【新微专题】冻土、冻融、冻土地貌讲的都是什么？
地理眼看世界
冻土
凡处于零度及以下温度，并含有冰的各种土(岩)，统称为冻土。
分类
冻土按其时间的长短，可分为季节冻土和多年冻土两类。
季节冻土指冬季冻结、夏季全部融化的土层；
多年冻土指冻结持续多年，甚至可达数万年的土层。多年冻土在地球上主要分布在俄罗斯和加拿大。我国多年冻土面积主要分布在东北、北部山区、西北高山及青藏高原地区。
多年冻土可分为上下两层，上层为夏融冬冻的活动层，下层为多年冻结层。
特征
冻土层的温度是随着气温而变化的。地温变化的幅度以地表为最大，随着深度加大而减小，至某一深度，其值等于零。这个深度称为地温年变化深度。
①冻土在地球上的分布具有明显的纬度地带性和垂直地带性。
多年冻土区与非多年冻土区之间的界线，在水平方向上称为多年冻土南界(北半球)，在垂直方向上称为多年冻土下界。随着多年冻土动态变化，南界和下界亦不断发生变化，并且在各种非地带性因素影响下，分界线也往往不是一条直线。
②自极地向低纬度方向，多年冻土分布厚度不断减小。年平均地温相应升高。
③中低纬度高山高原地区的冻土分布，主要受海拔高程的控制。一般来说，海拔愈高，厚度愈大，地温愈低。
全球冻土分布图
我国多年冻土分布在东北北部地区、西北高山区及青藏高原地区。
冻土是指零摄氏度以下，并含有冰的各种岩石和土壤。一般可分为短时冻土（数小时/数日以至半月）/季节冻土（半月至数月）以及多年冻土（又称永久冻土，指的是持续二年或二年以上的冻结不融的土层）。
冻土具有流变性，其长期强度远低于瞬时强度特征。正由于这些特征，在冻土区修筑工程构筑物就必须面临两大危险：冻胀和融沉。随着气候变暖，冻土在不断退化。
多年冻土：另一个潘多拉魔盒?
什么是多年冻土?
所谓多年冻土（permafrost），是指持续多年冻结的土石层。一个典型的多年冻土见图1: 地表有一些覆盖物（土壤或一些植被），这一层一般会季节性的消融和冰冻，温度变化较为剧烈，所以叫活动层（图1，2）。在其之下是多年冰封的岩石或土壤（图1白灰色部分），即多年冻土，他们的温度较为稳定，维持在0摄氏度以下。所以一般人站在地上是看不到多年冻土层的。有多年冻土的区域大概占北半球陆地的24%，其不止是在极地区域，也分布在高山等海拔较高的区域（比如我国青藏高原地区）。
（左侧）一个典型的极地区域的多年冻土层（自挪威），图自JeffVanuga/Getty。（右侧）冬季和夏季时冻土层和活动层的垂向温度。
冻土是指在0℃以下并含有冰的各种岩土和土壤。温度在0℃以下不含冰的岩土和土壤称作寒土或冷土。按土的冻结状态保持时刻的长短，冻土一般可分为短时冻土、季节冻土及多年冻土三种类型。我国的自然地理环境决定多年冻土形成与存在。多年冻土分为高纬度多年冻土和高海拔多年冻土两种。多年冻土的形成是由纬度和海拔高度所决定的。冻土层的厚度从高纬到低纬逐渐减薄，以至完全消失。例如，北极的多年冻土厚达百米到千米（图2）。永冻层的顶面接近地面。逐渐向南，多年冻土厚度减到100m以下，永冻层的顶面埋藏变深。大致北纬48°附近是多年冻土的南界，冻土厚度仅1～2m。超过这一界限，就从连续冻土带过渡到不连续冻土带（图2）。后者由许多分散的冻土块体组成，这种分散的冻土块体称为岛状冻土块（图2）。
多年冻土层从高纬度（左）向低纬度（右）的变化示意图
全球变化下的多年冻土多年冻土近年来受到非常多的关注和警惕，首先是因为地表温度在北极和北半球高纬度陆地地区上升非常剧烈，这个现象一般被称作“北极放大”现象。从全球地表温度长期趋势图中（图3）可以非常明显的看到，全球气温上升最快的区域在北极地区和北半球陆地。平均而言北极气温变化趋势是全球平均趋势的2倍！为什么会发生“北极放大”现象依然是一个前沿的研究话题。但陆地变暖速率比海洋上变暖剧烈很好理解：陆地比热容比海洋小，在同样的太阳能量照射下，陆地升温更为剧烈。
1970-2018年全球地表温度上升幅度
全球地表温度上升最快的区域正是多年冻土主要分布的区域！受全球变暖驱动，冻土层也在不断变暖！图4为过去十年北极地区连续性冻土层、高山冻土层的温度变化。可以看到仅仅10年时间，北极冻土层温度上升了约0.4摄氏度；高山冻土层温度上升了约0.2摄氏度。相比而言，全球平均地表温度过去10年只上升了约0.15摄氏度。
过去十年北极地区连续性冻土层（上）以及高山冻土层（下）的温度变化。图自Biskabornet al. 2019。
多年冻土以及冰盖冰川等相当于地球的“冰箱”：就像家里的冰箱温度低所以食物等有机物质的储存时间较长，所以大量生物包括动物遗体、植物、微生物等被“冰封”到多年冻土里面。两极冰盖封存的东西反而少，因为很少有生物可以在极地生存，南北极地区域大部分区域都是无人、无生物区。可以想象，如果冻土融化，其中封存的东西将被释放出来！那么，这将打开一个“百宝箱”，还是一个“潘多拉的魔盒”呢？？很不幸，大概率是后者：1、释放温室气体，加剧全球变暖。很多多年冻土中富含有机物（长久以来上层动植物死亡后被埋在地底），冰冻可以减缓永冻层内的有机物分解（参照冰箱里的蔬菜和肉坏的慢）。2、破坏土地稳定性，破坏上层建筑和设施。在接近极地和中低纬度高山区域，很多设施比如公路、房屋等都建设在多年冻土之上。据估计，全球大约350万人生活在多年冻土或邻近区域。一旦多年冻土开始部分消融，上层土地开始变得非常不稳定，滑坡等地质灾害必然会加快，破坏建造在其上的设施。
多年冻土融化破坏其上的道路（加拿大）（图自Yellowknife.RyersonClark/iStock）。
3、释放出封存在其内的各种污染物、微生物。一最近发表在GRL的一个研究表明：北半球的多年冻土储存了超过150万加仑的汞：这个量是大气、海洋、其余土壤中全部汞含量的两倍（Schusteret al. 2018）！多年冻土的消融将导致这些汞的释放，威胁全球生物和人类，而过去几十年已经观测到了全球多年冻土在释放汞。
冻土主要影响因素
多年冻土的厚度虽然受纬度和高度的控制，但在同一纬度和同一高度处的冻土厚度还有差别，这和其他自然地理条件有关。
大陆性半干旱气候较有利于冻土的形成，而温暖湿润的海洋性气候不利于冻土的发育。【在欧亚大陆内部的半干旱气候区的冻土南界（北纬47°）比受海洋性气候影响较大的北美冻土南界（北纬52°）要更南一些。另外，在纬度和高度相同的条件下，大陆性半干旱气候区的冻土厚度比海洋性气候区的要大。】
砂土导热率较高，易透水，不利于冻土的形成。黏土导热率较低，不易透水，有利于冻土的形成。泥炭的导热率最低，最有利于冻土的发育。
坡向和坡度直接影响地表接受太阳辐射的热量。阳坡日照时间长，受热多于阴坡，因而在同一高度、不同坡向冻土的深度、分布高度和地温状况都不同，冻土的厚度也不同。【根据观测，昆仑山西大滩不同坡向的山坡，在同一高度和同一深度的阴坡地温比阳坡地温要低2~3℃，阴坡冻土的厚度也要大一些，冻土分布下界高度较阳坡低100m。坡向对冻土发育的影响还随坡度减小而减弱，如大兴安岭当坡度为20~30°时，南北坡同一高度处的地温相差2~3℃，随着坡度减小，不同坡向的同一高度地温差减小，冻土厚度的差别也要小一些】
冬季，植被和雪盖阻碍土壤热量散失。夏季，植被和雪盖减少地面受热。因此，在有雪盖和植被的地区，地面年温差减小。【例如大兴安岭落叶松、桦树林区和青藏高原的高山草甸地区，能使地表年温差比附近裸露地面降低4~5℃，永冻层顶面深度变浅，永冻层厚度相对增大，活动层厚度相对减小】
多年冻土区的地貌形成与冻融作用直接相关。
冻融作用：是指冻土层中的水在气温周期性的正负变化影响下，不断发生相变和迁移，使土层反复冻结融化，导致土体或岩体的破坏、扰动和移动的过程。由冻融作用形成的各种地貌，称冻土地貌。
冻融风化是指土层或岩层裂缝中的水,在冬季或夜晚温度下降发生冻结时把岩石涨裂,并因冻结膨胀产生压力而把裂缝附近的岩石压碎成块石和更细的物质,它是冻土区一种最普遍的冻融作用形式。
冻融泥流是指冻土层上部解冻时，融化的水使松散土层达到饱和状态，这种饱含水的土层因具有可塑性，在中立作用下发生沿斜坡蠕动的现象。
冻拔现象（可以拔石头、树木、桩基）：如冻拔树：在纬度高的寒冷地区，当土壤含水量过高时，由于土壤结冻膨胀而升起，连带植物抬起。至春季解冻时，土壤下沉而植物留在原位造成植物根部裸露死亡。
石海：在寒冻风化作用下，岩石遭受寒冻崩解，形成巨石角砾，就地堆积在平坦的地面上。
形成条件：
①气温经常
0℃上下波动，日温差较大，并有一定湿度，使岩石沿节理反复寒冻崩解。
②地形较平坦，地面坡度小于10°，可使寒冻崩解的岩块不易顺坡移动而保存在原地。
③坚硬而富有节理的块状岩石，如花岗岩、玄武岩和石英岩等，在寒冻作用下常崩解成大块岩块，得以保留在原地。
石海形成后，组成石海的大石块很少移动。同时，石海中又缺少细粒物质而水分较少，冻融分选难以进行，这样石海能长期保存下来。石海常在同一走向、同一岩性和一定高度的山坡上部发育，有一条平整的界限，称石海线。【例如昆仑山的石海线是4900m。石海线比同期雪线高度要低200~300m或400~500m。石海线可大致确定古雪线的高度，石海线是一条重要的气候地貌界线】
石河：在山坡上寒冻风化产生的大量碎屑滚落到沟谷里，堆积厚度逐渐加大，在冻融和重力作用下发生整体运动形成。
石河运动是石块沿着湿润的碎屑下垫面或永冻层的顶面在重力作用下移动，这里温度变化起着重要作用，它会引起碎屑空隙中水分的反复冻结和融解，导致碎屑的膨胀和收缩，促使石河向下运动。
石河运动速度较低，但中央部分流速比两侧流速要快。湿润气候区的石河流速比干燥气候区的要快，石河中的岩块经长期运动，可以搬运到山麓停积下来，形成石流扇。
石河停止运动是气候转暖的标志之一。【当石河不再移动时，角砾表面开始生长地衣苔藓，有时在石河上生长树木或堆积新沉积物。这些石河一般多分布在现在多年冻土的南界（北半球高纬地带）或高山冻土的下界附近】
石冰川：当冰川退缩后，聚集在冰斗和冰川槽谷中的冰破物，在冻融作用下顺谷地下移形成。
石冰川分布在高山森林线以上，由尖角岩屑组成，平面形状很像冰川舌。石冰川的纵剖面常呈上凸的弧形，横剖面中部突起。它的长度一般可达300~400m，宽100m左右。【阿拉斯加最大的石冰川长达3km，末端堤高60m。】
在第四纪松散沉积物的平坦地面上，由冻融和冻胀作用，地面形成多边形裂隙，构成网状，称为多边形构造土。从地表平面看，裂隙组成多边形，从剖面上看，裂隙呈楔形。根据楔子内填充物的不同，又分为冰楔和砂楔。
冰楔：在多年冻土区，地表水周期性注入到裂隙中再冻结，使裂隙不断扩大并为冰体填充，剖面成为楔状，称为冰楔。
冰楔的形成先是地表形成裂隙，地表水注入再冻结而成脉冰，由于脉冰常深入到永冻层中，到温暖季节，上部活动层的脉冰融化消失，永冻层中的脉冰则仍然存在。到了寒冷季节冻土又发生体积不均衡膨胀，原有的裂隙不断扩大。到来年夏季又在裂隙中注入水分，冬季再冻结胀裂，如此反复作用，就形成冰楔。
冰楔形成的条件：
①有深入到永冻层中的裂隙，并为脉冰所填充。
②冰楔的围岩是可塑性的，水在裂隙中才能冻结、膨胀，围岩不断受挤压变形，冰楔不断展宽。
③需要严寒的气候条件，年平均温度一般为-6~-3℃。
砂楔（古冰楔）
砂楔与冰楔形态相似，但裂隙中填充的不是脉冰，而是松散的砂土，叫砂楔。
砂楔可从冰楔演变而来，当冰楔内的脉冰完全融化后，砂土代替冰体填充于楔内，形成砂楔，所以又把砂楔看成古冰楔。
石环：是由细粒土和碎石为中心，周围由较大砾石为圆边的一种环状冻土地貌。【它们在极地、亚极地以及高山地区常有发育】
石环的直径一般为0.5~2.0m，在极地地区可达十余米。
石环示意图
石环是冻土中颗粒大小混杂的松散砂砾层，由于饱含水分，经频繁的冻融交替，产生物质分异形成的。
活动层中的大小混杂的砂砾，冬季，先从地面冻结，砂砾层孔隙中的水冻结膨胀，地面和砂砾层中的砾石一起被抬高，砾石的下部尚未冻结而出现空隙，砂土填入或水渗入形成冰透镜体。夏季，活动层上部解冻，由于砾石和砂土的导热率不同，砂土中的冰先融化，地面逐渐回降到原来位置，但砾石下部仍为冻结状态，这时一些大颗粒碎石或砾石却比周围含水砂土位置相对升高。等砾石下部冰开始融化时，砾石周围的砂土向砾石下部移动，填垫在砾石下部，当活动层全部融化后，砾石却相对抬升了一段距离，在这种冻融过程反复作用下，大的石块或砾石就逐渐被顶托到地面。
石圈：斜坡上发育的石环，在重力作用下常成椭圆形，它的前端由大石块构成石堤，这种石环又叫石圈。
石带：在较陡的山坡上，石圈前端常分开，经冻融分选的最大岩块，集中在纵长延伸的裂隙中，形成石带。
冻土层中常夹有未冻结层，未冻结层中的水分在地下慢慢凝结成冰体，使地面膨胀隆起，形成冰核丘。
冰核丘的平面呈圆形或椭圆形，顶部扁平，周边较陡，可达40~50°。冰核丘的顶部表面因地表隆起变形，产生许多方向不一的张裂隙而下陷。
冰核丘
规模大小不等。一年生的冰核丘的规模较小，高只有数十厘米至数米；多年生的冰核丘规模较大，高可达十余米至数十米，直径从30m到70m不等。
冰核丘有时能产生爆炸。在夏季气温上升很快，上部冻结层迅速融化，冻结土层急剧变薄，这时如冰核丘内含有气体，承压力很高的地下水就可能发生喷水爆炸。
土溜阶坎：是多年冻土区坡地上的一种地貌现象。当融冰时地表过湿的松散沉积物沿坡向下流动，前端常成一陡坎，叫土溜阶坎。谭老师地理工作室综合整理
土溜阶坎高约1m左右，宽4~5m，有的规模还要大一些。成因是多年冻土上部的活动层周期性融化，融化的水受下部永冻层的阻挡不能下渗，结果活动层的松散物质被水浸润，内摩擦减小，在重力作用下就缓缓沿坡向下滑动，如遇阻或坡度变缓，流动的速度减慢，前端就壅塞成一个坡坎。
热融塌陷洼地：是因温度升高，地下冰融化引起地面塌陷所形成的各种洼地。
这种塌陷过程类似喀斯特塌陷过程，而塌陷原因和温度有关，故又称热力喀斯特。
多年冻土上部的温度升高可能是气候周期性的转暖形成的，也可能是人为因素造成的。【如砍伐森林、开垦荒地和人工截流蓄水等都可以使地面温度增高】
热融塌陷洼地发育在斜坡上形成各种滑塌洼地，在平坦地面上形成漏斗状沉陷洼地，洼地内常积水成湖，称热融塌陷湖。
多年冻土发育的高原或平原地区，大大小小的热融塌陷湖星罗棋布。热融塌陷湖形成以后，湖水对湖底土层的传热作用，使底部土层增温，活动层的深度加大，地下冰融化速度加快，湖泊进一步沉陷，直到湖底地下冰全部融化后，湖泊才停止下沉和扩大。
（材料）近年来，位于高纬的西伯利亚地区气候发生了明显变化，土地覆被也随之变化，平地上的耕地明显减少，洼地上的草地大量转化为湿地，越年积雪（积雪期超过一年）面积减少。据此完成下面小题。
1. 导致西伯利亚地区土地覆被变化的首要原因是（ ）
A. 气温升高
B. 气温降低
C. 降水增多
D. 降水减少
2. 湿地面积增加主要是因为当地（ ）
A. 洪水暴涨
B. 退耕还湿
C. 地面沉降
D. 冻土融化
3. 西伯利亚地区平地上减少的耕地主要转化为（ ）
A. 林地
B. 湿地
C. 草地
D. 寒漠
【答案】1. A 2. D 3. C
【解析】
本组题以高纬的西伯利亚地区气候的明显变化，土地覆被也随之变化为背景，考查影响区域植被变化的因素，气候变暖的影响。
1.读材料可知，越年积雪（积雪期超过一年）面积减少，说明积雪融化增多，故首要原因是气温升高，A正确，B错误；降水增多会使越年积雪面积增大，C错误；材料中“洼地上的草地大量转化为湿地”说明洼地上有浅水出露地表，洼地积水增多，降水减少不合题意，D错误。故选A。
2.由上题分析可知，气温升高会导致冻土融化，地表积水增多，湿地面积增加，D正确；材料中“洼地上的草地大量转化为湿地”说明湿地增加的主要原因不是洪水暴涨、退耕还湿和地面沉降引起，ABC错误。故选D。
3.由（1）（2）题分析可知，气候变暖使冻土融化，地表水分增多，但平地上较洼地地势高，积水较少，不会有大量的浅水出露地表，减少的耕地主要不会转化为湿地，地表水分增加，适合草类植被生长，故主要转化为草地，B错误，C正确；题干中“高纬的西伯利亚地区”热量不足，难以形成林地植被，A错误；气候上升使冻土融化，地表水分增多，会使植被覆盖增多，不会转化为寒漠，D错误。故选C。
（材料） 阅读图文材料，完成下列要求。
多年冻土分为上下两层，上层为夏季融化，冬季冻结的活动层，下层为多年冻结层。我国的多年冻土分布主要分布于东北高纬度地区和青藏高原海拔地区。东北高纬地区多年冻土南界的年平均气温在-1°~1°，青藏高原多年冻土下界的年平均气温约为-3.5°~2°C。由我国自行设计、建设的青藏铁路格（尔木）拉（萨）段成功穿越了约550千米的连续多年冻土区，是全球目前穿越高原、高寒及多年冻土地区的最长铁路。多年冻土的活动层反复冻融及冬季不完全冻结，会危及示意青藏铁路格拉段及沿线年平均气温的分布，其中西大滩至安多为连续多年冻土分布区。图b为青藏铁路路基两侧的热棒照片及其散热工作原理示意图。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，蒸发段液态物质汽化上升，在冷凝段冷却成液态，回到蒸发段，循环反复。
（1）分析青藏高原形成多年冻土的年平均气温比东北高纬度地区低的原因。
（2）图a所示甲地比五道梁路基更不稳定，请说明原因。
（3）根据热棒的工作原理，判断热棒散热的工作季节（冬季或夏季）简述判断依据，分析热棒倾斜设置（图b）的原因。
【答案】
（1）青藏高原纬度低，海拔高，太阳辐射强；（东北高纬地区年平均气温低于—1℃～1℃，可以形成多年冻土。）青藏高原气温年较差小，当年平均气温同为—1℃～1℃时，冬季气温高，冻结厚度薄，夏季全部融化，不能形成多年冻土。
（2）甲地年平均气温更接近0℃，受气温变化的影响，活动层更频繁地冻融，（冻结时体积膨胀，融化时体积收缩，）危害路基；甲地年平均气温高于五道梁，夏季活动层厚度较大，冬季有时不能完全冻结，影响路基稳定性。
（3）冬季。依据：冬季气温低于地温，热棒蒸发段吸收冻土热量，（将液态物质汽化上升，与较冷的地上部分管壁接触，凝结，释放出潜热，）将冻土层中的热量传送至地上（大气）。热棒倾斜设置的原因：使热棒能深入铁轨正下方，保护铁轨下的路基（多年冻土）。
【解析】
（1）海拔高是导致青藏高原地区气温低的主要原因。和东北地区相比，青藏高原地区纬度较低，冬季获太阳辐射量多，冬季气温高，冻结厚度薄。夏季地表温度高，冻土层融化。青藏高原纬度低、海拔高，太阳辐射强；（东北高纬度地区年平均气温低于-1℃—1℃，可形成多年冻土。）青藏高原气温年较差小，当年平均气温同为-1℃—1℃时，冬季气温高，冻结厚度薄，夏季全部融化，不能形成多年冻土。
（2）观察图中甲地与五道梁地区的温度和纬度差异。甲地年均温高于五道梁地区，甲地冻土层厚度变化大，永久冻土厚度较小，地基土频繁的冻融不稳。甲地年平均气温更接近0℃，受气温变化的影响，活动层更容易频繁的冻融（冻结时体积膨胀，融化时体积收缩），危害路基；甲地年平均气温高于五道梁，夏季活动层厚度较大，冬季有时不能完全冻结，影响中期稳定性。
（3）热棒散热的工作季节为冬季。冬季高原面上气温低，冷凝段温度低于路基温度，蒸发段将液态物质汽化上升，气态物质在此段冷凝转化成液态流回蒸发段。冬季气温低于低温，热棒蒸发段吸收冻土热量（将液态物质汽化上升，与较冷的地上部分管壁接触，凝结释放出潜热），将冻土层中的热量传送至地上（大气）。倾斜设置可增加热棒与地层的接触面积，使热棒能深入铁轨正下方，对地层温度的调节作用更强。使热棒能深入铁轨正下方，保护铁轨下的路基（多年冻土）。