程国栋，中国科学院院士，现任中国科学院冰川冻土研究所研究员、所长，博士生导师。上海人，1943年7月生。1965年毕业于北京地质学院水文地质与工程地质系。1984～1986年在美国寒区研究与工程实验室进修。长期在青藏高原从事冻土研究工作。在冻土工程、冻土区环境和预报、冻土物理学等领域有颇多建树，多次获全国科学大会奖、中科院重大科技成果奖、中科院自然科学奖。现任国际冻土协会主席。

    在多年冻土上限附近的细粒土中，或有足够细粒土充填的粗粒土中，往往存在一种特殊类型的地下冰。这种地下冰厚达0.3～6.0m，具斑杂状冷生构造，体积含冰量一般超过50％。

    这种厚层地下冰在我国多年冻土区也有分布，以地温较低的堆积地形中最为多见。由于它埋藏浅、厚度大，对多年冻土区地壳表层的生物、化学、地质、地貌过程和作用等有重大影响，并是各类工程建筑物严重破坏的祸首，因而受到国内外寒区自然科学界和工程科学界的高度重视。

    长期以来，关于这种冰的成因，国内外提出过多种看法，如分凝、胶结、分凝—胶结、重力下渗等假说，主要认为这种冰是在多年冻土形成过程中水分自下而上向冻结锋面迁移分凝而成，或是在多年冻土形成后季节融化层中的水分在冻结过程中自上而下向多年冻土上限处迁移分凝冻结或入渗胶结而成。总之，无论水分来自上方或下方，厚层地下冰的形成仅与正在冻结土（可简称正冻土）中的水分迁移或成冰作用有关，但这些看法始终未能全面地解释这类地下冰的特点。这表明，成冰理论有待完善。

    随着室内外观测试验工作的深入，国外有些学者（Лагов，Пармузина，1978；Ершов，1979）报道了他们观测到融化时冻土中有成冰现象。几乎与此同时，程国栋根据自己及其他冻土工作者的野外观测资料，也发现了正在融化的土（可简称为正融土）中的成冰现象。于是，一种新的成冰机制在程国栋胸中酝酿成熟。

    首先，程国栋找到了未冻水的不等量迁移规律（未冻水的单向积聚效应）。这里的“不等量”包括了下述部分：①冷季当温度梯度为正时（活动层地温低于年平均地温时），未冻水向上迁移，且发生在非剧烈相变区，迁移量较小；而暖季当温度梯度为负时（活动层地温高于年平均地温时），水分向下迁移且发生在剧烈相变区，其迁移量较大（图1）。未冻水这一不等量迁移的结果是暖季向下迁移的水量要超过冷季向上迁移的水量。因此，一年冻融循环的结果是水分向下迁移，积聚在多年冻土上限附近，使这里的含冰量增加。②温度梯度为正时的未冻水向上迁移，不过是已冻土中未冻水的重分布，是在“封闭”系统中进行的；而温度梯度为负时的水分向下迁移是在“开敞”系统中进行的，进一步加大两者的差异，使向下迁移的水量更为增加。③当自多年冻土表面向上冻结时，水分不仅迁移至冻结锋面处结冰，而且向冻结锋面后方已冻土中迁移和成冰，这时的冻结条件（“开敞”系统，冻结速度比自上而下冻结时缓慢）比自上而下的冻结更有利于水分迁移和分凝成冰。同样，在季节融化层自上而下融化时，水分要向融化界面下仍然冻结部分迁移和分凝成冰。这时比由多年冻土表面向上的冻结具有更有利的水分迁移和分凝成冰条件（更充沛的水源补给，单向融化速度比双向冻结速度小，且随多年冻土年平均温度降低而减慢）。

    未冻水的不等量迁移规律表明这种厚层地下冰形成时的水源主要来自上方，而且正融土中的水分迁移和成冰在其形成中起更大的作用。

    其次，程国栋提出了冰的自净作用。这是他利用国外学者的实验室研究成果寻求多年冻土上部高含冰量土中土颗粒移动规律的结果。

    Hoekstra在1973年发现，当存在温度梯度时，嵌入冰中的土颗粒，

    （1973）用双电层和扩散模型解释了这一现象，说明土颗粒的迁移速度与颗粒半径成反比，与温度梯度成正比，与水膜厚度成立方或平方关系。
　　本文标题：程国栋与厚层地下冰
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