Ледяная линза под землей

Линзовая мерзлота

Коварство данного вида мерзлоты, встречающейся в южных районах Сибири, наглядно представлено на схеме. Размеры такой мерзлоты в плане могут составлять десятки метров, а мощность не превышать нескольких метров. Такие линзы на фоне талого грунта опасны тем, что их очень сложно определить. Если при постройке здания линза не была определена, и здание хотя бы частично будет накрывать линзу, то в процессе эксплуатации тепловые потоки от здания вызовут деградацию (оттаивание) линзы, что спровоцирует непрогнозируемые неравномерные осадки.

Схема существования линзовой мерзлоты на фоне талого грунта.

Если проследить за изменением многолетней мерзлоты в Сибири с Севера на Юг, то можно последовательно встретить все перечисленные виды мерзлоты. Однако линзовая мерзлота может образоваться и «искусственно» на застраиваемых территориях при условии нарушения теплообмена между поверхностью грунта и атмосферой.

Так, к примеру, ещё в г. Иркутске в 1925 г. были зарегистрированы случаи образования линз мёрзлого грунта. Строительство здания здесь было начато в 1917 г. и затем законсервировано на 8 лет. В результате под зданием образовалось линза мёрзлого грунта, которая после начала эксплуатации здания начала таять, что повлекло за собой неравномерные осадки и аварийную ситуацию в здании. Подобные явления были обнаружены в г. Братске и г. Шелехове (Иркутская область).

Следует привести результаты эксперимента, который был поставлен в г. Братске (Рощин В.В.) (см. схему). Над поверхностью грунта был построен навес размером 11 м на 24 м (такая конструкция из-за невозможности попадания солнечных лучей на грунт, нарушала естественный теплообмен в основании).

Схема исследовательской площадке по изучению условий искусственного образования линзы мёрзлого грунта.

Поперёк навеса с севера на юг были пробурены исследовательские скважины, позволяющие определять глубину промерзания (оттаивания) грунта. Наблюдения показали развитие следующего процесса:

Через 1 год существования навеса протаивание грунта закончилось к концу сентября.

Через 2 года существования навеса протаивание грунта закончилось к концу ноября.

Через 3 года существования навеса протаивание грунта не происходило, так как под навесом образовалась линза мёрзлого грунта.

Таким образом, данные исследования наглядно показали, насколько чувствительна природная среда к внешним воздействиям.

Если пробурить скважину в мёрзлом грунте, то мы увидим следующую картину (см. схему) изменения температуры грунта по глубине (z):

Схема сезонных изменений температуры деятельного и вечномёрзлого грунтов по глубине основания в различные периоды времени.

В летний период надмерзлотный слой грунта (деятельный слой) будет иметь положительную температуру, т.е. будет находиться в талом состоянии. С началом зимнего периода, при понижении температуры воздуха и поверхности грунта до отрицательного значения, надмерзлотный слой грунта начнёт промерзать. Годовые изменения амплитуды температуры данного слоя по глубине основания достигнут величины Н0, ниже которой грунт будет находиться практически при постоянной отрицательной температуре -4°C (многолетняя мерзлота).

При циклическом действии отрицательной и положительной температуры на грунт, в последнем возможно три стадии:

В каждом из названных состояний грунт будет иметь различные свойства.

Мёрзлый грунт — это грунт, имеющий отрицательную температуру и содержащий в своём составе лёд.

Читайте также:  Как называются очки с поднимающимися линзами

Источник

Ледяная линза — Ice lens

Ледяные линзы — это тела льда, образующиеся, когда влага , рассеянная в почве или скале , накапливается в определенной зоне. Первоначально лед накапливается в небольших расположенных рядом порах или в ранее существовавшей трещине 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 1990 года показали, что разрушение горной породы в результате 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 замораживания-оттаивания, который предложены более старые тексты.

Ледяные линзы играют ключевую роль в морозном пучинистом грунте и разрушении коренных пород, которые имеют фундаментальное значение для выветривания в холодных регионах. Морозное пучение создает обломки и драматично превращает пейзажи в сложные узоры . Хотя разрушение горных пород в перигляциальных регионах (альпийских, субполярных и полярных) часто связывают с замерзанием и объемным расширением воды, захваченной в порах и трещинах, большая часть морозного пучения и разрушения коренных пород является результатом сегрегации льда и роста линз в породах. приповерхностные замороженные области. Сегрегация льда приводит к разрушению горных пород и морозному пучение.

СОДЕРЖАНИЕ

Описание явлений

Обычное морозное пучение

Морозное пучение — это процесс, при котором промерзание водонасыщенной почвы вызывает деформацию и подъем поверхности земли вверх. Этот процесс может исказить и растрескивать тротуар , повредить фундамент зданий и равномерно смещать почву. Влажная мелкозернистая почва при определенных температурах наиболее подвержена морозному пучению.

Ледяные линзы в тундре

Морозное пучение является обычным явлением в арктической тундре, потому что вечная мерзлота сохраняет грунт промерзшим на глубине и предотвращает стекание снега и дождя. В результате создаются оптимальные условия для образования глубокой ледяной линзы с большими скоплениями льда и значительным смещением грунта.

При соблюдении соответствующих условий может возникнуть дифференциальное морозное пучение, приводящее к сложным узорам. Обратная связь от морозного пучка за один год влияет на последствия в последующие годы. Например, небольшое увеличение вскрыши повлияет на глубину ледообразования и пучения в последующие годы. Зависящие от времени модели морозного пучения показывают, что в течение достаточно длительного периода возмущения на коротких расстояниях затухают, в то время как возмущения среднего диапазона нарастают и начинают доминировать в ландшафте.

Подледниковые ледяные образования

Под антарктическими ледяными щитами наблюдались полосы осадочных пород или ледникового покрова; Считается, что они возникают в результате образования ледяных линз в обломках. В ледниковых регионах с более быстрым течением ледяной покров скользит по водонасыщенным отложениям (ледниковый тилль) или фактически плавает по слою воды. Тилла и вода служили для уменьшения трения между основанием ледяного покрова и коренной породой. Эти подледниковые 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 скальной породе под ледником прогнозируется в летние месяцы, когда у подножия ледника достаточно воды. 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 коренной породой высвобождаются, образуя большую часть отложений в этих базальных областях ледников. Поскольку скорость движения ледника зависит от характеристик этого базального льда, исследования продолжаются, чтобы лучше количественно оценить это явление.

Читайте также:  Что такое ось axis в линзах

Понимание явлений

Основным условием сегрегации льда и морозного пучения является наличие области в почве или пористой породе, которая является относительно проницаемой, находится в температурном диапазоне, допускающем сосуществование льда и воды (в предварительно расплавленном состоянии), и имеет температурный градиент по горизонтали. регион.

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 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 воды, заключенной в пористую среду ( 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 предпочтение более крупных частиц льда по сравнению с более мелкими ( 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.

Используя эти принципы, можно разрабатывать аналитические модели; они предсказывают следующие характеристики, которые согласуются с полевыми наблюдениями:

  • Лед образуется слоями, параллельными вышележащей поверхности.
  • Первоначально лед образуется с небольшими микротрещинами, параллельными 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 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 имеет тенденцию залегать глубже (например, на 2–3,5 см в мелу).
  • Лед образуется быстро, когда жидкость легко доступна. Когда жидкость легко доступна, сегрегированный лед (ледяная линза) растет параллельно открытой холодной поверхности. Он быстро растет до тех пор, пока тепло, выделяемое при замерзании, не нагревает границу линзы льда, уменьшая градиент температуры и контролируя скорость дальнейшей сегрегации льда. В этих условиях лед вырастает в один слой, который постепенно становится толще. Поверхность смещается, а почва перемещается, или порода раскалывается.
  • Когда жидкость становится менее доступной, лед образуется по другому образцу. Когда жидкость недоступна, сегрегированный лед (ледяная линза) растет медленно. Тепло , выделяющееся при замерзании не может нагреться границей льда объектива. Следовательно, область, через которую диффундирует вода, продолжает охлаждаться до тех пор, пока под первым слоем не образуется другой слой сегрегации льда. При устойчивой холодной погоде этот процесс может повторяться, образуя несколько слоев льда (ледяных линз), расположенных параллельно поверхности. Формирование множества слоев (множественных линз), вызывающих более обширные повреждения от мороза внутри горных пород или почв.
  • При некоторых условиях лед не образуется. При более высоких давлениях покрывающих пород и при относительно высоких температурах поверхности сегрегация льда невозможна; присутствующая жидкость замерзает в поровом пространстве без сегрегации объемного льда и измеримых деформаций поверхности или повреждений от замерзания.
Читайте также:  Тарков оптика с дальномером

Рост ледяной линзы в скале

Камни обычно содержат поры различного размера и формы, независимо от их происхождения или местоположения. Пустоты в породе — это, по сути, небольшие трещины, которые служат местом, из которого трещина может распространяться, если порода подвергается растяжению. Если лед накапливается в поре асимметрично, лед заставит породу растягиваться в плоскости, перпендикулярной направлению накопления льда. Следовательно, горная порода расколется в плоскости, перпендикулярной направлению скопления льда, которая фактически параллельна поверхности.

Уолдер и Халлет разработали модели, которые предсказывают места и скорость роста трещин в горных породах, согласующиеся с трещинами, фактически наблюдаемыми на месторождении. 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, и трещины растут медленнее.

Мутрон подтвердил, что лед изначально образуется в порах и создает небольшие микротрещины, параллельные поверхности. По мере накопления льда слой льда вырастает наружу, образуя линзу льда, параллельную поверхности. Лед образуется в водопроницаемой породе почти так же, как в почве. Если слой льда образовался 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).

Формирование ледяной сферы

Образование ледяной сферы может произойти, когда объект находится примерно на 0,5–1,0 фута выше того места, где вода неоднократно достигает его. Вода образует тонкий слой льда на любой поверхности, которой она достигает. Каждая волна — это продвижение и спад воды. Продвижение пропитывает все на берегу. Когда волна спадает, она подвергается воздействию отрицательных температур. Этот краткий момент воздействия вызывает образование тонкого слоя льда. Когда это образование подвешено в воздухе мертвой растительностью или стоящими объектами, лед начнет формировать сферу или каплевидную форму. Подобно тому, как образуется ядро конденсации , для сферы требуется не вода, а основание. Чаще всего на растительности сфера начинается как точка льда на ветке или стебле. По мере того, как волны погружают берег в воду и ненадолго подвергают замоченные объекты воздействию отрицательных температур, точка начинает расти, поскольку каждый тонкий слой обертывается вокруг предыдущего слоя. Со временем они образуют сферы или каплевидные образования.

Источник

Оцените статью
Фотосайт о художественной фотографии