关于冰椎的形成过程、常见类型及在寒区地貌塑造中的作用解析

一、冰椎的形成过程

冰椎的核心形成机制是冻胀作用，即水在冻结成冰时体积膨胀约9%，产生巨大的压力。具体过程可以概括为以下几个步骤：

水分来源与聚集：

• 在寒冷季节，活动层（地表季节冻结融化层）开始自上而下冻结。
• 冻结锋面（冻结作用正在发生的界面）向下推进时，会挤压下方未冻结土壤中的孔隙水（或毛细水）。
• 在特定条件下（如存在相对不透水的冻土层或基岩作为隔水层），这些被挤压的水分无法向下或向四周充分渗透排出，从而在冻结锋面前方或隔水层上方聚集、增压。

水压升高与突破：

• 随着冻结锋面持续下移和更多水分被挤压聚集，局部水压逐渐升高。
• 当水压超过上覆冻结土层或冰层的强度（抗拉强度或抗剪强度）时，高压水体就会寻找薄弱点（如已有的裂隙、节理或土壤结构脆弱处）向上突破。

溢出地表与冻结成冰：

• 高压水（通常是过冷水，在压力下低于0℃仍为液态）突破地表或浅层覆盖物（如雪、植被、土壤）喷涌而出。
• 水一旦暴露在寒冷的空气中，迅速冻结。
• 喷涌的水流在出口处冻结，形成初始的冰核或冰壳。

冰体生长与扩张：

• 后续涌出的水流在已冻结的冰体下方、内部或表面继续流动并冻结。
• 水流可能通过冰体内部的通道（冰隙）或表面流动，不断加厚、扩大冰体范围。
• 这个过程在整个寒冷季节持续进行，只要水源供应充足且温度足够低，冰椎就会不断生长。

春季融化与塌陷：

• 春季气温回升，冰椎开始融化。冰体融化后，其下方被冰体占据的空间形成空洞。
• 上覆的土壤或植被层失去支撑，发生塌陷，在地表形成洼地、坑穴或塌陷湖塘。

关键形成条件

• 严寒气候： 足够低的温度保证水分能快速冻结。
• 充足水源： 地下水（潜水或承压水）、地表水（河湖）或土壤水是物质基础。
• 冻土层或隔水层： 提供封闭或半封闭环境，利于水分聚集增压。
• 脆弱结构面： 存在让高压水得以突破的通道。

二、冰椎的常见类型

冰椎的分类方式多样，主要依据水源、结构、位置等：

按水源和形成机制分（最常用）：

• 地下水型冰椎： 最常见、规模通常较大。由冻结挤压作用导致的地下水（潜水或承压水）在压力下涌出地表冻结形成。水源稳定，冰体较厚，常形成于坡脚、河谷、洼地等地下水排泄区。形成的塌陷坑也较深。
• 地表水型冰椎： 由地表水体（河流、湖泊、沼泽）在严寒下自表面或边缘开始冻结，冻结过程挤压内部未冻水，使其从冰面薄弱处（如冰裂隙、冰缘）喷涌冻结形成。规模通常小于地下水型，形态多变（如冰面喷泉、冰缘冰椎）。形成的塌陷较浅或不明显。

按冰体结构分：

• 开放式冰椎： 冰体内部有开放的水道或空腔，水流持续在冰下或冰内流动并在下游出口处冻结，冰椎呈“壳状”或“隧道状”。常见于地表水型或坡度较陡处的地下水型。
• 封闭式冰椎： 水流在冰体内部或底部冻结，逐渐填充整个空间，形成相对实心的冰体。地下水型冰椎后期常呈此状态。

按形态和位置分：

• 冰丘： 地下水型冰椎生长初期或规模较小时，常表现为地表隆起的冰包（冰核外部覆盖土壤或植被）。当冰核融化后，塌陷形成洼地。冰丘通常指内部有冰核的冻胀丘，是冰椎的一种特殊形态或发展阶段。
• 冰核丘： 指冰丘融化塌陷后遗留的洼地形态。但有时也混用指代冰丘本身。严格来说，冰核丘是冰椎地貌的遗迹。
• 河冰椎/湖冰椎： 形成于冻结河面或湖面上的冰椎，多属地表水型。
• 泉冰椎： 由常年或季节性泉水在冬季冻结形成，水源可能受冻胀增压影响，也可能不受（如承压自流泉）。

注意区分

• 冰椎 vs. 冰丘： 冰椎是地表可见的冰体；冰丘通常指被土壤或植被覆盖、内部有冰核的冻胀隆起地貌（是冰椎形成过程中的一种隐蔽形态）。冰椎融化后塌陷形成的洼地叫冰核丘。
• 冰椎 vs. 冻胀丘： 冻胀丘是一个更宽泛的概念，指由冻胀作用（包括分凝冰形成、冰椎形成等）引起的地表隆起。冰丘是冻胀丘的一种（有冰核）。冰椎本身是地表冰体，但它的形成过程常伴随地下冻胀丘（冰丘）的发展。

三、冰椎在寒区地貌塑造中的作用

冰椎是冻土区一种活跃的地貌营力，对地表形态的塑造起着多方面的、动态的作用：

地表抬升与变形（建设性作用）：

• 形成冰丘： 冰椎在地下生长（尚未突破地表）或初期生长时，会将地表土壤层顶起，形成冻胀丘（冰丘），改变局部微地貌。
• 塑造冰椎体： 冰椎本身就是一个显著的地貌体，改变地表平坦度，形成冰台、冰锥、冰瀑等形态。

地表塌陷与洼地形成（破坏性作用）：

• 形成冰核丘： 这是冰椎地貌最标志性的遗迹。春季冰椎融化后，支撑消失，上覆物质塌陷，形成圆形、椭圆形或不规则形的洼地、坑穴或积水塘（热喀斯特湖）。这些洼地是热融喀斯特地貌的重要组成部分。
• 改变地形轮廓： 大量冰核丘的存在使平坦地面变得坑洼不平，形成独特的“痘痕状”景观。

侵蚀作用：

• 水力侵蚀： 冰椎喷涌的水流具有一定冲刷力，可以侵蚀出口周围的土壤和基岩。
• 冻融风化促进： 冰椎活动加剧了周边岩石和土壤的干湿循环和冻融循环，促进了物理风化（冻融风化）。
• 破坏地表覆盖： 冰椎的喷发和生长会撕裂、破坏地表植被层和有机质层，使下伏土壤更易受到侵蚀。

沉积作用：

• 冰内沉积： 涌出的水流可能携带泥沙，在冰体内冻结沉积。
• 冰缘沉积： 融水将冰椎内或冰核丘塌陷产生的泥沙搬运到低洼处沉积。
• 形成泉华： 富含矿物质的涌水可能形成钙华、硅华等泉华沉积。

影响冻土热状况和水文：

• 改变热交换： 冰椎冰体具有较高的反射率（反照率）和较大的热容，冬季减缓地面降温，春季延缓融化。冰核丘积水后，水体吸热能力强，会加速下伏冻土融化（正反馈）。
• 改变地下水流向： 冰椎是重要的地下水排泄通道，其形成和位置影响局部地下水流场。冰核丘洼地成为地表水汇集区，可能成为新的地下水补给点或促进热融作用。
• 破坏冻土完整性： 冰椎形成和融化过程产生的裂隙、空洞和水分迁移，会破坏冻土的结构和稳定性。

对生态系统和人类工程的影响（间接地貌影响）：

• 改变微生境： 冰核丘洼地形成湿地或小湖泊，成为独特的生态位点。
• 破坏植被： 冰椎活动直接摧毁植被，塌陷改变地表水文也影响植被分布。
• 工程危害： 冰椎的生长可顶起、破坏道路、管道、建筑基础等设施；冰核丘塌陷则直接造成地面沉陷，威胁工程安全。因此，冰椎地貌是寒区工程建设中必须重点考虑和规避的地质灾害。

总结

冰椎是寒冷地区，特别是多年冻土区，由冻胀作用驱动地下水或地表水在压力下涌出地表冻结形成的地貌现象。其形成过程涉及水分聚集、增压、突破、冻结和生长。主要类型有地下水型和地表水型，以及开放式和封闭式。冰椎在地貌塑造中扮演着双重角色：一方面通过冻胀抬升形成冰丘和冰椎体（建设性），另一方面通过春季融化塌陷形成广泛分布的冰核丘洼地（破坏性/热喀斯特）。此外，它还参与侵蚀、沉积过程，并显著影响区域冻土热状况、水文循环和生态系统，同时对人类工程设施构成严重威胁。因此，研究冰椎对于理解寒区地貌演化、冻土环境变化以及寒区工程安全至关重要。

参考文献要点：

• Washburn, A. L. (1980). Geocryology: A Survey of Periglacial Processes and Environments. John Wiley & Sons. (经典著作，涵盖冰椎等冻土地貌)
• French, H. M. (2007). The Periglacial Environment (3rd ed.). John Wiley & Sons. (标准教材，详细讨论冰椎形成与分类)
• Mackay, J. R. (1998). Pingo Growth and collapse, Tuktoyaktuk Peninsula area, western Arctic coast, Canada: a long-term field study. Géographie physique et Quaternaire, 52(3), 271-323. (关于冰丘/冰椎长期演化的经典案例研究)
• 程国栋, 李树德. (1982). 厚层地下冰的形成过程. 中国科学(B辑), (3), 281-288. (国内关于冻胀与冰形成的重要研究)
• 周幼吾, 等. (2000). 中国冻土. 科学出版社. (系统介绍中国冻土分布、特征及地貌现象，包括冰椎)