сегрегация - геологическое явление, вызванное образованием линз льда, которые вызывают эрозию, когда влага, рассеивается внутри почвы или порода, накапливается в ограниченной зоне. Первоначально лед накапливается в небольших расположенных рядом порах или ранее существовавших трещинах и, пока условия остаются благоприятными, продолжает накапливаться в слое льда или линзе льда, раскалывая почву или скалу. Ледяные линзы растут параллельно поверхности на глубину от нескольких сантиметров до нескольких дециметров (дюймов до футов) в почве или скале. Исследования, проведенные с 1990 года по настоящее время, показали, что разрушение породы из-за 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 замерзание-таяние. процесс, предложенный в более ранних текстах.
Ледяные линзы играют ключевую роль в разрушении коренных пород и вызванном морозом пучинистости почв, которые имеют фундаментальное значение для выветривания в холодных регионах. Морозное пучение создает обломки и драматически формирует пейзажи сложными узорами. Разрушение горных пород в перигляциальных регионах (альпийских, субполярных и полярных) часто связывают с замерзанием и объемным расширением воды, находящейся в порах и трещинах. Однако большая часть морозного пучения и разрушения коренных пород возникает в результате сегрегации льда в линзах льда в приповерхностных мерзлых областях. Сегрегация льда приводит к растрескиванию горных пород и морозному пучению.
Морозное пучение - это процесс, при котором замерзание воды, насыщенной почвы вызывает деформацию и толчок вверх поверхности земли. Этот процесс может деформировать и растрескивать тротуар, повреждать фундамент зданий и равномерно перемещать грунт. Влажная мелкозернистая почва при определенных температурах наиболее подвержена морозному пучению.
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 формирования глубокой ледяной линзы с большими скоплениями льда и значительным смещением грунта.
При наличии правильных условий возникнет дифференцированное 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 коротком расстоянии затухают, в то время как возмущения среднего диапазона нарастают и начинают доминировать в ландшафте.
Под ледниковыми щитами Антарктики наблюдались полосы отложений или ледниковый тилл ; 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 служат для уменьшения трения между основанием ледяного покрова и скальной породой. Эти подледные воды поступают из поверхностных вод, которые сезонно стекают из-за таяния на поверхности, а также из-за таяния основания ледникового покрова.
Рост ледяных линз в коренных породах под ледником прогнозируется в летние месяцы, когда есть достаточное количество воды у подножия ледника. 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, производя большую часть отложений в этих базальных областях ледников. Поскольку скорость движения ледника зависит от характеристик этого базального льда, продолжаются исследования для более точной количественной оценки этого явления.
Основным условием сегрегации льда и морозного пучения является наличие области в почве или пористой породе, которая является относительно проницаемой, находится в диапазоне температур, который позволяет сосуществовать льду и воде (в предварительно расплавленном состоянии), и имеет температурный градиент по региону.
Ключевым явлением для понимания сегрегации льда в почве или пористой породе (также называемой ледяной линзой из-за ее формы) является предварительное плавление, которое представляет собой образование жидкости пленка 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 пористой среды, удерживающей воду (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 более крупные частицы льда, а не более мелкие (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.
На этих принципах можно разработать аналитические модели; они предсказывают следующие характеристики, которые согласуются с полевыми наблюдениями:
Камни обычно содержат поры различного размера и формы, независимо от их происхождения или местоположение. Пустоты в горных породах представляют собой небольшие трещины, которые служат местом, из которого трещина может распространяться, если горная порода подвергается растяжению. Если лед накапливается в поре асимметрично, лед заставит породу растягиваться в плоскости, перпендикулярной направлению накопления льда. Следовательно, горная порода будет трескаться в плоскости, перпендикулярной направлению скопления льда, которая фактически параллельна поверхности.
Уолдер и Халлет разработали модели, которые предсказывают места и скорости роста трещин в горных породах, согласующиеся с трещинами, фактически наблюдаемыми в поле. 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 в год. Когда температура выше, образующийся лед не оказывает достаточного давления, чтобы вызвать распространение трещины. Когда температура ниже этого диапазона, вода становится менее подвижной, а трещины растут медленнее.
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 возник 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).