什么是凍土？

極地、亞極地地區和中低緯的高山、高原地區，在較強的大陸性氣候條件下，氣溫極低，降水量很少，地表沒有積雪，形成0℃或0℃以下并含有冰的凍結土層，稱為凍土。

凍土隨季節變化而發生周期性的融凍，如果冬季土層凍結，夏季全部融化，叫季節凍土。

季節凍土示意圖

繪圖 | 椰子皮

如多年處于凍結狀態的土層，或至少連續3年處于凍結狀態的土層，稱為多年凍土。

多年凍土示意圖

繪圖 | 椰子皮

01

凍土的分布

世界上凍土總面積約為3500萬平方千米，占地球大陸面積的25%。

全球凍土分布圖（紅圈：青藏地區凍土）

來源 | 百度搜圖

北半球凍土分布面積較大，俄羅斯和加拿大是凍土分布最廣的國家。

我國多年凍土分布在東北北部地區、西北高山區及青藏高原地區。

我國凍土分布圖

來源 | 百度搜圖

02

凍土的厚度

多年凍土區的凍土分上下兩層。

上層每年夏季融化，冬季凍結，叫活動層。

下層常年處在凍結狀態，叫永凍層。

凍土分層示意圖

繪圖 | 椰子皮

多年凍土的厚度從高緯到低緯逐漸減薄，以至完全消失。【例如，北極的多年凍土厚達1000m以上，年平均地溫為-15℃，永凍層的頂面接近地面。向南，到連續凍土的南界，多年凍土厚度減到100m以下，年平均地溫為-3~-5℃，永凍層的頂面埋藏加深。大致在北緯48°附近是多年凍土的南界，這里年平均地溫接近0℃，凍土厚度僅為1~2m。】

多年凍土從高緯到低緯不僅厚度變薄，而且由連續的凍土帶過渡到不連續的凍土帶。多年凍土不連續帶是由許多分散的凍土塊體組成，這些分散的凍土塊體稱為島狀凍土。

中、低緯度的高山、高原地區，多年凍土的厚度主要受海拔控制。一般來說，海拔愈高，地溫愈低，凍土層愈厚，永凍層頂面埋藏深度也較淺。【海拔每升高100~150m，年平均地溫約降低1℃，永凍層頂面埋藏深度減小0.2-0.3m】

多年凍土的厚度雖然受緯度和高度的控制，但在同一緯度和同一高度處的凍土厚度還有差別，這和其他自然地理條件有關。

1

氣候的影響

大陸性半干旱氣候較有利于凍土的形成，而溫暖濕潤的海洋性氣候不利于凍土的發育。【在歐亞大陸內部的半干旱氣候區的凍土南界（北緯47°）比受海洋性氣候影響較大的北美凍土南界（北緯52°）要更南一些。另外，在緯度和高度相同的條件下，大陸性半干旱氣候區的凍土厚度比海洋性氣候區的要大。】

2

巖性的影響

砂土導熱率較高，易透水，不利于凍土的形成。

黏土導熱率較低，不易透水，有利于凍土的形成。

泥炭的導熱率最低，最有利于凍土的發育。

3

坡向、坡度的影響

坡向和坡度直接影響地表接受太陽輻射的熱量。

陽坡日照時間長，受熱多于陰坡，因而在同一高度、不同坡向凍土的深度、分布高度和地溫狀況都不同，凍土的厚度也不同。【根據觀測，昆侖山西大灘不同坡向的山坡，在同一高度和同一深度的陰坡地溫比陽坡地溫要低2~3℃，陰坡凍土的厚度也要大一些，凍土分布下界高度較陽坡低100m。坡向對凍土發育的影響還隨坡度減小而減弱，如大興安嶺當坡度為20~30°時，南北坡同一高度處的地溫相差2~3℃，隨著坡度減小，不同坡向的同一高度地溫差減小，凍土厚度的差別也要小一些】

4

植被、雪蓋的影響

冬季，植被和雪蓋阻礙土壤熱量散失。夏季，植被和雪蓋減少地面受熱。因此，在有雪蓋和植被的地區，地面年溫差減小。【例如大興安嶺落葉松、樺樹林區和青藏高原的高山草甸地區，能使地表年溫差比附近裸露地面降低4~5℃，永凍層頂面深度變淺，永凍層厚度相對增大，活動層厚度相對減小】

03

凍土的結構

多年凍土區的凍土可分為上下兩層，上層是夏融冬凍或是晝融夜凍的活動層（又叫交替層）。下層是多年凍結不融的永凍層。

活動層的厚度隨緯度和高度的增大而減小，它的凍融深度與每年冬夏季節的溫度有關。

一般來說，活動層冬季凍結時可與下部的永凍層連接起來。【如果冬季氣溫較暖，活動層凍結時的深度達不到永凍層的頂部，這時在活動層與永凍層之間就出現一層未凍結的融區。如果來年夏季較涼，活動層的融化深度較小，結果便在活動層下部留下隔年凍結層。隔年凍結層較薄，只有10cm左右厚度，它可保存一年至數年。當某一年夏季較暖，活動層融化較深，隔年層即消失】

多年凍土層中活動層的變化

繪圖 | 椰子皮

多年凍土層中常出現隔年凍結層和融區的多層結構特征。

多年凍土結構特征

繪圖 | 椰子皮

當活動層于每年秋末自地表向下凍結時，由于底部的永凍層起阻擋作用，結果使其中間尚未凍結的融區（含水土層），在凍結層的擠壓作用下，發生塑性變形，形成各種大小不一、形狀各異的彎曲結構，這種現象稱為凍融擾動構造（或稱為冰卷泥）。

冰卷泥示意圖

繪圖 | 椰子皮

04

凍土的熱狀態

多年凍土的熱狀態是由地熱自然增溫和氣溫的影響而變化的。

從地表往下地溫逐漸增高，地熱自然增溫率平均約為3℃/100m。

氣溫對地面動層地溫的影響在地表最大，隨深度加大而減小。【氣溫年變化對凍土溫度變化的影響只限于地面一下一定深度，到一定深度，氣溫年變化對地溫沒有影響，這里的地溫年變化幅度等于零，即氣溫年變化對凍土影響的最大深度。在此深度以下，凍土溫度受年均溫和地熱增溫影響，深度增加，溫度增高】

05

凍土的成因

氣候的產物

現在世界上所見到的多年凍土絕大部分是第四紀冰時的遺留物。【北極的最老多年凍土大約在60萬年前就已形成，西伯利亞的多年凍土的年代距今也有10萬年】

在間冰期時，雖然在許多地方的凍土全部或部分融化了，但在高山和高緯的氣溫很低的大陸性氣候區，仍保留了大面積凍上，這部分沒有融化而保存下來的凍土稱為殘留凍土。

此外，還有一多分凍土是全新世以來形成的。【例如在冰后期大陸冰蓋退卻后發育的凍土和在全新世地層中形成的凍土。西西伯利亞北部，2000~3000年前寒冷期形成新的多年凍土與殘留的多年凍土銜接在一起；在南部，新形成的多年凍土與下部殘留多年凍土還沒有銜接上，中間夾有一層融化層而成雙層多年凍土結構】

06

凍土地貌

多年凍土區的地貌形成與凍融作用直接相關。

凍融作用：是指凍土層中的水在氣溫周期性的正負變化影響下，不斷發生相變和遷移，使土層反復凍結融化，導致土體或巖體的破壞、擾動和移動的過程。由凍融作用形成的各種地貌，稱凍土地貌。

凍土地貌組合

繪圖 | 椰子皮

1

石海、石河和石冰川

石海

石海：在寒凍風化作用下，巖石遭受寒凍崩解，形成巨石角礫，就地堆積在平坦的地面上。

形成條件：

①氣溫經常在0℃上下波動，日溫差較大，并有一定濕度，使巖石沿節理反復寒凍崩解。

②地形較平坦，地面坡度小于10°，可使寒凍崩解的巖塊不易順坡移動而保存在原地。

③堅硬而富有節理的塊狀巖石，如花崗巖、玄武巖和石英巖等，在寒凍作用下常崩解成大塊巖塊，得以保留在原地。

石海形成后，組成石海的大石塊很少移動。同時，石海中又缺少細粒物質而水分較少，凍融分選難以進行，這樣石海能長期保存下來。石海常在同一走向、同一巖性和一定高度的山坡上部發育，有一條平整的界限，稱石海線。【例如昆侖山的石海線是4900m。石海線比同期雪線高度要低200~300m或400~500m。石海線可大致確定古雪線的高度，石海線是一條重要的氣候地貌界線】

石河

石河：在山坡上寒凍風化產生的大量碎屑滾落到溝谷里，堆積厚度逐漸加大，在凍融和重力作用下發生整體運動形成。

石河運動是石塊沿著濕潤的碎屑下墊面或永凍層的頂面在重力作用下移動，這里溫度變化起著重要作用，它會引起碎屑空隙中水分的反復凍結和融解，導致碎屑的膨脹和收縮，促使石河向下運動。

石河運動速度較低，但中央部分流速比兩側流速要快。濕潤氣候區的石河流速比干燥氣候區的要快，石河中的巖塊經長期運動，可以搬運到山麓停積下來，形成石流扇。

石河停止運動是氣候轉暖的標志之一。【當石河不再移動時，角礫表面開始生長地衣苔蘚，有時在石河上生長樹木或堆積新沉積物。這些石河一般多分布在現在多年凍土的南界（北半球高緯地帶）或高山凍土的下界附近】

石冰川

石冰川：當冰川退縮后，聚集在冰斗和冰川槽谷中的冰破物，在凍融作用下順谷地下移形成。

石冰川分布在高山森林線以上，由尖角巖屑組成，平面形狀很像冰川舌。石冰川的縱剖面常呈上凸的弧形，橫剖面中部突起。它的長度一般可達300~400m，寬100m左右。【阿拉斯加最大的石冰川長達3km，末端堤高60m。】

2

多邊形構造土

在第四紀松散沉積物的平坦地面上，由凍融和凍脹作用，地面形成多邊形裂隙，構成網狀，稱為多邊形構造土。

從地表平面看，裂隙組成多邊形，從剖面上看，裂隙呈楔形。

根據楔子內填充物的不同，又分為冰楔和砂楔。

冰楔

冰楔：在多年凍土區，地表水周期性注入到裂隙中再凍結，使裂隙不斷擴大并為冰體填充，剖面成為楔狀，稱為冰楔。

冰楔的形成先是地表形成裂隙，地表水注入再凍結而成脈冰，由于脈冰常深入到永凍層中，到溫暖季節，上部活動層的脈冰融化消失，永凍層中的脈冰則仍然存在。到了寒冷季節凍土又發生體積不均衡膨脹，原有的裂隙不斷擴大。到來年夏季又在裂隙中注入水分，冬季再凍結脹裂，如此反復作用，就形成冰楔。

冰楔形成示意圖

繪圖 | 椰子皮

冰楔形成的條件：

①有深入到永凍層中的裂隙，并為脈冰所填充。

②冰楔的圍巖是可塑性的，水在裂隙中才能凍結、膨脹，圍巖不斷受擠壓變形，冰楔不斷展寬。

③需要嚴寒的氣候條件，年平均溫度一般為-6~-3℃。

砂楔（古冰楔）

砂楔與冰楔形態相似，但裂隙中填充的不是脈冰，而是松散的砂土，叫砂楔。

砂楔可從冰楔演變而來，當冰楔內的脈冰完全融化后，砂土代替冰體填充于楔內，形成砂楔，所以又把砂楔看成古冰楔。

3

石環、石圈和石帶

石環

石環：是由細粒土和碎石為中心，周國由較大礫石為圓邊的一種環狀凍土地貌。【它們在極地、亞極地以及高山地區常有發育】

石環的直徑一般為0.5~2.0m，在極地地區可達十余米。

石環示意圖

繪圖 | 椰子皮

石環是凍土中顆粒大小混雜的松散砂礫層，由于飽含水分，經頻繁的凍融交替，產生物質分異形成的。

活動層中的大小混雜的砂礫，冬季，先從地面凍結，砂礫層孔隙中的水凍結膨脹，地面和砂礫層中的礫石一起被抬高，礫石的下部尚未凍結而出現空隙，砂土填入或水滲入形成冰透鏡體。夏季，活動層上部解凍，由于礫石和砂土的導熱率不同，砂土中的冰先融化，地面逐漸回降到原來位置，但礫石下部仍為凍結狀態，這時一些大顆粒碎石或礫石卻比周圍含水砂土位置相對升高。等礫石下部冰開始融化時，礫石周圍的砂土向礫石下部移動，填墊在礫石下部，當活動層全部融化后，礫石卻相對抬升了一段距離，在這種凍融過程反復作用下，大的石塊或礫石就逐漸被頂托到地面。

石圈

斜坡上發育的石環，在重力作用下常成橢圓形，它的前端由大石塊構成石堤，這種石環又叫石圈。

石帶

在較陡的山坡上，石圈前端常分開，經凍融分選的最大巖塊，集中在縱長延伸的裂隙中，形成石帶。

4

冰核丘

凍土層中常夾有未凍結層，未凍結層中的水分在地下慢慢凝結成冰體，使地面膨脹隆起，形成冰核丘。

冰核丘的平面呈圓形或橢圓形，頂部扁平，周邊較陡，可達40~50°。冰核丘的頂部表面因地表隆起變形，產生許多方向不一的張裂隙而下陷。

冰核丘的規模大小不等。一年生的冰核丘的規模較小，高只有數十厘米至數米；多年生的冰核丘規模較大，高可達十余米至數十米，直徑從30m到70m不等。

冰核丘有時能產生爆炸。在夏季氣溫上升很快，上部凍結層迅速融化，凍結土層急劇變薄，這時如冰核丘內含有氣體，承壓力很高的地下水就可能發生噴水爆炸。

5

土溜階坎

土溜階坎：是多年凍土區坡地上的一種地貌現象。當融冰時地表過濕的松散沉積物沿坡向下流動，前端常成一陡坎，叫土溜階坎。

土溜階坎高約1m左右，寬4~5m，有的規模還要大一些。成因是多年凍土上部的活動層周期性融化，融化的水受下部永凍層的阻擋不能下滲，結果活動層的松散物質被水浸潤，內摩擦減小，在重力作用下就緩緩沿坡向下滑動，如遇阻或坡度變緩，流動的速度減慢，前端就壅塞成一個坡坎。

6

熱融塌陷洼地

熱融塌陷洼地：是因溫度升高，地下冰融化引起地面塌陷所形成的各種洼地。

這種塌陷過程類似喀斯特塌陷過程，而塌陷原因和溫度有關，故又稱熱力喀斯特。

多年凍土上部的溫度升高可能是氣候周期性的轉暖形成的，也可能是人為因素造成的。【如砍伐森林、開墾荒地和人工截流蓄水等都可以使地面溫度增高】

熱融塌陷洼地發育在斜坡上形成各種滑塌洼地，在平坦地面上形成漏斗狀沉陷洼地，洼地內常積水成湖，稱熱融塌陷湖。

多年凍土發育的高原或平原地區，大大小小的熱融塌陷湖星羅棋布。熱融塌陷湖形成以后，湖水對湖底土層的傳熱作用，使底部土層增溫，活動層的深度加大，地下冰融化速度加快，湖泊進一步沉陷，直到湖底地下冰全部融化后，湖泊才停止下沉和擴大。

05

高考真題

2015年·全國卷①

37.（24分）閱讀圖文材料，完成下列要求。

多年凍土分為上下兩層，上層為夏季融化，冬季凍結的活動層，下層為多年凍結層。我國的多年凍土主要分布于東北高緯度地區和青藏高原高海拔地區。東北高緯地區多年凍土南界的年平均氣溫在–1°～1℃，青藏高原多年凍土下界的年平均氣溫約為–3.5°～–2℃。

由我國自行設計、建設的青藏鐵路格（爾木）拉（薩）段成功穿越了約550千米的連續多年凍土區，是全球目前穿越高原、高寒及多年凍土地區的最長鐵路。多年凍土的活動層反復凍融及冬季不完全凍結，會危及鐵路路基。青藏鐵路建設者創造性地提出了“主動降溫、冷卻路基、保護凍土”的新思路，采用了熱棒新技術等措施。圖8a示意青藏鐵路格拉段及沿線年平均氣溫的分布，其中西大灘至安多為連續多年凍土分布區。圖8b為青藏鐵路路基兩側的熱棒照片及其散熱工作原理示意圖。熱棒地上部分為冷凝段，地下部分為蒸發段，當冷凝段溫度低于蒸發段溫度時，蒸發段液態物質汽化上升，在冷凝段冷卻成液態，回到蒸發段，循環反復。

注：37題為原試卷題號

（1）分析青藏高原形成多年凍土的年平均氣溫比東北高緯度地區低的原因。（8分）

（2）圖8a所示甲地比五道梁路基更不穩定，請說明原因。（8分）

（3）根據熱棒的工作原理，判斷熱棒散熱的工作季節（冬季或夏季），簡述判斷依據；分析熱棒傾斜設置（圖8b）的原因。（8分）

【參考答案】

（1）青藏高原緯度低，海拔高，太陽輻射強；（3分）（東北高緯地區年平均氣溫低于-1℃～1℃，可以形成多年凍土。）青藏高原氣溫年較差小，當年平均氣溫同為-1℃～1℃時，冬季氣溫高，凍結厚度薄，夏季全部融化，不能形成多年凍土。（5分）

【解析】

凍土有夏季全部融化、夏季上層融化、全年不融化等情況，題目中說的多年凍土是夏季上層融化的情況。第一個關鍵詞是多年凍土，對應的是夏季上層會融化。青藏高原形成多年凍土的年平均氣溫更低，換句話說，就是青藏高原為什么更容易形成上下層都融化的凍土，而不是多年凍土，情況可能是凍結厚度比較薄，凍結層在夏季全部融合，不能形成多年凍土，所以可以推出青藏高原緯度低，海拔高，太陽輻射強。青藏高原形成多年凍土的年平均氣溫更低，注意是年均溫，這是第二個關鍵詞，年均溫是一年12個月均溫的平均值。而青藏高原氣溫年較差小，冬季氣溫較高，夏季氣溫較低，當年平均氣溫同為-1℃～1℃時，相比較而言冬季氣溫高，凍土厚度薄。

【參考答案】

（2）甲地年平均氣溫更接近0℃，受氣溫變化的影響，活動層更頻繁地凍融，（凍結時體積膨脹，融化時體積收縮，）危害路基；（4分）甲地年平均氣溫高于五道梁，夏季活動層厚度較大，冬季有時不能完全凍結，影響路基穩定性。（4分）

【解析】

材料中明確描述多年凍土的活動層反復凍融及冬季不完全凍結，會危及鐵路路基，那么甲地比五道梁路基更不穩定，也就從活動層反復凍融和冬季不完全凍結兩個角度思考。從圖中可以看到甲地的年均溫接近0度，受氣溫影響，活動層反復凍融更強烈，冬季存在不完全凍結的情況，從而影響路基穩定。

【參考答案】

（3）冬季。（2分）依據：冬季氣溫低于地溫，熱棒蒸發段吸收凍土熱量，（將液態物質汽化上升，與較冷的地上部分管壁接觸，凝結，釋放出潛熱，）將凍土層中的熱量傳送至地上（大氣）。（3分）

熱棒傾斜設置的原因：使棒體能深入鐵軌正下方，保護鐵軌下的路基（多年凍土）。（3分）

【解析】

熱棒技術的原理為“主動降溫、冷卻路基、保護凍土”，也就是熱棒是給路基降溫的，把路基中的熱量散到大氣中去。熱棒地上部分為冷凝段，地下部分為蒸發段，當冷凝段溫度低于蒸發段溫度時，蒸發段液態物質汽化上升，在冷凝段冷卻成液態，回到蒸發段，循環反復，也就是熱棒散熱時間為地溫高于氣溫的時間，青藏高原冬季地溫高于氣溫，夏季氣溫高于地溫，所以熱棒散熱的工作季節為冬季。（解釋下青藏高原氣溫與地溫的關系：地面為大氣的直接熱源，所以正常情況下就是地溫高于氣溫，青藏高原海拔高，空氣稀薄，大氣保溫作用弱，所以地面輻射大量散逸于大氣中，夏季青藏高原太陽高度角較大，太陽輻射強，大氣除接受地面輻射外，還有接受一部分波長較長的太陽輻射，導致氣溫相對較高，氣溫高于地溫，夏季在青藏高原的感受是頭上火辣辣，腳上涼嗖嗖！）

熱棒傾斜設置是為了可以深入鐵軌正下方，散熱降溫作用更明顯。

圖解

多年凍土示意

熱棒垂直插和斜插的差異

寫在題后

本題以青藏鐵路修建中的熱棒技術為背景，考查青藏高原的大氣狀況，側重對比分析得出結論，要求考生從材料中獲取有效信息，同時結合其他學科的基礎知識解決地理相關問題，是一道綜合性、思考難度較大的題。