Ледяные линзы — это тела льда, образованные, когда влага , рассеянная в почве или скале , накапливается в локализованной зоне. Лед изначально накапливается в небольших коллокализованных порах или уже существующих трещинах и, пока условия остаются благоприятными, продолжает собираться в слое льда или ледяной линзе , расклинивая почву или скалу. Ледяные линзы растут параллельно поверхности и на глубину от нескольких сантиметров до нескольких дециметров (дюймов до футов) в почве или скале. Исследования 1990 года показали, что разрушение горных пород путем 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 замерзания-оттаивания, который предлагался в более старых текстах. [1]
Ледяные линзы играют ключевую роль в морозном вспучивании почв и разрушении коренных пород, которые являются основополагающими для выветривания в холодных регионах. Морозное вспучивание создает обломки и кардинально формирует ландшафты в сложные узоры . Хотя разрушение горных пород в перигляциальных регионах (альпийских, субполярных и полярных) часто приписывается замерзанию и объемному расширению воды, захваченной в порах и трещинах, большая часть морозного вспучивания и разрушения коренных пород вместо этого происходит из-за сегрегации льда и роста линз в приповерхностных замерзших регионах. Сегрегация льда приводит к разрушению горных пород и морозному вспучиванию. [2]
Морозное пучение — это процесс, при котором замерзание водонасыщенной почвы вызывает деформацию и подъем поверхности земли. [3] Этот процесс может деформировать и растрескивать дорожное покрытие , повреждать фундаменты зданий и смещать почву в регулярных узорах. Влажная, мелкозернистая почва при определенных температурах наиболее восприимчива к морозному пучению.
Морозное пучение распространено в арктической тундре, поскольку вечная мерзлота поддерживает грунт в замороженном состоянии на глубине и препятствует стоку талых вод и дождей. В результате условия являются оптимальными для формирования глубоких ледяных линз с большими скоплениями льда и значительным смещением почвы. [4]
Дифференциальное морозное вспучивание, создающее сложные модели, будет происходить, если существуют правильные условия. Обратная связь от морозного вспучивания одного года влияет на эффекты в последующие годы. Например, небольшое увеличение перекрывающих пород повлияет на глубину образования льда и вспучивания в последующие годы. Зависящие от времени модели морозного вспучивания показывают, что в течение достаточно длительного периода возмущения с короткими интервалами затухают, в то время как возмущения со средними интервалами растут и начинают доминировать в ландшафте. [4]
Под антарктическими ледяными щитами наблюдались полосы осадка или ледниковой тилль ; считается, что они являются результатом образования ледяных линз в обломках. В более быстрых ледниковых регионах ледяной щит скользит по насыщенным водой осадкам (ледниковый тилль) или фактически плавает по слою воды. Тилл и вода служили для уменьшения трения между основанием ледяного щита и коренной породой. Эти подледниковые воды происходят из поверхностных вод, которые сезонно стекают из-за таяния на поверхности, а также из-за таяния основания ледяного щита. [5]
Рост ледяных линз в коренной породе под ледником прогнозируется в летние месяцы, когда у основания ледника достаточно воды. Ледяные линзы будут образовываться в коренной породе, накапливаясь до тех пор, пока порода не ослабнет настолько, что она расколется или отколется. Слои породы вдоль интерфейса между ледниками и коренной породой освобождаются, производя большую часть осадков в этих базальных областях ледников. Поскольку скорость движения ледника зависит от характеристик этого базального льда, продолжаются исследования для более точной количественной оценки этого явления. [6]
Основным условием для сегрегации льда и морозного пучения является наличие области в почве или пористой породе, которая является относительно проницаемой, находится в диапазоне температур, допускающем сосуществование льда и воды (в предварительно расплавленном состоянии), и имеет температурный градиент по всей области. [7]
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 жидкой пленки на поверхностях и интерфейсах при температурах, значительно ниже их объемной температуры плавления. Термин предварительное плавление используется для описания снижения температуры плавления (ниже 0 °C), которое является результатом поверхностной кривизны воды, заключенной в пористой среде ( эффект Гиббса-Томсона ). Предварительно растаявшая 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, что «…материал переносится в более холодные регионы…» Это также можно рассматривать с энергетической точки зрения как благоприятствование более крупным частицам льда по сравнению с более мелкими ( созревание Оствальда ). В результате, когда возникают условия для сегрегации льда (образования ледяной линзы), вода течет к сегрегированному льду и замерзает на поверхности, утолщая слой сегрегированного льда. [7]
Используя эти принципы, можно разрабатывать аналитические модели; они предсказывают следующие характеристики, которые согласуются с полевыми наблюдениями:
Камни обычно содержат поры разного размера и формы, независимо от происхождения или местоположения. Пустоты в камне по сути являются небольшими трещинами и служат местом, из которого может распространяться трещина, если камень находится в напряжении. Если лед накапливается в поре асимметрично, лед будет натягивать камень в плоскости, перпендикулярной направлению накопления льда. Следовательно, камень будет трескаться вдоль плоскости, перпендикулярной направлению накопления льда, которая фактически параллельна поверхности. [9]
Уолдер и Халлет разработали модели, которые предсказывают места и скорости роста трещин в горных породах, соответствующие трещинам, которые фактически наблюдаются в полевых условиях. Их модель предсказала, что мрамор и гранит наиболее эффективно разрастаются трещинами, когда температура находится в диапазоне от −4 °C до −15 °C; в этом диапазоне гранит может образовывать трещины, окружающие 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 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 ледяной слой растет наружу в том, что часто характеризуется как ледяная линза, параллельная поверхности. Лед будет образовываться в водопроницаемой породе во многом таким же образом, как он образуется в почве. Если ледяной слой образовался в результате охлаждения с одного направления (например, сверху), трещина породы, как правило, лежит близко к поверхности (например, 1–2 см в мелу). Если ледяной слой образовался в результате замерзания с обеих сторон (например, сверху и снизу), трещина породы, как правило, лежит глубже (например, 2–3,5 см в мелу). [2]
Образование ледяной сферы может произойти, когда объект находится примерно на 0,5–1,0 фута выше того места, куда неоднократно попадает вода. Вода образует тонкий слой льда на любой поверхности, которой она достигает. Каждая волна — это наступление и отступление воды. Наступление пропитывает все на берегу. Когда волна отступает, она остается под воздействием отрицательных температур. Этот краткий момент воздействия приводит к образованию тонкого слоя льда. Когда это образование подвешено в воздухе мертвой растительностью или вертикальными объектами, лед начнет образовывать сферу или каплевидную форму. Подобно тому, как образуется ядро конденсации , сфере нужна основа, которая не является водой. Чаще всего на растительности сфера начинается как точка льда на ветке или стебле. Когда волны пропитывают берег водой и ненадолго подвергают промокшие объекты воздействию отрицательных температур, точка начинает расти, поскольку каждый тонкий слой обволакивает предыдущий слой. Со временем они образуют сферы или каплевидные образования