Ледяные линзы - это тела льда, образующиеся, когда влага , рассеянная в почве или скале , накапливается в определенной зоне. Первоначально лед накапливается в небольших расположенных рядом порах или в ранее существовавших трещинах и, пока условия остаются благоприятными, продолжает накапливаться в слое льда или линзе льда., расклинивая почву или скалу. Ледяные линзы растут параллельно поверхности на глубину от нескольких сантиметров до нескольких дециметров (дюймов до футов) в почве или скале. Исследования 1990 года продемонстрировали, 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 процесс замораживания-оттаивания, который предложены более старые тексты. [1]
Ледяные линзы играют ключевую роль в морозном пучинистом грунте и разрушении коренных пород, которые являются фундаментальными факторами выветривания в холодных регионах. Морозное пучение создает обломки и драматично превращает пейзажи в сложные узоры . Хотя разрушение горных пород в перигляциальных регионах (альпийских, субполярных и полярных) часто связывают с замерзанием и объемным расширением воды, захваченной в порах и трещинах, большая часть морозного пучения и разрушения коренных пород является результатом сегрегации льда и роста линз в слое. приповерхностные замороженные области. Сегрегация льда приводит к растрескиванию горных пород и морозному пучение. [2]
Описание явлений [ править ]
Обычное морозное пучение [ править ]
Морозное пучение - это процесс, при котором промерзание водонасыщенной почвы вызывает деформацию и подъем поверхности земли вверх. [3] Этот процесс может деформировать и растрескивать тротуар , повреждать фундамент зданий и равномерно перемещать грунт. Влажная мелкозернистая почва при определенных температурах наиболее подвержена морозному пучению.
Ледяные линзы в тундре [ править ]
Морозное пучение является обычным явлением в арктической тундре, потому что вечная мерзлота поддерживает промерзание почвы на глубине и предотвращает стекание снега и дождя. В результате создаются оптимальные условия для образования глубокой ледяной линзы с большими скоплениями льда и значительным смещением грунта. [4]
При соблюдении соответствующих условий может возникнуть дифференциальное морозное пучение, приводящее к сложной структуре. Обратная связь от морозного пучка за один год влияет на последствия в последующие годы. Например, небольшое увеличение вскрыши повлияет на глубину ледообразования и пучинистости в последующие годы. Зависящие от времени модели морозного пучения показывают, что в течение достаточно длительного периода возмущения на коротких расстояниях затухают, а возмущения среднего диапазона растут и начинают доминировать в ландшафте. [4]
Подледниковые ледяные образования [ править ]
Под ледниковыми щитами Антарктики наблюдались полосы осадочных пород или ледникового тила; Считается, что они возникают в результате образования ледяных линз в обломках. В ледниковых регионах с более быстрым течением ледяной щит скользит по водонасыщенным отложениям (ледниковый тилль) или фактически плавает по слою воды. Тилла и вода служили для уменьшения трения между основанием ледяного покрова и коренной породой. Эти подледниковые воды поступают из поверхностных вод, которые сезонно стекают из-за таяния на поверхности, а также из-за 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 образуются в скальной породе, накапливаясь до тех пор, пока порода не станет достаточно ослабленной, чтобы она срезала или откололась. Слои горных пород вдоль границы между ледниками и коренными породами высвобождаются, образуя большую часть отложений в этих базальных областях ледников. Поскольку скорость движения ледника зависит от характеристик этого базального льда, исследования продолжаются, чтобы лучше количественно оценить это явление. [6]
Понимание явлений [ править ]
Основным условием сегрегации льда и морозного пучения является наличие области в почве или пористой породе, которая является относительно проницаемой, находится в температурном диапазоне, допускающем сосуществование льда и воды (в предварительно расплавленном состоянии), и имеет температурный градиент по область. [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 их температуры плавления в объеме. Термин предварительное плавление используется для описания снижения температуры плавления (ниже 0 ° C), которое является результатом кривизны поверхности воды, заключенной в пористой среде ( эффект Гиббса-Томсона).). Предварительно талая вода существует в виде тонкого слоя на поверхности льда. В условиях предварительного плавления лед и вода могут сосуществовать при температурах ниже -10 ° C в пористой среде. Эффект Гиббса-Томсона приводит к тому, что вода мигрирует вниз по температурному градиенту (от более высоких температур к более низким температурам); Дэш утверждает: «… материал переносится в более холодные регионы…» Это также можно рассматривать с энергетической точки зрения как предпочтение более крупных частиц льда перед 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 образует небольшие микротрещины, параллельные поверхности. По мере того как лед накапливается, слой льда вырастает наружу, образуя линзу льда, параллельную поверхности. [2]
- Лед образуется в водопроницаемой породе почти так же, как в почве. [2]
- Если слой льда возник в результате охлаждения с одного направления (например, сверху), трещина имеет тенденцию лежать 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, на 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, выделяемое при замерзании, не нагревает границу линзы льда, уменьшая градиент температуры и контролируя скорость дальнейшей сегрегации льда. В этих условиях лед вырастает в один слой, который становится все толще. Поверхность смещается, а почва перемещается или порода раскалывается. [8]
- Когда жидкость становится менее доступной, лед формируется по другому образцу. Когда жидкость недоступна, сегрегированный лед (ледяная линза) растет медленно. Тепло , выделяющееся при замерзании не может нагреться границей льда объектива. Следовательно, область, через которую диффундирует вода, продолжает охлаждаться до тех пор, пока под первым слоем не образуется другой слой сегрегации льда. При устойчивой холодной погоде этот процесс может повторяться, образуя несколько слоев льда (ледяных линз), все параллельные поверхности. Формирование множества слоев (множественных линз), вызывающих более обширные повреждения от мороза внутри горных пород или почв. [8]
- При некоторых условиях лед не образуется. При более высоких давлениях покрывающих пород и при относительно высоких температурах поверхности сегрегация льда невозможна; присутствующая жидкость замерзает в поровом пространстве без сегрегации объемного льда и без заметной деформации поверхности или повреждения от замерзания. [8]
Рост ледяной линзы в скале [ править ]
Камни обычно содержат поры различного размера и формы, независимо от их происхождения или местоположения. Пустоты в породе - это, по сути, небольшие трещины, которые служат местом, из которого трещина может распространяться, если порода подвергается растяжению. Если лед накапливается в поре асимметрично, лед заставит породу растягиваться в плоскости, перпендикулярной направлению накопления льда. Следовательно, горная 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, согласующиеся с трещинами, фактически наблюдаемыми на месторождении. Их модель предсказывала, что мрамор и гранит наиболее эффективно растут трещины в диапазоне температур от -4 ° C до -15 ° C; в этом диапазоне гранит может образовывать трещины, вмещающие лед длиной 3 метра за год. Когда температура выше, образующийся лед не оказывает достаточного давления, чтобы вызвать распространение трещины. Когда температура ниже этого диапазона, вода становится менее подвижной, и трещины растут медленнее. [9]
Мутрон подтвердил, что лед изначально образуется в порах и создает небольшие микротрещины, параллельные поверхности. По мере того как лед накапливается, слой льда вырастает наружу, образуя линзу льда, параллельную поверхности. Лед образуется в водопроницаемой породе почти так же, как в почве. Если слой льда образовался в результате охлаждения в одном направлении (например, сверху), трещина в породе имеет тенденцию лежать близко к поверхности (например, 1-2 см в мелу). Если слой льда образовался в результате промерзания с обеих сторон (например, сверху и снизу), трещина в породе имеет тенденцию залегать глубже (например, на 2–3,5 см в мелу). [2]
Формирование ледяной сферы [ править ]
Образование ледяной сферы может произойти, когда объект находится примерно на 0,5–1,0 фута выше того места, где вода неоднократно достигает его. Вода образует тонкий слой льда на любой поверхности, которой она достигает. Каждая волна - это продвижение и спад воды. Продвижение пропитывает все на берегу. Когда волна спадает, она подвергается воздействию отрицательных температур. В этот краткий момент воздействия образуется тонкий слой льда. Когда это образование подвешено в воздухе мертвой растительностью или стоящими объектами, лед начнет формировать сферу или каплевидную форму. Подобно тому, как ядро конденсацииформы, шар нуждается в основании, которое не является водой. Чаще всего на растительности сфера начинается с точки льда на ветке или стебле. По мере того, как волны погружают берег в воду и ненадолго подвергают замоченные объекты воздействию отрицательных температур, точка начинает расти, поскольку каждый тонкий слой обертывается вокруг предыдущего слоя. Со временем они образуют сферы или каплевидные образования.
Ссылки [ править ]
- ^ "Перигляциальное выветривание и эрозия верхней стенки в бергшрундах ледникового цирка"; Джонни В. Сандерс, Курт М. Каффи, Джеффри Р. Мур, Келли Р. МакГрегор и Джеффри Л. Кавано; Геология ; 18 июля 2012, DOI : 10,1130 / G33330.1
- ^ a b c d e f Муртон, 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 .
- ^ 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 .
- ^ a b Петерсон, РА; Кранц, ВБ (2008). «Модель дифференциального морозного пучения для структурированного образования грунта: Подтверждение наблюдениями вдоль североамериканского арктического разреза» . Журнал геофизических исследований . Американский геофизический союз . 113 : G03S04. Bibcode : 2008JGRG..11303S04P . DOI : 10.1029 / 2007JG000559 .
- ↑ 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 .
- ^ Ремпель, AW (2008). «Теория взаимодействия льда с вспахиванием и вынос отложений под ледники» . Журнал геофизических исследований . Американский геофизический союз . 113 (113 =): F01013. Bibcode : 2008JGRF..11301013R . DOI : 10.1029 / 2007JF000870 .
- ^ a b Dash, G .; Ремпель А.В. 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 .
- ^ a b c Ремпель, AW (2007). «Образование ледяных линз и морозного пучения» . Журнал геофизических исследований . Американский геофизический союз . 112 (F02S21): F02S21. Bibcode : 2007JGRF..11202S21R . DOI : 10.1029 / 2006JF000525 . Проверено 30 ноября 2009 года .
- ^ a b > Уолдер, Джозеф; Холле, Бернар (март 1985). «Теоретическая модель разрушения горной породы при промерзании». Бюллетень Геологического общества Америки . Геологическое общество Америки . 96 (3): 336–346. Bibcode : 1985GSAB ... 96..336W . DOI : 10.1130 / 0016-7606 (1985) 96 <336: ATMOTF> 2.0.CO; 2 .
