《Coastal Engineering》：First subsurface characterization of periglacial areas in the Yendegaia National Park, Southern Tierra del Fuego Island, Chile
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面对偏远高纬度地区冻土分布认知不足的挑战，本研究在智利火地岛Yendegaia国家公园开展了首次综合性地貌与地球物理调查。通过结合地表形态观测、电阻率成像(ERT)和地震折射层析成像(SRT)技术，研究人员揭示了海拔750米以上存在与部分冻结地面一致的地下信号，为南锥体地区最南端山地多年冻土的存在提供了关键证据。这项研究为气候变化背景下的古气候重建、生态系统动力学和基础设施规划提供了重要的基线数据。
在地球的偏远角落，隐藏着解读过去与未来气候的“密码本”。位于南美洲最南端的火地岛，就是这样一片充满谜团的土地。这里的高山峻岭常年被风雪笼罩，是南半球最偏远、探索最少的地区之一。长久以来，科学家们一直推测，在这片靠近南极的寒冷土地上，可能存在一种特殊的地下“冰藏”——多年冻土。它是一种温度常年低于0°C、至少持续两年的岩土体，是记录古气候的“时间胶囊”，也对地表生态和工程稳定性至关重要。然而，由于地理位置极端偏远、环境恶劣、缺乏道路，我们对这片区域地下世界的了解几乎是一片空白。以往基于卫星数据的概率模型虽然猜测山顶可能存在冻土，但分辨率粗糙，无法确认，更无法了解其具体的分布、厚度和特性。这种认知的空白带来了多重问题：我们无法准确评估气候变化对这一敏感地区的影响，难以预测冻土融化可能引发的滑坡等地质灾害，也给在该地区规划建设的、世界上最南端的苔原公路——Y-85走廊——带来了潜在的地基稳定风险。为了揭开这片神秘冰缘地带的面纱，一个国际研究团队深入火地岛腹地，开展了一次开创性的科学探险。
为了回答上述问题，研究人员开展了一项综合性的野外与实验室研究。首先，他们在Yendegaia国家公园内，根据概率模型和现场地貌特征，选取了Mt. Skottsberg和Svea地区三个不同坡向（南、中、北）的样地进行观测。研究核心采用了非侵入式地球物理方法，包括伪三维的电阻率成像(ERT)和地震折射层析成像(SRT)，以探测地下电阻和地震波速的分布，从而间接推断冻土存在。同时，团队进行了详细的地貌测绘，识别了诸如成型地面、蠕动斜坡、多边形土和thúfur状突起等指示活跃冰缘过程的典型地貌。此外，还在每个样地设置了四层深度的温度监测点，并采集了浅层沉积物样本进行颗粒度、密度、孔隙度等物理性质实验室分析。为了校准地球物理数据，研究还使用来自意大利的类似岩石样本，在实验室内模拟了冻融循环过程中的电阻率和纵波速度变化。
研究结果
4.1. 表层土的物理性质
对浅层（最深1米）沉积物的分析表明，该地表层富含骨架颗粒（直径>2毫米），而细土部分（直径<2毫米）则富含粉砂和粘土，砂含量低。这种结构导致土壤孔隙度较低（平均45%），但微孔和中孔比例高，使得融雪和降水既能下渗也能在表层保持较高湿度，为冻融活动和块体运动提供了条件。
4.2. 电阻率成像(ERT)
电阻率反演模型显示，在位于海拔900米的山口（中样地）和海拔780米的北坡（北样地），浅层（<2米）存在异常高的电阻率值（40-100 kΩ·m）。而在海拔850米的南坡（南样地），电阻率值整体低一个数量级（约10 kΩ·m或更低），且较为均一。高电阻率层在北样地更连续但较薄（最深约1.5米），在中样地则更厚（局部超过4米）。这种极高的电阻率是冻土的典型地球物理特征。
4.3. 地震折射层析成像(SRT)
地震纵波速度模型显示，三个样地浅部（约2米内）速度均较低（<800 m/s），符合近0°C的松散沉积物特征。其下速度随深度增加，通过速度梯度和速度等值线（如800 m/s和3000 m/s）可以清晰划分出风化层与基岩的界面。浅层的低速表明这些地方的冰含量可能不高，更多是低温沉积物或分散的孔隙冰，而非大块的实体冰。
4.4. 实验室分析
实验室对代表性沉积物样品进行的冻融循环测试，为野外数据解释提供了物性基准。结果显示，电阻率和纵波速度均与温度呈强烈的非线性关系。当温度低于-5°C时，电阻率极高（>30,000 Ω·m），纵波速度也超过1200 m/s，表明土壤处于冻结状态。在-2°C到0°C的相变区间，两者均急剧下降，反映出冰融化和土壤力学性质软化的过程。温度高于0°C后，电阻率稳定在250-300 Ω·m，纵波速度稳定在350-400 m/s，代表了完全融化、水饱和的状态。p) of the soil sample during a freeze–thaw cycle.">
结论与讨论
本研究通过地貌观测、地球物理探测和实验室分析的有机结合，首次为智利火地岛Yendegaia国家公园高山地区存在近冰缘过程和潜在多年冻土提供了强有力的证据。主要结论如下：
- 1.
发现了活跃冰缘过程与潜在多年冻土的证据：广泛分布的地表形态，如成型地面、蠕动条纹和融冻泥流舌，明确指示了活跃的冻融循环过程。ERT揭示的浅层高电阻率异常（>50 kΩ·m）与实验室中沉积物在零下温度表现出的高电阻特征一致，强烈指示海拔750米以上（特别是北坡和山口）存在部分冻结的土壤或浅层冻土。考虑到数据采集于南半球夏末（2月底），这些信号的持续存在意味着其可能是常年性的，即山地多年冻土。
- 2.
明确了分布的控制因素：冻土的分布表现出明显的坡向和海拔依赖性。北坡和山口地区（中、北样地）显示了更明显的高电阻率信号，而南坡（南样地）则未发现类似异常。这与北坡接收太阳辐射较少、更利于地表保持低温的预期相符。研究将多年冻土可能存在的最低海拔下推至约750米，这是南锥体地区已知最南端的潜在分布下限。
- 3.
揭示了其对地貌和工程的重大意义：研究发现，由于细粒沉积物持水性好，加上地下可能存在的冻土层限制了水分下渗，导致表层土壤在融化季接近饱和，从而引发了大规模、高活跃性的融冻泥流、蠕变等块体运动。这些过程已经影响到计划中的Y-85公路走廊经过的约700米海拔区域。这表明，即使未来由于气候变暖导致冰缘带边界上移，这些由历史冻土和独特沉积物性质触发的块体运动仍将在长期内对基础设施构成地质危害。
- 4.
验证了综合研究方法的有效性：这项研究成功示范了在数据稀缺、环境恶劣的偏远地区，如何通过将区域概率模型筛选、现场精细地貌测绘、非侵入式地球物理勘探（ERT和SRT）以及实验室物理标定相结合，来有效探测和表征边际性多年冻土。这种方法弥补了粗分辨率遥感模型的不足，实现了从公里尺度到米尺度的跨越，为类似地区的调查提供了可复制的框架。
这项研究的成果具有多重重要意义。在科学上，它填补了南半球高纬度地区，特别是亚南极安第斯山脉多年冻土研究的空白，为全球冻土数据库贡献了关键数据，有助于改进气候模型。在应用上，它为Y-85公路——这条世界最南端苔原公路的规划、建设和长期维护提供了至关重要的地下信息与地质灾害风险评估依据。在更广的视野下，研究建立的基础数据将对理解该区域古气候演变、生态系统动态以及在未来气候变暖背景下的环境变化至关重要。这项工作标志着人类对地球最后边疆之一的地下认识迈出了重要一步。
