北京大学工学院徐克团队发现上覆盐水驱动冻土融化新机制

北京大学工学院能源与资源工程系徐克课题组以冻土融化为模型体系，在多孔介质中的固-液相变理论方面取得重要进展，相关论文近日发表在《科学》杂志子刊《科学进展》（Science Advances，DOI：10.1126/sciadv.adp2808）。

随着全球变暖带来的海平面上升，高纬度滨海冻土可能会被海水覆盖。海水的盐分降低了水的冰点，导致冻土层融化。冻土地区工业高盐废水的排放也会导致类似过程。冻土在上覆盐水作用下的融化模式和速度与全球能量循环、碳循环、污染物迁移等重大环境问题息息相关。然而，上覆盐水对冻土融化机制的影响此前尚不明确。

研究团队构建了可视化实验系统，精确表征了上覆盐水作用下多孔介质内的融化界面动态演化。实验发现冰-水融化界面在高渗透率、高密度差、大深度条件下平整发展下移，而在低渗透率、低密度差、小深度条件下则出现显著的“指进”失稳。此外，溶解速度表现出了此前未被发现的对达西数的依赖性，现有理论模型无法解释。

图1: 上覆盐水融化多孔介质内冰的两种模式：第一行展示了低瑞利数下的指进融化；第二行展示了高瑞利数下的平直融化界面

研究团队注意到上覆盐水的密度大于与冰平衡的水，这种“密度倒置”会导致多孔介质融化层内的水力学不稳定。基于模拟计算和理论分析，团队发现上述密度倒置体系中融化界面的发展模态取决于融化盐水层中“底部环流”和“全局紊流”两种竞争性流动结构的博弈。前者由水-冰界面的形态控制，会导致“指进”形态的融化；后者由融化层的整体参数决定，遵从典型的瑞利-达西对流模式，会促进横向混合、抑制“指进”。团队进一步通过理论分析得到了两种融化模态的转变条件，和界面形态发展的参数依赖性。

图2: 控制融化模式的两种流动结构：左侧为受扰动界面诱发的局部环流，右侧为利于横向混合的全局的瑞利-达西对流；第一行为数值模拟结果，第二行为示意图

上述“指进”形态的融化会导致冻土层更早被融化贯通，进而提前引发甲烷气体泄漏或上覆液体（海水、高盐废水）下渗。研究团队强调，实际的冻土结构比本文的实验系统更为复杂、非均匀性更强，“指进”效应将更为显著，值得相关环境和生态工作者关注。 此外，多孔介质中固体融化/溶解与重力对流的耦合还广泛出现在油气开采、二氧化碳地质封存、火山活动区的岩浆囊演化、地外水冰资源开采等场景。

北京大学工学院能源与资源工程系四年级博士生王瑜敏为论文的第一作者，徐克为通讯作者。徐克课题组多名成员、力学系谢金翰研究员和多名本科生参与了本研究。此研究得到国家重点研发计划青年科学家项目和中国石油-北京大学基础研究合作计划的资助支持。