盐水中覆盖层下永久冻土融化的动力学机制与模式转变研究

《SCIENCE ADVANCES》：Permafrost thawing under overlaying salt water

本期推荐：研究团队通过可视化实验揭示了盐水覆盖下多孔介质中冰融化的新机制。研究发现，与传统Rayleigh-Darcy(R-D)理论预期相反，低Rayleigh数(R)时出现指状融化前沿，而高R时反而呈现稳定融化模式。该研究通过理论分析和数值模拟，阐明了局部环流与全局混沌对流竞争导致模式转变的机理，修正了经典质量传输理论对融化速率的低估，对冻土区甲烷释放评估和海岸工程防护具有重要指导意义。

　　随着全球气候变化加剧，海平面上升和盐湖扩张导致盐水覆盖永久冻土层的现象日益严重。盐水通过降低冰点使冻土在零度以下发生融化，这一过程不仅会释放封存的地下甲烷（加速温室效应），还会威胁海岸工程结构和生态系统稳定性。然而，多孔介质中盐水诱导的冰融化动力学机制长期不明，现有宏观模型不得不采用过度简化的经验公式，这严重制约了我们对冻土区能量平衡和环境影响的准确评估。

针对这一科学难题，国内某研究机构的研究人员在《SCIENCE ADVANCES》发表了创新性研究成果。他们设计了一套创新的可视化实验系统：在恒温-5°C条件下，采用预饱和玻璃珠（直径0.1-0.5mm）构建多孔介质冻土模型，通过Hele-Shaw细胞观测不同盐度（10-20wt% NaCl）盐水覆盖层的融化过程。研究结合高速摄像记录、快速傅里叶变换（FFT）形态分析和COMSOL数值模拟，首次捕捉到融化前沿的精细演化特征，并建立了包含机械弥散效应的理论模型。

研究结果部分揭示了多项重要发现：
1）可视化实验：通过9组对照实验（R=3113-175880）发现，小粒径（0.1mm）低盐度（10wt%）条件下出现显著指状融化（图2A），而大粒径（0.5mm）高盐度（20wt%）时融化前沿保持水平稳定（图2B）。FFT分析显示低R时最大波幅e_max随融化深度h呈指数增长，而高R时波动被"冻结"（图2D-E）。

2）流场结构：伪稳态数值模拟揭示，低R（=10）时底部扰动诱导局部环流（图3A），导致波谷处质量通量J_d高于波峰（图3E）；而高R（=100000）时出现与扰动无关的全局混沌对流（图3C），使浓度场均匀化。理论分析表明，当局部环流特征时间τ_lc与混合时间τ_mix的比值τ_lc/τ_mix随R增加而增大，导致流动主导机制转变（公式1）。

3）指状尺度：推导出主导波长λ=√(3D_Th²/DR_h)（公式2），实验证实λ∝h^(1+β)/2（β≈1）且与Δρ无关（图4）。发现指状生长强度J_finger∝h^-(1+β)/2k^1-(1-β)/4Δρ²e，解释了指数增长现象（图4C）。

4）融化动力学：修正经典R-D对流理论，引入达西数Da=k/h²后，所有实验数据均满足Sh∝R_hDa^-1/3的统一关系（图5C），融化速率最高可达传统预测的4倍。

这项研究从根本上改变了我们对冻土融化机制的认识：传统理论认为高Rayleigh数必然增强不稳定性，而本研究发现当R超过临界值时，强烈的横向混合反而会抑制指状结构发展。这一发现对冻土区环境风险评估具有双重意义：一方面，指状融化可能导致冻土层在完全解冻前就被穿透，形成地表-地下甲烷释放的快速通道；另一方面，修正后的质量传输模型显示实际融化速率被严重低估。该机理同样适用于岩浆迁移、碳封存等地质过程，为相关领域模型优化提供了理论基础。

研究方法方面，团队创新性地采用：（1）多参数调控的Hele-Shaw细胞实验系统，实现孔隙尺度可视化；（2）伪稳态假设下的COMSOL多物理场耦合模拟，克服计算瓶颈；（3）基于FFT的融化前沿定量表征方法；（4）引入机械弥散系数D_T=α_Tud的改进传输理论。这些技术手段为复杂相变界面的研究建立了新范式。