,由于太阳辐射的纬度地带性分布,决定了辐射及辐射--渗透融区的纬度地带性分布。也就是说,多年冻土南界、下界附近,这类融区分布广泛,愈往北或向高处,则逐渐减少。大小兴安岭冻土南界附近,除冻土岛外,80~90%都是辐射及辐射??渗透融区;往北至我国北疆边陲--漠河县附近,此类融区绝大部分消失,仅在某些向阳山坡上有部分残留(图16)。同样,青藏高原冻土区南、北界附近,辐射及辐射--渗透融区也有广泛分布;相反,在高原腹部仅出现于高温冻土(年平地温高于1.0℃)地段。象布曲河谷地、沱沱河高平原上均有此类融区出现。
(2)地表水融区
这种融区是沟槽及湖盆内地表水体,对底部的热作用及下渗、潜流,使冻土层部分或全部融化而产生的。根据融区地表水体的不同,冻土科学工作者分别给它们取了名子,称河漫融区、河床融区、河流三角洲融区及湖泊融区,还有一种地表水融区分布在浅海大陆架,称陆棚融区。
地质构造学家长期在野外形成一种观点,即“逢谷有断”。意思是说,一般谷地和盆地形成的雏形,大多与断裂构造有密切联系,在漫长的地质历史时期,风吹雨打,经受大自然塑造而形成今日的地貌形态。一条河流长达数百,乃至上千公里,总有某些河段受断裂构造控制,河床落在断裂带上,这样的河段,河水沿断裂破碎带更容易下渗,因此加快了河床融区的形成。所以地质构造对融区产生起了相当大的促进作用。
事实正是这样,在青藏高原多年冻土区,长江源头的布曲河、通天河、沱沱河、楚马尔河等的河床,都有某些段与断层线重合,形成断裂谷。这些河段,河床融区相当发育,有的融区扩展到河漫滩及阶地(图17)。在这种情况下,一般河水淹没部分是贯穿融区,河漫滩和阶地下边是不贯穿融区。
当你有机会坐飞机越过青藏高原,由机窗向下俯视,大小湖泊罗星棋布,象一颗颗绿色的宝石镶嵌在高原大地上。这些湖泊的成因各种各样,有冰川湖、风成湖、热融湖、牛轭湖,也有因断裂作用而形成的构造湖。唐古拉山脚下的巴斯错和沱沱河高平原上的雅西错就是构造湖。除雅西错等少数湖泊经过实地考察,知道下边是否存在融区外,其余那么多湖泊下边是否有融区还说不清楚。苏联冻土学家,经过多年大量的湖泊调查,得出这样一个规律,一般情况下,湖泊水面的宽度大于当地冻土厚度的2倍时,其下为贯穿融区;湖泊水面的宽度小于冻土厚度时,湖下为不贯穿融区。当然,上述只能是湖泊与融区关系的一般规律。世界上的事情都不是绝对的。如果,湖泊形成与地质构造有关系,确属构造湖。那么,上述规律可能就不灵了。一般说来,构造湖不论水域多宽,其下大多是贯穿融区。
从上面的介绍可以知道,河流、湖泊在冻土地区到处皆是。可是,地表水融区不论在大小兴安岭冻土区,还是在西部高山、高原冻土区均有广泛分布。只是陆棚、河流三角洲地区,限于地理位置,在我国没有出现。
既然地表融区的产生与存在和地表水体的影响有直接联系,那么,当地表水域发生变化时,它下边的融区又是如何变化呢?由于地壳运动、气候变化及河流侵蚀与堆积作用改变。河流可在某段时间里以沉积为主,而在另一段时间里又以侵蚀为主。于是,在河流两侧造成了象阶梯那样的地形,人们称它为阶地。阶地是河流水域过去曾经淹没的古河道(图18)。自然,当年被河水淹没时是存在融区的。大的河流阶地可有几级,由低往高,阶地脱离河水浸没时间愈久远。因此,我们常常观察到高处阶地的当年融区已被冻土所取代;而低级阶地上的融区尚有残留,它们现时大多呈不贯穿融区,或几乎消失。
当河流进入平缓的平原上时,它的发展图式又是另一种状况。由于河流对岩边不断冲刷和侵蚀,河道左右摆动。随着时间推移,逐渐形成了凸岸更凸,凹岸更凹。与此同时,河道愈来愈弯曲,河曲形状逐渐由半圆转变为鹅头形(图19)。河曲发展到后来。自此以后,河曲的上、下口逐渐淤塞而脱离河水作用,另成一支。这废弃的河曲就成了牛轭湖(图20)。
截弯后变得比较顺直的河道,又重新开始发育新的河曲。在地壳运动相对稳定的情况下,河曲的发展可周而复始地进行。河道在一定宽度内,作周期性摆动,逐渐形成一条宽阔的古河道带,其上遗留了许多大大小小的牛轭湖(图20),牛轭湖自形成之日起,由于脱离了河水作用,加上湖水蒸发,水域日渐缩小或干枯。与此同时,随之湖下融区逐渐退缩,最终被冻土所侵占。可见,河流融区的发生,发展及消亡与河流演变过程有着密切地联系。了解一地区的河流演变历史,对认识河谷融区的形成和发育规律,寻找地下水资源具有重大的实际意义。
(3)构造--地区融区
构造--地热融区的生成与构造断裂及岩浆活动有着密切的关系,它是由于地下水,或是地下热水沿断裂带上升,或沿含水层潜流对周围冻土产生热作用而形成的。
这类融区主要分布在地壳运动比较活跃的山地和丘陵地区。象祁连山、天山、阿尔泰山、大小兴安岭和青藏高原冻土区,在一些地下水出露处及温泉附近都有这类融区存在,并且它们大多是贯穿融区。融区分布范围取决于泉水温度、流量愈大,泉眼愈分散,则融区范围就愈大,国外曾有人作过这样的观测,当泉的流量为1500米3/昼夜时,在年平均气温为-6.0~-7.0℃的情况下,泉口仍未被冻死,而泉口附近还存在贯穿融区,说明此类融区有相当大的稳定性。
由于断裂构造发生的地质年代不同,所形成的断裂构造就有新、老之分,地质构造学家把新生代形成的断裂,称为新断裂构造;在此以前的称老断裂构造。新生代形成的断裂构造带,活动性大,水热循环条件好。因此,在新构造带上形成的融区,其范围及稳定性要比老构造带上的大,同时它们大多是原生融区。
这里值得说一下的是,青藏高原是世界上最大、最高、最年轻的高原。由于它隆起的时代较新,而且至今还在不断隆起,新构造运动极为活跃,断裂构造非常发育。除有多条北西西向深大断裂带以外,还有许多次一级的近南北、北东向相互交错的断裂带,在两组断裂的交汇处,可见到温泉、热泉、喷汽泉、热水湖等多种地热异常显示。因此,青藏高原冻土区构造??地热融区分布相当广泛,仅沿青藏公路,此类融区竟达10多处,其中最引人注目的是唐古山北麓的布曲河谷地,主谷与两侧支谷分别受上述两组断裂的控制,南北长达30多公里。在谷地两侧隐藏着许多烟雾缭绕、热汽腾腾的小天地。那呼呼冒汽的地面,烫得人不能久停,那绮丽多姿的层层泉华高悬半坡,泉华锥、泉华柱此起彼伏。当你置身于此,会有奇趣无穷之感。它们就是青藏公路上著名的103、104道班温泉群,也是面积最大的构造--地热融区带(表12)。1975~1976年,中国科学院兰州冰川冻土所和兰州大学地理系,为青藏铁路勘测设计,对该谷地融区进行过详细勘测。表12是谷地内若干钻孔不同深度处的地温值,测得温泉群中最大单泉流量720米3/昼夜,最高水温达70℃以上。资料表明,谷地内温泉出露附近,是大范围的融区,而且整个谷地是青藏公路线上不可多得的地热异常带。丰富的地热资源有待开发利用。
表12 布曲河谷地不同深度处的地温值
钻孔地貌部位 | 不同深度的地温值(℃) | 地热增温级 (米/度) | |||
10米 | 20米 | 30米 | 40米 | ||
冰水洪积扇中部 | 7.8 | 10.2 | 12.0 |
| 5.0 |
二级阶地后缘 | 1.0 | 1.9 | 2.8 | 4.2 | 13.0 |
一级阶地后缘 | 3.2 | 3.5 | 3.8 |
| 33.0 |
一级阶地后缘 | 2.6 | 4.2 | 4.9 |
| 9.0 |
布曲河高漫滩 | 1.9 | 2.9 | 3.6 | 5.2 | 13.0 |
一级阶地距河15米 | 1.4 | 2.0 | 2.3 |
| 22.0 |
冰水洪积扇中部 |
| 2.1 | 5.2 |
| 3.0 |
如此高温地热异常带,这里的融区是否永远不变呢?回答是否定的。冻土科学家在调查时发现,在谷地温泉附近,有两级泉华平台。老一级泉华平台高悬半坡,其上数十个古泉眼现已停止涌水,泉口附近晚更新世洪积--冰水扇砾石被泉华胶结成砾岩。泉华砾岩自扇顶向扇前缘延伸400~500米;在坡脚是新一级泉华平台,也是现在温泉出露的地方。对泉华经C14测年,新老泉华分别形成于距今10000年及20000年左右。上述事实说明,谷地自形成以来,在距今10000年及20000年左右时,水热活动比现在强烈,温泉出露规模比现在广泛。自然,当时谷地内的融区面积也比现今大得多,它是谷地内融区发展的两个兴旺时期。
(4)火山融区
这类融区是由于火山喷发时,岩浆、熔岩流及热液,热汽的影响而形成的。
现正在喷发的火山,目前在我国尚未发现,但死火山或现时休止的火山,在冻土地区还是存在的。在森林覆盖的小兴安岭南麓及黑龙江省讷漠尔河北岸,耸立着14座玄武岩火山锥,这就是有名的五大连池火山群,这里正置大小兴安岭多年冻土南界附近。打开我国冻土分布图,你会看到东北多年冻土南界呈英文字母“W”型展布。五大连池火山群正处在“W”型向上突出的位置。南界线向北及向南的突出点,二者相差近两个纬度。诚然,其中海拔高低、河流等自然因素,对南界如此展布起了重要作用,但五大连池火山群的存在,也是非常重要的因素。虽然火山现已休止,但它表明,在地质历史时期,这里的地壳运动一度曾相当活跃,并发生过火山喷发。目前,地壳深部可能还有大量岩浆余热,因而造成了这里地热背景较高值,使冻土南界线在此处向北推进两个纬度。事实也正是这样,据历史文献记载,公元1720年五大连池火山群之一的火烧山还在喷发。
青藏高原冻土区,目前已调查过的地区还未发现火山融区,但从航空照片上观察,在昆仑山中段南坡有火山锥地貌显示,这里是否存在火山融区?有待进一步调查。
(5)人为融区
此类融区形成,是由于人类经济活动对冻土产生热影响的结果。例如,冻土地区的大型热电站、水库、蓄水池等,由于散热或地表水渗透,使它下边的冻土消融而形成融区。这类融区可以通过计算,预测融区大小及范围。这样可以采取相应措施,使建筑物安全运营。