Морозное выветривание — это собирательный термин для нескольких процессов механического выветривания , вызванных напряжениями , возникающими при замерзании воды в лед . Этот термин служит обобщающим термином для различных процессов, таких как раскалывание морозом, расклинивание морозом и криодеструкция. Этот процесс может действовать в широком диапазоне пространственных и временных масштабов, от минут до лет, от смещения минеральных зерен до разрушения валунов . Оно наиболее выражено в высокогорных и высокоширотных районах и особенно связано с альпийским , перигляциальным , субполярным морским и полярным климатом , но может возникнуть где угодно при отрицательных температурах (от -3 до -8 °C (27 и 27°С). 18 °F)) при наличии воды. [1]
Некоторые чувствительные к морозу почвы расширяются или вздымаются при замерзании в результате миграции воды по капиллярам , образуя ледяные линзы вблизи фронта замерзания. [2] То же самое явление происходит в поровых пространствах горных пород. Скопления льда увеличиваются в размерах, поскольку они притягивают жидкую воду из окружающих пор. Рост кристаллов льда ослабляет породы, которые со временем разрушаются. [3] Это вызвано расширением льда при замерзании воды, что создает значительную нагрузку на стенки защитной оболочки. На самом деле это очень распространенный процесс во всех влажных регионах с умеренным климатом, где есть обнаженные породы, особенно пористые породы, такие как песчаник . Песок часто можно найти прямо под поверхностью обнаженного песчаника, где отдельные зерна откололись одно за другим. Этот процесс часто называют морозным растрескиванием. Фактически, во многих районах это зачастую самый важный процесс выветривания обнаженных пород.
Аналогичные процессы могут действовать на асфальтовые покрытия, способствуя возникновению различных форм растрескивания и других повреждений, которые в сочетании с движением транспорта и проникновением воды ускоряют образование колеи, образование выбоин [ 4 ] и других форм неровностей дорожного покрытия. [5]
Традиционным объяснением морозного выветривания было объемное расширение замерзшей воды. Когда вода замерзает до состояния льда , ее объем увеличивается на девять процентов. При определенных обстоятельствах это расширение способно сместить или разрушить горную породу. Известно, что при температуре -22 °C рост льда способен создавать давление до 207 МПа , чего более чем достаточно, чтобы разрушить любую горную породу. [6] [7] Чтобы морозное выветривание происходило за счет объемного расширения, в породе почти не должно быть воздуха, который можно было бы сжать, чтобы компенсировать расширение льда, а это означает, что она должна быть насыщена водой и быстро заморожена со всех сторон, чтобы что вода не мигрирует и на породу оказывается давление. [6] Эти условия считаются необычными, [6] ограничивая их важным процессом в пределах нескольких сантиметров от поверхности камня и на более крупных существующих заполненных водой швах в процессе, называемом заклиниванием льда .
Не все объемное расширение вызвано давлением замерзающей воды; это может быть вызвано напряжениями в воде, которая остается незамерзшей. Когда рост льда вызывает напряжения в поровой воде, которые разрушают породу, результат называется гидроразрывом. Гидроразрыву способствуют большие взаимосвязанные поры или большие гидравлические градиенты в породе. Если есть небольшие поры, очень быстрое замерзание воды в некоторых частях породы может привести к вытеснению воды, а если вода вытесняется быстрее, чем может мигрировать, давление может повыситься, разрушая породу.
Поскольку исследования физического выветривания начались примерно в 1900 году, объемное расширение до 1980-х годов считалось преобладающим процессом морозного выветривания. [8] Эта точка зрения была оспорена в публикациях 1985 и 1986 годов Уолдером и Халлетом. [6] [8] В настоящее время такие исследователи, как Мацуока и Мертон, считают «условия, необходимые для морозного выветривания за счет объемного расширения», необычными. [6] Однако большая часть недавней литературы показывает, что сегрегация льда способна предоставить количественные модели для общих явлений, в то время как традиционное, упрощенное объемное расширение этого не дает. [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15]