周華云， 劉廣岳， 楊 斌， 鄒德富， 趙 林， 杜二計， 譚昌海，陳 文， 楊朝磊， 文 浪， 旺扎多吉， 張潯潯， 肖 瑤，胡國杰， 李智斌， 謝昌衛(wèi)， 汪凌霄， 劉世博

（1.中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院冰凍科學(xué)國家重點實驗室藏北高原冰凍圈特殊環(huán)境與災(zāi)害國家野外科學(xué)觀測研究站，甘肅蘭州 730000； 2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049； 3.中國地質(zhì)調(diào)查局應(yīng)用地質(zhì)研究中心，北京 100055； 4.南京信息工程大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，江蘇南京 210044）

0 引言

中國境內(nèi)的青藏高原現(xiàn)有多年凍土面積約為1.06×106km2[1］，是全球中低緯度地區(qū)海拔最高、面積最大的多年凍土分布區(qū)[2］。與其他地區(qū)相比，青藏高原多年凍土具有連續(xù)性差、活動層厚、多年凍土層薄和富冰高溫特征[3-4］，對氣候變化極為敏感[4］。與北半球的平均水平相比，青藏高原升溫速率和幅度都更加劇烈[5-6］，這也進一步加劇了該區(qū)域多年凍土的退化[7-11］，并對青藏高原多年凍土區(qū)及其周邊地區(qū)的生態(tài)環(huán)境、水文循環(huán)和區(qū)域氣候產(chǎn)生著重要的影響[12-14］。

多年凍土是漫長地質(zhì)歷史時期地球表層巖土層與氣候相互作用的產(chǎn)物，地下冰廣泛發(fā)育，最新結(jié)果顯示，青藏高原多年凍土總地下冰儲量約為1.27×1012km3的水當(dāng)量[3］。多年凍土退化導(dǎo)致地下冰消融[15］，使青藏高原多年凍土內(nèi)部大量的地下冰正以“源”的形式參與到發(fā)源于高原上的眾多河流的水循環(huán)過程中，改變了區(qū)域乃至全球的水循環(huán)[16-19］。沱沱河源區(qū)作為長江的主要發(fā)源地，氣候變暖顯著改變了長江源區(qū)的徑流[20-23］。盡管已有研究表明沱沱河源區(qū)分布有大片連續(xù)的多年凍土[1，24］，但受多年凍土制圖分辨率較低（≥1 km）與交通條件等諸多因素限制[25］，有關(guān)沱沱河源區(qū)具體的多年凍土特征還鮮有報道；加之高平原和河谷地帶的多年凍土大多處于零梯度階段，面臨著嚴(yán)峻的退化趨勢[26］，查明沱沱河源區(qū)多年凍土的發(fā)育狀況變得十分必要。

多年凍土調(diào)查是查明多年凍土發(fā)育特征的較為科學(xué)直觀的方式之一，可為地球科學(xué)研究、環(huán)境保護和工程建設(shè)提供科學(xué)支撐[27］。青藏高原多年凍土調(diào)查始于20 世紀(jì)60 年代[28］，主要服務(wù)于資源調(diào)查與工程建設(shè)需要，且大多局限于青藏工程走廊沿線[29-31］；況且青藏高原多年凍土是其地質(zhì)歷史的產(chǎn)物，受局域尺度上地形地貌等因素的影響，多年凍土活動層厚度、多年凍土厚度和地下冰發(fā)育特征都存在較大的空間差異[2］。這使得利用已有資料評估沱沱河源區(qū)的多年凍土發(fā)育狀況仍然存在不足。基于第二次青藏高原綜合科學(xué)考察研究“多年凍土對亞洲水塔的影響”子專題和“青藏高原自然資源要素綜合觀測”項目，2020 年10—11 月項目組以鉆探、坑探和地球物理勘探等方式完成了沱沱河源區(qū)的多年凍土調(diào)查。調(diào)查結(jié)果包括鉆探數(shù)量32個，最大鉆探深度100 m，坑探數(shù)量20個，采集巖芯土壤樣品3 485 件，安裝地溫觀測設(shè)備30 套和活動層水熱系統(tǒng)20 套，為研究沱沱河源區(qū)多年凍土分布、多年凍土厚度和地下冰的垂直剖面發(fā)育特征提供了充實的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。本研究根據(jù)現(xiàn)場鉆探的鉆孔編目資料結(jié)合其他野外現(xiàn)場考察資料，估算了沱沱河源區(qū)多年凍土和融區(qū)的大致分布、多年凍土上限和下限深度、多年凍土厚度，并定性評估了研究區(qū)內(nèi)地下冰的發(fā)育狀況，研究結(jié)果擬為后續(xù)該區(qū)域多年凍土的模式模擬、特征演化和未來評估等研究提供參考。

1 研究區(qū)概況

本次科考的研究區(qū)位于青藏高原多年凍土區(qū)腹地[1］，由部分沱沱河流域和部分通天河流域組成，前者是指該流域內(nèi)沱沱河國家氣象站（92.44° E，34.22°N，4 540 m）的上游區(qū)域，后者是指青藏公路與通天河相交處（92.36° E，33.87° N，4 580 m）的上游區(qū)域。研究區(qū)介于90°29′~92°32′E，33°22′~35°54′N 之間，總面積約為2.07×104km2，其中沱沱河流域面積約為1.65×104km2，通天河流域面積約為0.42×104km2，由于沱沱河流域是長江的正源，本文為了簡潔將研究區(qū)稱為沱沱河源區(qū)（圖1）。據(jù)2015 年統(tǒng)計數(shù)據(jù)，研究區(qū)冰川和湖泊面積分別約為600 km2和300 km2，約占流域面積的1%[32-33］。研究區(qū)地質(zhì)構(gòu)造分布在巴顏喀拉褶皺帶和唐古拉褶皺帶之間，出露地層主要為二疊紀(jì)至第四紀(jì)的海陸交互相沉積[34］，地形起伏較大，山勢總體呈現(xiàn)西北-東南走向，平均海拔4 976 m。受印度洋-孟加拉灣的濕氣流和西風(fēng)帶系統(tǒng)擾動的影響[35-36］，沱沱河源區(qū)屬于大陸高山半干旱半濕潤氣候特征，氣象站（92°26′E，33°13′N，海拔4 533 m）觀測數(shù)據(jù)顯示（國家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)中心：http：//data. cma. cn/），2000—2019 年期間年平均降水量為336 mm，降水主要集中在4—10月，年平均氣溫為-2.7 ℃。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 調(diào)查方法和數(shù)據(jù)獲取

本次科考在研究區(qū)內(nèi)共布設(shè)32個鉆孔，所有鉆孔分布均嚴(yán)格依據(jù)多年凍土調(diào)查方法[37］。為了后續(xù)研究的科學(xué)客觀，本文將所有鉆孔大致分為4 個凍土研究剖面線，即W-E-1、W-E-2、S-N-1 和S-N-2（圖1）。本次科考所有鉆孔所在位置的坡度均在1°~15°范圍，屬于平坦或緩坡范圍，且覆蓋了研究區(qū)內(nèi)不同的地貌和植被類型，鉆探總進尺1 200 m，最大深度100 m，最小深度18 m，鉆孔的具體信息見表1。

表1 鉆孔基本信息Table 1 Basic information of boreholes

圖1 研究區(qū)、鉆孔分布與凍土研究剖面線（其中W-E-1和W-E-2為東-西凍土研究剖面線；S-N-1和S-N-2為南-北凍土研究剖面線）Fig. 1 Study area，borehole distribution and frozen soil research profile（W-E-1 and W-E-2 are east-west frozen soil research profile lines；S-N-1 and S-N-2 are the south-north frozen soil research profile lines）

鉆孔巖芯識別和成孔后地溫監(jiān)測是確定多年凍土是否存在、多年凍土中地下冰分布特征的最基礎(chǔ)、最直接、也是最可靠的方法[37］。野外識別的重點是從鉆探獲取到的巖芯中多年凍土上限位置和地下冰發(fā)育的跡象。野外鉆探過程中，對多年凍土調(diào)查內(nèi)容的施鉆過程具有明確的要求，那就是低轉(zhuǎn)速和淺鉆進，其目的是盡可能降低鉆進過程的熱擾動，確保能夠提取到凍土樣品。這樣的鉆進方法對于高含冰量凍土巖芯的采取成功率在90%以上。

多年凍土上限附近一般存在地下冰，并呈連續(xù)層狀分布[38］。在鉆探過程中首次提取到的具有層狀分布特點的地下冰出現(xiàn)的深度并對比同步坑探所揭示地下冰位置（坑探與鉆探位置相距10 m 以內(nèi)），由于鉆探期間位于凍結(jié)季（2020年10—11月），因此在出現(xiàn)連續(xù)地下冰深度之下且在隨后的鉆進過程中仍然能夠提取到呈凍結(jié)狀態(tài)的巖芯（含冰），才把該鉆孔確定為發(fā)育多年凍土的鉆孔，而該深度則確定為多年凍土上限深度。根據(jù)鉆孔巖芯確定多年凍土是否存在除施鉆過程外，最主要的影響因素是施鉆地區(qū)的巖性特征。在土層顆粒組成小于礫石粒徑（20 mm）地區(qū)施鉆，可獲取凍土巖芯的成功率近于100%[37］。本次野外考察鉆取到的巖芯大多屬于這類土，由此進一步說明根據(jù)鉆孔巖芯直接識別到的多年凍土存在與否是可靠的。這也使得通過對巖芯呈現(xiàn)凍結(jié)狀態(tài)的最大深度確定為多年凍土下限深度較為可信。

2.2 輔助數(shù)據(jù)

輔助數(shù)據(jù)主要包括鉆孔地溫觀測數(shù)據(jù)、第四紀(jì)地質(zhì)數(shù)據(jù)和地貌數(shù)據(jù)。鉆孔地溫觀測數(shù)據(jù)是成孔后約6 個月的人工觀測，觀測設(shè)備為中國科學(xué)院凍土工程國家重點實驗生產(chǎn)的熱敏電阻式測溫探頭。第四紀(jì)地質(zhì)數(shù)據(jù)和地貌數(shù)據(jù)的空間分辨率均為1：400萬，前者來源于國家冰川凍土沙漠科學(xué)數(shù)據(jù)中心（http：//www. ncdc. ac. cn）[39］，地貌數(shù)據(jù)來自于國家青藏高原科學(xué)數(shù)據(jù)中心（http：//data.tpdc.ac.cn）[40］。

3 結(jié)果

3.1 多年凍土分布和融區(qū)

研究區(qū)內(nèi)鉆孔的凍土類型分布如圖2 所示，所有鉆孔中26 個鉆孔有多年凍土，其余6 個鉆孔無多年凍土，為季節(jié)凍土區(qū)（TTH-30 和TTH-31 與TTH-09 水平距離較遠(yuǎn)，但在同一凍土研究剖面線上，且均發(fā)育多年凍土，因此未標(biāo)出）。多年凍土鉆孔中最低海拔為4 650 m（TTH-18），不存在多年凍土的鉆孔最低海拔（TTH-19）和最高海拔（TTH-12 和TTH-13）分別為4 620 m 和4 870 m。不存在多年凍土的鉆孔主要分布于海拔較低的河谷地帶（TTH-19、TTH-23 和TTH-24）與沉積特征較復(fù)雜的沖/洪積扇地貌（TTH-12、TTH-13 和TTH-29），植被類型主要為高寒草原和高寒荒漠。

圖2 研究區(qū)內(nèi)鉆孔的凍土類型（橫坐標(biāo)為投影距離，縱坐標(biāo)為GPS所測的海拔）Fig. 2 Frozen soil types of boreholes in the study area.（The horizontal ordinate is the projection distance，and the ordinate is the altitude measured by GPS）

研究區(qū)內(nèi)鉆孔海拔最低的是TTH-19（4 620 m），其次是TTH-18（4 650 m），兩者均位于河流階地，海拔相差30 m。根據(jù)青藏高原多年凍土的分帶規(guī)律，在其他條件相似的情況下，海拔升高100 m，凍土溫度下降0.6~1.0 ℃，多年凍土厚度增加15~20 m 厚度[41］。由于TTH-18 存在多年凍土，而TTH-19 不存在多年凍土，表明除海拔差異外還存在其他局地因素導(dǎo)致這種顯著差別。

TTH-18 和TTH-19 均位于河流階地凸岸側(cè)，前者距離河流約為670 m，后者位于河流交匯處，距離河流約為622 m，沉積物類型分別是冰水-洪積和沖積。野外巖芯照片（圖3）和鉆探編目資料顯示，TTH-18 在0~4.7 m 深度內(nèi)土壤質(zhì)地為砂壤土且含有少量磨圓度較好的碎石和角礫（~5%），在4.7~17.7 m深度內(nèi)土壤質(zhì)地為黏土；TTH-19在0~4.2 m深度內(nèi)土壤質(zhì)地為砂土且含有大量礫石和碎石（~30%），在4.2~11.7 m 深度內(nèi)土壤質(zhì)地為砂壤土含有少量礫石（~5%）。TTH-18 地下冰主要分布在4.7~14.1 m 深度范圍內(nèi)，且在14.0~14.1 m 處發(fā)現(xiàn)厚度約為10 cm 的純冰層（圖3），表明其地下冰發(fā)育相對較好（在9.6~9.7 m、10.5~10.6 m 和13.8~13.9 m深度范圍也存在較厚的層狀冰）。盡管TTH-18 與TTH-19 在表層5 m 深度以內(nèi)的土壤質(zhì)地較為相似，但深層土壤質(zhì)地存在顯著差異。由于土壤顆粒越細(xì)水分含量越高，土壤在凍結(jié)之后更不易融化，使得TTH-18 深層土層（4.7 m 深度以下）在氣候變暖背景下仍然存在歷史氣候作用形成的厚層地下冰。因此推斷TTH-18存在多年凍土而TTH-19鉆孔不存在多年凍土的主要原因是土壤質(zhì)地，本質(zhì)上是TTH-19 相較于TTH-18 鉆孔距離河流更近，受河流侵蝕土壤質(zhì)地更粗，地下冰賦存少且更易融化。

由于TTH-18 在0~4.7 m 深度內(nèi)無凍結(jié)和含冰情況，地下冰在4.7~14.1 m 深度范圍均有分布，在0~4.7 m 深度內(nèi)土壤質(zhì)地以砂土為主，4.7~50 m 深度內(nèi)為黏土。在松散砂礫層較厚且排水條件較好，會導(dǎo)致地面吸收太陽輻射能力較強以及大氣降水易滲入到下部形成滲透-輻射融區(qū)[42］，因此推測TTH-18是存在融化夾層的多年凍土，地溫觀測結(jié)果也證實了該推論（圖3）。TTH-19、TTH-20、TTH-24和TTH-29 與TTH-18 的相對海拔差分別為-30 m、40 m、45 m 和30 m，多數(shù)鉆孔均不存在多年凍土（除TTH-18和TTH-20），由于TTH-24和TTH-29不存在多年凍土主要受河流侵蝕導(dǎo)致，根據(jù)以上鉆孔相互間的海拔關(guān)系推測研究區(qū)內(nèi)多年凍土下界大致在4 650~4 680 m 之間（介于TTH-18 與TTH-29 的海拔范圍內(nèi)）。

圖3 TTH-18與TTH-19巖芯照片和地溫曲線：TTH-18（a）和TTH-19（b）鉆孔地表以下6 m 深度內(nèi)巖芯照片；TTH-18巖芯在14.0~14.1m的地下冰照片（c）；（d）和（e）分別是（a）和（b）紅色框放大圖；TTH-18和TTH-19的地溫曲線（觀測時間均為2021年5月11日，成孔時間分別為2020年10月28日和2020年11月19日，護孔方法均為填土法）（f）Fig. 3 Core photos and geothermal curves of TTH-18 and TTH-19：core photos of TTH-18（a）and TTH-19（b）at a depth of 6 m below the surface of the borehole；TTH-18 core photo of ground ice at 14.0~14.1 m（c）；（d）and（e）are enlarged views of red boxes（a）and（b）respectively；geothermal curves of TTH-18 and TTH-19（both observation time May 11th，2021，and the hole-forming times are October 28th，2020 and November 19th，2020，respectively，and the hole protection methods are all filling methods）（f）

根據(jù)鉆探編目資料，TTH-11 鉆孔巖芯在8.7~8.9 m 處發(fā)育有冰包裹體，具有明顯的層狀冷生構(gòu)造，表明其發(fā)育有多年凍土，但土層在8.9 m 以下未發(fā)現(xiàn)任何地下冰（包括冰晶、膠結(jié)冰等）且土層干燥；在8.5~23.8 m 深度范圍內(nèi)，除19~20 m 存在少量碎石（約占10%），其余土壤質(zhì)地均為黏土，巖芯完整度約90%，在23.8~30.0 m 地層為砂巖。根據(jù)野外調(diào)查，研究區(qū)內(nèi)多處分布有溫泉（圖4），且在距離TTH-11 直線距離約200 m 處發(fā)現(xiàn)半徑大于3 m的熱泉，其表層水溫為56.7 ℃，而以往研究也證實了研究區(qū)內(nèi)由于較活躍的斷裂帶存在較強的地?zé)岜尘癧43］，說明研究區(qū)內(nèi)多年凍土在空間分布和垂直剖面的發(fā)育狀況可能在一定程度上受地?zé)嵊绊憽＜又芯繀^(qū)內(nèi)不存在多年凍土的鉆孔主要原因是河流作用，推測沱沱河源區(qū)分布有一定范圍的融區(qū)，可能影響該區(qū)內(nèi)多年凍土的發(fā)育。

圖4 研究區(qū)溫泉分布和實拍照片：研究區(qū)溫泉分布（a）；WQ1小型溫泉（b）；WQ2大型溫泉（c）（拍攝時間2020年11月7日）Fig. 4 Distribution and photos of hot springs in the study area：distribution of hot springs in the study area（a）；photos of WQ1 small hot spring（b）and WQ2 large hot spring（c）（photographing time：November 7，2020）

3.2 多年凍土特征與基巖埋深

本文首先通過多年凍土特征和基巖埋深分析研究區(qū)內(nèi)多年凍土的發(fā)育狀況，其中多年凍土特征以多年凍土上限深度、多年凍土下限深度和多年凍土厚度表征，結(jié)果如圖5 所示。研究區(qū)內(nèi)多年凍土上限深度主要分布在1~4 m，空間分布差異較大。其中1~2 m、2~3 m 和3~4 m 的鉆孔分別約占總鉆孔數(shù)量的19%、22%和31%，平均多年凍土上限深度為（2.47±0.98）m；高寒沼澤草甸、高寒草甸、高寒草原及高寒荒漠的平均多年凍土上限深度分別為2.4 m、2.5 m、3.2 m，與以往結(jié)果較為符合[8，27，45-47］；部分鉆孔多年凍土上限深度相對較大（TTH-15 為4 m、TTH-18為4.7 m與TTH-31為4.5 m）。大部分地區(qū)多年凍土下限深度和多年凍土厚度的空間差異較小，多年凍土下限深度在14.6~31.2 m，平均深度19.3 m；多年凍土厚度在8.5~29.2 m，平均厚度15 m；部分地方多年凍土下限深度和多年凍土厚度可達(dá)到75 m 和72.7 m（TTH-07）。研究區(qū)內(nèi)基巖埋藏深度空間差異較大，分布范圍在4.9~39 m，基巖類型為砂巖。

結(jié)合圖5 和鉆探編目資料，TTH-07 位于冰川末端的北坡的冰緣地帶區(qū)，其地下冰和地層呈現(xiàn)較為明顯的間隔分層特征，且距離較近的TTH-08 也存在相似情況（TTH-08 鉆探深度50 m），多年凍土下限深度和多年凍土厚度分別達(dá)到75 m和72.7 m，故推測該區(qū)域可能為共生型多年凍土。根據(jù)表2，研究區(qū)內(nèi)多年凍土下限深度和多年凍土厚度的地貌差異性增大的規(guī)律依次為河流階地、山前殘坡積、山間洪積灘、山前沖積扇和河流沖積扇與山前洪積扇，表明多年凍土特征的空間差異與地質(zhì)作用的大小存在明顯的正相關(guān)關(guān)系。

圖5 多年凍土特征與基巖埋藏深度（箱線圖表征了各鉆孔的最大值、最小值、四分位數(shù)和中值；代表鉆孔的菱形圖形以及其正態(tài)分布擬合曲線，表征各鉆孔的統(tǒng)計特征）Fig. 5 Characteristics of permafrost and buried depth of bedrock（the box diagrams characterize the maximum，minimum，quartile，and median of each borehole；represent the diamond figure of the borehole and its normal distribution fitting curve，and characterize the statistical characteristics of each borehole）

表2 不同地貌類型多年凍土下限深度和厚度Table 2 permafrost base depth and thickness of permafrost of different landform types

基巖埋藏深度表征第四紀(jì)沉積物的厚度，在一定程度上限制多年凍土的發(fā)育厚度，進而加劇多年凍土的空間差異性[37］。對基巖埋藏深度的精確判斷，有助于評估局域尺度多年凍土的發(fā)育狀況。沱沱河源區(qū)基巖埋藏深度為4.9~39 m，基巖類型為砂巖，能獲取基巖埋藏深度的區(qū)域主要位于風(fēng)化作用較強的山頂與物質(zhì)搬運較強的山前緩坡和坡角位置。山前殘坡積陰坡側(cè)基巖埋深最淺，山間洪積灘和山前洪積扇的基巖埋深相對較深。這是因為在山前殘坡積陰坡側(cè)由于太陽輻射和風(fēng)化作用較弱導(dǎo)致第四紀(jì)松散層堆積較薄，而在山間洪積灘和山前洪積扇有較厚的物質(zhì)堆積。

3.3 地下冰分布特征

W-E-1剖面線上各鉆孔可根據(jù)海拔分布特征分為四個“U”型地貌單元（表3），由于地貌單元內(nèi)鉆孔的地層剖面相似，距離較近的鉆孔地下冰發(fā)育狀況也差異不大，因此選取具有代表性的鉆孔的巖芯剖面圖，分析W-E-1 剖面線鉆孔的地層與凍結(jié)情況（圖6）。

表3 W-E-1鉆孔分類Table 3 Classification of W-E-1 boreholes

圖6 W-E-1剖面典型鉆孔地層與凍結(jié)情況Fig. 6 Distribution characteristics and freezing conditions of typical boreholes on the W-E-1 profile line

根據(jù)地下冰成因類型的分類標(biāo)準(zhǔn)[2］，選取研究區(qū)典型鉆孔巖芯的地下冰發(fā)育狀況（圖7），結(jié)合圖6和鉆探編目資料分析表明，沱沱河源區(qū)有機質(zhì)層主要在30 cm 以內(nèi)，土壤質(zhì)地以砂壤土、含礫亞砂土和亞黏土為主。根據(jù)多年凍土含冰情況分類標(biāo)準(zhǔn)[37］，研究區(qū)內(nèi)含土冰層、富冰多年凍土和多冰凍土的鉆孔數(shù)量約占多年凍土總鉆孔數(shù)量的77%，而少冰多年凍土約為23%，表明研究區(qū)內(nèi)地下冰發(fā)育較好。研究區(qū)內(nèi)地下冰大多分布在15 m 深度內(nèi)，這主要受多年凍土厚度控制（平均厚度15 m），在共生多年凍土區(qū)域地下冰發(fā)育的最大深度為72 m（TTH-07）。

沱沱河源區(qū)地下冰較發(fā)育的地方主要位于山間洪積灘、部分山前洪積扇（TTH-07）和山間殘積地等地勢相對較低洼且植被發(fā)育好的地區(qū)。凍脹丘內(nèi)部由于充足的水分條件，內(nèi)發(fā)育有大量的侵入冰（TTH-30），其地下冰最為發(fā)育，而在河流階地與部分山前沖積扇（TTH-01 和TTH-02），盡管水分較為充足，但由于土壤分散性大其持水性差，導(dǎo)致地下冰發(fā)育相對較差。垂直剖面上，地下冰主要發(fā)育于土壤顆粒較小的砂壤土、粉砂土和亞黏土地層內(nèi)部，砂壤土中存在形式主要為微層狀冷生構(gòu)造的冰包裹體（TTH-01、TTH-09 和TTH-20 等），在粉砂土中存在形式主要為冰透鏡體和微層狀冰的分凝冰（TTH-25），在亞黏土中地下冰發(fā)育分凝冰以層狀冰和純冰層為主（TTH-04、TTH-07 和TTH-18 等）。在砂巖和塊石等縫隙中發(fā)育有脈冰（TTH-03 和TTH-08）。在土壤質(zhì)地存在顯著差異地層之間（比如亞黏土地層與亞砂土地層、卵石層與亞砂土地層等）地下冰也較發(fā)育（TTH-05 和TTH-25 等）。此外，在基巖埋深較淺的陰坡，由于多年凍土內(nèi)部水分含量較高，地下冰發(fā)育也相對較好（TTH-05）；而地?zé)釛l件存在的地區(qū)，由于土層水分含量低，土壤質(zhì)地差等原因，地下冰發(fā)育相對較差（TTH-11）。

根據(jù)研究區(qū)凍脹丘丘頂鉆孔（TTH-30 與TTH-32）的地層、水分和地下冰發(fā)育狀況（圖8）。TTH-30在1.2~2.2 m 深度內(nèi)出現(xiàn)含土冰層，隨后出現(xiàn)近9 m 的純冰層（圖7），且在11.3-18 m 間分布大量承壓液態(tài)水，而在隨后深度內(nèi)地層發(fā)育有裂隙冰和冰包裹體，表明其內(nèi)部的液態(tài)水為多年凍土層間水，其凍脹丘類型為冰核丘。TTH-32 鉆孔位于大片熱融湖塘之中，其丘底附近發(fā)育有小湖泊，地下冰發(fā)育形式以冰包裹體為主且分布于整個地層剖面，根據(jù)其土壤含水量和土壤質(zhì)地，并結(jié)合以往研究[50］，推測其為石質(zhì)凍脹丘。

圖7 典型鉆孔地下冰發(fā)育狀況（重復(fù)分凝冰：TTH-01、TTH-09和TTH-20；脈冰：TTH-03和TTH-08；侵入冰：TTH-30；分凝冰：TTH-06、TTH-07和TTH-25）Fig. 7 Development of ground ice in typical boreholes（repeatedly segregated ice：TTH-01，TTH-09，and TTH-20；vein ice：TTH-03 and TTH-06；intrusive ice：TTH-30；segregated ice：TTH-04，TTH-07，and TTH-25）

圖8 不同類型凍脹丘地層剖面特征Fig. 8 Vertical profile characteristics of different types of frost mound

對研究區(qū)內(nèi)冰緣地貌的發(fā)育狀態(tài)的野外調(diào)查，主要包括鉆探發(fā)現(xiàn)的冰核型凍脹丘和石質(zhì)型凍脹丘，在整個科考期間（10—11 月）前者發(fā)育形態(tài)都處于坍縮狀態(tài)，而后者由于是石質(zhì)凍脹丘無法判斷其發(fā)育狀態(tài)?？傮w來說，冰核型凍脹丘在水分來源充足的情況下，凍結(jié)季的形態(tài)仍然是處于坍縮狀，可以認(rèn)為其處于萎縮的發(fā)展階段，也證實了氣候變暖對多年凍土發(fā)育的影響。

4 討論

4.1 多年凍土下界的不確定性

研究區(qū)內(nèi)多年凍土上限深度大于4 m 的鉆孔（TTH-15、TTH-18 和TTH-31）沉積物類型均為冰水-洪積類型，植被類型均為高寒草原。TTH-15 位于一級河流階地，TTH-18 和TTH-31 地貌類型均為受河流作用影響較大的山前沖積扇。青藏高原多年凍土在凍結(jié)季初期發(fā)生雙向凍結(jié)時，活動層底部先于地表向上回凍[48］，青藏公路沿線沱沱河地區(qū)的開心嶺和通天河區(qū)域活動層的起始凍結(jié)時間為10月21—27 日[49］，而TTH-15、TTH-18 和TTH-31 的鉆探時間段分別為11 月10—13 日、10 月24—28 日和11月10—14日，說明本次鉆探工作開展時均已發(fā)生向上的回凍，這可能會導(dǎo)致估算的多年凍土上限深度相較于實際情況偏小。TTH-15 和TTH-31 與TTH-18 的植被類型均是高寒草原，地表以下4 m 深度內(nèi)土壤質(zhì)地均以砂土為主，地下冰發(fā)育位置主要分布在4 m 深度以下，由于TTH-18是存在融化夾層的多年凍土，因此推斷沱沱河源區(qū)多年凍土上限大于4 m的鉆孔可能均是存在融化夾層的多年凍土。

根據(jù)TTH-18 屬于融化夾層的多年凍土，結(jié)合該鉆孔與其他海拔相近的鉆孔的凍土類型估算出的多年凍土下界為4 650~4 680 m，相較于羌塘高原地區(qū)（4 500 m）是略微偏高[37］，與青藏高原的西北部邊緣（4 800 m）相比則偏低[3］，但在青藏公路沿線通天河南岸活動層觀測場（海拔4 650 m，距離通天河約1 km）的監(jiān)測資料，其仍然發(fā)育有多年凍土[8］。由于本次科考主要關(guān)注多年凍土與水循環(huán)的關(guān)系，鉆孔多分布于河流階地及其鄰近地帶，受河流侵蝕擾動等影響可能導(dǎo)致推算出的多年凍土下界相對偏高。

4.2 鉆探深度對估算多年凍土特征的影響

研究區(qū)內(nèi)多年凍土鉆探深度可大致分為三類：0~30 m（共16 個）、30~50 m（10 個）和100 m（1 個）。研究區(qū)內(nèi)多年凍土下限深度最大達(dá)到31.2 m，多年凍土厚度最大在29.2 m，而0~30鉆探深度鉆孔數(shù)量占到50%，因此有必要分析鉆探深度對多年凍土下限深度和多年凍土厚度結(jié)果是否存在影響。0~30 m 鉆探深度的多年凍土下限深度主要在10~24 m，平均深度18.4 m；多年凍土厚度在8.5~20.5 m，平均厚度15.5 m。0~30 m 鉆探深度中未統(tǒng)計多年凍土上限深度和多年凍土厚度的鉆孔為TTH-03 和TTH-22，均位于山頂部位，基巖埋深分別為13 m 和12.5 m。山頂基巖埋深淺，且?guī)r石相對于土層由于其含水量小和導(dǎo)熱性差的原因，其多年凍土厚度應(yīng)低于15 m。因此TTH-03 和TTH-22 的多年凍土下限深度和多年凍土厚度也應(yīng)該是符合前面的分布范圍。30~50 m 鉆探深度的多年凍土下限深度主要在14.3~31.2 m，平均深度17.2 m；多年凍土厚度在10.9~29.2 m，平均厚度16.1 m；除位于陽坡的TTH-21 鉆孔的多年凍土下限深度和多年凍土厚度分別為7.3 m和3.5 m，多年凍土下限深度和多年凍土厚度與前面0~30 m 鉆探深度較為一致。而在100 m 鉆探深度（TTH-07），由于其為共生多年凍土類型多年凍土下限深度和多年凍土厚度分別達(dá)到75 m 和72.7 m。綜上，研究區(qū)內(nèi)大部分地區(qū)多年凍土下限深度和多年凍土厚度結(jié)果是相對可信的，相較青藏高原其他地區(qū)[37］，盡管在局部共生多年凍土區(qū)域多年凍土厚度相對較厚，在整體上沱沱河源區(qū)仍呈現(xiàn)出多年凍土厚度相對較薄的特征。

4.3 可靠性分析和展望

由于研究區(qū)內(nèi)以往的多年凍土調(diào)查工作較為缺乏，本研究主要基于本次野外鉆探資料進行分析總結(jié)，結(jié)果可能存在一定的偏差。多年凍土的空間分布是以多年凍土是否存在為判斷標(biāo)準(zhǔn)并結(jié)合局域尺度的地形地貌、沉積物特征和植被類型等因素進行總結(jié)的，部分鉆孔的凍土分布結(jié)果也與地溫觀測數(shù)據(jù)進行了驗證，因此多年凍土的空間分布結(jié)果是比較可信的。本文也對比了研究區(qū)與青藏高原其他地區(qū)的多年凍土特征數(shù)值和基巖埋藏深度，總體上較為一致，但多年凍土特征的具體數(shù)值還需要后續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)進行進一步的驗證。研究區(qū)內(nèi)地下冰的定量估算工作正在進行，本文只定性描述了研究區(qū)內(nèi)地下冰的發(fā)育狀況，結(jié)果主要依據(jù)巖芯的冷生構(gòu)造和實測的土壤含水量，因此是相對可靠的。另外，文中只分析了地?zé)崤c河流作用可能形成部分融區(qū)，但其具體分布范圍并未做詳細(xì)的計算，將在后續(xù)積累一定的監(jiān)測數(shù)據(jù)后展開研究。

5 結(jié)論

沱沱河源區(qū)的氣候條件為其多年凍土的形成提供了必要條件，但局地尺度的多年凍土發(fā)育特征主要由地表和地層因素控制，地表因素包括地形地貌、植被、水體、積雪、覆蓋層等，地層因素包括土壤質(zhì)地、含水量和地?zé)岬?，但本質(zhì)上地表因素和地層因素是相互影響的。基于本次科考的大量鉆探數(shù)據(jù)和其他相關(guān)資料，對沱沱河源區(qū)的多年凍土分布、特征和地下冰發(fā)育可歸納總結(jié)為以下幾方面：

（1）區(qū)內(nèi)多年凍土在一定程度上受河流和地?zé)嵊绊懶纬闪司植咳趨^(qū)，其多年凍土下界大致在4 650~4 680 m之間。

（2）區(qū)內(nèi)多年凍土上限深度的空間差異較大，分布范圍在1~4 m，平均深度（2.47±0.98）m；大部分地區(qū)多年凍土下限深度和多年凍土厚度空間差異相對較小，多年凍土下限深度介于14.6~31.2 m，平均深度19.3 m；多年凍土厚度相對較薄，介于8.5~29.2 m 之間，平均厚度15 m；但在共生多年凍土區(qū)域，多年凍土下限深度和多年凍土厚度可達(dá)到75 m和72.7 m。

（3）區(qū)內(nèi)地下冰較發(fā)育，主要分布于15 m 深度以上，在共生型多年凍土區(qū)域地下冰發(fā)育深度可達(dá)72 m 或者更大。地下冰的分布差異較大，在空間上的主要影響因素可總結(jié)為沉積物類型、地貌特征和地?zé)釛l件三方面，而在垂直剖面上主要受土壤質(zhì)地和水分條件的影響。

（4）區(qū)內(nèi)冰核型凍脹丘存在坍縮的發(fā)育形態(tài)，結(jié)合部分地區(qū)多年凍土存在融化夾層的現(xiàn)象，表明研究區(qū)多年凍土處于退化跡象。

致 謝：在第二次青藏高原綜合科學(xué)考察研究項目與青藏高原自然資源要素綜合觀測試點項目支持下，本研究中使用的實測數(shù)據(jù)來源于二次科考項目組與中國地質(zhì)調(diào)查局應(yīng)用地質(zhì)研究中心在沱沱河源區(qū)聯(lián)合完成的野外調(diào)查?？疾炱陂g受到中國地質(zhì)調(diào)查局應(yīng)用地質(zhì)研究中心、西藏自治區(qū)科學(xué)技術(shù)廳、西藏自治區(qū)林業(yè)和草原局的鼎立支持，在此表示衷心感謝。感謝中國地質(zhì)調(diào)查局各位野外工作人員的辛苦付出，感謝中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院凍土工程國家重點實驗室盛煜研究員對野外考察的科學(xué)規(guī)劃與指導(dǎo)。在撰寫過程中，中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院龐強強副研究員給予了大量有益的修改意見，在此表示衷心感謝。