青海省祁连山聚乎更矿区冻土特征及其生态地质功能作用研究

2022-08-04王伟超梁振新张文龙张永安刘世明黎全青马永龙

中国煤炭地质 2022年7期

王伟超，梁振新，张文龙，张永安，刘世明，黎全青，马永龙

(1.青海煤炭地质一○五勘探队，西宁 810007； 2.青海煤炭地质局，西宁 810007；3.青海煤炭地质勘查院，西宁 810007)

0 引言

此外，人类活动也对青藏高原生态系统中的水源涵养、植被生长、水文系统、工程地质安全、生态环境保护等起到重要纽带和支撑作用的多年冻土产生重要影响。因此，对祁连山冻土发育、人类活动相对较强的聚乎更矿区开展多年冻土特征的分析研究具有十分重要的意义。

1 地质背景

随着全球气候转暖，处于高海拔、强辐射、蒸发强、温差大、植被类型相对单一、多年冻土发育的青藏高原气候也发生着明显的变化。此外，人类活动也对青藏高原生态系统产生重要影响。本文选取人类活动相对较强的祁连山冻土发育区——聚乎更矿区为研究对象，对其多年冻土特征及其生态地质功能作用开展研究。

根据已批准的《青海省木里煤田矿区总体规划》，聚乎更矿区、江仓矿区、弧山矿区、哆嗦公马矿区共同隶属于木里煤田矿区。其中，聚乎更矿区是木里地区乃至青海省重要的赋煤区，可进一步划分1～9号共九个井田(图1)。聚乎更矿区地处高寒地带，四季不明显，气候寒冷，昼夜温差大，属典型的高原大陆性气候。矿区11月至翌年5月以降雪为主，最高气温在7月，达19.8℃，最低气温在1—2月，达-34℃，年平均气温-0.39℃左右。地表季节性冻土每年4月开始融化，至9月回冻，最大融化深度小于3.5m[1-2]。矿区土壤类型主要以高山草甸土、沼泽草甸土为主[1-2]。

图1 聚乎更矿区地质简图Figure 1 Geological diagram of Juhugeng mining area

青藏高原是我国冻土分布面积最广的地区[3-4]。聚乎更矿区地处青藏高原东北部，属祁连山高寒山地多年冻土区，是典型的高海拔多年冻土，区内冻土广泛发育。据中国科学院寒区旱区环境与工程研究所、中煤科工集团西安研究院有限公司等单位在木里地区以往的冻土地质调查与长期地温监测成果显示，受地形地貌、大气对流、地质构造、地表水系、坡向等因素影响，木里煤田各矿区冻土分布厚度具有一定的差异性，多年冻土整体为连续分布，局部为岛状分布。其中，聚乎更矿区位于木里煤田的最西端，据多年井温观测资料显示，多年冻土厚度在40～120m，多年冻土上限约为5.0m；哆嗦公马矿区多年冻土厚度为35～84.1m，多年冻土上限一般小于1.0m。

聚乎更矿区主要分布亚稳定型多年冻土，冻土年平均地温在-1.5～-3.0℃，少量稳定型多年冻土年平均地温低于-3.0℃。其中，3、4、7、8号井田范围主要处于山前缓坡高含冰量冻土区；5号井田中部处于基岩山区低含冰量冻土区，东西部分处于缓坡高含冰量冻土区；9号井田范围主要处于基岩山区低含冰量冻土区。

2 多年冻土地温特征

地温是反映多年冻土热状况的重要特征指标[5-6]，通过扰动环境趋于自然平衡和冻土仪器在经过多年的连续监测后显示，多年冻土顶界和底界并没有显著的温度变化趋势的识别特征，主要还是以仪器能监测到的0℃地温圈定多年冻土层段。但同样是在0℃温度场下，地温曲线会呈现出AC段“急剧”变化、CD段相对“恒定”变化和DF段“稳定”变化三个显著规律变化的区段(图2)。这一变化主要是在太阳热辐射和多年冻土层热交换过程中达到自然平衡过程中总体呈现出的典型渐变规律。地温曲线还会受多年冻土层厚度等因素影响发生形态上的显著变化，但总体渐变规律是相似的[7]。

图2 多年冻土典型地温曲线Figure 2 Typical geothermal curves of permafrost

2.1 地温“急剧”变化区段

多年冻土受当年季节性气候变化影响，每年5—9月地表温度上升，多年冻土表层开始融化。首先，在每年有限的冻融期内，太阳热辐射与多年冻土层热交换时间短，二者不能进行充分的热交换。其次，受地表植被的隔离保护作用和下覆巨厚层多年冻土的抑制作用，在以太阳辐射热源为主要影响因素的有限作用下，冰水混合层下部很快与冻结的多年冻土层接触。所以，在多年冻土上部从冰水混合层到冻结层，一般在7～8m内冻土层的地温呈现急剧变化的趋势。在该地温“急剧变化”区段还可以细分为上部受太阳辐射影响为主的温度剧降的AB段和下部地表环境因素影响逐渐减弱的相对急剧升温的BC段。

2.2 地温相对“恒定”变化区段

聚乎更矿区多年冻土层厚度大。在多年冻土层上部地温“急剧变化”区段和下部地温“稳定变化”区段的屏蔽下，厚大的多年冻土层中部受外界环境的影响基本被消除，相应出现了地温相对“恒定”变化的CD区段。聚乎更矿区这一相对“恒定”区段厚度约15m，地温的变化为每百米0.007 7℃左右。

2.3 地温“稳定”变化区段

在多年冻土下部至其底界之下的一定深度段内，地温呈较稳定的速率逐渐上升的DF区段规律变化，最终趋近于正常地层的温度规律。这一变化规律是在多年冻土形成上万年的时间尺度内，多年冻土与下部正常地层在充分热交换前提下即相对稳定连续温度平衡下呈现出的稳定变化趋势。所以，该区多年冻土从中下部开始，一般以每百米0.016℃的地温梯度变化逐渐上升至正常的地温梯度，呈现多年冻土地温稳定变化的规律，多年冻土下界并无显著的温度变化趋势。

3 多年冻土发育特征

聚乎更矿区大部分地区的多年冻土主要分布在海拔3 600 m以上[8]，厚度在43.08～136.00m，主要分布在50.00～100.00m。整体呈现出西部厚度大，东部厚度小的特征，聚乎更矿区多年冻土厚度小于哆嗦公马矿区。多年冻土厚度最薄(小于45m)的地区分布于木里镇、三号井田北渣山、四号井田东渣山东北部、三号井田东渣山及下哆嗦河以东区域。45～65m多年冻土厚度较薄的区域分布于木葛湖及其周边；哆嗦公马矿区8-3钻孔以北的小范围区域；集中分布于木里矿区分布，在三号井东部、三号井田东渣山、三号井南渣山及四号井田北部、四号井田北渣山一线呈弧状分布，另外在九号及八号井田南部B8-1钻孔、B8-3钻孔、0-2钻孔、10-68钻孔所围限的区域多年冻土厚度也相对较薄。多年冻土厚度发育较厚的区域(大于95m)集中分布于哆嗦公马矿区南部及东部，木葛湖以北，木里矿区七号井田北渣山以北的局部区域分布，以及八井田以南10-63钻孔、7-1钻孔、9-84钻孔、7-93钻孔、6-68钻孔所围限的区域。多年冻土厚度65～95m较厚的区域集中分布于哆嗦公马矿区北侧以及木里矿区的中南部。

4 受外界自然环境影响下的变化

4.1 冻土温度变化

在全球正处于气候变暖的过程中，地表热平衡促使土层吸热，在热传导作用下多年冻土层温度呈现升高的变化趋势[9-10]。聚乎更矿区周边近10a来冻土地温监测资料显示多年冻土地温一般在0～-1.2℃，冻土的地温曲线主要表现为正温型地温曲线，并且随着时间的推移，多年冻土温度呈增加趋势，说明在气候变暖背景下多年冻土下限在逐步抬升，聚乎更矿区及周边多年冻土地温向着退化的方向发展。

4.2 多年冻土上限变化

聚乎更矿区及周边在每年10月至翌年4月的回冻期，多年冻土上限之上的融冻层会完全回冻，最终使得表层土体与下部多年冻土层形成衔接的冻结土层。这种条件下，多年冻土上限深度通常不会太深，一般在3.0～7.0m。同时多年冻土上限的变化也就直接反映了对气候变化效应的响应。近10a来，聚乎更矿区及周边多年冻土上限下降率介于0～20cm/a(图3)。这是在全球气候变暖背景下聚乎更矿区及周边地区气温及地表温度逐年上升主要影响的结果。

图3 木里ML-4井多年冻土上限变化Figure 3 Change of permafrost upper limit in well ML-4in Muri mining area

5 冻土生态地质功能

冻土是冻结层上水和区域稳定隔水层的实质载体，是重要的含隔水层，具有水源涵养功能。同时，冻土还是煤层气的区域稳定盖层、天然气水合物成藏的必要成矿条件，对煤层具有一定的保护作用。此外，冻土中的活动层是接近地表并根据季节性气候变化而发生冻融的土层，是多年冻土和大气圈进行水热交换的关键部分，对地表径流、植物生长和碳循环等都有重要的影响。所以，冻土具有多样的生态地质功能，对高原高寒地区生态环境的稳定和演化起到决定性的影响作用。

5.1 地下水文重要组成

冻土层的存在与否及其厚度很大程度上决定着矿区内含水层的结构，即冻土层厚度对矿区含水层敏感性起着十分重要的作用。在高寒冻土区的水文地质中，冻土是重要的稳定隔水层，以其为界，又可以划分出冻结层上含水层和冻结层下含水层。其中，浅部重要的冻结层上含水层则发育在季节性冻土层中。

(1)区域稳定隔水层

矿区普遍发育多年冻土层，可直接阻隔大气降水和浅部冻结层上水与多年冻结层下水的水力联系，是区域稳定的隔水层和含隔水层划分的重要参照。多年冻土层作为区域重要的稳定隔水层，对区域水文地质单元组成有着重要的贡献。矿区的冻土隔水层通常由第四系各种成因类型所形成的土、砂、碎石及下伏基岩组成，因冻结性较好，全区稳定，隔水性良好。矿区及周边多年冻土层厚度一般在43.08～136m，但受海拔、地形地貌影响，整体呈现出西部山地、高海拔地区冻土厚度大，东部河谷、丘陵、地势低缓区冻土层厚度变薄。此外，在天然湖泊和3、4、5、8号井存在显著积水的采坑处，冻土存在明显消融变化。其中，开挖深度大的3、4、5号井采坑对冻土造成了洞穿性挖损，局部冻土层消失，厚度为零。总的来说，多年冻土仍然是矿区内相对连续、稳定的隔水层。

(2)冻结层上含水层

在每年的4—10月浅部季节性冻土消融期，一般在3.5m以浅，冻结层上含水层在自身冻土层融化和大气降水的双重补给下，至7—8月地下水活动最强。但其径流路线一般较短，在地形较低处以泉或小面积湿地排泄，形成地表径流。在区域气温持续升高和冻土呈现出退化趋势背景下，季节性冻土层厚度逐渐增加，尤其是靠近其底界之上土壤中含水量整体在增加，加剧了冻结层上水、冻土融化水向地表水系的侧向径流和补给。活动层成为良好的水力沟通渠道，冻结层上含水层水力活动强度增强。冻结层上水对露天采坑积水和地表水系的水源补给增强，区域地下水资源失衡，不断向中下游补给、输出。

5.2 水源涵养

冻土退化会改变土壤水热条件，降低土壤水分，多年冻土区对降水等气象条件更为敏感，进而破坏高原地区的生态稳定性。矿区冻土资源广泛发育，孕育了大面积的高山草甸和湿地。矿区降雨量逐年增加，高山融水丰富，地表沼泽发育，季节性河流广布，夏季冻土融化活动层中泉水广泛出露，是大通河上游的重要水源支流。

近些年矿业活动形成的采坑使多年冻土层发生裸露，从而在垂直方向和水平方向加剧了冻土的融化，造成草原湿地生态系统水源涵养功能降低，植被退化等。由于多年冻土遭受破坏或扰动，活动层增厚，冻结层上水侧向径流增强，冻土区的水向河流、湖泊等的补给增加，区域水资源总体在向中下游流域外输、减少。

5.3 植被保护

季节性冻土中的水分受其下部不透水的多年冻土层阻隔，成为植被可利用水分的主要来源，也为成片、成带分布的沼泽草甸与沼泽湿地发育提供了必要的条件。因此，多年冻土层的存在不仅可提高表土层湿度，利于植被、沼泽地发育，抑制荒漠化，也成为控制区域水环境的重要因素。其主要生态功能：季节性冻土层越薄，土壤越湿润，越有利高寒草甸和高寒沼泽草甸的生长；冻融扰动作用可导致土壤层破坏，使粗粒土向上移动，引起土壤沙化和植被退化；冻土上限下降与冻土退化时，植物种类相应减少，啮齿类动物随之潜入，加速草场退化。冻土的广泛发育，是地表植被生存和维系的先决条件。植被的存在可减弱夏季太阳强烈辐射对表土的直接辐射量，降低蒸发量，使土壤保存较高的水分，也可降低地表温度和减少进入土层的热量，有利于多年冻土的保存和发育。

地表植被和多年冻土相辅相成。多年冻土的退化改变了土壤层内的水分、温度等物理条件，必然对植物的生长和演替产生影响，加速高原高寒草场退化的速度。在高寒湿地分布区，多年冻土的存在能为植物生长提供充足的水分及独特的生态环境，可使湿地植被赖以生存的环境得以保持。冻土环境发生改变时，不仅是土壤结构发生改变，其上生长的植被也将随之发生演替。矿区植被主要以高寒草甸类和高寒沼泽类草甸为主。植被覆盖度较高，一般在70%以上，根系发达但埋深较浅(80%的根系分布在0～10cm的土层)，如果植被大范围破坏，将导致冻土退化，季节融化深度加大，地下水位下降，植被自然恢复的有利条件逐渐丧失，直至失去自然恢复能力，逐步退化。

5.4 碳库环境效益

高纬度和高海拔的多年冻土区具备显著的固碳能力，同时还起到重要的封碳作用，是陆地生态系统碳库的重要组成。季节性冻土的融化过程会促使土壤中的碳水化合物发生一系列的化学反应，促进CH4和CO2等以气体形式散发到大气中。冻土的衰退或破坏，会造成草原湿地大面积荒漠化，随之土壤中大量的有机碳经微生物分解后将以CO2和CH4的形式释放到大气中。生态系统呼吸和甲烷的排放(或吸收)是陆地和大气之间碳交换的重要方式和途径，二者微小的变化也会对全球气候产生较大的影响。高寒草甸是该区主要的植被类型，约占多年冻土区面积的52. 77%，由于草原湿地的广泛发育，一直以来，青藏高原发挥着极为重要的生态汇碳功能，多年冻土区土壤有机碳储量初步预测达到1 600亿t。

5.5 工程地质安全

季节性冻土极易受到温度变化影响而导致一系列工程地质灾害问题。危害主要表现为冻胀和融沉作用。即在冻结状态时，压缩性变小并具有较高强度，在冻结过程中产生体积膨胀，形成地面隆起和地基鼓胀。冻土融化后，岩土中冰屑的骨架支撑作用消失，导致体积缩小，地基承载力降低，压缩性增大，岩土体下沉陷落。仅考虑自然环境变化，矿区乃至整个青藏高原冻土层总体上正处于退化阶段。近10a来，在全球变暖的大背景下，气候变暖过程更加明显。气温的升高导致地表温度和地温的升高，多年冻土上限下降。高温不稳定带和极不稳定带的高含冰多年冻土是冻土退化最为敏感的地带，由于冻土融化或上限下移引起的融沉破坏是冻土相关地质灾害和问题的最主要原因。在自然环境因素影响下，基于地温变化进行的多年冻土工程地质分区反映了冻土分布呈现明显的区域性和地带性规律。此外，人类活动是受灾的主体，反过来也是诱发灾害的重要原因，因此矿区内已有的或在建、拟建的工程和人类的生存、经济活动都可能引起冻土相关地质灾害。矿区海拔高、年平均气温低，冻结层上水相对富集，季节冻结深度较大，冻胀作用强烈，冻胀融沉相对易发。在人类活动区的道路、建筑等也易受到冻土活动层的变化，在局部发生变形、出现裂缝等。

5.6 成矿控矿

矿区中侏罗统煤层受后期构造抬升控制，大部分井田煤层露头接近地表，仅被浅部薄层的第四系覆盖。冻土层对煤层露头起到了很好的封盖保存作用，有效抑制了煤层露头的风化、氧化。矿区丰富的煤炭资源和煤层含气性显示了良好的煤层气资源远景。煤层气的保存和富集需要必要的直接盖层和区域盖层等保存条件。矿区冻土厚度在43.08～136m，具有较好的封盖能力，既是划定的稳定隔水层，也是煤层气及煤系中的致密砂岩气的良好区域盖层。多年冻土层为下伏400m以浅的地层提供了相对低温的基础条件，由此也为矿区天然气水合物的形成提供了必要的成矿条件。正是因为冻土的存在，天然气水合物才有可能在矿区内生成和赋存。基于冻土对以上能源矿产的成矿控制作用和保护作用，冻土一旦被破坏，会导致煤系内气体的逸散、水合物向气体状态的转化分解等，诱发资源的消散等。