祁連山木里礦區(qū)凍土資源分布特征及其環(huán)境效應(yīng)

梁振新， 劉世明， 王偉超， 王 佟， 楊 成， 張占玉， 肖 龍

(1.青海煤炭地質(zhì)局，青海西寧 810001； 2.青海煤炭地質(zhì)勘查院，青海西寧 810001；3.青海煤炭地質(zhì)一○五勘探隊(duì)，青海西寧 810007； 4.中國(guó)煤炭地質(zhì)總局，北京 100038)

0 引言

凍土是指溫度在0℃或0℃以下含有冰的各種基巖和松散沉積物，常分布于高原高寒地區(qū)[1-3]。根據(jù)凍結(jié)時(shí)間的不同，凍土類型分為多年凍土(數(shù)年至數(shù)萬(wàn)年以上)、季節(jié)凍土(半月至數(shù)月)和瞬時(shí)凍土(數(shù)小時(shí)、數(shù)日至半月)[4-5]。祁連山屬于高原高寒環(huán)境，分布著大面積的多年凍土，是祁連山生態(tài)安全屏障的重要保障[6]。然而，近些年氣溫持續(xù)升高和人類活動(dòng)的綜合影響下，祁連山部分地區(qū)多年凍土退化明顯[7-8]，尤其是木里礦區(qū)受采礦活動(dòng)影響，打破了原有的凍土平衡狀態(tài)，對(duì)周邊生態(tài)環(huán)境有一定的影響。

木里礦區(qū)以往礦業(yè)活動(dòng)頻繁，忽視了對(duì)生態(tài)環(huán)境的重視和保護(hù)，致使礦區(qū)內(nèi)地貌景觀、植被、地表水系、濕地草甸和凍土都遭到一定程度的破壞，水源涵養(yǎng)和水源輸送功能下降，沼澤草甸退化[9]。作為青藏高原的重要組成部分，祁連山有著特殊的生態(tài)安全屏障功能，木里礦區(qū)位于祁連山腹地，其凍土研究對(duì)生態(tài)保護(hù)與建設(shè)有著重要的意義[10]。本文通過(guò)整理、分析以往資料，應(yīng)用無(wú)人機(jī)熱紅外遙感技術(shù)和溫度反演影像解譯，厘清木里礦區(qū)凍土資源分布現(xiàn)狀，并進(jìn)一步探討凍土對(duì)自然生態(tài)修復(fù)的意義。

1 木里礦區(qū)凍土類型與分布

木里礦區(qū)地處祁連山中南部腹地，大通河流域中上游區(qū)域，平均海拔在4 000m以上，區(qū)內(nèi)多為草原/草甸谷地。礦區(qū)地處高原高寒地帶，夏季短暫，晝夜溫差大，全年氣候寒冷，屬典型的高原大陸性氣候[9]。區(qū)內(nèi)凍土(巖)發(fā)育厚度介于50～136m。受礦區(qū)內(nèi)地形地貌、地下水條件、地質(zhì)構(gòu)造、地表水系、坡向等因素影響，多年凍土分布厚度及類型具有一定差異性。高含冰量多年凍土主要分布在山前緩坡和山間的寬緩地段、河流階地和河漫灘等低洼地段。而靠近山坡上部地表干燥，植被覆蓋率低，含冰量較低。多年凍土形態(tài)整體為連續(xù)分布。地表季節(jié)性凍土每年4月份開(kāi)始融化，至9月份回凍，最大凍融深度不超過(guò)3.5m，凍融作用強(qiáng)烈，地表多見(jiàn)凍脹丘和熱融湖塘，易造成地表沉陷、開(kāi)裂變形等現(xiàn)象[11]。

木里礦區(qū)面積約150km2，共劃分為9個(gè)井田(圖1)，區(qū)內(nèi)分布有亞穩(wěn)定型多年凍土，凍土年平均地溫在-1.5～-3.0℃；少量穩(wěn)定型多年凍土，凍土年平均地溫<-3.0℃。聚乎更3、4、7、8號(hào)井田主要處于山前緩坡高含冰量?jī)鐾羺^(qū)；5號(hào)井田中部處于基巖山區(qū)低含冰量?jī)鐾羺^(qū)，其東西部分處在緩坡高含冰量?jī)鐾羺^(qū)；9號(hào)井田主要處于基巖山區(qū)低含冰量?jī)鐾羺^(qū)[4,12]。

2 凍土發(fā)育及影響因素

2.1 凍土垂向變化

根據(jù)木里凍土常年監(jiān)測(cè)鉆孔ML-12測(cè)溫資料顯示，多年凍土地溫整體在0℃以下，并呈“急劇變化”“相對(duì)恒定”和“穩(wěn)定變化”三個(gè)顯著變化的區(qū)段(圖2)。

圖1 木里煤田位置及聚乎更井田分布[9,13] Figure 1 Muri coalfieldposition and Juhugeng minefield distributions (after reference [9],[13])

圖2 木里地區(qū)ML-12監(jiān)測(cè)孔多年凍土地溫曲線形態(tài)[14]Figure 2 Monitoring well ML-12 permafrost geotemperaturecurve pattern in Muri area (after reference [14])

對(duì)木里礦區(qū)聚乎更一號(hào)井以往天然氣水合物鉆孔進(jìn)行72h擬穩(wěn)態(tài)地溫測(cè)井獲得相關(guān)信息(表1)。其中，4-24鉆孔位于一號(hào)井西部地勢(shì)平坦、植被發(fā)育區(qū)；7-20鉆孔位于地勢(shì)相對(duì)較高、植被相對(duì)稀疏的山坡。4-24鉆孔井溫顯示多年凍土頂界深度為21m，底界深度為78m，多年凍土厚度57m。7-20號(hào)鉆孔測(cè)溫曲線推測(cè)多年凍土頂界深度為3.5m，底界深度為99m，多年凍土厚度95.5m(圖3)。

2.2 凍土分布特征

據(jù)木里礦區(qū)以往鉆孔測(cè)溫記錄，該區(qū)多年凍土厚度整體呈不對(duì)稱的U形，西部厚度大，中部厚度小，東部厚度又逐漸變大(圖4)。多年凍土呈連續(xù)分布，厚度介于50～136m，凍土厚度變化主要與區(qū)內(nèi)地形地貌、礦業(yè)活動(dòng)等關(guān)系密切。

2.3 影響凍土發(fā)育的主要因素

凍土的形成環(huán)境具有獨(dú)特性，其發(fā)育程度受自然地理環(huán)境、地質(zhì)環(huán)境及人類活動(dòng)等共同影響[3,15]。影響凍土發(fā)育包括外部因素和內(nèi)部因素。外部因素指氣候變化(氣溫、降水、輻射平衡)、地形地貌(海拔、坡向)、地表水文地質(zhì)條件、第四紀(jì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)及人類活動(dòng)(采礦活動(dòng)、物體建設(shè))。內(nèi)部因素指巖土性質(zhì)、含水量、含冰量及年平均地溫等。

近40年，青藏高原年平均氣溫上升了0.3～0.4℃，且以冬季升溫為主。氣溫升高導(dǎo)致多年凍土層厚度整體減薄5～7 m，多年凍土底界明顯上移[5,16]。木里礦區(qū)近10年凍土地溫監(jiān)測(cè)顯示多年凍土地溫一般在0 ～ -1.2℃，凍土的地溫曲線主要表現(xiàn)為正溫型地溫曲線，并且隨著時(shí)間的推移，多年凍土溫度呈增加趨勢(shì)，表明多年凍土下限在逐步上移，多年凍土向著退化的方向發(fā)展。另外，近10年，木里礦區(qū)多年凍土上限呈下移趨勢(shì)，下降速率為0～20 cm/a(圖5)。

木里礦區(qū)西部高山峻嶺，中東部山間盆地，凍土厚度西部最厚，中部最薄。宏觀凍土厚度變化與地形地貌特征密切相關(guān)。局部區(qū)域的凍土厚度變化受地表水文地質(zhì)單元及巖土性質(zhì)等影響。

表1 木里礦區(qū)聚乎更一號(hào)井天然氣水合物鉆孔擬穩(wěn)態(tài)測(cè)溫信息

圖3 木里礦區(qū)聚乎更一號(hào)井4-24和7-20號(hào)鉆孔擬穩(wěn)態(tài)測(cè)溫Figure 3 Quasi-steady state thermometry in borehole Nos.4-24 and 7-20 in Juhugeng coalmine No.1, Muri mining area

圖4 陽(yáng)康至默勒沿線凍土分布[12]Figure 4 Permafrost distributions along Yangkang to Mur line (after reference [12])

圖5 木里礦區(qū)ML-4井多年凍土演化 [14]Figure 5 Permafrost evolutions in well ML-4 in Murimining area (after reference [14])

3 凍土的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)

3.1 水源涵養(yǎng)及水土保持作用

多年凍土層具有良好的水源涵養(yǎng)功能和水土保持作用[6,17-18]，由于祁連山木里礦區(qū)凍土資源的廣泛發(fā)育，孕育了大面積的高山草甸和濕地。地表水資源豐富、季節(jié)性河流發(fā)育，是大通河上游的重要支流；夏季凍土融化活動(dòng)層中有泉水出露，但流量較小，主要為大氣降水補(bǔ)給。

3.2 生物平衡及多樣性保護(hù)作用

祁連山地區(qū)具有獨(dú)特的生物群落及其平衡性，高寒氣候孕育了特有的高寒草甸，植被構(gòu)成以耐寒、短根莖的嵩草和苔草為主，具有植株低矮密叢、貼地面生長(zhǎng)等耐寒特征，層次分化不明顯[19-20]。高寒草原主要發(fā)育于河流階地及谷地，不同的自然環(huán)境與豐富多樣的植被類型相互融合，為生物多樣性提供了天然庇護(hù)場(chǎng)所。礦區(qū)內(nèi)脊椎動(dòng)物種類多樣，有野牦牛、黃羊、狼等國(guó)家保護(hù)動(dòng)物20余種及家畜10余種。然而，由于凍土退化， 導(dǎo)致礦區(qū)內(nèi)水土流失，植物由原來(lái)的蒿草退化為披堿草。植物種類相應(yīng)減少，蓋度降低，嚙齒類動(dòng)物隨之潛入，加速了草場(chǎng)退化。受草場(chǎng)退化影響，動(dòng)物種類也隨之發(fā)生了變化，原有的生物平衡被打破，植物和動(dòng)物的多樣性遭受到極大的挑戰(zhàn)。

3.3 固/匯碳作用

由于草原濕地的廣泛發(fā)育，一直以來(lái)，青藏高原發(fā)揮著極為重要的生態(tài)匯碳功能[6,21-22]。青藏高原是全球中低緯度地區(qū)面積最大的多年凍土分布區(qū)，在其0～3 m的土壤中儲(chǔ)存了約36.6 Pg (1 Pg = 1015g)的碳[23-24]。多年凍土層對(duì)青藏高原草原濕地水分涵養(yǎng)起著決定性的作用。凍土的衰退或破壞，會(huì)造成草原濕地的大面積荒漠化，隨之土壤中大量的有機(jī)碳經(jīng)微生物分解后將以二氧化碳和甲烷形式釋放到大氣中。另外，多年凍土層作為天然氣水合物、煤層氣形成的重要蓋層和溫壓條件創(chuàng)造者，同時(shí)也有效地延緩或阻止了氣體的逸散作用[25]。因此，多年凍土區(qū)對(duì)碳固持、匯聚功能具有重要的作用和意義。為了實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和重大戰(zhàn)略目標(biāo)，要更加珍惜和保護(hù)凍土資源，維護(hù)好青藏高原的生態(tài)安全屏障。

4 礦業(yè)活動(dòng)對(duì)凍土的影響

雖然影響凍土發(fā)育的因素眾多，但露天采礦活動(dòng)是最直接、破壞力最強(qiáng)的因素。凍土遭受破壞后，其生態(tài)功能喪失，對(duì)祁連山生態(tài)安全屏障保護(hù)與建設(shè)造成一定的影響。

木里礦區(qū)自然條件嚴(yán)酷，生態(tài)系統(tǒng)較為脆弱，礦業(yè)活動(dòng)造成的直接影響主要體現(xiàn)在采礦對(duì)多年凍土活動(dòng)層和多年凍土的直接性破壞、渣山對(duì)多年凍土的影響、礦山自燃、次生災(zāi)害的凍土擾動(dòng)等。由于多年凍土遭受破壞或擾動(dòng)，地表活動(dòng)層增厚，水力溝通聯(lián)系加強(qiáng)，礦區(qū)內(nèi)表層土壤中有機(jī)質(zhì)、有效磷、速效鉀和水溶性氮都發(fā)生了不同程度的流失(表2)。

表2 木里礦區(qū)土壤樣品測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)論

以祁連山木里礦區(qū)凍土為研究對(duì)象，系統(tǒng)總結(jié)了礦區(qū)內(nèi)凍土分布特征、類型及發(fā)育的影響因素，探討了凍土的生態(tài)環(huán)境屬性，初步獲得以下結(jié)論：

1)木里礦區(qū)凍土類型受地形地貌約束，主要類型有山前緩坡高含冰量?jī)鐾梁突鶐r山區(qū)低含冰量?jī)鐾痢?/p>

2)研究區(qū)多年凍土分布整體呈不對(duì)稱的U形，礦區(qū)西部多年凍土厚度平均超過(guò)200m，中部厚度最小，至東部厚度又逐漸增大。

3)多年凍土的隔水作用形成了良好的水源涵養(yǎng)功能，為礦區(qū)內(nèi)植物的生長(zhǎng)發(fā)育提供了必要條件；多年凍土層直接或間接的作為重要的匯碳/儲(chǔ)碳區(qū)。

4)影響凍土發(fā)育的因素以氣候變化和采礦活動(dòng)為主，青藏高原氣候持續(xù)變暖，造成多年凍土層不同程度的退化，生態(tài)環(huán)境也隨之發(fā)生了顯著改變；礦區(qū)露天采礦活動(dòng)對(duì)凍土層直接進(jìn)行了破壞，短期內(nèi)對(duì)生態(tài)環(huán)境影響很大。