低温结构的基本类型
为了可靠地解释不同类型的叠加和继承的低温结构(表4.1)的产生和生长的特殊特征，我们必须了解冻结(解冻)过程中土壤中垂直和水平冰层的形成机制和模式。
叠加的低温结构通常出现在相对均质(冻结前)的土壤中，这是冻结过程的结果，而不是未冻结土壤的初级(初始)结构的结果。根据冻土中冰层的存在、形状和位置，冻土叠加低温结构通常分为三种基本类型。这些结构是:巨大的，那里的冰纹在视觉上不明显;层状的，有拉长方向的冰层;网纹是指冰纹在剖面上形成网或格。
当不满足形成隔离冰的物理力学条件或不满足形成低温结构的热物理条件时，就会形成块状低温结构。后一种情况通常是当有很高的水的结冰-饱和或非饱和土壤，或低含水量细粒土壤或粗粒土壤在任何速度冻结时，水运移实际上不存在，而孔隙中的地下水通过冻结而固定。在这种情况下，接触型、膜型、孔型和基型冰水泥形成最为常见。
当水在冻土中迁移时，也会形成块状低温结构，但前提是不满足形成隔离冰的物理力学条件，且地面应力不超过其局部强度。局部强度可以控制过压实或胶结土中冰含量的普遍增加，以及初始含水量小于收缩极限的土中不形成分离冰。然而，在这些情况下，有可能形成单独的
土壤的岩性特征 |
低温结构形成的热物理条件 qh + I |
低温结构出现的物理力学条件 |
冷冻结构类型 |
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的条件冰的形成纹影||到冰冻锋 '^côh + ^dora) |
冰纹影形成条件_L到冻结锋Pn = Pshr ~ p prup >»li«coh |
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不同成分、结构、层理和性质的土壤 |
不满意 |
由于不满足热物理条件而不满足 |
大量(接触，薄膜) |
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满意 |
不满意 |
块状(孔隙，基底) |
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细粒土成分、结构、层理和性质均质 |
满足并提供水迁移到冻结土壤的冻结部分 |
偶尔满意 |
Porphyryitic |
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这种条件只是刚开始满足，只能形成发育不完全的纹影 |
不满意 |
不连续semi-layered |
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偶尔满意 |
Semi-layered phorphyritic |
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这种条件只是刚开始满足，只能形成发育不完全的纹影 |
Semi-meshy |
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满意 |
层次感，垂直纹影不连续 |
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满意 |
网状的 |
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不满意 |
分层 |
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由于必要的物理力学条件的不稳定性(幕式性质)以及土壤中的大孔隙、微裂缝和其他不均匀性，冰纹和冰巢(斑状冰冻结构)。
当土壤中的应力可以克服土壤的局部内聚力，但足够大的外部载荷(如Pdom)阻止这种情况时，有时会出现大规模的低温结构。
在冻结过程中，如果满足与冻结锋平行的分离冰层形成的热物理和物理力学条件，但不满足垂直冰纹形成的条件，则会形成层状低温结构。层状低温结构的生成和生长通常发生在- 0.2 ~ - 3℃的负温度区间内。这种类型的结构主要发生在细土(砂粉质、粉质和粘土)中，有时也发生在沙土中。与其他类型的纹影低温结构相比，层状低温结构在自然界中更为常见，在低冷冻速率时最为明显。它的形成始于单个薄透镜和冰微纹影的出现。后来它们的大小增加，它们合并并组成一个与冻结锋平行的细长冰纹影，可以直观地描绘出来。如果r的冻结速率降低，而向水平冰层的水流/w增加，则形成较厚的冰纹。
多种多样的层状低温结构(层状、透镜状、透镜状织状等)是由土壤的特定成分、结构和地质成因特征以及不同的冻结条件和热质交换强度以及结构形成过程造成的。分层结构的种类主要有纹影的形状、长度和方向、冰纹影厚度与矿物土层的关系等(第七章)。
当热物理条件一致满足，同时满足水平和垂直冰层形成的物理力学条件(条件4.3^1.4)时，网状低温结构形成。由于水平剪应力总是大于法向(垂直方向)应力，因此有可能形成纯层状低温结构，而仅形成垂直冰纹(没有水平冰纹)原则上是不可能的，因为它们的产生机制是迁移-分离的。在某些土壤中，随着冻结速度的增加，从层状结构逐渐转变为网状和块状的低温结构。因此，在一定的冻结制度下，创造条件，形成更平等的垂直和水平的临界应力集中区。
与层状结构相比，网状低温结构发展和进一步增长的具体特征是由块体内水平和垂直的水运移决定的。此外，只有梯度Pn作用下，水才会向垂直于冻结锋的纹影运动，而温度梯度Wunt和应力梯度Psh作用下，水才会向平行于冻结锋的纹影运动。
由于不同组成、结构-质地特征和强度的冻土中，法向应力和剪应力的关系不同，网格式低温结构在土块的形状(棱柱状、平行六面体、立方体等)和大小上都有所不同。水平/|冰层与垂直l±冰层之间的分布频率或距离由/| = /(1/grad Psh)和l±= /(1/grad Pn)的关系决定。
然而，需要特别指出的是，冻结速率的增加(由于未冻结部分脱水速率较低，地面冻结区膨胀较小)导致剪切应力和正应力值的减小，垂直和水平冰层产生和生长的区域大大减少。这一过程促使(由于冰纹影形成的时间短)部分发育的低温结构(半网状、半分层、角不连续等)的出现。
随着冷冻速率的增加，可能出现竖直纹影无法再形成，形成往往细密但经常不连续的层状低温结构(或不连续的透镜状、鳞片状等)的情况。
低温构造的类型不仅取决于冻结条件，而且在很大程度上取决于冻结层的岩性。细胞冷冻结构是一种块状结构，证明了这一点。它的形成方式不同于网状结构和层状结构，主要存在于膨润土中。例如，在冻结锋附近，膨润土显示出具有冰框架的不规则多边形形状的独特土壤细胞。膨润土的蜂窝状低温结构完全依赖于其特定的微结构和质地，在土壤的未冻结脱水部分产生蜂窝状或蜂窝状结构。
对各种叠加的低温结构的分析表明，正如许多科学家观察到的那样，原则上有可能形成独立发展的倾斜甚至垂直的冰层
A b A b
图4.3。遗传低温结构:a-b-结构缺陷区，冻结前后结构错位土壤概览:冻结前1、2个开放裂缝，冻结后1*、2* -，冻结前3、4、5 -闭合(愈合)裂缝，冻结后3*、4*、5* -;C——外来夹杂物的影响区;D -应力集中区(高岭石粘土和石英砂互层，与热流和迁移流方向呈45°角)。
图4.3。遗传低温结构:a-b-结构缺陷区，冻结前后结构错位土壤概览:冻结前1、2个开放裂缝，冻结后1*、2* -，冻结前3、4、5 -闭合(愈合)裂缝，冻结后3*、4*、5* -;C——外来夹杂物的影响区;D -应力集中区(高岭石粘土和石英砂互层，与热流和迁移流方向呈45°角)。
第四纪沉积物。这些冰层是在未冻结的脱水土壤中产生的各种形状的大量裂缝(由于弯曲、翘曲、剥落等造成的裂缝)的结果。而且，在自然条件下，往往存在不规则的冻结边界(相对于表面倾斜、起伏、有角等)。冰纹影的产生和生长多平行于或垂直于冻结/解冻前沿，这意味着在叠加的低温结构中，存在着由冻结或解冻边界不规则表面引起的复杂的冰纹影系统(波状、径向、环形、菱形等)(图4.2)。
遗传低温结构在冻土中很常见。它们是由不同类型的岩性非均质性和松散矿床缺陷造成的。遗传性低温结构的主要遗传类型与强度缺陷和应变接触带以及外来包裹体有关(图4.3)。它们的形成，就像叠加的低温结构一样，离不开分离冰形成的热物理和物理机械条件。
土体结构缺陷区(强度缺陷型)中遗传的低温结构局限于力学皱褶、位错、滑动面、闭合裂纹等结构和织构缺陷区。冰纹在冻土的弱化区遵循结构缺陷的形状。冻土在收缩-膨胀变形和结构形成过程中，土体局部破坏的临界应力首先集中在这些区域。
与强度-缺陷型低温结构不同，不同土体接触应力集中区(接触-应力结构)的遗传低温结构不是出现在土体的弱化区，而是出现在热、质交换和收缩-膨胀特性不同的土体接触区。在接触处，由于收缩和膨胀而产生的变形量的差异产生临界应力(应力集中区)。
因此，在这些地方，土壤的凝聚力主要被克服，并产生冰纹。例如，在分层土壤的冻结过程中，通常在层的界面处出现细长的分离冰纹(图4.4)。它们完全继承了松散细土沉积物的初始层积(水平的、垂直的、倾斜的或倾斜的)。
在土壤冻结中，遗传低温结构可能是由外来包裹体引起的，具有以下特征。首先，抗水包裹体阻断了向冻结锋的迁移流动，其下游地面脱水，形成块状冰冻结构(或冰纹人变薄)，而在其后面含冰量增加，出现纹人冰冻结构。其次，这些夹杂物的变形性质与土壤有很大不同，它们在与土壤接触时集中应力，从而有规律地造成冰纹的出现。此外，在外来夹杂物的后面(在与夹杂物一定距离处)，冰纹影的几何形状遵循夹杂物的轮廓，即它重复移动冻结边界的特征，而这反过来又由具有不同于地面热导率的夹杂物的存在所决定。
在有温度梯度的融化土壤的冻结部分，也可能有迁移-离析冰的积累和低温结构的形成(图4.5)。实验表明，冻融土壤冻结部位低温结构的发育与冻结过程具有相同的特征。在这个过程中既叠加又
图4.4。海相透镜状粘土中遗传的低温结构
Dubikov)。底部最大的冰透镜约3厘米。
图4.4。海相透镜状粘土中遗传的低温结构
Dubikov)。底部最大的冰透镜约3厘米。
低温结构可以发展为遗传类型，其中冰纹影的产生、生长和形态由土壤的初始组成和结构及其解冻条件所预定。这些结构的形成当然需要在解冻过程中存在纹影冰形成的热物理和物理力学条件。
在此分析的基础上，低温结构的遗传分类(基于外观和发展)被建议从逻辑上对所有已知的低温结构类型和品种进行分组(8)。表4.1说明了这一分类。每一类结构(有纹影和无纹影)分为前面所述的类型，每一类又根据冰纹影产生的频率和厚度细分为冷冻结构的种类。每种类型的结构种类(根据冰纹影出现的频率)可能不同，而在自然条件下，纹影之间的不同距离由冻结或融化沉积物的岩性和与应力梯度有关的外部热力学条件决定。
图4.5。从上方融化的土壤冻结部分的偏析冰纹的产生和生长(叠加冰冻结构):a -层状结构(缓慢融化);高岭石粘土中B -块状结构(快速融化)，初始块状冷冻结构;具有初始纹影冰冻结构的富粘土土壤的C -融化。
图4.5。从上方融化的土壤冻结部分的偏析冰纹的产生和生长(叠加冰冻结构):a -层状结构(缓慢融化);高岭石粘土中B -块状结构(快速融化)，初始块状冷冻结构;具有初始纹影冰冻结构的富粘土土壤的C -融化。
将各种冷冻结构划分为大、中、小纹影(使用数值)并不适用于所有情况，而只适用于应用于实际地面类型的任何类型的结构。否则，这种细分就失去了它的目的，因为它将与它们的形成无关。因此，在低温结构的分类中，只考虑了极端变异，即水平和垂直冰纹影的形成模式(变化方向)取决于梯度Psh和梯度Pn。根据冰纹影的厚度，每一种冰纹影都有四种极端类型的结构，而在这四种结构之间又有许多变种。事实上，从一种类型到另一种类型的过渡是平稳和渐进的。简单地把类型分为厚纹影结构、中纹影结构和精细纹影结构(没有适当考虑结构类型、物质的地质和成因以及冻融条件)是暂时的，因为它没有显示甚至隐藏冰层厚度中的图案。
上述冻土中的低温结构属于迁移-偏析成因。然而，在自然条件下，低温结构也可能是其他机制的结果。例如，在非常潮湿的弱岩化土壤中，低温结构的形成机制与大部分自由水的冻结和选择性正交各向异性冰的形成有关。这种机制是粉砂和弱岩化细粒多孔土的主要基质结构的结果，其中大部分水是自由的(未结合的)，而土壤颗粒不能积极相互作用。水的冻结产生了冰框架(块状框架低温结构)，其中垂直和倾斜的冰层比水平的交叉构件出现得更早、更快。冰晶沿着矿物颗粒生长的方向将其推出，从而将它们集中在块体内部，即冰框架的墙壁之间的空间充满了土壤中潮湿的矿物部分。随着框架冰墙的增长(变得越来越厚和长)，冻土的矿物部分被脱水和压缩。这种构造形成机制被称为正交-挤压-挤压(12)。此外，在所有其他冻结条件相同的情况下，由于颗粒较细的物质，土壤通常会分裂成冰层和矿物层，并形成细胞式低温结构。在较粗的土壤中形成较少冰层的块状低温结构。 The same type of pattern is observed as the rate of freezing decreases.
在自然条件下，冰层形成的注入机制也是活跃的。只有当注入水的静水压力超过土中结构连接的强度时，才有可能形成注入和混合(迁移-压力)低温结构。在高压下，即使在冻土中也会发生水爆，瞬时注入水并形成更大的注入冰层。当水动力压力高于土壤的临界长期强度时，薄水膜的长期注入发生压力迁移分离冰的形成。
低温结构是在负温度梯度、机械应力、孔隙溶液浓度和其他外部场的作用下，随时间冻结变化而形成的。在这一过程中，在同生和表观生的长期冻土层和季节性冻融层中，既有的冰层可能会生长，新的冰纹可能会产生，在某些情况下也会消失。
继续阅读:冻融土壤结构的形成
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