王偉超， 梁振新， 張文龍， 張永安， 劉世明， 黎全青， 馬永龍

(1.青海煤炭地質(zhì)一○五勘探隊，西寧 810007； 2.青海煤炭地質(zhì)局，西寧 810007；3.青海煤炭地質(zhì)勘查院，西寧 810007)

0 引言

此外，人類活動也對青藏高原生態(tài)系統(tǒng)中的水源涵養(yǎng)、植被生長、水文系統(tǒng)、工程地質(zhì)安全、生態(tài)環(huán)境保護等起到重要紐帶和支撐作用的多年凍土產(chǎn)生重要影響。因此，對祁連山凍土發(fā)育、人類活動相對較強的聚乎更礦區(qū)開展多年凍土特征的分析研究具有十分重要的意義。

1 地質(zhì)背景

隨著全球氣候轉(zhuǎn)暖，處于高海拔、強輻射、蒸發(fā)強、溫差大、植被類型相對單一、多年凍土發(fā)育的青藏高原氣候也發(fā)生著明顯的變化。此外，人類活動也對青藏高原生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生重要影響。本文選取人類活動相對較強的祁連山凍土發(fā)育區(qū)——聚乎更礦區(qū)為研究對象，對其多年凍土特征及其生態(tài)地質(zhì)功能作用開展研究。

根據(jù)已批準(zhǔn)的《青海省木里煤田礦區(qū)總體規(guī)劃》，聚乎更礦區(qū)、江倉礦區(qū)、弧山礦區(qū)、哆嗦公馬礦區(qū)共同隸屬于木里煤田礦區(qū)。其中，聚乎更礦區(qū)是木里地區(qū)乃至青海省重要的賦煤區(qū)，可進(jìn)一步劃分1～9號共九個井田(圖1)。聚乎更礦區(qū)地處高寒地帶，四季不明顯，氣候寒冷，晝夜溫差大，屬典型的高原大陸性氣候。礦區(qū)11月至翌年5月以降雪為主，最高氣溫在7月，達(dá)19.8℃，最低氣溫在1—2月，達(dá)-34℃，年平均氣溫-0.39℃左右。地表季節(jié)性凍土每年4月開始融化，至9月回凍，最大融化深度小于3.5m[1-2]。礦區(qū)土壤類型主要以高山草甸土、沼澤草甸土為主[1-2]。

圖1 聚乎更礦區(qū)地質(zhì)簡圖Figure 1 Geological diagram of Juhugeng mining area

青藏高原是我國凍土分布面積最廣的地區(qū)[3-4]。聚乎更礦區(qū)地處青藏高原東北部，屬祁連山高寒山地多年凍土區(qū)，是典型的高海拔多年凍土，區(qū)內(nèi)凍土廣泛發(fā)育。據(jù)中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所、中煤科工集團西安研究院有限公司等單位在木里地區(qū)以往的凍土地質(zhì)調(diào)查與長期地溫監(jiān)測成果顯示，受地形地貌、大氣對流、地質(zhì)構(gòu)造、地表水系、坡向等因素影響，木里煤田各礦區(qū)凍土分布厚度具有一定的差異性，多年凍土整體為連續(xù)分布，局部為島狀分布。其中，聚乎更礦區(qū)位于木里煤田的最西端，據(jù)多年井溫觀測資料顯示，多年凍土厚度在40～120m，多年凍土上限約為5.0m；哆嗦公馬礦區(qū)多年凍土厚度為35～84.1m，多年凍土上限一般小于1.0m。

聚乎更礦區(qū)主要分布亞穩(wěn)定型多年凍土，凍土年平均地溫在-1.5～-3.0℃，少量穩(wěn)定型多年凍土年平均地溫低于-3.0℃。其中，3、4、7、8號井田范圍主要處于山前緩坡高含冰量凍土區(qū)；5號井田中部處于基巖山區(qū)低含冰量凍土區(qū)，東西部分處于緩坡高含冰量凍土區(qū)；9號井田范圍主要處于基巖山區(qū)低含冰量凍土區(qū)。

2 多年凍土地溫特征

地溫是反映多年凍土熱狀況的重要特征指標(biāo)[5-6]，通過擾動環(huán)境趨于自然平衡和凍土儀器在經(jīng)過多年的連續(xù)監(jiān)測后顯示，多年凍土頂界和底界并沒有顯著的溫度變化趨勢的識別特征，主要還是以儀器能監(jiān)測到的0℃地溫圈定多年凍土層段。但同樣是在0℃溫度場下，地溫曲線會呈現(xiàn)出AC段“急劇”變化、CD段相對“恒定”變化和DF段“穩(wěn)定”變化三個顯著規(guī)律變化的區(qū)段(圖2)。這一變化主要是在太陽熱輻射和多年凍土層熱交換過程中達(dá)到自然平衡過程中總體呈現(xiàn)出的典型漸變規(guī)律。地溫曲線還會受多年凍土層厚度等因素影響發(fā)生形態(tài)上的顯著變化，但總體漸變規(guī)律是相似的[7]。

圖2 多年凍土典型地溫曲線Figure 2 Typical geothermal curves of permafrost

2.1 地溫“急劇”變化區(qū)段

多年凍土受當(dāng)年季節(jié)性氣候變化影響，每年5—9月地表溫度上升，多年凍土表層開始融化。首先，在每年有限的凍融期內(nèi)，太陽熱輻射與多年凍土層熱交換時間短，二者不能進(jìn)行充分的熱交換。其次，受地表植被的隔離保護作用和下覆巨厚層多年凍土的抑制作用，在以太陽輻射熱源為主要影響因素的有限作用下，冰水混合層下部很快與凍結(jié)的多年凍土層接觸。所以，在多年凍土上部從冰水混合層到凍結(jié)層，一般在7～8m內(nèi)凍土層的地溫呈現(xiàn)急劇變化的趨勢。在該地溫“急劇變化”區(qū)段還可以細(xì)分為上部受太陽輻射影響為主的溫度劇降的AB段和下部地表環(huán)境因素影響逐漸減弱的相對急劇升溫的BC段。

2.2 地溫相對“恒定”變化區(qū)段

聚乎更礦區(qū)多年凍土層厚度大。在多年凍土層上部地溫“急劇變化”區(qū)段和下部地溫“穩(wěn)定變化”區(qū)段的屏蔽下，厚大的多年凍土層中部受外界環(huán)境的影響基本被消除，相應(yīng)出現(xiàn)了地溫相對“恒定”變化的CD區(qū)段。聚乎更礦區(qū)這一相對“恒定”區(qū)段厚度約15m，地溫的變化為每百米0.007 7℃左右。

2.3 地溫“穩(wěn)定”變化區(qū)段

在多年凍土下部至其底界之下的一定深度段內(nèi)，地溫呈較穩(wěn)定的速率逐漸上升的DF區(qū)段規(guī)律變化，最終趨近于正常地層的溫度規(guī)律。這一變化規(guī)律是在多年凍土形成上萬年的時間尺度內(nèi)，多年凍土與下部正常地層在充分熱交換前提下即相對穩(wěn)定連續(xù)溫度平衡下呈現(xiàn)出的穩(wěn)定變化趨勢。所以，該區(qū)多年凍土從中下部開始，一般以每百米0.016℃的地溫梯度變化逐漸上升至正常的地溫梯度，呈現(xiàn)多年凍土地溫穩(wěn)定變化的規(guī)律，多年凍土下界并無顯著的溫度變化趨勢。

3 多年凍土發(fā)育特征

聚乎更礦區(qū)大部分地區(qū)的多年凍土主要分布在海拔3 600 m以上[8]，厚度在43.08～136.00m，主要分布在50.00～100.00m。整體呈現(xiàn)出西部厚度大，東部厚度小的特征，聚乎更礦區(qū)多年凍土厚度小于哆嗦公馬礦區(qū)。多年凍土厚度最薄(小于45m)的地區(qū)分布于木里鎮(zhèn)、三號井田北渣山、四號井田東渣山東北部、三號井田東渣山及下哆嗦河以東區(qū)域。45～65m多年凍土厚度較薄的區(qū)域分布于木葛湖及其周邊；哆嗦公馬礦區(qū)8-3鉆孔以北的小范圍區(qū)域；集中分布于木里礦區(qū)分布，在三號井東部、三號井田東渣山、三號井南渣山及四號井田北部、四號井田北渣山一線呈弧狀分布，另外在九號及八號井田南部B8-1鉆孔、B8-3鉆孔、0-2鉆孔、10-68鉆孔所圍限的區(qū)域多年凍土厚度也相對較薄。多年凍土厚度發(fā)育較厚的區(qū)域(大于95m)集中分布于哆嗦公馬礦區(qū)南部及東部，木葛湖以北，木里礦區(qū)七號井田北渣山以北的局部區(qū)域分布，以及八井田以南10-63鉆孔、7-1鉆孔、9-84鉆孔、7-93鉆孔、6-68鉆孔所圍限的區(qū)域。多年凍土厚度65～95m較厚的區(qū)域集中分布于哆嗦公馬礦區(qū)北側(cè)以及木里礦區(qū)的中南部。

4 受外界自然環(huán)境影響下的變化

4.1 凍土溫度變化

在全球正處于氣候變暖的過程中，地表熱平衡促使土層吸熱，在熱傳導(dǎo)作用下多年凍土層溫度呈現(xiàn)升高的變化趨勢[9-10]。聚乎更礦區(qū)周邊近10a來凍土地溫監(jiān)測資料顯示多年凍土地溫一般在0～-1.2℃，凍土的地溫曲線主要表現(xiàn)為正溫型地溫曲線，并且隨著時間的推移，多年凍土溫度呈增加趨勢，說明在氣候變暖背景下多年凍土下限在逐步抬升，聚乎更礦區(qū)及周邊多年凍土地溫向著退化的方向發(fā)展。

4.2 多年凍土上限變化

聚乎更礦區(qū)及周邊在每年10月至翌年4月的回凍期，多年凍土上限之上的融凍層會完全回凍，最終使得表層土體與下部多年凍土層形成銜接的凍結(jié)土層。這種條件下，多年凍土上限深度通常不會太深，一般在3.0～7.0m。同時多年凍土上限的變化也就直接反映了對氣候變化效應(yīng)的響應(yīng)。近10a來，聚乎更礦區(qū)及周邊多年凍土上限下降率介于0～20cm/a(圖3)。這是在全球氣候變暖背景下聚乎更礦區(qū)及周邊地區(qū)氣溫及地表溫度逐年上升主要影響的結(jié)果。

圖3 木里ML-4井多年凍土上限變化Figure 3 Change of permafrost upper limit in well ML-4in Muri mining area

5 凍土生態(tài)地質(zhì)功能

凍土是凍結(jié)層上水和區(qū)域穩(wěn)定隔水層的實質(zhì)載體，是重要的含隔水層，具有水源涵養(yǎng)功能。同時，凍土還是煤層氣的區(qū)域穩(wěn)定蓋層、天然氣水合物成藏的必要成礦條件，對煤層具有一定的保護作用。此外，凍土中的活動層是接近地表并根據(jù)季節(jié)性氣候變化而發(fā)生凍融的土層，是多年凍土和大氣圈進(jìn)行水熱交換的關(guān)鍵部分，對地表徑流、植物生長和碳循環(huán)等都有重要的影響。所以，凍土具有多樣的生態(tài)地質(zhì)功能，對高原高寒地區(qū)生態(tài)環(huán)境的穩(wěn)定和演化起到?jīng)Q定性的影響作用。

5.1 地下水文重要組成

凍土層的存在與否及其厚度很大程度上決定著礦區(qū)內(nèi)含水層的結(jié)構(gòu)，即凍土層厚度對礦區(qū)含水層敏感性起著十分重要的作用。在高寒凍土區(qū)的水文地質(zhì)中，凍土是重要的穩(wěn)定隔水層，以其為界，又可以劃分出凍結(jié)層上含水層和凍結(jié)層下含水層。其中，淺部重要的凍結(jié)層上含水層則發(fā)育在季節(jié)性凍土層中。

(1)區(qū)域穩(wěn)定隔水層

礦區(qū)普遍發(fā)育多年凍土層，可直接阻隔大氣降水和淺部凍結(jié)層上水與多年凍結(jié)層下水的水力聯(lián)系，是區(qū)域穩(wěn)定的隔水層和含隔水層劃分的重要參照。多年凍土層作為區(qū)域重要的穩(wěn)定隔水層，對區(qū)域水文地質(zhì)單元組成有著重要的貢獻(xiàn)。礦區(qū)的凍土隔水層通常由第四系各種成因類型所形成的土、砂、碎石及下伏基巖組成，因凍結(jié)性較好，全區(qū)穩(wěn)定，隔水性良好。礦區(qū)及周邊多年凍土層厚度一般在43.08～136m，但受海拔、地形地貌影響，整體呈現(xiàn)出西部山地、高海拔地區(qū)凍土厚度大，東部河谷、丘陵、地勢低緩區(qū)凍土層厚度變薄。此外，在天然湖泊和3、4、5、8號井存在顯著積水的采坑處，凍土存在明顯消融變化。其中，開挖深度大的3、4、5號井采坑對凍土造成了洞穿性挖損，局部凍土層消失，厚度為零?？偟膩碚f，多年凍土仍然是礦區(qū)內(nèi)相對連續(xù)、穩(wěn)定的隔水層。

(2)凍結(jié)層上含水層

在每年的4—10月淺部季節(jié)性凍土消融期，一般在3.5m以淺，凍結(jié)層上含水層在自身凍土層融化和大氣降水的雙重補給下，至7—8月地下水活動最強。但其徑流路線一般較短，在地形較低處以泉或小面積濕地排泄，形成地表徑流。在區(qū)域氣溫持續(xù)升高和凍土呈現(xiàn)出退化趨勢背景下，季節(jié)性凍土層厚度逐漸增加，尤其是靠近其底界之上土壤中含水量整體在增加，加劇了凍結(jié)層上水、凍土融化水向地表水系的側(cè)向徑流和補給?；顒訉映蔀榱己玫乃贤ㄇ溃瑑鼋Y(jié)層上含水層水力活動強度增強。凍結(jié)層上水對露天采坑積水和地表水系的水源補給增強，區(qū)域地下水資源失衡，不斷向中下游補給、輸出。

5.2 水源涵養(yǎng)

凍土退化會改變土壤水熱條件，降低土壤水分，多年凍土區(qū)對降水等氣象條件更為敏感，進(jìn)而破壞高原地區(qū)的生態(tài)穩(wěn)定性。礦區(qū)凍土資源廣泛發(fā)育，孕育了大面積的高山草甸和濕地。礦區(qū)降雨量逐年增加，高山融水豐富，地表沼澤發(fā)育，季節(jié)性河流廣布，夏季凍土融化活動層中泉水廣泛出露，是大通河上游的重要水源支流。

近些年礦業(yè)活動形成的采坑使多年凍土層發(fā)生裸露，從而在垂直方向和水平方向加劇了凍土的融化，造成草原濕地生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)功能降低，植被退化等。由于多年凍土遭受破壞或擾動，活動層增厚，凍結(jié)層上水側(cè)向徑流增強，凍土區(qū)的水向河流、湖泊等的補給增加，區(qū)域水資源總體在向中下游流域外輸、減少。

5.3 植被保護

季節(jié)性凍土中的水分受其下部不透水的多年凍土層阻隔，成為植被可利用水分的主要來源，也為成片、成帶分布的沼澤草甸與沼澤濕地發(fā)育提供了必要的條件。因此，多年凍土層的存在不僅可提高表土層濕度，利于植被、沼澤地發(fā)育，抑制荒漠化，也成為控制區(qū)域水環(huán)境的重要因素。其主要生態(tài)功能：季節(jié)性凍土層越薄，土壤越濕潤，越有利高寒草甸和高寒沼澤草甸的生長；凍融擾動作用可導(dǎo)致土壤層破壞，使粗粒土向上移動，引起土壤沙化和植被退化；凍土上限下降與凍土退化時，植物種類相應(yīng)減少，嚙齒類動物隨之潛入，加速草場退化。凍土的廣泛發(fā)育，是地表植被生存和維系的先決條件。植被的存在可減弱夏季太陽強烈輻射對表土的直接輻射量，降低蒸發(fā)量，使土壤保存較高的水分，也可降低地表溫度和減少進(jìn)入土層的熱量，有利于多年凍土的保存和發(fā)育。

地表植被和多年凍土相輔相成。多年凍土的退化改變了土壤層內(nèi)的水分、溫度等物理條件，必然對植物的生長和演替產(chǎn)生影響，加速高原高寒草場退化的速度。在高寒濕地分布區(qū)，多年凍土的存在能為植物生長提供充足的水分及獨特的生態(tài)環(huán)境，可使?jié)竦刂脖毁囈陨娴沫h(huán)境得以保持。凍土環(huán)境發(fā)生改變時，不僅是土壤結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，其上生長的植被也將隨之發(fā)生演替。礦區(qū)植被主要以高寒草甸類和高寒沼澤類草甸為主。植被覆蓋度較高，一般在70%以上，根系發(fā)達(dá)但埋深較淺(80%的根系分布在0～10cm的土層)，如果植被大范圍破壞，將導(dǎo)致凍土退化，季節(jié)融化深度加大，地下水位下降，植被自然恢復(fù)的有利條件逐漸喪失，直至失去自然恢復(fù)能力，逐步退化。

5.4 碳庫環(huán)境效益

高緯度和高海拔的多年凍土區(qū)具備顯著的固碳能力，同時還起到重要的封碳作用，是陸地生態(tài)系統(tǒng)碳庫的重要組成。季節(jié)性凍土的融化過程會促使土壤中的碳水化合物發(fā)生一系列的化學(xué)反應(yīng)，促進(jìn)CH4和CO2等以氣體形式散發(fā)到大氣中。凍土的衰退或破壞，會造成草原濕地大面積荒漠化，隨之土壤中大量的有機碳經(jīng)微生物分解后將以CO2和CH4的形式釋放到大氣中。生態(tài)系統(tǒng)呼吸和甲烷的排放(或吸收)是陸地和大氣之間碳交換的重要方式和途徑，二者微小的變化也會對全球氣候產(chǎn)生較大的影響。高寒草甸是該區(qū)主要的植被類型，約占多年凍土區(qū)面積的52. 77%，由于草原濕地的廣泛發(fā)育，一直以來，青藏高原發(fā)揮著極為重要的生態(tài)匯碳功能，多年凍土區(qū)土壤有機碳儲量初步預(yù)測達(dá)到1 600億t。

5.5 工程地質(zhì)安全

季節(jié)性凍土極易受到溫度變化影響而導(dǎo)致一系列工程地質(zhì)災(zāi)害問題。危害主要表現(xiàn)為凍脹和融沉作用。即在凍結(jié)狀態(tài)時，壓縮性變小并具有較高強度，在凍結(jié)過程中產(chǎn)生體積膨脹，形成地面隆起和地基鼓脹。凍土融化后，巖土中冰屑的骨架支撐作用消失，導(dǎo)致體積縮小，地基承載力降低，壓縮性增大，巖土體下沉陷落。僅考慮自然環(huán)境變化，礦區(qū)乃至整個青藏高原凍土層總體上正處于退化階段。近10a來，在全球變暖的大背景下，氣候變暖過程更加明顯。氣溫的升高導(dǎo)致地表溫度和地溫的升高，多年凍土上限下降。高溫不穩(wěn)定帶和極不穩(wěn)定帶的高含冰多年凍土是凍土退化最為敏感的地帶，由于凍土融化或上限下移引起的融沉破壞是凍土相關(guān)地質(zhì)災(zāi)害和問題的最主要原因。在自然環(huán)境因素影響下，基于地溫變化進(jìn)行的多年凍土工程地質(zhì)分區(qū)反映了凍土分布呈現(xiàn)明顯的區(qū)域性和地帶性規(guī)律。此外，人類活動是受災(zāi)的主體，反過來也是誘發(fā)災(zāi)害的重要原因，因此礦區(qū)內(nèi)已有的或在建、擬建的工程和人類的生存、經(jīng)濟活動都可能引起凍土相關(guān)地質(zhì)災(zāi)害。礦區(qū)海拔高、年平均氣溫低，凍結(jié)層上水相對富集，季節(jié)凍結(jié)深度較大，凍脹作用強烈，凍脹融沉相對易發(fā)。在人類活動區(qū)的道路、建筑等也易受到凍土活動層的變化，在局部發(fā)生變形、出現(xiàn)裂縫等。

5.6 成礦控礦

礦區(qū)中侏羅統(tǒng)煤層受后期構(gòu)造抬升控制，大部分井田煤層露頭接近地表，僅被淺部薄層的第四系覆蓋。凍土層對煤層露頭起到了很好的封蓋保存作用，有效抑制了煤層露頭的風(fēng)化、氧化。礦區(qū)豐富的煤炭資源和煤層含氣性顯示了良好的煤層氣資源遠(yuǎn)景。煤層氣的保存和富集需要必要的直接蓋層和區(qū)域蓋層等保存條件。礦區(qū)凍土厚度在43.08～136m，具有較好的封蓋能力，既是劃定的穩(wěn)定隔水層，也是煤層氣及煤系中的致密砂巖氣的良好區(qū)域蓋層。多年凍土層為下伏400m以淺的地層提供了相對低溫的基礎(chǔ)條件，由此也為礦區(qū)天然氣水合物的形成提供了必要的成礦條件。正是因為凍土的存在，天然氣水合物才有可能在礦區(qū)內(nèi)生成和賦存。基于凍土對以上能源礦產(chǎn)的成礦控制作用和保護作用，凍土一旦被破壞，會導(dǎo)致煤系內(nèi)氣體的逸散、水合物向氣體狀態(tài)的轉(zhuǎn)化分解等，誘發(fā)資源的消散等。

6 結(jié)論

1)多年凍土的地溫顯著變化點與其頂?shù)捉缇€點無顯著的一致性，更多是受太陽熱輻射和多年凍土層熱交換平衡控制下呈現(xiàn)出相對“急劇”“恒定”和“穩(wěn)定”三個顯著規(guī)律變化區(qū)段。

2)礦區(qū)多年凍土總體相對連續(xù)發(fā)育，但受海拔、地形地貌影響，整體呈現(xiàn)出西部山地高海拔區(qū)多年凍土厚度大，東部河谷、丘陵、地勢低緩區(qū)凍土厚度薄的規(guī)律。

3)近10a凍土監(jiān)測資料顯示，在氣候變暖背景下，本區(qū)多年凍土的地溫曲線主要表現(xiàn)為正溫型地溫曲線，隨著時間的推移，多年凍土溫度呈增加趨勢；多年凍土的上限在下降，下限在逐步抬升，多年凍土地溫向退化方向發(fā)展。

4)凍土同時兼具地下水文含隔水層重要組成、水源涵養(yǎng)、植被保護、碳庫固碳、工程地質(zhì)安全、成礦控礦等多重生態(tài)地質(zhì)功能和作用，對高原高寒地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定和演化具有重要影響。