简述在冻融扰动作用下冰冻结构土的形成过程。
冻融扰动指尚未冻结而含水的融土,在上部季节冻土及下部永冻层的挟逼下,发生塑性变形,造成各种褶曲,称为融冻扰动。包括冻胀、融冻泥流、块体运动等。融冻扰动是用来描述由冻融作用引起的土层扰动。[1]【摘要】
简述在冻融扰动作用下冰冻结构土的形成过程。【提问】
冻融扰动指尚未冻结而含水的融土,在上部季节冻土及下部永冻层的挟逼下,发生塑性变形,造成各种褶曲,称为融冻扰动。包括冻胀、融冻泥流、块体运动等。融冻扰动是用来描述由冻融作用引起的土层扰动。[1]【回答】
冻融土壤的基本组成
土壤是由多相物质组成的复杂、多孔、疏松而分散的体系,其组成包括固相、液相和气相。对于未冻土,固相为土壤颗粒,约占土壤体积的50%,颗粒之间的间隙称为土壤孔隙,由液相和气相填充,通常液相为土壤溶液,占15%~35%,气相即为土壤空气,占35%~15%。对于冻土,其固相除了土壤颗粒外,还有由土壤溶液冻结形成的新的固相物质——冰。组成土壤的三相物质互相联系、互相制约。(一)土壤固相土壤固相亦称土壤基质,由矿物质和有机质构成,其成分对土壤的各种物理力学性质有重要的决定性的影响。1.矿物质土壤矿物质包括原生矿物、次生矿物及其他一些无机物,占固相部分重量的95%左右。(1)原生矿物。原生矿物为土壤中的原始矿物,在岩石风化和成土过程中,没有改变原来的成分、结构和性质,只是遭到机械破碎,如石块、砾、砂粒、粉粒。(2)次生矿物。当原生矿物受到风化作用,改变了原来的成分、形态和性质,重新结合生成了新的矿物,其颗粒很细,粒径从几微米到百分之几微米。由于其晶胞的外层常为O或OH,通常带负电,其性质活泼,对土壤的物理和化学性质影响较大,其中小于0.1 μm的颗粒构成无机胶体,对土壤的理化性质影响更大。次生矿物又可划分为硅酸盐次生矿物、三氧化物次生矿物和非晶质矿物等,硅酸盐次生矿物又可分为高岭土类、蒙脱石类和水云母类。各类矿物具有不同的化学成分和晶体结构,从而导致不同的理化性质。2.有机质土壤中的有机质由各种动植物残体、腐殖质及土壤微生物组成,其中最活跃的是土壤微生物,对土壤有机质的转化以及养分的释放和保蓄起着决定作用。土壤有机质的成分主要是碳氢氧化合物和含氮的化合物。3.冰冰是构成冻土的必需组分,是一种物理化学性质极为特殊的物质。所有水的固态变体无论其处于晶体状态或无定形(非晶体)状态,均称之为冰。其非常独特的性质在很大程度上制约着冻土的力学性质。在天然条件下,由于温度、压力经常发生变化,而当自然条件稍有变化时,冰的组构和粘滞性等可能有显著的变化,这种变化既决定了冰性质的不稳定性,也决定了冻土性质的不稳定性。此外,冰的表面分子键合作用明显地超过自由水的分子键合作用,从而决定着冰表面对自由水的吸附作用。冻土的含冰率与土壤含水率有关,也与地温有关。(二)土壤液相土壤液相即土壤溶液,由水和各种可溶及不可溶的物质组成,统称为土壤水。土壤水分来源于大气降水、灌溉水及地下水补给。这些水进入土壤后,土壤中的一些可溶性物质便溶解在水中,成为土壤溶液。此外,还有各种不溶性无机、有机化合物及胶体物质分散于土壤溶液中,土壤溶液和土壤空气共同存在于土壤孔隙中。土壤水是土壤三相组成中最活跃的物质,它直接参与土壤的形成、变化及作物的吸水吸肥等过程,它在土壤中的保持和运移状况对土壤各项物理性质有重要的影响。(三)土壤气相土壤气相即土壤空气,是土壤的重要组成物质之一,是影响土壤水保持和运动的一个重要因素,土壤空气主要来源于与大气交换,其次是少量土壤中生物化学过程产生的气体。土壤空气的成分主要为氧气、二氧化碳和氮气及其他气体,其含量与大气不完全相同(见表1-1)。表1-1 土壤空气与大气成分的比较(φB/%)由表1-1可以看出,土壤空气中的CO2含量较高,而氧气含量相对较少,这是由于土壤微生物在分解有机质时,释放出大量CO2,同时,植物根系呼吸时也产生大量的CO2;O2的含量因生物消耗而相应地减少。CO2的增高有利于土壤中矿物质的碳酸化、风化作用的进行,因为CO2溶于水生成弱酸,能增加土壤水溶解矿物质的能力,有利于提供作物养分和提高土壤肥力,而O2的减少则不利于植物根系的呼吸和好氧微生物的活动。此外,土壤空气的相对湿度及时空变化也不同于大气,大气的相对湿度一般只有50%~90%,而土壤空气则几乎经常是水汽饱和状态,大气的成分和数量都相对稳定,而土壤空气的组成和含量则随土壤、季节、深度、作物、耕作和生物活性等条件而变化,并具有下列特点:(1)CO2和O2的含量互为消长,两者的总和为19%~22%。(2)冬季表层土壤中CO2含量最少,春季回暖时开始增加,夏季含量最高。(3)降雨或灌水后,O2的含量在短时间内有所增加,CO2的含量相对减少。(4)CO2的含量随土层加深而增加,O2随土层加深而减少。