《Cold Regions Science and Technology》：A review of field monitoring methods for bedrock frost weathering in cold alpine regions
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岩石冻融作用现场监测技术研究进展及挑战，梳理了高山地区岩石冻融监测从单温度测量到多传感器物联网集成的发展脉络，分析了岩体温度、湿度、裂隙扩展等参数监测及布设方案，指出当前存在原位观测证据不足、热应力作用不明确、冻融水测量困难及监测点空间分布不均等问题，为后续分层监测网络构建和灾害预警提供理论支撑。
王丽萍|郝哲晓|张洪刚|郑晨雷|刘乃飞|姚晓亮
西安理工大学，土木工程与建筑学院，中国西安710048
摘要
霜冻风化是寒冷高山区岩体劣化、地貌演变和地质灾害的关键过程。野外监测为理解岩体中霜冻风化的表现及其控制因素提供了基础。本文系统回顾了寒冷高山区岩体霜冻风化监测的进展。监测系统经历了三个发展阶段：从“单温度测量并离线数据采集”发展到“多传感器方法，具备无线/IoT连接和近乎实时的数据传输”。在监测参数和部署方面，研究范围从测量岩石温度扩展到研究水分含量（饱和度）、裂隙的产生和扩展，以及落石和崩塌事件。此外，我们还讨论了当前面临的挑战和限制，包括缺乏直接且明确的原位观测证据来证明冻胀和冰分离现象，热应力在岩体风化中的作用不确定，未冻结水测量的技术难度，以及监测站点空间分布不均等问题。这些发现为未来在寒冷高山区开展岩体风化研究提供了系统性的框架和方法支持，并有助于开发更可靠的指标，以支持灾害评估和预警工作。
引言
霜冻风化是控制寒冷高山区岩体劣化的主要过程之一。当岩石在含有水分的情况下经历0°C以上的温度变化时，就会发生这种现象。在此过程中，冰的形成可以引发新的裂隙或扩大现有裂隙，而随后的升温和解冻会削弱裂隙岩石的强度（Matsuoka和Murton，2008）。从长远来看，霜冻风化会导致寒冷地区的落石和崩塌事件，这些事件与其他风化和地质搬运过程共同作用，逐渐重塑地貌。另一方面，由霜冻风化引起的落石和崩塌也对当地社区、工程建设及基础设施运行构成严重威胁。例如，2002年9月20日，俄罗斯北奥塞梯地区的卡兹别克山北坡发生了一次大规模的岩石/冰体崩塌（体积为100×10^6立方米），造成140人死亡并造成广泛破坏（Huggel等人，2005）。同样，2017年瑞士皮佐·切纳洛发生的岩石崩塌（体积为3.0×10^6立方米）也造成了人员伤亡和基础设施的严重损坏（Walter等人，2020）。因此，阐明岩体中的霜冻风化机制对于寒冷地区的工程实践具有重要的理论和实际意义。
关于岩体霜冻风化及其相关机制的研究主要集中在野外监测（Draebing等人，2017a；Matsuoka，2008）、实验室实验（Murton等人，2006）和理论研究（Rempel，2010；Walder和Hallet，1985）方面。野外监测包括在高山区设立观测点，使用各种传感器和数据记录仪收集影响岩体风化的多种因素的数据，如气象条件、岩体温度和湿度变化等。同时，还记录风化的表现，如裂缝的发展和扩展。此外，还采用视觉监测或手动技术来获取有关风化特征和产物的统计数据，包括落石和崩塌情况，从而推断岩壁因霜冻风化而产生的侵蚀速率。长期的野外监测有助于我们更好地理解岩体霜冻风化的表现及其控制因素，为后续的实验室研究和理论模型开发奠定基础。目前，高山区岩体霜冻风化的野外监测主要集中在欧洲阿尔卑斯山（Draebing等人，2017a；Matsuoka，2008）和日本阿尔卑斯山（Matsuoka，2001a），而中国高山区的相关监测工作仍然较少（Wang等人，2025）。然而，这些地区是中国西部开发战略和“一带一路”倡议的关键实施区域。本研究回顾了高山区岩体霜冻风化监测的方法和最新进展，追踪了从单温度记录到多源传感的技术演变，以及物联网和遥感的整合。在此基础上，我们分析了当前面临的挑战，并强调这些发现对于深入理解岩体中的霜冻风化机制和确保寒冷地区工程安全具有重要意义。
方法
本系统综述的撰写和报告遵循了《系统综述和荟萃分析的优先报告条目》（PRISMA 2020）指南。
监测系统组成的变化
高山区岩体霜冻风化的野外监测研究已有超过50年的历史（Emerick，1971）。由于监测设备和传输技术的发展限制，早期的野外监测仅限于单一参数，主要是岩体温度。数据由数据记录仪记录，研究人员需要定期到现场取回设备进行数据处理和分析（Fahey和Lefebure，1988），或者直接访问监测点。
野外监测参数和布局
野外监测参数的类型和数量取决于研究目标和空间尺度。根据高山区岩体霜冻风化的研究，常见的监测参数包括不同深度的岩石温度、岩石水分含量（饱和度）、已有裂隙宽度的变化、岩石体内的裂隙发展、落石和岩壁崩塌的发生情况，以及相关的气象条件。讨论
随着监测技术的不断进步，越来越多的高精度仪器被引入寒冷地区的岩土工程现场，大大提高了数据采集的时空分辨率。同时，4G/5G等无线通信技术的广泛应用促进了远程实时监测系统的广泛应用，使得无人值守和连续观测成为可能。
结论
本综述总结了寒冷高山区岩体霜冻风化野外监测的技术发展、现状和主要挑战。主要发现如下：
(1)监测系统的技术演变。
岩体霜冻风化的野外监测已经从早期仅关注温度的单参数观测发展为能够捕捉裂隙动态、水分变化、声发射等多参数的综合多传感器系统。
未来方向
未来在高山区岩体霜冻风化监测方面的研究应重点关注以下方向：(1)基于地形和微气候分层的监测网络。
监测站应根据地形和微气候条件的系统分层进行部署——例如坡向、遮荫情况、海拔高度、积雪重新分布和风暴露情况，并通过配对站点设计（例如对比不同的坡向或积雪条件）来捕捉关键的环境梯度。
CRediT作者贡献声明
王丽萍：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，监督，项目管理，资金筹集，概念构思。郝哲晓：撰写——初稿，方法学研究，数据管理。张洪刚：撰写——审稿与编辑，资源协调，方法学研究，数据分析。郑晨雷：撰写——初稿，研究实施，数据管理。刘乃飞：撰写——审稿与编辑，验证，资金筹集。姚晓亮：验证，资源协调。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。致谢
本研究得到了国家自然科学基金（资助编号：42172314、52278370、42272319）和陕西省重点研发项目（编号：2022SF-197）的支持。
