青藏高原熱融湖塘冰內(nèi)部晶體及氣泡特征的研究

青藏高原熱融湖塘冰內(nèi)部晶體及氣泡特征的研究

1能力及區(qū)域間關(guān)系青藏高原的高度（平均4000米以上）和氣候寒冷決定了高原川河冷土的存在和廣泛分布。青藏高原凍土區(qū)是世界中、低緯度地帶海拔最高、面積最大的凍土區(qū)。近幾十年來,由于青藏公路、青藏鐵路、高原電網(wǎng)的建設(shè),國家加大對(duì)寒區(qū)環(huán)境和工程研究的投入,吸引大批國內(nèi)外學(xué)者實(shí)地觀測和研究青藏高原的多年凍土、高原冰川和氣候變化及其與高原基礎(chǔ)建設(shè)的相互影響,取得豐碩成果。青藏高原河流、湖泊眾多,這些地表水體對(duì)周圍凍土熱況狀態(tài)和局地微氣候的影響不可避免。另外,由于自然或人為因素引起凍土層季節(jié)融化深度加大,導(dǎo)致地下冰或者多年凍土層發(fā)生局部融化,地表土層隨之沉陷,積水后形成熱融湖塘。湖泊水面的增加必然會(huì)破壞高原凍土、氣候和生態(tài)環(huán)境的平衡或者達(dá)到新的動(dòng)態(tài)平衡。每年秋季(10月下旬至11月上旬)氣溫降低,這些河、湖開始凍結(jié)形成冰蓋,次年春季(4月下旬至5月中旬)回暖融化,最大冰厚大約70~100cm,每年有5~7個(gè)月高原河、湖被冰層覆蓋。高原河、湖冰的生長與消融導(dǎo)致高原大氣局部下墊面季節(jié)性變化,冰蓋改變和阻斷(延緩)了水-氣物質(zhì)和熱能直接交換以及水動(dòng)力條件。這就使得以往適用于河、湖的大氣-水-凍土層的耦合模式在冰蓋期間應(yīng)演化為大氣-冰-水-凍土耦合模式。同時(shí),青藏高原冬春季節(jié)降雨量小、干燥、多強(qiáng)風(fēng),湖冰表面沒有積雪層覆蓋,極其有利于高原季節(jié)冰蓋熱力學(xué)生消過程觀測研究。然而,目前國內(nèi)尚無專門針對(duì)高原河、湖季節(jié)性冰蓋的現(xiàn)場觀測和研究報(bào)告。為認(rèn)識(shí)高原熱融湖塘冰層熱力學(xué)生消過程和冰的基本性質(zhì),作者自2010年10月初開始對(duì)青藏高原北麓河地區(qū)的一個(gè)典型熱融湖塘開展湖冰生消過程和湖底凍土溫度場的連續(xù)現(xiàn)場觀測,并于2010年12月9日(冰的快速生長期)取得3根冰樣,分析其晶體結(jié)構(gòu)、氣泡形態(tài)特征以及測試其密度,本文給出這些觀測結(jié)果并分析其相互影響和產(chǎn)生機(jī)理。2檢測冰樣及檢測晶體結(jié)構(gòu)中科院寒區(qū)和旱區(qū)環(huán)境與工程研究所凍土工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室青藏高原觀測站(北麓河站)位于高原腹地北麓河盆地地區(qū),依傍G109國道,且其附近分布著許多熱融湖塘。作者依托北麓河站,針對(duì)一個(gè)典型熱融湖進(jìn)行連續(xù)湖冰生消和湖冰內(nèi)部結(jié)構(gòu)觀測。從現(xiàn)場冰面可明顯看出,冰層可劃分為湖塘中部大范圍“脊椎狀”大氣泡冰區(qū)和湖邊緣的“線粒狀”小氣泡冰區(qū)(圖1(a)、(b))。發(fā)現(xiàn)這兩種氣泡特征普遍存在于觀測站附近的湖塘冰蓋,遂于2010年12月9日用冰鉆和冰鋸在典型氣泡區(qū)取得厚度均為27cm的完整冰坯3塊,其中“脊椎狀”氣泡冰坯1根,“線粒狀”氣泡冰坯2根;且現(xiàn)場將取出的冰坯標(biāo)記出正南方向,如圖1(a)和圖1(b)中箭頭所示。從冰坯切割出4根完整的10cm×10cm×厚度的柱狀冰樣,第1根冰樣用做冰內(nèi)氣泡宏觀形態(tài)和分布及冰晶體垂直切片的觀測;第2根冰樣用做冰晶體水平切片觀測和冰內(nèi)部氣泡圖像分析(由于“脊椎狀”氣泡冰易碎很難做冰切片處理,故只有一根“線粒狀”氣泡冰進(jìn)行切片分析);第3根冰樣用做冰密度測量;第4根冰樣用做備份(圖1(c))。冰樣內(nèi)氣泡形狀和分布的宏觀觀測是將第1根冰樣表面刮平,在黑色背景下拍照。拍照后將冰樣沿垂直方向由表至底切割成高9cm的垂直冰塊,并分別標(biāo)記出豎直方向;另外從第2根冰樣上自表至底以每隔9cm的水平位置切割一片水平冰塊,且在冰塊上標(biāo)示正南方向;將每一冰塊準(zhǔn)備觀測的側(cè)面研磨平整貼到溫度略高于0℃的玻璃片上;等待凍結(jié)到玻璃片上之后,再用鋸和刨刀將冰塊修理到厚度小于1mm,即完成冰薄片的制作。本文共制備出豎直薄片3片、水平薄片4片。按Langway方法進(jìn)行晶體組構(gòu)觀測:即在黑暗環(huán)境中,將薄冰片置于費(fèi)氏旋轉(zhuǎn)臺(tái)上,首先在正交偏光鏡下拍攝晶體照片用以確定晶體類型和晶體尺寸,在正常光下拍攝氣泡照片用于觀察氣泡微觀形態(tài)和計(jì)算氣泡含量;然后測量單個(gè)冰晶體的C-軸(光軸)方位,將每個(gè)薄冰片內(nèi)所有晶體的C-軸方位經(jīng)計(jì)算機(jī)處理,標(biāo)繪在Schmidt等面積正交投影圖上,即組構(gòu)圖。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)如果要觀測到清晰的氣泡,冰片的厚度必須小于最小觀測氣泡的0.5倍直徑。考慮到冰樣中下部晶體尺寸較大,一個(gè)8cm×10cm面積的冰薄片包含的晶體太少,不能準(zhǔn)確反映該深度冰體晶體及其C-軸的分布特征,需在同一深度水平面內(nèi)制備出多個(gè)冰薄片以增加晶體的統(tǒng)計(jì)數(shù)目。3熱融湖塘冰的c-軸變化規(guī)律進(jìn)入秋冬季節(jié),氣溫下降至冰點(diǎn)以下,湖水表面最先降溫至冰點(diǎn)。此時(shí),溫度梯度大,凍結(jié)速率快,冰晶體來不及完全發(fā)育,形成細(xì)碎的顆粒冰層。隨著冰厚增加,凍結(jié)速率放慢,冰晶體有充足的時(shí)間發(fā)育,尺寸逐漸增大;由于受周圍冰晶體生長的擠壓限制,其只能在豎向延伸,形成柱狀冰,如圖2(a)中豎直晶體照片?？梢钥闯?不同于平原水庫、河湖和渤海海冰冰晶結(jié)構(gòu),青藏高原熱融湖塘冰層自表層開始便呈現(xiàn)出柱狀冰晶體,顆粒冰層缺失。這可能是由于青藏高原特殊的氣象條件所致。從凍結(jié)初期氣溫資料(圖3)可以看出,凍結(jié)初期水面溫度白天高于冰點(diǎn),夜晚低于冰點(diǎn)。夜晚湖水表面溫度梯度很大而凍結(jié)速較快,形成顆粒冰薄層;但隨后一定時(shí)期內(nèi)氣溫并未迅速大幅降低,維持在冰點(diǎn)附近波動(dòng),晝熱夜寒便造成冰層白天表面受熱融化、蒸發(fā),夜晚底部冰水界面繼續(xù)凍結(jié)。這樣便會(huì)造成至取樣時(shí)原始冰層上部顆粒冰薄層部分殘留或完全消失。但總體上冰層的底部凍結(jié)速率大于表面融化速率,總冰厚逐漸增加。水平冰薄片可以揭示冰晶體尺寸(本文采用等效粒徑,即和每個(gè)晶體橫截面等面積的圓的直徑)和冰晶體C-軸的空間分布。通過計(jì)算機(jī)圖像分析,可計(jì)算出熱融湖冰晶體粒徑,其隨深度的增加而先增加,之后基本穩(wěn)定在一個(gè)固定值(圖2(b)和圖4)。將每個(gè)水平冰薄片內(nèi)所有冰晶體的C-軸(光軸)空間位向數(shù)據(jù)輸入預(yù)先編寫的計(jì)算機(jī)程序后便可繪制出相應(yīng)深度處冰晶體C-軸的組構(gòu)圖(圖5);可以看出,冰晶體C-軸聚集在豎直方向,且方位角出現(xiàn)微弱的定向分布,集中在WNW-ESE方向。結(jié)合晶體形態(tài)和尺寸特征,可以判斷該冰樣為各向異性材料。4熱融湖塘冰內(nèi)“腰椎狀”氣泡特征分析天然水體在快速凍結(jié)時(shí),水中溶解氣體來不及排擠出去而被包裹在冰晶骨架間形成氣泡。氣泡含量影響著冰密度和力學(xué)強(qiáng)度;氣泡的分布形態(tài)和形狀及其變化也影響著光和熱在冰內(nèi)傳播形式和量,對(duì)研究氣-冰-水熱平衡以及冰內(nèi)和冰下生態(tài)學(xué)至關(guān)重要。青藏高原熱融湖塘位于未融透或已融透的多年凍土層?，F(xiàn)場觀察多個(gè)熱融湖塘,其上覆冰蓋皆可按照氣泡的含量和形態(tài)不同而分為兩個(gè)區(qū)域:“脊椎狀”氣泡區(qū)和“線粒狀”氣泡區(qū)(依據(jù)氣泡形態(tài))。圖6、7分別給出了冰內(nèi)氣泡的宏觀形態(tài)照片和微觀形態(tài)照片,用于分析冰內(nèi)氣泡的整體分布、形狀和統(tǒng)計(jì)冰內(nèi)氣泡截面形態(tài)、含量及尺寸。湖塘冰層內(nèi)“脊椎狀”氣泡尺寸很大,個(gè)體形態(tài)呈扁圓餅狀或近圓球狀,頂部齊平而下部呈圓弧狀,自上而下間斷或連續(xù)地串聯(lián)一體?！熬€粒狀”氣泡為由細(xì)小的球狀氣泡有規(guī)律地垂向排列構(gòu)成的,但頂部密集而下部較稀疏,整體看上去近似圓柱氣泡。通過圖像分析得出,“脊椎狀”氣泡區(qū)中圓餅狀氣泡直徑多為1~5cm,厚度約1~2cm;“線粒狀”氣泡直徑范圍為0.3~2.5mm,長細(xì)比在100~200之間。通過將冰薄片在正常光背景下拍照獲得的微觀氣泡照片轉(zhuǎn)化為黑(冰)-白(氣泡)兩色的圖片(圖7),對(duì)每個(gè)白點(diǎn)(氣泡)的尺寸、面積統(tǒng)計(jì)分析,得到冰內(nèi)氣泡含量和氣泡等效粒徑,如圖8?？梢园l(fā)現(xiàn)“線粒狀”氣泡冰氣泡含量在2%~3%之間,且隨深度迅速減小至某一定值而基本保持穩(wěn)定;氣泡等效粒徑保持在0.26~0.30mm之間,隨深度變化較小。圖9給出完整冰樣水平切片內(nèi)氣泡等效直徑的尺寸分布直方圖。天然冰氣泡內(nèi)氣體來源有多種,但主要包括以下兩種:一是凍結(jié)初始,水面風(fēng)浪劇烈水體中包裹的空氣胞被快速凍結(jié)在冰表層內(nèi);二是凍結(jié)過程中,水體中的溶解氧釋放到凍結(jié)鋒面,沒來得及排擠出去而被鑲嵌在冰晶骨架間。冰內(nèi)氣泡以第二種來源成因?yàn)橹?但本文中青藏高原熱融湖塘冰內(nèi)“脊椎狀”氣泡的來源可能并不完全屬于上述兩種,否定的原因包括:一是凍結(jié)初始階段,風(fēng)浪攜帶的空氣胞誘致的氣泡雖然尺寸大,但位置多在冰層表部10~20cm以上,且尺寸也達(dá)不到高原熱融湖冰內(nèi)氣泡的巨大尺寸;二是凍結(jié)過程中,水體中的溶解氧不可能大量而迅速地析出聚集在冰底面凍結(jié)鋒面上,水中溶解氧含量不會(huì)有如此大量且釋放。也就是說,高原熱融湖塘冰內(nèi)“脊椎狀”氣泡多而聚集的分布,要求湖底土層有大量氣泡釋放,這在青藏高原熱融湖塘是可能實(shí)現(xiàn)的。青藏高原的特殊的地質(zhì)構(gòu)造及復(fù)雜地層內(nèi)圈壁著豐富的天然氣水合物,埋深較淺(可能為100~1000m);近幾十年來,青藏高原氣候變暖引起高原多年凍土層變薄、退縮甚至融透,凍土層融化不可避免會(huì)釋放封閉在凍土層內(nèi)部或底部的氣體;且有文獻(xiàn)指出本文研究的熱融湖中心區(qū)域湖底凍土層極可能已經(jīng)融透,這就為湖底有大量氣體的釋放提供了可能來源。冰密度是天然冰最基本的物理性質(zhì),是冰其他外在表征性質(zhì)的基礎(chǔ)。天然冰內(nèi)部存在有氣泡和雜質(zhì)包裹體(泥沙、腐殖質(zhì)等),氣泡和雜質(zhì)的密度和含量不同導(dǎo)致天然冰的密度變化,并非固定值。將圖1中第3根冰樣切割成規(guī)則的長方體柱,并且根據(jù)冰樣自身內(nèi)部分層沿深度分割出3段,分別量出尺寸、稱重量,計(jì)算出密度。將含有“線粒狀”氣泡的兩根冰樣對(duì)應(yīng)位置的密度取平均,繪制出圖9?？梢姾小熬€粒狀”氣泡的冰樣密度在0.91~0.92g/cm3之間變化,幅度較小,卻呈現(xiàn)出隨氣泡含量增大而減小的趨勢;但含有大尺寸“脊椎狀”氣泡的冰樣密度范圍為0.88~0.91g/cm3,變化幅度較大,顯然是受其內(nèi)部氣泡含量變化所導(dǎo)致。5熱融湖湖冰的晶體形貌青藏高原湖泊每年出現(xiàn)季節(jié)性冰蓋,且冰期較長。2010—2011年度冬季在青藏高原北麓河地區(qū)首次開展針對(duì)青藏高原凍土區(qū)熱融湖塘冰蓋生消過程和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場觀測。在冰蓋的快速生長期內(nèi),于2010年12月9日取得3根完整冰樣觀測、分析其內(nèi)部結(jié)構(gòu),得出以下結(jié)論:(1)青藏高原熱融湖塘冰蓋普遍存在兩種典型氣泡形態(tài):“脊椎狀”和“線粒狀”,前者單個(gè)氣泡直徑多為1~5cm,厚度約1~2cm;后者氣泡直徑范圍為0.3~2.5mm,長細(xì)比在100~200之間;(2)熱融湖湖冰自表至底全為柱狀冰晶體,晶體尺寸隨深度增加而先增加,后保持在20mm左右波動(dòng);晶體C-軸出現(xiàn)空間優(yōu)勢方位分布,多集中在WNW-ESE方向,冰層為各向異性材料;(3)“線粒狀”氣泡冰的氣泡含量隨深度增加而迅速減小至一定值,但含量較小,在2~3%之間;氣泡等效直徑維持在0.26~0.30mm之間,隨深度變化不明顯;(4)冰樣密度范圍為0.88~0.91g/cm3,變化幅度較大,受其內(nèi)部氣泡含量影響;(5)青藏高原特殊的氣象條件和地層構(gòu)造