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]
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]
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]