Сегрегация льда
Сегрегация льда — это геологическое явление, вызванное образованием ледяных линз , которые вызывают эрозию, когда влага , рассеянная внутри почвы или породы , накапливается в определенной зоне. Лед первоначально накапливается в небольших совмещенных порах или ранее существовавших трещинах и, пока условия остаются благоприятными, продолжает собираться в слое льда или ледяной линзе, расклинивая почву или породу. Ледяные линзы растут параллельно поверхности и на глубине от нескольких сантиметров до нескольких дециметров (от дюймов до футов) в почве или скале. Исследования, проведенные в период с 1990 года по настоящее время, показали, что разрушение горных пород в результате сегрегации льда (т.е. разрушение неповрежденной породы ледяными линзами, которые растут за счет вытягивания воды из окружающей среды в периоды устойчивых отрицательных температур) является более эффективным процессом выветривания, чем замораживание-оттаивание. процесс, предложенный в старых текстах. [1]
Ледяные линзы играют ключевую роль в разрушении коренных пород и морозном пучении почв, которые имеют основополагающее значение для выветривания в холодных регионах. Морозное пучение создает обломки и резко формирует ландшафты в сложные узоры . Разрушение горных пород в перигляциальных регионах (альпийских, субполярных и полярных) часто связывают с замерзанием и объемным расширением воды, захваченной в порах и трещинах. Однако большая часть морозного пучения и разрушения коренных пород возникает в результате сегрегации льда в ледяных линзах в приповерхностных замерзших регионах. Сегрегация льда приводит к разрушению горных пород и морозному пучению. [2]
Описание явлений
[ редактировать ]Обычное морозное пучение
[ редактировать ]
Морозное пучение – это процесс, при котором промерзание водонасыщенного грунта вызывает деформацию и подъем земной поверхности. [3] Этот процесс может привести к деформации и растрескиванию тротуаров , повреждению фундаментов зданий и регулярному смещению почвы. Влажная мелкозернистая почва при определенных температурах наиболее подвержена морозному пучению.
Ледяные линзы в тундре
[ редактировать ]
Морозное пучение распространено в арктической тундре, поскольку вечная мерзлота сохраняет почву замороженной на глубине и предотвращает сток талых снегов и дождей. В результате создаются оптимальные условия для образования глубинных ледяных линз с большими скоплениями льда и значительным смещением грунта. [4]
Дифференциальное морозное пучение, создающее сложные закономерности, будет возникать при наличии правильных условий. Обратная связь от морозного пучения в течение одного года влияет на последствия в последующие годы. Например, небольшое увеличение вскрышных пород повлияет на глубину ледообразования и пучения в последующие годы. Модели морозного пучения, зависящие от времени, показывают, что в течение достаточно длительного периода возмущения короткого расстояния затухают, а возмущения среднего радиуса растут и начинают доминировать в ландшафте. [4]
Подледные ледяные образования
[ редактировать ]
полосы отложений или ледникового тилла Под антарктическими ледниковыми щитами наблюдались ; Считается, что они возникают в результате образования ледяных линз в обломках. В ледниковых регионах с более быстрым течением ледниковый щит скользит по водонасыщенным отложениям (ледниковый тилль) или фактически плавает по слою воды. Тилль и вода служат для уменьшения трения между основанием ледяного покрова и коренной породой. Эти подледниковые воды происходят из поверхностных вод, которые сезонно стекают в результате таяния на поверхности, а также в результате таяния основания ледникового покрова. [5]
Рост ледяных линз в коренных породах под ледником прогнозируется в летние месяцы, когда у подножия ледника достаточно воды. Ледяные линзы будут образовываться внутри коренной породы, накапливаясь до тех пор, пока порода не станет достаточно ослабленной, чтобы расколоться или отколоться. Слои горных пород вдоль границы между ледниками и коренной породой освобождаются, в результате чего образуется большая часть отложений в этих базальных областях ледников. Поскольку скорость движения ледника зависит от характеристик этого базального льда, продолжаются исследования, направленные на более качественную количественную оценку этого явления. [6]
Понимание явлений
[ редактировать ]
Основным условием сегрегации льда и морозного пучения является наличие в почве или пористой породе области, которая является относительно проницаемой, находится в диапазоне температур, допускающем сосуществование льда и воды (в предварительно расплавленном состоянии), и имеет температурный градиент поперек. регион. [7]
Ключевым явлением для понимания сегрегации льда в почве или пористой породе (также называемой ледяной линзой из-за ее формы) является предварительное плавление, то есть образование жидкой пленки на поверхностях и границах раздела при температурах значительно ниже температуры их объемного плавления. Термин «предплавление» используется для описания снижения температуры плавления (ниже 0 ° C), которое возникает в результате кривизны поверхности пористой среды, удерживающей воду ( эффект Гиббса-Томсона ). Предварительно растаявшая вода существует в виде тонкого слоя на поверхности льда. В условиях предплавления лед и вода могут сосуществовать при температуре ниже -10 °С в пористой среде. Эффект Гиббса-Томсона приводит к миграции воды вниз по температурному градиенту (от более высоких температур к более низким); Дэш утверждает: «…материал переносится в более холодные регионы…» Это также можно рассматривать с энергетической точки зрения как предпочтение более крупным частицам льда по сравнению с более мелкими ( созревание Оствальда ). В результате, когда существуют условия для сегрегации льда (образования ледяных линз), вода течет к сегрегированному льду и замерзает на поверхности, утолщая сегрегированный слой льда. [7]
Используя эти принципы, можно разрабатывать аналитические модели; они предсказывают следующие характеристики, которые согласуются с полевыми наблюдениями:
- Лед образуется слоями, параллельными вышележащей поверхности. [2]
- Первоначально лед образуется с небольшими микротрещинами, параллельными поверхности. По мере накопления льда слой льда растет наружу, образуя ледяную линзу, параллельную поверхности. [2]
- Лед образуется в водопроницаемой породе почти так же, как он образуется в почве. [2]
- Если слой льда образовался в результате охлаждения с одного направления (например, сверху), трещина имеет тенденцию залегать близко к поверхности (например, 1–2 см в мелу). Если слой льда образовался в результате промерзания с обеих сторон (например, сверху и снизу), трещина имеет тенденцию залегать глубже (например, 2–3,5 см в мелу). [2]
- Лед образуется быстро, когда жидкость легко доступна. Когда жидкость легко доступна, сегрегированный лед (ледяная линза) растет параллельно открытой холодной поверхности. Он быстро растет до тех пор, пока тепло, выделяющееся при замерзании, не нагревает границу ледяной линзы, уменьшая температурный градиент и контролируя скорость дальнейшей сегрегации льда. В этих условиях лед растет в один слой, который постепенно становится толще. Поверхность смещается, почва перемещается или скальные породы разрушаются. [8]
- Лед образуется по-другому, когда жидкость менее доступна. Когда жидкость недоступна, сегрегированный лед (ледяная линза) растет медленно. Тепло , выделяющееся при замерзании, не способно нагреть границу ледяной линзы. Следовательно, область, через которую диффундирует вода, продолжает охлаждаться до тех пор, пока под первым слоем не образуется еще один слой сегрегации льда. При устойчивой холодной погоде этот процесс может повториться, образуя несколько слоев льда (ледяные линзы), параллельных поверхности. Образование нескольких слоев (множественных линз), приводящих к более обширным повреждениям от мороза в горных породах или почвах. [8]
- При некоторых условиях лед не образуется. При более высоких давлениях покрывающих пород и относительно высоких температурах поверхности сегрегация льда произойти не может; присутствующая жидкость замерзает в поровом пространстве без сегрегации объемного льда и измеримой деформации поверхности или повреждения морозом. [8]
Рост ледяных линз в скале
[ редактировать ]Породы обычно содержат поры разного размера и формы, независимо от их происхождения и местоположения. Пустоты в камнях представляют собой, по сути, небольшие трещины и служат местом, из которого трещина может распространяться, если порода находится в напряжении. Если лед накапливается в поре асимметрично, лед приведет к растяжению породы в плоскости, перпендикулярной направлению накопления льда. Следовательно, порода расколется в плоскости, перпендикулярной направлению скопления льда, которая фактически параллельна поверхности. [9]
Уолдер и Халлет разработали модели, которые предсказывают места и скорость роста трещин в горных породах, соответствующие фактически наблюдаемым в полевых условиях трещинам. Их модель предсказала, что мрамор и гранит наиболее эффективно образуют трещины, когда температура колеблется от -4 ° C до -15 ° C; в этом диапазоне в граните за год могут образовываться трещины, охватывающие лед длиной 3 метра. Когда температура выше, образующийся лед не оказывает достаточного давления, чтобы вызвать распространение трещины. Когда температура ниже этого диапазона, вода менее подвижна и трещины растут медленнее. [9]
Мутрон подтвердил, что лед изначально образуется в порах и создает небольшие микротрещины, параллельные поверхности. По мере накопления льда слой льда растет наружу, образуя ледяную линзу, параллельную поверхности. Лед образуется в водопроницаемой породе почти так же, как он образуется в почве. Если слой льда образовался в результате охлаждения с одного направления (например, сверху), трещина породы имеет тенденцию залегать близко к поверхности (например, 1–2 см в мелу). Если слой льда образуется в результате промерзания с обеих сторон (например, сверху и снизу), трещина породы имеет тенденцию залегать глубже (например, 2–3,5 см в мелу). [2]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ «Перигляциальное выветривание и эрозия головных стенок бергшрундов циркового ледника»; Джонни В. Сандерс, Курт М. Каффи, Джеффри Р. Мур, Келли Р. МакГрегор и Джеффри Л. Кавано; геология ; 18 июля 2012 г., дои : 10.1130/G33330.1
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж Мертон, Джулиан Б.; Петерсон, Рорик; Озуф, Жан-Клод (17 ноября 2006 г.). «Разлом коренной породы в результате сегрегации льда в холодных регионах». Наука . 314 (5802): 1127–1129. Бибкод : 2006Sci...314.1127M . дои : 10.1126/science.1132127 . ПМИД 17110573 .
- ^ Ремпель, AW; Веттлауфер, Дж. С.; Ворстер, М.Г. (2001). «Межфазное предварительное плавление и термомолекулярная сила: термодинамическая плавучесть». Письма о физических отзывах . 87 (8): 088501. Бибкод : 2001PhRvL..87h8501R . doi : 10.1103/PhysRevLett.87.088501 . ПМИД 11497990 .
- ^ Перейти обратно: а б Петерсон, РА; Кранц, ВБ (2008). «Дифференциальная модель морозного пучения для узорчатого формирования грунта: подтверждение наблюдениями вдоль арктического разреза Северной Америки» . Журнал геофизических исследований . 113 . Американский геофизический союз .: G03S04. дои : 10.1029/2007JG000559 .
- ^ Белл, Робин Э. (27 апреля 2008 г.). «Роль подледниковой воды в балансе массы ледникового покрова». Природа Геонауки . 1 (5802): 297–304. Бибкод : 2008NatGe...1..297B . дои : 10.1038/ngeo186 .
- ^ Ремпель, AW (2008). «Теория взаимодействия льда с почвой и уноса наносов под ледники» . Журнал геофизических исследований . 113 (113). Американский геофизический союз .: F01013. Бибкод : 2008JGRF..113.1013R . дои : 10.1029/2007JF000870 .
- ^ Перейти обратно: а б Даш, Г.; А. В. Ремпель; Дж. С. Веттлауфер (2006). «Физика растаявшего льда и ее геофизические последствия». Преподобный Мод. Физ . 78 (695). Американское физическое общество : 695. Бибкод : 2006RvMP...78..695D . CiteSeerX 10.1.1.462.1061 . дои : 10.1103/RevModPhys.78.695 .
- ^ Перейти обратно: а б с Ремпель, AW (2007). «Образование ледяных линз и морозного пучения» . Журнал геофизических исследований . 112 (Ф02С21). Американский геофизический союз : F02S21. дои : 10.1029/2006JF000525 . Проверено 30 ноября 2009 г.
- ^ Перейти обратно: а б Уолдер, Джозеф; Халлет, Бернар (март 1985 г.). «Теоретическая модель разрушения горных пород при замерзании» . Бюллетень Геологического общества Америки . 96 (3). Геологическое общество Америки .: 336–346. Бибкод : 1985GSAB...96..336W . doi : 10.1130/0016-7606(1985)96<336:ATMOTF>2.0.CO;2 . Проверено 30 ноября 2009 г.