Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Анатомия морозного пучки во время весенней распутицы. Сторона 6 дюймов (15 см) вертикальная качки с почвой удалена , чтобы выявить (снизу вверх):
· Иглы льда , которая выдавлена вверх от замерзания перед через пористую почву из грунтовых вод ниже
· соединялись богатый лед почва, подвергшаяся замораживанию-оттаиванию
· Сверху оттаявшая почва.
Фотография сделана 21 марта 2010 года в Норидже, штат Вермонт.

Морозное пучение (или морозное пучение ) - это вспучивание почвы вверх в условиях замерзания, вызванное увеличивающимся присутствием льда по мере его роста к поверхности вверх от глубины почвы, где происходит промерзание. температуры проникли в почву (фронт промерзания или граница промерзания). Для роста льда требуется водоснабжение, которое в определенных почвах доставляет воду к фронту замерзания за счет капиллярного действия. Вес вышележащей почвы сдерживает вертикальный рост льда и может способствовать образованию линзообразных участков льда внутри почвы. Тем не менее, силы одной или нескольких растущих ледяных линз достаточно, чтобы поднять слой почвы до 1 фута (0,30 метра) или более. Почва, через которую вода проходит, чтобы питать образование ледяных линз, должна быть достаточно пористой, чтобы обеспечить капиллярное действие , но не настолько пористой, чтобы нарушить целостность капилляров. Такой грунт называют «морозоустойчивым». Рост ледяных линз постоянно поглощает поднимающуюся воду на фронте замерзания. [1] [2] Дифференциальное морозное пучение может треснуть дорожные покрытия -contributing в весеннее время выбоины образования, и повреждение строительных фонды . [3] [4] Морозные пучки могут возникать в холодильных камерах с механическим охлаждением и на ледовых катках .

Игольчатый лед - это, по сути, морозное пучение, которое происходит в начале сезона промерзания, до того, как фронт промерзания очень глубоко проник в почву и нет покрывающего слоя почвы, который мог бы подняться в виде морозного пучения. [5]

Механизмы [ править ]

Историческое понимание морозного пучения [ править ]

Образование ледяной линзы, приводящее к морозному пучке в холодном климате.

Согласно Бескову, Урбан Хьярне (1641–1724) описал воздействие мороза на почву в 1694 году. [ A ] [5] [6] [7] [8] К 1930 году Стивен Табер (1882–1963), глава Департамента Геология в Университете Южной Каролины (Колумбия, Южная Каролина) опровергла гипотезу о том, что морозное пучение является результатом увеличения молярного объема с замерзанием воды, уже присутствующей в почве до наступления отрицательных температур, т.е. вода в почве.

Поскольку молярный объем воды увеличивается примерно на 9%, когда она меняет фазу с воды на лед в точке его объемного замерзания , 9% будет максимально возможным расширением из-за расширения молярного объема, и даже тогда, только если лед был жестко ограничен в поперечном направлении. в почве, так что расширение всего объема должно происходить вертикально. Лед необычен среди соединений, потому что его молярный объем увеличивается по сравнению с жидким состоянием, водой . Большинство соединений уменьшаются в объеме при переходе от жидкой фазы к твердой. Табер показал, что вертикальное смещение грунта при морозном пучении может быть значительно больше, чем за счет расширения молярного объема. [1]

Табер продемонстрировал, что жидкая вода движется к линии замерзания внутри почвы. Он показал, что другие жидкости, такие как бензол , который сжимается при замерзании, также вызывают морозное пучение. [9] Это исключало изменения молярного объема как доминирующий механизм вертикального смещения промерзшей почвы. Его эксперименты также продемонстрировали развитие ледяных линз внутри столбов почвы, которые были заморожены путем охлаждения только верхней поверхности, тем самым создавая температурный градиент . [10] [11] [12]

Разработка ледяных линз [ править ]

Мороз на дороге в Вермонт во время весенней оттепели

Доминирующей причиной смещения грунта при морозном пучении является образование линз льда . Во время морозного пучки одна или несколько свободных от почвы ледяных линз растут, и их рост смещает почву над ними. Эти линзы растут за счет постоянного добавления воды из источника грунтовых вод, который находится ниже в почве и ниже линии замерзания в почве. Наличие чувствительной к морозам почвы с пористой структурой, которая обеспечивает капиллярный поток, имеет важное значение для подачи воды к ледяным линзам по мере их образования.

Благодаря эффекту Гиббса-Томсона удержания жидкости в порах вода в почве может оставаться жидкой при температуре ниже точки замерзания воды в массе. Очень тонкие поры имеют очень высокую кривизну , и это приводит к жидкой фазе является термодинамически стабильным в таких средах при температурах иногда несколько десятков градусов ниже объемной точки замерзания жидкости. [13] Этот эффект позволяет воде просачиваться сквозь почву по направлению к ледяной линзе, позволяя линзе расти.

Другой эффект переноса воды - это сохранение нескольких молекулярных слоев жидкой воды на поверхности ледяной линзы и между льдом и частицами почвы. Фарадей сообщил в 1860 году о незамерзшем слое предварительно талой воды.[14] Лед предварительно тает от собственного пара при контакте с кремнеземом . [15]

Микромасштабные процессы [ править ]

Те же межмолекулярные силы, которые вызывают предварительное плавление на поверхностях, вносят свой вклад в образование морозного пучения в виде частиц на нижней стороне формирующейся ледяной линзы. Когда лед окружает мелкую частицу почвы во время предварительного таяния, частица почвы будет смещаться вниз в теплом направлении в пределах температурного градиента из-за таяния и повторного замерзания тонкой пленки воды, окружающей частицу. Толщина такой пленки зависит от температуры и тем тоньше на более холодной стороне частицы.

Вода имеет более низкую термодинамическую свободную энергию в объемном льду, чем в переохлажденном жидком состоянии. Следовательно, происходит непрерывное пополнение воды, текущей с теплой стороны на холодную сторону частицы, и непрерывное таяние для восстановления более толстой пленки на теплой стороне. Частица перемещается вниз к более теплой почве в процессе, который Фарадей назвал «термической регеляцией». [14] Этот эффект очищает ледяные линзы по мере их образования, отталкивая мелкие частицы почвы. Таким образом, 10 - нанометровый пленка незамерзшей воды вокруг каждого микрометра частицы почвы -sized может переместить его 10 мкм / сут в тепловой градиент цене от 1 ° C м -1 . [15] По мере роста ледяных линз они поднимают почву наверху и отделяют частицы почвы внизу, притягивая воду к замерзающей поверхности ледяной линзы за счет капиллярного действия.

Морозостойкие почвы [ править ]

Частично растаявшие и обрушившиеся литальсы (вздыбленные курганы, обнаруженные в вечной мерзлоте ) оставили кольцевые структуры на архипелаге Шпицберген.

Морозное пучение требует морозоустойчивой почвы, постоянной подачи воды ниже уровня грунтовых вод и отрицательных температур, проникающих в почву. Чувствительные к морозу почвы - это почвы с размером пор между частицами и площадью поверхности частиц, которые способствуют капиллярному потоку . Илистые и суглинистые почвы , содержащие мелкие частицы, являются примерами морозостойких почв. Многие агентства классифицируют материалы как чувствительные к замерзанию, если 10 или более процентов составляющих частиц проходят через сито 0,075 мм (№ 200) или 3 процента или более проходят через сито 0,02 мм (№ 635). Чемберлен сообщил о других, более прямых методах измерения морозостойкости. [16]На основе таких исследований существуют стандартные тесты для определения относительной восприимчивости к морозам и оттаиванию грунтов, используемых в системах дорожного покрытия, путем сравнения скорости пучения и коэффициента выноса при оттаивании со значениями в установленной системе классификации почв, где морозостойкость является неопределенной. [17]

Немерзкие почвы могут быть слишком плотными, чтобы способствовать течению воды (низкая гидравлическая проводимость), или слишком открытой пористостью, чтобы способствовать капиллярному потоку. Примеры включают плотные глины с небольшим размером пор и, следовательно, с низкой гидравлической проводимостью, а также чистые пески и гравий , которые содержат небольшое количество мелких частиц и чьи размеры пор слишком открыты, чтобы способствовать капиллярному потоку. [18]

Формы ландшафта, созданные морозным пучением [ править ]

Палса (пучина богатой органикой почвы в прерывистой вечной мерзлоте) может быть найдена в альпийских районах ниже холма Муги на горе Кения.

Морозное пучение создает приподнятые формы рельефа с различной геометрией, включая круги, многоугольники и полосы, которые можно описать как палящие в почвах, богатых органическим веществом, таких как торф или литальза [19] в более богатых минералами почвах. [20] Каменные литальсы (курганы), найденные на архипелаге Шпицберген, являются примером. Морозные пучки возникают в альпийских регионах, даже недалеко от экватора , как это видно на примере палс на горе Кения . [21]

В арктических регионах с вечной мерзлотой связанный с этим тип пучения почвы в течение сотен лет может создавать структуры высотой до 60 метров, известные как пинго , которые подпитываются подъемом грунтовых вод, а не капиллярным действием, которое питает рост инея. вздымается. Криогенные земляные торосы - это небольшие образования, возникающие в результате зернистой конвекции, которые появляются в сезонно мерзлых грунтах и ​​имеют много разных названий; в Северной Америке - земляные кочки; thúfur в Гренландии и Исландии ; и pounus в Фенноскандии .

Полигональные формы, по-видимому, вызванные морозным пучением, наблюдались в приполярных регионах Марса камерой Mars Orbiter Camera (MOC) на борту Mars Global Surveyor и камерой HiRISE на Mars Reconnaissance Orbiter . В мае 2008 года спускаемый аппарат « Марс Феникс » приземлился на таком полигональном ландшафте с морозным пучением и быстро обнаружил лед в нескольких сантиметрах под поверхностью.

В холодильных помещениях [ править ]

Холодильные склады и ледовые катки, в которых поддерживается температура ниже нуля, могут заморозить почву под их фундаментом на глубину до десятков метров. Сезонно замороженные здания, например, некоторые ледовые катки, могут позволить почве оттаять и восстанавливаться, когда внутренняя часть здания нагревается. Если фундамент охлаждаемого здания расположен на морозостойких почвах с уровнем грунтовых вод в пределах досягаемости фронта промерзания, то полы в таких сооружениях могут вздыбиться из-за тех же механизмов, что и в природе. Такие структуры могут быть спроектированы так, чтобы избежать таких проблем, используя несколько стратегий, отдельно или в тандеме. Стратегии включают размещение нечувствительной к заморозке почвы под фундаментом, добавление изоляции для уменьшения проникновения фронта промерзания,и достаточно нагреть почву под зданием, чтобы она не замерзла. Сезонные ледовые катки могут снизить скорость подземного промерзания за счет повышения температуры льда.[22]

См. Также [ править ]

  • Криотурбация
  • Закон Мороза
  • Морозное выветривание
  • Подъем льда
  • Игольчатый лед
  • Пальса

Сноски [ править ]

  1. ^ В разделе II. Fl. Om Jord och Landskap i gemeen (II. О почве и ландшафте в целом) в своей книге Хиэрне упоминает явление «осыпания земли» или «пучения земли», при котором после весенней оттепели появляются большие куски дерна. быть оторванным от земли и брошенным: "3. Видит ли кто в других местах в Швеции, Финляндии, Исландии и т. д., как это случилось в Уппланде и в Нярке в волости Виби, королевской Валлби, что сама земля дерновина и все [по частям] до нескольких локтей в длину и ширину было выброшено вверх, что не смогли сделать 20 или более человек, и после этого осталась большая яма ». (3. Om man seer uti andre Orter i Swerige / Fin-Est och Lifland / etc. så wara stedt / som hår i Upland / och i Nårike i Wijby Sochn / Kongz Wallby / at Jorden sig med Torff och all till någre Alnars Långd och bredd har opkastat det 20 eller flere Karlar teke hint göra / och en stoor Graff effter sig lemnat. ) Urban Hjärne, Een kort Anledning till åtskillige Malm- och Bergarters, Mineraliers, Wäxters, och Jordeslags sampt flere sällsamme Tings, effterspöriande och angifwande [Краткое руководство по обнаружению и определению различных типов руд и гор, полезных ископаемых, растений, растений, вместе с несколькими необычными вещами] (Стокгольм, Швеция: 1694). Доступно в Интернете по адресу: Национальная библиотека Швеции .

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b Табер, Стивен (1929). «Морозное волнение» (PDF) . Журнал геологии . 37 (5): 428–461. Bibcode : 1929JG ..... 37..428T . DOI : 10.1086 / 623637 .
  2. ^ Ремпель, AW; Wettlaufer, JS; Уорстер, MG (2001). «Межфазное предварительное плавление и термомолекулярная сила: термодинамическая плавучесть». Письма с физическим обзором . 87 (8): 088501. Bibcode : 2001PhRvL..87h8501R . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.87.088501 . PMID 11497990 . 
  3. Перейти ↑ Transports Quebec (2007). «Квебекская история тротуара» . Архивировано из оригинала на 2011-07-16 . Проверено 21 марта 2010 .
  4. ^ Видианто; Хейленман, Гленн; Оуэн, Джерри; Фенте, Хавьер (2009). «Проект фундамента для морозного пихания». Проектирование холодных регионов 2009: Воздействие холодных регионов на исследования, проектирование и строительство : 599–608. DOI : 10.1061 / 41072 (359) 58 . ISBN 9780784410721.
  5. ^ a b Бесков, Гуннар; Остерберг, JO (переводчик) (1935). «Пучкование почвы и морозное пучение со специальным применением для автомобильных и железных дорог» (PDF) . Шведское геологическое общество . С. № 30 (Ежегодник № 3).
  6. ^ Шегрена, Хьялмар (1903) «Ом ETT„jordkast“VID Glumstorp я Вермланд оч ом dylika företeelser beskrivna пр Йерн» (На «земле литье» в Glumstorp в Värmland и на таких явленияхописываемое Йерне), Arkiv för Matematik , Astronomi Оч физик , 1  : 75–99.
  7. ^ Hjärne, Urban (1694). "Een kort Anledning till åtskillige Malm- och Bergarters, Mineraliers, Wäxters, och Jordeslags sampt flere sällsamme Tings, effterspöriande och angifwande" [Краткое руководство по обнаружению и определению различных типов руд и гор, минералов, растений и почв, вместе с несколько необычных вещей] (на шведском языке). Стокгольм. Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
  8. ^ Patrick B. Черный и Марк Дж Гарденберг, ed.s, Специальный доклад 91-23: Исторические перспективы в пучения исследований: Ранние произведения С. Табер и Г. Beskow (Ганновер, НьюГемпшир: армии США Инженерный корпус : Исследовательская и инженерная лаборатория холодных регионов, 1991).
  9. ^ Табер, Стивен (1930). «Механика морозного пучения» (PDF) . Журнал геологии . 38 (4): 303–317. Bibcode : 1930JG ..... 38..303T . DOI : 10.1086 / 623720 .
  10. ↑ Белл, Робин Э. (27 апреля 2008 г.). «Роль подледниковой воды в балансе массы ледникового покрова». Природа Геонауки . 1 (5802): 297–304. Bibcode : 2008NatGe ... 1..297B . DOI : 10.1038 / ngeo186 .
  11. ^ Мертон, Джулиан Б .; Петерсон, Рорик; Озуф, Жан-Клод (17 ноября 2006 г.). «Разрушение коренных пород ледяной сегрегацией в холодных регионах». Наука . 314 (5802): 1127–1129. Bibcode : 2006Sci ... 314.1127M . DOI : 10.1126 / science.1132127 . PMID 17110573 . S2CID 37639112 .  
  12. ^ Dash, G .; А.В. Ремпель; Дж. С. Веттлауфер (2006). «Физика предплавленного льда и ее геофизические последствия». Ред. Мод. Phys . Американское физическое общество . 78 (695): 695. Bibcode : 2006RvMP ... 78..695D . CiteSeerX 10.1.1.462.1061 . DOI : 10.1103 / RevModPhys.78.695 . 
  13. ↑ Джон Тиндалл (1858) «О некоторых физических свойствах льда», « Философские труды Лондонского королевского общества» , 148  : 211–229. Резюме: Tyndall, J. (1858). «О некоторых физических свойствах льда» . Труды Лондонского королевского общества . 9 : 76–80. DOI : 10,1098 / rspl.1857.0011 . S2CID 186210972 . 
  14. ^ a b Фарадей, М. (1860). «Записка о регеляции». Труды Лондонского королевского общества . 10 : 440–450. DOI : 10,1098 / rspl.1859.0082 . S2CID 136019935 . 
  15. ^ a b Ремпель, AW; Wettlaufer, JS; Worster, MG (2004). «Динамика предплавления в континуальной модели морозного пучения». Журнал гидромеханики . 498 : 227–244. Bibcode : 2004JFM ... 498..227R . DOI : 10.1017 / S0022112003006761 .
  16. ↑ Чемберлен, Эдвин Дж. (Декабрь 1981 г.). «Морозостойкость почвы. Обзор индексных тестов». Ганновер, Нью-Хэмпшир: Исследовательская и инженерная лаборатория холодных регионов. ADA111752. Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
  17. ^ ASTM, Подкомитет: D18.19 (2013), «Стандартные методы испытаний на чувствительность почв к морозному пучению и оттаиванию » , Книга стандартов ASTM , 04 (9)
  18. ^ Мюнх, Стив (6 ноября 2006). «Интерактивный тротуар - Морозное действие» . Проверено 24 марта 2010 .
  19. ^ Писсар, А .; Тилман, Сарт (2002). «Пальсы, литальсы и остатки этих перигляциальных курганов. Отчет о проделанной работе». Успехи в физической географии . 26 (4): 605–621. DOI : 10.1191 / 0309133302pp354ra . S2CID 140583281 . 
  20. ^ Де Шуттер, Пол (2005-12-03). «Пальсы и литалы» . Архивировано из оригинала на 2011-07-27 . Проверено 10 марта 2010 .
  21. Перейти ↑ Baker, BH (1967). Геология района горы Кения; градусный лист 44 Северо-западный квартал (с цветной картой) . Найроби: Геологическая служба Кении.
  22. ↑ Brown, WG (январь 1965), Frost Heave in Ice Rinks and Cold Storage Buildings , CBD-61, Research Council Canada , получено 5 января 2018 г.

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Манц, Лотарингия (июль 2011 г.), «Морозное волнение» (PDF) , Geo News , 32 (2): 18–24