這些長在地上的“碎冰冰”、“圓圈圈”和“碎石石”，都是從哪里來的？

凍土，一種低于零攝氏度并且含有冰的特殊土體，分布在全球的高緯度和高海拔地區(qū)，如我國的大小興安嶺、青藏高原等地。

凍土具有極其特殊的性質(zhì)，因此可以形成多種奇特的凍土地貌，本文要提到的這些“黑魔法”就是凍土造成的。

01

地下水要冒出來啦

形成凍土的一個(gè)重要條件就是土體中含有水，當(dāng)這些水在不斷冰凍、融化的過程中，就會形成很多有趣的地貌。

地下冰，顧名思義就是在多年凍土中形成的冰，有分凝冰、埋藏冰、脈狀冰等。地下冰是多年凍土地區(qū)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(chǎn)生極大的影響。

地下冰。圖片來源：維基百科

凍脹丘指的是在冰凍條件下，由于冰增加而引起土壤向上膨脹的地貌。具體而言，冬季季節(jié)融化層由上而下和由下而上凍結(jié)，過水?dāng)嗝婵s小，凍結(jié)層上水處于承壓狀態(tài)，同時(shí)凍結(jié)過程中水分發(fā)生遷移，就會產(chǎn)生聚冰層。隨凍結(jié)面向下發(fā)展，當(dāng)凍結(jié)層上水的壓力大于上覆土層強(qiáng)度時(shí)，地表就發(fā)生隆起，就形成了凍脹丘。

凍脹丘是我國多年凍土區(qū)可以經(jīng)?？吹降囊环N凍土地貌。凍脹丘底部的直徑由幾米到幾十米，高1~2米，有的可達(dá)3~5米。凍脹丘表面經(jīng)常存在縱橫交錯(cuò)的裂隙。我國已知最大的凍脹丘在青藏公路62道班，它底部直徑40~50米，高達(dá)20米。

凍脹丘剖面。圖片來源：維基百科

在多年凍土地區(qū)，有時(shí)老遠(yuǎn)就可以看到銀光閃閃的冰體，這就是冰錐。冬季融化層回凍，地下水壓力增大，沖破上覆土層溢出地表，溢出口冰體逐漸增大升高，并呈錐形。溢水邊流邊凍，并沿原地下水流路延伸，這樣就形成了冰錐。

冰錐的形狀、大小變化很大，有的直徑2~3米，有的呈冰坡延伸幾十米乃至數(shù)百米，有時(shí)帶有幾個(gè)溢水口。冰椎在凍土地區(qū)分布非常普遍。

融化中的冰錐。圖片來源：中國科普博覽

02

凍土也喜歡圍圈圈

你見過一圈圈的碎石嗎？凍土特有的凍融分選作用會使不同的物質(zhì)分離，因此這種“圍圈圈”的現(xiàn)象在凍土區(qū)就比較容易出現(xiàn)了，石環(huán)和凍脹草環(huán)是比較典型的“圍圈圈”地貌。

在平緩而又粗細(xì)混雜的地表層，經(jīng)凍融分選作用，泥土和小的巖屑集中在中間，巖塊就會被排擠到周邊，呈多邊形或近圓形，好像有人有意識地將石頭成一圈，這種凍土地貌叫作石環(huán)。

石環(huán)。圖片來源：維基百科

形成石環(huán)的地段一定要巖石塊和泥土粗細(xì)混雜，并且還要求有充足的水分，氣溫在零攝氏度上下波動的持續(xù)時(shí)間要長一些。只有這樣，夾雜在泥土中的石塊才會被擠出來。

石環(huán)常見于離河灘不遠(yuǎn)的平地或河流出山口，因?yàn)檫@里具備石環(huán)形成的條件。

凍脹草環(huán)在地表面構(gòu)成草皮的多邊形或近似圓形，其間裸露布滿巖屑碎石。這是凍土區(qū)比較少見的一種冰緣地貌形態(tài)，中間赤黃，周邊碧綠，異彩奪目。目前科學(xué)家對它的形成機(jī)制和過程還不十分清楚。

凍脹草環(huán)。圖片來源：參考文獻(xiàn)[1]

03

凍土中的“碎石石”

由于存在裂隙，在水分凍結(jié)膨脹情況下，巖石破裂成很多小塊，或者因溫度變化，組成巖石的礦物不均一地?zé)崦浝淇s，造成巖石破裂。在這種情況下就會產(chǎn)生大量大小不等的棱角狀巖塊及巖屑，在地形平緩的條件下，大多巖屑在原地殘留下來，形成碎石覆蓋地面，這就是石海。

石海。圖片來源：維基百科

石海在我國青藏高原、西部高山及大興安嶺北部凍土區(qū)均有分布。發(fā)育石海不僅要巖石堅(jiān)脆、存在很多裂隙，還要有一定的水熱條件。即巖石要有一定的水分，同時(shí)水分的溫度變化要大，氣溫在0℃上下持續(xù)波動的時(shí)間要長。

石流坡的物質(zhì)來源及產(chǎn)生與石海大體相似，但二者出現(xiàn)的地貌部位不同。石海多見于平緩的山項(xiàng)，石流坡則出現(xiàn)在山坡。

石流坡的巖塊、碎屑，除在斜坡原地經(jīng)寒凍風(fēng)化產(chǎn)生外，還有受重力作用從山上滾落的。這樣就決定了石流坡的組成物質(zhì)是上細(xì)下粗，坡上方多是小的巖屑，坡下方主要是大的巖塊。

石流坡。圖片來源：維基百科

石流坡是多年凍土地區(qū)常見的一種冰緣地貌形態(tài)，在大興安嶺和我國西部高山、高原凍土區(qū)有廣泛分布，幾乎到處都可以看到。

在天然條件下，地表物質(zhì)常常是粗細(xì)混雜的。由于石塊和土的導(dǎo)熱性能不同，因此凍結(jié)速度也各不一樣。碎石導(dǎo)熱率大，就會先凍結(jié)，水就會向石塊附近遷移并在其附近形成冰，水形成冰后體積就會膨脹，使碎石產(chǎn)生移動，這樣，粗的物質(zhì)和細(xì)的物質(zhì)就會產(chǎn)生分離，這種現(xiàn)象科學(xué)家們稱之為凍融分選作用，因?yàn)樗拖窈Y子一樣，將不同的物質(zhì)分離。

石條就是由于石流坡上的碎石經(jīng)反復(fù)凍融及凍融分選使碎石匯集于低處，又經(jīng)重力作用順坡向下延伸而形成的。因此石條常常與石流坡同時(shí)存在，碎石與細(xì)粒物質(zhì)呈條形相間順坡排列。

石條，石流坡的“兄弟”。圖片來源：維基百科

由寒凍風(fēng)化產(chǎn)生的巖塊、巖屑，在重力作用下匯集到斜坡下的溝槽內(nèi)，碎石沿溝槽徐徐向下移動，形成一條用石頭填滿的小河，故取名石河。

石海、石流坡、石河乃是同族兄弟，彼此存在著有機(jī)聯(lián)系，往往在同一山地同時(shí)出現(xiàn)，常常是山上巨石鋪地，山坡碎石遍布，山麓碎石成流。

石河。圖片來源：維基百科

大自然的“碎石石”是巖石處于特殊的凍土環(huán)境中才能形成的，其形式雖然奇特，但只有人類悉心呵護(hù)脆弱的凍土環(huán)境，才能使其給人類帶來持續(xù)的震撼。

參考文獻(xiàn)：

[1] Hjort, Jan. (2006). Environmental Factors Affecting the Occurrence of Periglacial Landforms in Finnish Lapland: A Numerical Approach.

出品｜科普中國

制作｜地球故事團(tuán)隊(duì)

監(jiān)制｜中國科普博覽

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