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陈诗才:冰洞有关的基本概念的探究小结

 在考察冰洞及研究其理论之前,对所涉及的一些基本理论知识作表述,以达到各家有较为统一的认识基础,因为这种研究理论及方法产生在一个尚未完全成型的新领域中。

  洞穴。洞穴是人可进入的地下空间,这是国际洞穴学会所下的定义。国内有类似的定义,认为是直径大于50厘米的地下空间,这与国外的定义没有本质的差别。以岩性分类,有碳酸盐岩洞穴、碎屑岩洞及火成岩洞穴等划分;依产状分类,有垂直、水平及倾斜洞穴之分;依赋水状况分类,有旱洞、部分充水洞及全充水洞穴之分;此外还有以功用划分法、人工与天然划分法、规模划分法及水文地质划分法等区分法。每一种划分法,就是对洞穴的一种认知角度。

  冰洞。原则上说,在洞腔中全年365天都有冰的洞穴,才能称之为冰洞,这是一般的定义。考虑到冰洞的特殊赋存形式,考虑到冰体存在条件对旅游的吸引力强弱,反季节性冰洞也被称为冰洞,其冬季无冰而夏季有冰。对旅游者的吸引力是很重要的,如永久冻土地区可见365天都有冰的洞穴,虽然符合365天有冰的定义,但也不作为真正关注的冰洞来考虑。对于洞腔是冰不是岩石的洞,只要全年有冰体,也是冰洞,如冰川体中融空为腔体的洞穴。

  冰洞类型。冰洞是洞穴中非常特奇的一种,也是稀少的一种。虽然冰洞有很深的内在知性理论,但在改革开放前的未开展旅游工作时期,不引起社会的重视。从上世纪60年代国内进行区域地质普查后,冰洞鲜有发现,地质报告中仅一笔带过而已。在改革开放办旅游后,冰洞才逐渐为社会重视,至今全国发现冰洞有10多处,已开展旅游应用的大小约7处。中国冰洞类型较多,如在围岩岩性、反季节性、规模、纬度、冻结类型、群体性及冰风组合性等方面都可作为划分类型的依据。冰洞的围岩岩性多为碳酸盐岩,其它岩性也有;多数冰洞是正季节性,夏天冰少冬天冰多,反季节性的冰洞少;规模大者长几百米,小者几米长度;多数是单体出现,少群体性的成片出现;冰与风的组合型冰洞少,多无风;有尚未成形洞的广义地热负异常带被发现,这是发育冰洞的前期或后期现象。随着国内外更多冰洞的发现,对冰洞分类会更为丰富。

  冰洞的外在影响因素。影响冰洞存生的条件为内在因素及外在因素两个方面。常见的外因为坡向、海拔高度、纬度、植被、风向、洞体产状及密封条件等方面。冰洞的外在因素是重要的,首先需要有洞,因为洞体内是最好赋存冰的环境,其它条件因素乃为配合洞穴存在冰体的条件,是相对次一级的条件。国内现已发现多处无洞的广义地热负异常带,即没有洞,而是山坡或山谷沟,但坡谷岩石较冷,测温明显低于附近的岩石,坡谷内的冰体能保持到阳历6、7月份。显然,此系沟谷切过了能传导制冷的岩石,但未遇见洞体,故使环境冰期加长,没有形成365天都有冰。因此推定下部岩石有制冷源,外在的沟谷条件也起到了延长冰体存在的作用,可惜形成了沟谷不成洞。

  地热升温率。众所周知,地球内部有灼热的岩浆,其温度高达6000℃左右,近似于太阳表面的温度。在地壳内,大约每向下100米,则温度升高3℃,这是一个平均值,被叫做“地热升温率”。该温度热量主要因通过岩石地层传导而体现出来,测量岩体的温度即可获得其值。

  地热正异常。地热升温率是一个总体宏观的平均值,但在个别地方地热是有正向异常的,即向下100米,温度升高大大地超过3℃,譬如在岩浆向上的通道附近。人类利用地热能量,正是要去寻找正异常,正异常值越大当然越好,因为不需要打深钻井就可以获得高热量。地热正异常过去习惯上叫“地热异常”,其本质是正向超升温率的异常。

  地热负异常。向地壳深部下降,其岩体传导表现为不是热度增加,而是更为寒冷,乃至冰点之下,这就是“地热负异常”。地热负异常是反向对应地热正异常而提出的新概念,是热的负向表现,是冰洞成景作用的重要神秘本源。这个概念是一个新的概念,在上世纪90年代才被笔者提出来,是解释冰洞成生内因的重要理论基础,现在尚处于科学假说阶段。

  热传播的三种形式。地球上的热能传播主要有三种方式,即辐射、对流及传导。晒太阳、烤火及照红外线都是热的辐射在起作用;烧水壶中的热水流、地球深部的岩浆流及洋流运动都是对流传热;传导是物质间相邻热分子运动的热量传播,从一部分传到另一部分物质中,如火烧炒菜锅、暖气散热及夏天赤脚走在沥青路上等。在地壳上部岩石中的热传播,主要是热传导,其它两种几乎没有;冷的传导也跟热传导在机理上是一致的,是热分子运动的微观机制引起,只是结果的反向不同,从绝对温度角度说,任何冷也有热。

  冰洞的制冷机制。地壳岩体内温度的传导,致使在其传播路途中产生出相应的冷热温度的变化,对此必须要在原始某个起始点上存在着制冷热的功能。鉴于产生冷的传导而言,常见的制冷机制有三大类型:物理型、化学型、物理化学型。物理型是最简单的成冰机制类型,如大气型、冰窖型、古冰川型、冰体水溶型等亚型。大气亚型冰洞形成机制主要在高纬度高海拔地区,如在一些岩洞中赋存的冰体,头一年的没化完第二年的冬季就开始冻结了,气候上夏季很短,冰易再度封结。冰窖亚型是冰多不怕化的制冷机制,如过去北京的窖冰场。古冰川亚型是古代冰川的冰被挤入洞穴中。冰体水溶亚型是冰川冰体内发生水流,使冰川中产生腔体也为冰的洞穴。化学型的制冷机制,为化学反应的吸热式,反应吸收了热,把他周围的岩体冷冻。在化学中这种反应很多,推理测出有类似的制冷机制,尚为假说阶段。物理化学型主要指物化作用引起的相变,使温度、压力、容积及密度的TPVR关系发生变化,而产生冷热的变化。这也是假说阶段的推论,目前研究是十分不够的,而世界上其它地方多有此类型的冷热变化。对冰洞制冷机制的研究,物理型有实证的结果,理论上可信度大,而后两种制冷机制则仅为假说阶段,研究的路径还很长。自然科学研究的方法本质属性是实证的,观测到或测示到结果才是最大证据;当然,自然科学也允许在探索的路途上,以其认知的不同深度提出假说,这样说来人类对冰洞制冷机制的后两种情况,不是完全凭空且一点都不掌握实情的。

  广义地温(热)负异常。不仅洞穴,只要地球上任何一处的地热(温)有显著负异常现象,热通过温度表现,都在此概念范畴之内。这是本文再提出的一个新而广普的范畴性概念,将会更多地引起社会关注。