地下冰

地下冰是指地殼岩土內所含冰的統稱。據粗略的估計，地球上的地下冰的總體積約為50×10⁴㎞³，佔地球上冰體積的2%。主要分佈在岩石圈上部10～30米以上的深度內。在北半球的高緯度地帶有很多地方分佈在其上部0～30m的深度內．其體積含冰量達到50%~80%，地下冰是多年凍土地區極為重要的水資源，地下冰的存在對凍土工程和氣候變化等產生極大的影響。 ^[1] 

多年凍土的地下冰具有細粒狀、微層狀、厚層狀、透鏡狀、脈狀等形式，與土體組合構成整體狀、層狀、網狀、礫岩狀、包裹狀、裂隙一脈狀等的凍土構造。在湖相、坡積一泥流相、泥炭及黏土、亞黏土的土層中，存在着厚度不等的層狀地下冰，主要是以分凝形式形成的屬高含冰量主要分佈地段。在中細砂層中形成整體狀構造。在砂礫石層中，主要以礫岩狀、包裹狀地下冰存在，含量較小。在凍結的基岩中，地下冰僅以裂隙——脈狀冰的形式充填於基岩裂隙中，含冰量取決於基岩裂隙大小和充水程度。

地下冰主要的發育深度，一般在20m以內，特別富集於多年凍土0.5m~10m深度內。大、小興安嶺為0.3m~1.5m，青藏高原為0.9m~3.0m，以1m~2m居多。

凍土中地下冰含量的多少取決於不同成因類型土的粒度、礦物、化學成分，土層的埋藏條件、初始含水量及其水分補給條件，土層的凍結條件及其與地面的熱交換條件等。顆粒粒徑為0.074mm~0.005mm的粉土、砂土是分凝冰形成的最佳範圍，粉質亞黏土、亞黏土、粉質亞砂土、黏土、亞砂土及粉砂是地下冰富集的土層，其含量也基本上依此順序排列。 ^[2] 

地下冰的存在是凍土的基本特徵，按成因和埋藏方式，一般將地下冰分為組織冰、埋藏冰和洞脈冰三類。 ^[3] 

土層中原有的水分凍結生成的地下冰，稱為組織冰，也叫構造冰或原生冰。可分下列四種：

膠結冰一般分佈在土層的上部，是存在於土層顆粒間孔隙中的水直接凍結而成的細小冰晶。膠結冰的特徵是水分在原地凍結，基本上沒有水分遷移作用，因而土粒幾乎不發生位移，僅被冰膠結在一起。在含水量較大的沙礫石土層中，膠結冰可包裹在沙礫表面，使凍土具有礫岩狀構造。 ^[3] 

在土層凍結過程中，當冰、水共存時，由於冰周圍温度低，飽和蒸氣壓小，而水周圍温度相對較高，蒸氣壓也較大，這就必然會發生氣態水分子的移動，使氣態水不斷地在固相冰體上凝結起來，結果冰體不斷增大。這種通過氣態水分子的移動不斷加大冰休的作用稱為聚冰作用。通過聚冰作用形成的冰叫做分凝冰，且其形成於潮濕的粘性土和粉質土中。在一定條件下，這些土凍結時會發生水分遷移現象(見凍融時水分遷移)。遷移的水分在凍結鋒面後一定距離凍結，排開土粒而聚冰，形成分凝冰。在有外部水源補給的情況下，土的凍結強度與水分遷移速度之間的平衡如能長期維持，則往往形成大塊分凝冰。這種大塊冰一般厚1～40米，水平延伸幾十米至2000米，分佈深度為3～5米至40米，有時可達200米深。分凝冰侷限於某處時，往往形成凍脹丘。

分凝冰的最主要特徵是在凍結過程中有水分遷移參與。在過濕的細粒土孔隙中，分凝冰往往垂直於凍結面而伸長，形成冰針。隨着冰針不斷向上增長，能將其上的沙子或小石托起。這種上舉力可以很大，因為冰晶體增長時可以產生14kg/cm²的壓力，當白天冰針融化時，被其頂託的礫石就會失去平衡而向一側傾倒。這個過程的反覆進行，砂石就逐漸被抬升和傾移。這是凍土表面物質進行自然分選和緩慢遷移的一種方式。分凝冰一般在土體中呈水平層狀或透鏡狀，厚度不等，厚者可達20~30cm。冰體較純，具有結晶方位定向性。其分佈不如膠結冰廣泛，往往見於較低窪的河漫灘、低階地及盆地和平緩山坡的坡麓等地貌部位。

侵入冰是地下承壓水沿凍土層中的融化通道或沿凍土層與融化層的交界面貫入，再凍結形成的冰。與分凝冰不同的是形成侵入冰的水為重力水。侵入冰在接近地表處形成時，便產生凍脹丘。

脈冰是指岩石裂隙中的水凍結後形成的冰。它與多邊形脈冰不同：脈冰是由未凍的岩石裂隙中的水凍結而成，為原生的；多邊形脈冰是凍土遇冷收縮產生的裂隙充水後再凍結形成，為後生的。

地下冰中分佈最廣的是膠結冰和分凝冰，其次為多邊形脈冰、脈冰和侵入冰，埋藏冰較少。 ^[3] 

被堆積物掩埋的冰體，稱為埋藏冰。埋藏冰主要是冰川融化以後殘留下來的冰被冰磧物覆蓋形成的，分佈在冰川前緣地區。覆蓋在堆積物下的冰錐、河冰、湖冰等也屬於埋藏冰，但分佈面積有限。埋藏冰融化以後形成低窪的熱融塌陷地形。

從形態上看，厚層地下冰主要有互層狀地下冰與透鏡狀地下冰兩種類型。互層狀地下冰與沉積層呈互層關係，最厚單層地下冰可達5m。透鏡狀地下冰夾於沉積層內，最厚可達10餘米。 ^[3] 

洞脈冰由地表水充填於凍土中的洞穴和裂隙後凍結形成，叫做洞脈冰或次生冰。洞脈冰分為脈冰和洞穴冰兩種。 ^[3] 

脈冰是由地表水注人土體或岩石垂直裂隙中凍結而成。脈冰對圍巖起着極大的破壞作用，使裂隙更加擴大。這種作用稱為冰劈作用。

凍土在季節性凍融變化過程中，地表水向裂隙的注人過程表現為週期性，因此，脈冰也可經多次重複凍結而成，這樣的脈冰稱為復脈冰。復脈冰具有垂直條帶狀構造，一層條帶代表一個年層（冰年層），冰年層由裏向外，形成年代由新變老。具有垂直冰年層的復脈冰，稱為冰楔。由於冰楔在生長過程中裂隙中的水反覆凍結，發生體積膨脹，對周圍土體不斷髮生擠壓，結果使圍巖（土）層理髮生彎曲。冰楔主要形成在具有裂隙和可塑性較大的土體或巖體內。

冰楔可分為後生冰楔和同生冰楔兩類，前者指冰楔形成於為寒凍裂隙所分裂的沉積層之後，後者指與沉積層同時生成。後生冰楔規模較小，平均寬度約數十釐米，深度常不足1m，同生冰模因冰聚合體規模較大，故冰楔寬可達5m-8m，最大深度達40m以上，主要分佈在高緯度極地平原地區。

與冰楔形態相似，但裂隙中充填的不是脈冰，而是鬆散土類物質的叫土楔或沙楔。土楔可能是從冰楔演變而來，當裂隙內的脈冰完全融化後，沙土代替冰體充填於楔內，於是形成土楔，所以可把土楔視作古冰楔。土楔也可能與冰楔無關，即一開始楔內就沒有脈冰

在多年凍土分佈區，存在着一些地下洞穴，充填在這些洞穴中的冰叫做洞穴冰。 ^[3] 

地下冰往往引起凍土產生各種不良物理地質現象，嚴重危脅着人們的生活穩定與人身安全以及建築物的安全與穩定。而其主要的不良物理地質現象有熱融沉陷和熱融湖塘、熱融滑塌及融凍泥流這三類。地下冰產生的主要危害也基本來源於這三類物理地質現象。詳細介紹如下：

當厚層地下冰消融時，地表發生沉陷，形成垂直下陷的凹地的過程稱為熱融沉陷。當這些熱融沉陷凹地被地表水或地下水注滿時就形成了熱融湖塘。而這兩種不良的物理地質現象，嚴重地危脅着凍土區建築物的安全與穩定及人們的生命安全。 ^[4] 

在有厚層地下冰分佈的斜坡上，當坡腳處的地下冰在夏季暴露時而發生融化時，其上覆融土及植被失去支撐而塌落，掩蓋了坡腳及其兩側暴露的冰層，同時卻暴露了上方的地下冰層，使它發生融化，產生新的塌落，如此反覆滑塌，一直向斜坡下方發展，形成融凍滑塌。融凍滑塌體形成的稀泥物質常順坡向下流動掩埋道路、堵塞橋涵，使路基濕軟，危害其下方和坡上方建築的穩定和安全。

緩坡上的細粒土由於凍融作用而結構被破壞，又因下伏凍土層阻隔，土中水分不能下滲．從而使土飽和甚至成為泥漿，沿層面順坡向下蠕動，這種現象稱為融凍泥流。它有表層泥流和深層泥流兩種。表層泥流分佈廣、規模小、流動快；深層泥流以地下冰或多年凍土層為滑動面，長達幾百米，寬幾十米，移動速度緩慢。融凍泥流極大地威脅着其下方的工程設施及建築物安全。 ^[4] 

1、冰是地球上一種質量最輕、融點最低、最後分異而成的表生礦物。地面以下的冰體，不論其成因、形狀、分佈，均稱為地下冰。 地下冰的存在和相變，影響着地層的生物化學作用和凍土的物理力學性質。地下冰往往引起凍土產生各種不良物理地質現象，嚴重危脅着凍土區建築物的安全與穩定。特別是多年凍土上限附近的厚冰層危害最大。 ^[5] 

2、基於青藏高原多年凍土區三個鑽孔的地球物理測井數據和鑽孔編錄資料，相關研究人員對多年凍土厚度和多年凍土層內地下冰與地球物理測井數據之間的關係進行了相關的分析研究，研究表明，當地層為土壤類型時，可以使用井徑和側向測井曲線來判斷多年凍土層厚度;而當地層為緻密的基岩時，不能使用上述兩種測井曲線來判斷多年凍土層厚度.此外，還可以使用長源距伽馬-伽馬曲線和側向測井曲線來識別多年凍土層內部分地下冰層的位置，其前提條件是地下冰層具有一定的厚度，或即使厚度較薄，但連續出現.這一研究結果對於利用地球物理測井曲線來調查多年凍土情況具有一定的應用價值.。 ^[6] 

3、在未來幾十年內多年凍土的分佈範圍將不會發生顯著變化，多年凍土的主要退化形式為地下冰的消融、低温凍土向高温凍土轉化；但本世紀末多年凍土將發生大範圍的退化，這一過程將引起熱融滑塌、熱融沉陷等凍土熱融災害。相關研究人員可將Nelson熱融災害風險性評價模式進行系列修正，對研究區災害風險性進行具體的評估區劃。 ^[7]