stringtranslate.com

Морозное выветривание

Камень в Абиску , Швеция, расколотый (вдоль существующих швов ), возможно, из-за механического выветривания или термического напряжения ( чулло показан для масштаба)
Скальная поверхность и выход ручья (безымянного) из пещеры Тру -дю-Дьябль , Сен-Казимир , Квебек

Морозное выветривание — это собирательный термин для нескольких механических процессов выветривания , вызванных напряжениями , создаваемыми замерзанием воды в лед . Этот термин служит обобщающим термином для различных процессов, таких как морозное раскалывание, морозное расклинивание и криоразрушение. Процесс может действовать в широком диапазоне пространственных и временных масштабов, от минут до лет и от смещения минеральных зерен до разрушения валунов . Он наиболее выражен в высокогорных и высокоширотных районах и особенно связан с альпийским , перигляциальным , субполярным морским и полярным климатом , но может происходить где угодно при температурах ниже точки замерзания (от −3 до −8 °C (27 и 18 °F)), если присутствует вода. [1]

Сегрегация льда

Некоторые восприимчивые к морозу почвы расширяются или вспучиваются при замерзании в результате миграции воды через капиллярное действие , чтобы вырастить ледяные линзы вблизи фронта замерзания. [2] Это же явление происходит в поровых пространствах горных пород. Скопления льда увеличиваются, поскольку они притягивают жидкую воду из окружающих пор. Рост кристаллов льда ослабляет горные породы, которые со временем разрушаются. [3] Это вызвано расширением льда при замерзании воды, что создает значительную нагрузку на стенки оболочки. Это на самом деле очень распространенный процесс во всех влажных умеренных районах, где есть обнаженные породы, особенно пористые породы, такие как песчаник . Песок часто можно найти прямо под поверхностями обнаженного песчаника, где отдельные зерна откалываются, одно за другим. Этот процесс часто называют морозным скалыванием. Фактически, это часто самый важный процесс выветривания для обнаженных пород во многих областях.

Аналогичные процессы могут происходить и на асфальтовых покрытиях, способствуя образованию различных форм трещин и других повреждений, которые в сочетании с движением транспорта и проникновением воды ускоряют образование колеи , выбоин [4] и других форм неровностей покрытия. [5]

Объемное расширение

Традиционным объяснением выветривания при замерзании было объемное расширение замерзающей воды. Когда вода замерзает, превращаясь в лед , ее объем увеличивается на девять процентов. При определенных обстоятельствах это расширение способно вытеснять или разрушать горные породы. Известно, что при температуре -22 °C рост льда может создавать давление до 207 МПа , что более чем достаточно для разрушения любой горной породы. [6] [7] Для того чтобы выветривание при замерзании происходило путем объемного расширения, в горной породе должно быть почти совсем нет воздуха, который можно сжать, чтобы компенсировать расширение льда, что означает, что она должна быть насыщена водой и быстро замерзнуть со всех сторон, чтобы вода не уходила, а давление оказывалось на горную породу. [6] Эти условия считаются необычными, [6] ограничивая его процессом, имеющим значение в пределах нескольких сантиметров от поверхности горной породы и на более крупных существующих заполненных водой соединениях в процессе, называемом расклиниванием льда .

Не все объемное расширение вызвано давлением замерзающей воды; оно может быть вызвано напряжениями в воде, которая остается незамерзшей. Когда рост льда вызывает напряжения в поровой воде, которые разрушают породу, результат называется гидроразрывом. Гидроразрыву благоприятствуют большие взаимосвязанные поры или большие гидравлические градиенты в породе. Если есть маленькие поры, очень быстрое замерзание воды в частях породы может вытеснить воду, и если вода вытесняется быстрее, чем она может мигрировать, давление может повыситься, что приведет к разрыву породы.

С тех пор, как около 1900 года начались исследования физического выветривания, объемное расширение вплоть до 1980-х годов считалось преобладающим процессом, лежащим в основе выветривания под действием мороза. [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 выветривания под действием мороза путем объемного расширения» необычными. [6] Однако большая часть недавней литературы показывает, что сегрегация льда способна обеспечить количественные модели для обычных явлений, в то время как традиционное, упрощенное объемное расширение не может этого сделать. [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Хейлз, TC; Роеринг, Джошуа (2007). «Климатический контроль за растрескиванием от мороза и его влияние на эволюцию ландшафтов коренных пород». Журнал геофизических исследований: Поверхность Земли . 112 (F2): F02033. Bibcode : 2007JGRF..112.2033H. CiteSeerX  10.1.1.716.110 . doi : 10.1029/2006JF000616.
  2. ^ Табер, Стивен (1930). "Механика морозного пучения" (PDF) . Журнал геологии . 38 (4): 303–317. Bibcode :1930JG.....38..303T. doi :10.1086/623720. S2CID  129655820. Архивировано из оригинала 2013-04-08 . Получено 2010-04-20 .
  3. ^ Goudie, AS; Viles H. (2008). "5: Процессы и формы выветривания". В Burt TP; Chorley RJ; Brunsden D.; Cox NJ; Goudie AS (ред.). Четвертичные и современные процессы и формы . Формы рельефа или развитие геоморфологии. Том 4. Геологическое общество. стр. 129–164. ISBN 9781862392496.
  4. ^ Итон, Роберт А.; Жубер, Роберт Х. (декабрь 1989 г.), Райт, Эдмунд А. (ред.), Pothole Primer: A Public Administrator's Guide to Understanding and Managing the Pothole Problem , Специальный отчет 81-21, Лаборатория исследований и разработок холодных регионов армии США
  5. ^ Центр исследований дорог в холодную погоду в Миннесоте (2007). «Исследование низкотемпературного растрескивания асфальтовых покрытий — Фаза II (исследование MnROAD)». Архивировано из оригинала 2009-02-07.
  6. ^ abcde Мацуока, Н.; Муртон, Дж. (2008). «Выветривание под действием мороза: последние достижения и будущие направления». Permafrost Periglac. Process . 19 (2): 195–210. doi :10.1002/ppp.620. Архивировано из оригинала 25.12.2019.
  7. ^ Т︠Сытович, Николай Александрович (1975). Механика мерзлого грунта. Scripta Book Co., стр. 78–79. ISBN 978-0-07-065410-5.
  8. ^ ab Walder, Joseph S.; Bernard, Hallet (февраль 1986 г.). «Физическое выветривание при морозном выветривании: к более фундаментальной и единой перспективе». Arctic and Alpine Research . 8 (1): 27–32. doi :10.2307/1551211. JSTOR  1551211.
  9. ^ «Перигляциальное выветривание и эрозия верхней стенки в бергшрундах ледникового цирка»; Джонни В. Сандерс, Курт М. Каффи1, Джеффри Р. Мур, Келли Р. МакГрегор и Джеффри Л. Кавано; Геология; 18 июля 2012 г., doi: 10.1130/G33330.1
  10. ^ Белл, Робин Э. (27 апреля 2008 г.). «Роль подледниковой воды в балансе массы ледникового покрова». Nature Geoscience . 1 (5802): 297–304. Bibcode : 2008NatGe...1..297B. doi : 10.1038/ngeo186.
  11. ^ Murton, Julian B.; Peterson, Rorik; Ozouf, Jean-Claude (17 ноября 2006 г.). «Разрушение коренной породы в результате сегрегации льда в холодных регионах». Science . 314 (5802): 1127–1129. Bibcode :2006Sci...314.1127M. CiteSeerX 10.1.1.1010.8129 . doi :10.1126/science.1132127. PMID  17110573. S2CID  37639112. 
  12. ^ Дэш, Г.; AW Ремпель; JS Веттлауфер (2006). «Физика предварительно растаявшего льда и ее геофизические последствия». Rev. Mod. Phys . 78 (695): 695. Bibcode : 2006RvMP...78..695D. CiteSeerX 10.1.1.462.1061 . doi : 10.1103/RevModPhys.78.695. 
  13. ^ Rempel, AW; Wettlaufer, JS; Worster, MG (2001). "Interfacial Premelting and the Thermomolecular Force: Thermodynamic Booyancy". Physical Review Letters . 87 (8): 088501. Bibcode : 2001PhRvL..87h8501R. doi : 10.1103/PhysRevLett.87.088501. PMID  11497990.
  14. ^ Rempel, AW (2008). "Теория взаимодействия льда и тилла и захвата осадков под ледниками" (PDF) . Journal of Geophysical Research . 113 (113=): F01013. Bibcode :2008JGRF..113.1013R. doi : 10.1029/2007JF000870 . Архивировано (PDF) из оригинала 2021-04-13.
  15. ^ Петерсон, РА; Кранц, ВБ (2008). "Дифференциальная модель пучения грунта при замерзании для структурированного формирования грунта: подтверждение наблюдениями вдоль североамериканского арктического трансекта" (PDF) . Журнал геофизических исследований . 113 : G03S04. doi : 10.1029/2007JG000559 . Архивировано из оригинала (PDF) 2020-07-09.