多年冻土区冻融分选微地貌斑图形成机理研究

The frost sorting pattern grounds are widely distributed in the permafrost regions. Due to the difference of specific heat capacity and freezing speed of gravel and soil, the surface coarse material (gravel, soil) will produce differentiation, sorting and regroup under freezing and thawing, and gradually evolve to form the special sorting pattern (circles, stripes, etc) in the permafrost regions. Although the basic mechanism of its formation is revealed，the complexity of surroundings，the mechanisms of its formation，inducing factors，mode of action and evolution process still need refinement research. Based on laboratory model tests, this project is intended to simulate the frost sorting processes of gravel by using the time-lapse camera, analyze the effect of slope gradient and gravel coverage on the evolution of pattern grounds. The theory of phase separation is introduced into the frost sorting model. The nonlinear empirical prediction model of frost sorting which considering the relationship between the velocity of single gravel and the density of local stone domain is preliminarily established. Based on test and numerical simulation results, the frost sorting mechanism of pattern ground is revealed. The project is helpful to deepen the understanding of the spatial distribution pattern of permafrost and the formation process of special landforms in permafrost regions, and to improve the distribution model of permafrost in consideration of local factors.

冻融分选微地貌在多年冻土区普遍发育，其发育过程中，由于碎石和土壤的比热容及冻结速度差异，地表粗细物质（碎石、土壤）在冻融作用下会产生分异、分选、重新组合，逐步演化形成冻土区特有的分选微地貌斑图（石环、石条等）。尽管对其发育的基础性原理有所了解，但因周围环境的复杂性，对其形成机理、诱发因素、作用形式和演化过程尚需要精细化研究。本申请拟以室内模型试验为基础，基于延时摄像定位追踪技术，模拟地表碎石对反复交替冻融分选作用的响应过程，分析地表坡度、碎石覆盖度等对冻融分选微地貌演化过程的影响；将相分离理论引入冻融分选数学模型中，初步建立考虑单个碎石运动速度与局部石域密度之间非线性关系的冻融分选预测模型；基于试验和数值模拟分析结果，揭示冻融分选微地貌斑图的形成机理。该项目研究有助于加深对多年冻土空间分布格局、冻土区特殊地貌形成过程理解，也有助于对考虑局地因素的多年冻土分布模型的改进。

地质学家很早就在高山和北极圈内的季节性冻土和永久冻土地区发现了这些美丽且神奇的冻融分选地貌，然而其形成机制至今尚未解决。研究基于控制实验首次提出了驱动地貌系统中韵律性图案形成的自然法则——自组织中的新型“相分离”理论。通过控制实验物理模拟冻土地区的冻融循环，在野外需要长达数年的地貌分选可在一个月左右形成。水分以冰针的形式作用于砾石，为砾石的运动提供能量来源。砾石的运动过程被发现受控于一个重要的机制：浓度依赖的运动关系，即单个砾石的运动速率取决于该砾石附近的砾石数量，这也直接印证了Werner和Hallet在1993年的猜想。通过实验数据统计发现单个砾石的运动速率与局部砾石数量呈指数递减关系，这导致该系统形成了一个正反馈：砾石在它们运动更慢的地方聚集。该正反馈驱动了冻土系统自发形成相分离：一个是砾石富集的密相，另一个是砾石稀少的稀相，进而形成了韵律性的砾石图案。基于这一正反馈，该研究建立了两个可以描述砾石在空间中分布的动力学相分离模型，这些模型能够重现野外和室内实验观察到的各种砾石图案。需要特别提及的一点是，虽然目前自组织理论在宏观的地貌学与生态学中存在许多理论模型，但是发现其符合相分离理论尚属首次报道。