青藏高原羌塘盆地存在永久性冻土层和中生界高陡海相地层,复杂的地表与地下地质条件导致地震数据具有较低信噪比和复杂波场,以致地震成像与构造解释面临极大挑战。共反射面元(CRS)叠加技术基于旁轴射线理论突破了水平层状模型假设,可实现零偏移距剖面高信噪比成像,在含冻土层低信噪比地区技术优势明显。利用羌塘盆地实际二维地震数据,首次开展了冻土区提高信噪比CRS叠加与常规叠前随机噪声衰减(PreRNA)、面元均化和倾角时差校正(DMO)地震处理技术对比。对比分析表明,CRS叠加不仅在信噪比和保真度方面优于常规面元均化和PreRNA,而且叠前道集利于后续偏移速度分析(MVA)质控。CRS叠加取得零偏移距剖面的质量优于DMO剖面,中、长孔径绕射波更加丰富,利于断裂、断点偏移归位。笔者等通过方法对比和处理实践证明,CRS叠加可作为提升冻土层区信噪比的地震处理关键技术之一,将有利改善复杂构造区深度域地震成像精度,加快羌塘油气勘探进程。

随着勘探开发技术的不断突破，羌塘盆地已成为中国重要的油气资源潜力区。羌塘盆地位于青藏高原北部，复杂的地质构造、大风干扰及特有的常年分布的高原冻土和高寒、缺氧环境为地震勘探带来了诸多挑战。非均匀分布的高速冻土层会屏蔽地震波能量、畸变地震波走时、降低地震资料的信噪比和一致性，如何正确认识地震波在冻土中的传播机理成为了高原地震勘探的关键问题。首先，针对羌塘盆地的冻土问题，利用高原专用的岩石物理测量设备现场测量野外冻土的岩石物理弹性参数，结合野外认识和实际二维地震反射剖面建立含冻土复杂构造模型；其次，通过有限差分弹性波正演模拟研究冻土带地震波场特征，发现冻土带使面波更发育，影响地震波走时，当直达波场出现“盖帽”特征时，冻土带会屏蔽地震反射振幅，导致地震波反射振幅更弱；最后，通过含冻土与无冻土模型的逆时偏移剖面对比，发现冻土带以下的地震反射成像能量更弱。冻土带的地震传播特征及机理研究结果为羌塘盆地冻土带识别、野外地震数据采集、冻土带能量补偿和偏移成像等提供了理论支撑。

高纬度多年冻土区是对气候变化响应最敏感的区域，多年冻土退化严重影响土壤碳循环过程，揭示不同地表覆盖类型下多年冻土区土壤有机碳的垂直分布规律，对于预测未来多年冻土区土壤碳库变化有重要意义。本研究以大兴安岭高纬度多年冻土区森林、森林沼泽、灌丛沼泽为研究对象，利用钻探法采集土柱（7～8 m），对3种不同植被下的土壤碳（有机碳、可溶性有机碳）进行测定，进一步分析土壤碳含量的垂直分布特征。结果表明，随着深度增加，土壤碳含量降低，有机碳含量变化范围为14.55～95.98 g/kg（森林沼泽）、17.48～132.93 g/kg（森林）、2.58～396.50g/kg（灌丛沼泽），但在多年冻土层中也存在较高碳含量的情况；活动层土壤有机碳和可溶性有机碳平均含量均表现为：灌丛沼泽>森林>森林沼泽，多年冻土层土壤有机碳和可溶性有机碳平均含量均表现为在森林沼泽>森林>灌丛沼泽；各组分碳在活动层的变异系数表现为30.31%～114.26%，各组分碳在多年冻土层的变异系数表现为30.23%～192.09%；相关分析表明，土壤碳与深度和pH呈负相关，与土壤水分显著正相关。

大部分农田、草原区由于地表植被的保护，地震勘探只能选择在农作物收割后的冬季施工。中国北方地区基本在每年10月中旬浇灌农田，导致土壤含水性高，冬季会形成一套高速冻土层，增加了近地表结构的复杂性。可控震源在地表激发信号，地震波在冻土层中传播会受到冻土介质共振频率的影响，减弱了地震波低频信号的能量。为此，提出利用冻土的耦合共振频率，开展冻土层的地震波传播机理研究。结果表明，冻土层覆盖后，接收的低频信息减弱，频谱整体向高频端移动。实际资料处理表明，冻土层耦合共振频率可拓展高频、补偿低频，适用性强。该方法为季节性冻土地区可控震源采集资料品质的改善提供了一种解决思路。

高原(海拔3 800～5 500 m)高寒(-40℃)地区冬季漫长而寒冷，年均无霜期仅3个月左右，高寒缺氧且降水量少，冻土区分布广泛，高原寒区供水工程建设存在冻土层井水和供水管路极易冻结、表层冻土层开挖施工极为困难等一系列难题。结合工程建设实践经验，研究建立“注气扰动”井水防冻、“管路排空”供水管路不冻和冻土层开挖“冲击破碎抓斗”等3项关键技术。

通过对高原冻土层遮阳装置进行改进,分析了遮阳装置的传热热力学理论,为改进其传热通路提供了理论依据,并提出一种新型路基结构复合装置提升高原冻土路基热稳定性。使用三维制图软件对改进前后冻土层路基结构进行建模,之后使用ANSYS仿真软件对改进前后的结构进行热学仿真分析,对比分析改进前后的仿真结果可以发现,新型遮阳装置由于采用了空心砖阻热结构,降低了自身热导率,使得路基冻土层温度相较于之前的遮阳装置温度下降了3.248℃,对改善路基热稳定性起到了很好的作用,为高原冻土层路基热稳定性能的提升提供了新的思路。

为解决极地冻土区油气资源储量极大但其力学特性和钻井井壁失稳机理尚不清晰的问题,对冻土岩样开展低温三轴力学特性实验,并基于此开展钻井井壁坍塌失稳相关数值模拟分析。结果表明:冻土的极限强度会随温度的降低和围压的增大而逐渐提高;冻土弹性模量尽管会随温度的降低而增加,但受围压影响较小,而泊松比基本不受温度及围压的影响;冻土内聚力会随实验温度的降低得到较大幅度提升,但不同实验温度范围内温度对冻土内聚力的影响程度存在差异,实验温度高于-12.5℃时温度对冻土内聚力的影响较强;极地冻土储层钻井过程近井地带冰的分解会随钻井作业的进行而逐渐变慢,冰的最终分解前缘位置为0.079 6 m,井眼扩大率达到63.51%。研究结果可为极地冻土层油气资源钻井作业设计提供参考与指导。

针对深冻土层地区注水管道因深埋造成的建设费用高和维修困难等问题,以不同规格、保温厚度和埋深的注水管道为研究对象,通过对管道安装费用、保温费用、土方费用和临赔费用等影响管道建设费用的因素进行研究对比,确定注水管道采用冻土层以上敷设和保温建设方式的技术可行性和经济可行性。通过研究得出,注水管道采用冻土层以上敷设和保温的方式在技术和经济方面是可行的;对于同一条管道,管道埋深和保温厚度是影响其建设费用的主要因素。当冻土层小于1.8 m时,注水管道采用冻土层以下埋深和不保温的建设方式较为经济,当冻土层大于1.8 m时,采用冻土层以上敷设和保温的建设方式较为经济。

季节性冻土地区基础计算过程中需要考虑切向冻胀力和法向冻胀力,防止受二力影响使建(构)筑物产生破坏。对于是否考虑冻胀力应根据土的含水率、土壤类别、冻土层厚度等现场条件综合评判,不能局限于规范的规定。结合工程建设实例,分别在规范计算取值和现场试桩两种情况下,对季节性冻土地区光伏灌注桩长度进行研究,对比分析了在施工工期、造价成本的差别,为后续类似项目提供借鉴。

季节性冻土的融冻循环过程会导致土壤电阻率和冻土层分界面随季节变化,冬季输电线路杆塔地网接地电阻可能上升,甚至超过标准限定值,影响线路的安全稳定运行。为了研究季节性冻土因素对杆塔地网接地电阻的影响,仿真研究了冻土层结构及冻土层厚度对其接地电阻的影响,并采用柔性石墨和圆钢接地材料同沟敷设的方案对实际输电线路杆塔地网进行了改造,对比分析了接地电阻的差异。研究结果表明:在不同冻土层结构和冻土层厚度情况下,柔性石墨地网相比于圆钢地网,其接地电阻最大降阻率分别达到了18. 76%和23. 65%。研究成果可为季节性冻土环境下输电线路杆塔接地降阻提供参考。