瞬变电磁法（TEM）在青藏高原、东北等地区的多年冻土调查中取得了较好的应用效果,但局限于松散沉积层较厚情形,在基岩埋深较浅条件下探测多年冻土基本处于空白。兰州马衔山多年冻土具有分布范围小、温度高、基岩埋深浅的特点,是应用TEM探测浅基岩埋藏条件下多年冻土分布的理想地区。以马衔山多年冻土为主要研究对象,以季节冻土为对照研究了瞬变电磁响应特征,结合区域构造特征、地层露头、钻孔岩心、地温监测数据等信息,论证并探讨了TEM应用于浅基岩埋深时对多年冻土的探测效果。结果表明:马衔山多年冻土分布受构造断裂形成的低阻带控制,下部为负温岩层,实际分布面积为0.11 km2; TEM应用于浅基岩埋深的多年冻土勘探时更多的对地下岩层做出响应,可结合地质、地貌、水文、植被等信息,利用多年冻土的特点和电阻率的变化情况来判断多年冻土的分布范围;当基岩埋深特别浅时可以与探地雷达、钻孔等其他手段联合反演,从而准确地识别多年冻土与下伏基岩。

马衔山残存的多年冻土被誉为黄土高原地区多年冻土的"活化石".自1986年发现多年冻土存在至今,多年冻土发生了严重的退化,活动层厚度增大,面积由原来的0.16 km2减少到现在的0.134 km2.本文基于马衔山多年冻土区的实际监测资料分析了气温、地表温度和N系数随时间变化特征以及活动层温度、土壤含水量的时空特征.根据2010-2013年马衔山多年冻土区的日平均地表温度和土壤参数实测及实验室分析资料,利用X-G算法模拟了马衔山多年冻土的冻融过程,并模拟得到4年的活动层厚度均比实测值小,这可能与活动层底部较高的未冻水含量有关.然后进一步探讨了泥炭层和含水量对活动层厚度的影响,泥炭层越厚,其隔热作用越强,活动层厚度越小;反之,活动层厚度越大;含水量越高,土壤的容积热容量越大,活动层厚度越小;反之,活动层厚度越大.

利用兰州马衔山多年冻土区2010年7月1日到2011年6月30日的气象资料,采用气象梯度法计算了该地区的感热通量和潜热通量,结合净辐射分析了该地区的地表能量平衡特征.结果表明:马衔山多年冻土区净辐射呈现明显的年变化特征,净辐射值较青藏高原西大滩地区略大,而较唐古拉地区小;净辐射冬春季主要转化为感热,而夏秋季主要转化为潜热,这一特点与青藏高原唐古拉和西大滩地区类似;潜热年平均值略大于感热年平均值,这与马衔山多年冻土区沼泽湿地的保护作用及充足的水分条件有关.此外,地下冰的存在有效地保护了该地区的多年冻土.

马衔山是目前黄土高原地区唯一证实有多年冻土发育的山脉.残存的多年冻土被誉为黄土高原地区多年冻土的"活化石".近20a来马衔山多年冻土发生了明显的退化,目前仅在小湖滩有岛状多年冻土残存,属于典型的高温多年冻土,1990年代初在其它区域发现的零星多年冻土已经基本消失.马衔山岛状多年冻土地温从10～16m的-0.2℃向上和向下升高,地温梯度±0.01℃·m-1左右,相比1990年代初,多年冻土地温上升了0.1～0.2℃,年升温率为0.006～0.012℃·a-1,小于青藏高原高温多年冻土平均升温速率.马衔山多年冻土最大厚度约40m,正在发生着上引式和下引式退化,而岛状冻土边缘区域侧引式退化起主导作用.马衔山多年冻土发育有丰富的地下分凝冰,根据地下冰发育特征和埋藏有机质层14C测试资料分析,马衔山多年冻土在新冰期形成后发生过多次地表重复堆积,共生共长作用是地下冰形成的重要原因.丰富的地下冰和厚层有机质层的保护作用,以及区域寒冷的微气候环境,应该是马衔山多年冻土残存的主要原因.