01 引言
什么是冻土？当气温降至冰点以下，土壤中的孔隙水冻结成冰，此时的土壤被称为冻土。冻土在自然界分布十分广泛，比如在我国，大部分陆地被冻土（包括短时冻土、季节冻土和多年冻土）覆盖，其中包括青藏高原、中西部地区、内蒙古、东北地区等。特别地，浙江省南部山区如丽水市也有短时冻土分布。
当前，全球性气候变暖问题严峻，冻土呈现不断退化的趋势，赋存在冻土中的有机碳释放、微生物活动、污染物迁移等越来越成为焦点。探讨冻土中物质传输速率则是研究这些问题的关键一环。
图1 中国1:400万冰雪冻土图（数据来源于国家冰川冻土沙漠科学数据中心http://www.ncdc.ac.cn）
提及冻土，我们一般会想当然地认为它是铁板一块，土壤孔隙中不存在物质传输，或传输速率极低，此前的研究结果大多也符合这个预期。因而，工程上常用人工冻结法制造冻土地层以阻挡地下水渗流、甚至隔绝污染物扩散的屏障。
然而，在盐渍土区域、重金属污染土富集区以及海岸带附近含有大量盐分，但前人的研究并未充分考虑盐分对于冻土渗透性的影响。
我们的研究发现：由于盐分会降低水的冰点，冻结时一部分孔隙盐水始终保持未冻状态，并形成一个相互连通的未冻水网络。如果这个连通网络发育在渗透性良好的砂土中，则允许盐分、污染物颗粒、以及温室气体等物质在冻土地层快速迁移。
那么问题来了：（1）未冻水在什么条件下会形成相互连通的渗流通道？（2）这个渗流通道的渗透性如何？与前人研究的冻土渗透性相比是否有显著差异？
为此，我们在X射线微米CT扫描仪内部设计搭建了低温冷冻装置，可以精确控制含盐砂土样品的低温条件。然后在冻结加载的同时进行扫描，获取冻土样品的高精度三维图像，进一步得到孔隙中冰和未冻水的空间分布信息。继而对未冻水的连通性和渗透性进行计算机模拟。
图2 原位装置示意图以及冻土孔隙中冰（白色）和未冻水（蓝色）的分布（样品尺寸20mm*20mm，动画展示区域尺寸2mm*2.5mm）
02 研究发现
为了回答第一个问题，我们首先分析了未冻水的连通性。
随着温度不断降低，孔隙水结冰量逐渐增加，不同位置成核的冰晶体逐渐生长至相遇，然后形成相连的孔隙冰网络。在孔隙中与之互补的未冻水含量逐渐减少，本来相互连通的未冻水逐渐变成孤立状态。如果孔隙水盐分浓度较低（约等于海水平均摩尔浓度的一半），样品温度降到-16℃至-20℃之间时，未冻水不再连通。此时对应的未冻水含量在18%至14%之间。而如果孔隙水盐分浓度较高（约等于海水平均摩尔浓度），在不低于盐水共晶温度的一般低温条件下，样品中始终存在相互连通的未冻水网络。
图3 样品温度与未冻水连通性变化
冻结速率对未冻水连通性也有影响。同样盐分浓度的孔隙水在快速冻结时（8℃/小时）仍保持良好的连通性，而在慢速冻结时（0.8℃/小时）则会被孔隙冰彻底隔断。不过二者的未冻水含量并不相同，主要原因是水冰相变会引起体积膨胀以及溶解盐扩散，慢速冻结条件下未冻水有更多时间被挤出样品之外。
图4 不同的降温速率与连通性
另外，自然界的冻土大多形成于一定温度梯度下的单向冻结过程。那么，温度梯度对未冻水连通性有何影响？研究结果显示：有温度梯度冻结的情形下，未冻水更多地富集在砂颗粒或者气泡的冷端一侧，在孔隙中形成不均匀分布。而这一特征增强了未冻水的连通性。相比于两端同时降温冻结，单向冻结下的未冻水连通程度明显提高。
图5（a）不同温度梯度下未冻水在孔隙中的不均匀分布；（b）未冻水局部富集过程示意图；（c）不同温度梯度的未冻水连通性评价。
第二个问题是：含盐冻结砂土的渗透性是否不同于传统冻土？针对此问题，我们对样品三维扫描数据集进行了渗透实验模拟。结果显示：含盐冻结砂土的渗透率比前人报道的一般冻土渗透率高两个数量级以上。
图6 含盐冻结砂土的渗透率模拟结果
03 结论与启示
土壤中含有盐分时，冻结砂土中可能存在高渗透性的物质运输通道。当孔隙水盐分浓度达到海水浓度的一半时，要想完全切断未冻水的渗流路径，土壤冻结温度要低于-16℃；如果孔隙水盐分浓度较高，比如接近海水平均摩尔浓度时，未冻水将在共晶点以上一直保持相互连通的状态。这表明，工程上用人工冻结法阻挡尾矿库或者核电站污染水渗流的措施可能是低效甚至无效的。此外，地下水中赋存的重金属离子、微塑料颗粒等污染物、微生物，甚至溶解在地下水的温室气体等都可能沿相互连通的未冻水通道快速输运。
本研究工作以“Frozen saline sand can be highly permeable”为题发表于《Geophysical Research Letters》期刊。第一作者为西湖大学雷亮实验室博士研究生高相波，合作作者为博士研究生田蓉蓉，姜英博，郭珍琦。西湖大学工学院雷亮研究员为通讯作者。相关研究工作“Pore-scale freezing of a sandy saline soil visualized with micro-computed tomography”在《Permafrost and Periglacial Processes》期刊封面发表。该系列工作受到了西湖大学未来产业研究中心以及中国科学院武汉岩土力学与工程重点实验室开放基金等相关经费的支持。
数字多孔介质实验室
雷亮博士
实验室负责人
数字多孔介质实验室侧重于孔隙和颗粒尺度的多孔介质微观研究，主要通过温度-渗流-化学-应力多物理场耦合实验对物质和能量在孔隙介质中的运移（单相和多相渗流）和相变（溶解、沉淀、气化、凝固和融化）等物理化学过程进行多尺度研究，在Geophysical Research Letters，Journal of Geophysical Research，Langmuir等期刊上发表文章20余篇，授权国家专利4项。
本实验室特色技术为基于微米CT显微镜的原位环境表征和实验。在模拟自然、工程或者工业生产中极端环境的同时，对样品内部结构进行三维无损高精度可视化，并可在调整环境参数的同时跟踪样品或器件内部结构的响应。目前已经可以实现亚微米精度的环境模拟参数包括：-50℃～500℃；最高40MPa的围压和进出孔压以及最高100MPa的轴压；pH、相对湿度等化学环境可调。已经应用的场景包括：月壤、极地冻土、深地深海工程、相变和显热储能、高温电化学、熔盐冶金、3D打印等。此系列技术对外开放，欢迎各领域感兴趣的学者指导合作。
联系方式：leiliang@westlake.edu.cn
相关文献
Gao, X., Tian, R., Jiang, Y., Guo, Z., & Lei, L. (2024). Frozen saline sand can be highly permeable. Geophysical Research Letters. 51, e2024GL111946. https://doi.org/10.1029/2024GL111946
Gao, X., Tian, R., Yin, T., Galindo-Torres, SA., & Lei, L. (2024). Pore-scale freezing of a sandy saline soil visualized with micro-computed tomography. Permafrost and Periglacial Processes. 35(2):1-16. https://doi.org/10.1002/ppp.2215
来 源 | 雷亮实验室
编 辑 | 彭玥
校 对 | 苏凌菲
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