Lente di ghiaccio
La lente di ghiaccio viene a formarsi quando l'umidità si diffonde nel suolo o nella roccia accumulandosi in zone circoscritte. Il ghiaccio inizialmente si ammassa sistemandosi in piccoli pori o fessure pre-esistenti, e, finché le condizioni restano favorevoli, continua ad accumularsi formando uno strato o lente di ghiaccio, incastrato nel terreno o nella roccia. Le lenti di ghiaccio crescono parallelamente alla superficie con uno spessore che va da parecchi centimetri a parecchi decimetri in profondità nel terreno o nella roccia.
Le lenti di ghiaccio giocano un ruolo chiave nel sollevamento indotto dal ghiaccio di suoli e nella fratturazione della roccia in posto, causa principale dell'erosione nelle regioni fredde. Il criosollevamento crea detriti e modella drasticamente i paesaggi in forme complesse. La fratturazione nelle regioni periglaciali (alpina, subpolare e polare) è stata spesso attribuita al congelamento e all'espansione volumetrica dell'acqua intrappolata dentro pori e fessure. Tuttavia la maggioranza del rigonfiamento causato dal congelamento e della fratturazione della roccia si verifica invece a causa della segregazione del ghiaccio nelle lenti di ghiaccio in prossimità della superficie in regioni soggette al congelamento. La segregazione del ghiaccio dà come risultato la fratturazione della roccia e il criosollevamento. [1]
Descrizione dei fenomeni
Criosollevamento comune
Il criosollevamento è il processo mediante il quale il congelamento del suolo saturo d'acqua causa la deformazione e la spinta verso l'alto della superficie del terreno. [2] Questo processo può deformare e incrinare la pavimentazione stradale, danneggiare le fondazioni degli edifici e spostare il suolo modellandolo in forme regolari. Il suolo umido, a grana fine, a certe temperature è molto suscettibile al criosollevamento.
Lenti di ghiaccio nella tundra
Il criosollevamento è comune nella tundra artica dato che il permafrost mantiene il suolo gelato in profondità impedendo la fusione della neve e il deflusso della pioggia. Perciò le condizioni sono ottimali per la formazione delle lenti di ghiaccio in profondità con grande accumulo di ghiaccio e significativi spostamenti del suolo. [3]
Il sollevamento differenziato del ghiaccio con la concomitante complessa modellatura si verificherà solo se sussistono le condizioni adatte. La retroazione del criosollevamento annuale influenzerà gli effetti negli anni successivi. Ad esempio, un piccolo sovraccarico sulla superficie del terreno influenzerà negli anni successivi la profondità della formazione del ghiaccio, con il conseguente sollevamento. I modelli di criosollevamento dipendenti dal tempo (cronologico) indicano che per un periodo abbastanza lungo le perturbazioni succedentesi a breve distanza si estinguono, mentre quelle a media distanza crescono arrivando a dominare il paesaggio. [3]
Formazioni di ghiaccio subglaciale
Sono stati osservati sotto le lastre di ghiaccio antartiche bande di sedimenti o depositi glaciali; si ritiene che questi siano il risultato dovuto alle lenti di ghiaccio che si formano nei detriti. Nelle regioni glaciali che fluttuano più veloci, lo strato di ghiaccio scivola sui sedimenti saturi d'acqua (deposito glaciale) o galleggia letteralmente sopra uno strato d'acqua. Il deposito glaciale e l'acqua servono a ridurre l'attrito tra la base dello strato di ghiaccio e la roccia in posto. Queste acque subglaciali provengono da acque di superficie che stagionalmente defluiscono dalla fusione in superficie, così come da quella che si verifica alla base dei ghiacciai continentali. [4]
La crescita di lenti di ghiaccio dentro la roccia in posto al di sotto del ghiacciaio viene progettata durante i mesi estivi quando vi abbondanza d'acqua alla base del ghiacciaio. Le lenti di ghiaccio si formeranno accumulandosi dentro la roccia in posto, fino a che essa non risulti sufficientemente indebolita sì da tranciarsi o frammentarsi. Gli strati di roccia lungo l'interfaccia tra ghiacciai e roccia in posto sono liberati, producendo molti sedimenti in queste regioni basali dei ghiacciai. Attualmente è in corso una ricerca per quantificare meglio i fenomeni, come la velocità del movimento del ghiacciaio correlata alle caratteristiche del ghiaccio basale. [5]
Comprensione dei fenomeni
La condizione indispensabile per la segregazione del ghiaccio e il criosollevamento è l'esistenza di una regione nel terreno o nella roccia porosa che sia relativamente permeabile, che possieda un intervallo di temperatura sì da permettere la coesistenza di ghiaccio e acqua (in uno stato pre-fuso) e abbia un gradiente di temperatura per tutta la regione. [6]
Un fenomeno chiave per comprendere la segregazione del ghiaccio nel suolo o nella roccia porosa (anche detto lente di ghiaccio a causa della sua forma) è la pre-fusione, ovvero lo sviluppo di una strato sottile liquido sulle superfici e le interfacce a temperature significativamente al di sotto della temperatura di fusione della sua relativa massa complessiva. Il termine pre-fusione viene usato per descrivere la riduzione della temperatura di fusione (al di sotto di 0 °C) risultante dalla curvatura della superficie dei mezzi porosi che confinano l'acqua (effetto Gibbs-Thomson). L'acqua pre-fusa esiste come uno strato sottile sulla superficie del ghiaccio. In condizioni di prefusione, ghiaccio e acqua possono coesistere a temperature inferiori a -10 °C in un mezzo poroso. L'effetto Gibbs-Thomson si rivela nella migrazione dell'acqua in base a un gradiente termico che va da temperature più elevate a temperature più basse; Dash afferma, “… il materiale viene portato verso regioni più fredde …” Questo può anche essere visto, dal punto di vista energetico, come favorevole alle particelle di ghiaccio più grandi rispetto a quelle più piccole (maturazione di Ostwald). Ne consegue che, quando esistono le condizioni per la segregazione del ghiaccio (formazione della lente di ghiaccio), l'acqua si diffonde verso il ghiaccio segregato gelando in superficie, facendone così ispessire lo strato. [6]
È possibile sviluppare alcuni modelli analitici che predicono le seguenti caratteristiche, coerenti con le osservazioni effettuate sul campo:
- La formazione del ghiaccio avviene in strati paralleli alla superficie sovrastante. [1]
- Il ghiaccio inizialmente si forma con piccole microfratture parallele alla superficie. Come esso si accumula, il suo strato si sviluppa verso l'esterno in ciò che spesso viene definita lente di ghiaccio parallela alla superficie. [1]
- Il ghiaccio si forma nella roccia permeabile all'acqua più o meno allo stesso modo in cui si forma nel suolo. [1]
- Se lo strato di ghiaccio è il risultato di un raffreddamento in una sola direzione (ad esempio, la parte superiore), la frattura tende a giacere vicino alla superficie (per es., 1-2 cm nel gesso). Se lo strato di ghiaccio risulta dal congelamento di entrambi i lati (per esempio, sopra e sotto) la frattura tende a giacere più profonda (per es., 2-3,5 cm nel gesso). [1]
- Il ghiaccio si forma rapidamente quando il liquido è immediatamente disponibile. In questo caso, il ghiaccio segregato (lente di ghiaccio) si sviluppa parallelamente alla superficie esposta a freddo. Cresce rapidamente fino a quando il calore liberato dal rafreddamento riascalda i confini della lente di ghiaccio, riducendo il gradiente di temperatura e controllando il tasso ulteriore di segregazione del ghiaccio. In queste condizioni, il ghiaccio si sviluppa in un unico strato, che diventa progressivamente più spesso. La superficie viene spostata e il suolo riposizionato o la roccia fratturata. [7]
- La formazione del ghiaccio avviene secondo un modello diverso quando il liquido è meno facilmente disponibile. In questo caso, il ghiaccio segregato (lente di ghiaccio) cresce lentamente. Il calore liberato tramite il raffreddamento è incapace di riscaldare i confini della lente di ghiaccio. Quindi l'area attraverso cui l'acqua si diffonde continua a raffreddarsi fino a quando un altro strato di segregazione di ghiaccio non si venga a formare al di sotto del primo strato. Agevolato dal freddo (atmosferico), questo processo può ripetersi, producendo strati di ghiaccio multipli (lenti di ghiaccio), tutte parallele alla superficie. La formazione di strati multipli (lenti multiple) producendo un congelamento (frost) più esteso causa danni alla roccia o ai terreni. [7]
- Non si forma ghiaccio in determinate condizioni. A pressioni di sovraccarico più elevate e a temperature di superficie relativamente calde, la segregazione di ghiaccio non avviene; il liquido presente congela all'interno dello spazio dei pori, senza nessuna segregazione massiccia di ghiaccio e senza deformazioni superficiali misurabili o danni causati dal congelamento. [7]
Crescita di lenti di ghiaccio nella roccia
Le rocce di solito contengono pori di varie dimensioni e forma, indipendentemente dall'origine o dalla posizione. Le cavità rocciose sono essenzialmente piccole crepe, ma queste possono propagarsi se la roccia è posta sotto tensione. Se il ghiaccio si accumula in un poro in modo asimmetrico, sottoporrà la roccia a tensione su un piano perpendicolare alla direzione del suo accumulo, fratturandosi proprio lungo tale piano, che è in effetti parallelo alla superficie. [8]
Walder e Hallet hanno sviluppato modelli che prevedono la localizzazione della crescita delle fratture nella roccia e il loro tasso (di espansione) conformi alle fratture effettivamente osservate sul campo. Il loro modello ha previsto che il marmo e il granito sviluppano fratture più efficacemente quando le temperature oscillano tra i −4 °C e i −15 °C; in questo intervallo il granito può sviluppare fratture che racchiudono una massa di ghiaccio di 3 metri di lunghezza in un anno. Quando la temperatura è più elevata il ghiaccio formatosi non provoca sufficiente pressione per causare la propagazione della frattura. Quando la temperatura è inferiore a questo intervallo l'acqua è meno mobile e le fratture crescono più lentamente. [8]
Mutron ha confermato che il ghiaccio inizialmente si forma nei pori creando piccole microfratture parallele alla superficie. Poiché si accumula, lo strato di ghiaccio si sviluppa verso l'esterno in ciò che è di solito definita lente di ghiaccio parallela alla superficie. Il ghiaccio si formerà nella roccia permeabile all'acqua più o meno allo stesso modo in cui si forma nel suolo. Se lo strato di ghiaccio è il risultato di un raffreddamento in una sola direzione (ad esempio, la parte superiore), la frattura tende a giacere vicino alla superficie (per es., 1-2 cm nel gesso). Se lo strato di ghiaccio risulta dal congelamento di entrambi i lati (per esempio, sopra e sotto) la frattura tende a giacere più in profondità (per es., 2-3,5 cm nel gesso) [1]
Note
- ^ a b c d e f (EN) Julian B. Murton, Peterson, Rorik; Ozouf, Jean-Claude, Bedrock Fracture by Ice Segregation in Cold Regions, in Science, vol. 314, n. 5802, 17-11-2006, pp. 1127–1129, DOI:10.1126/science.1132127. URL consultato il 30-11-2009.
- ^ (EN) Rempel, A.W., Wettlaufer, J.S.; Worster, M.G., Interfacial Premelting and the Thermomolecular Force: Thermodynamic Buoyancy, in Physical Review Letters, vol. 87, n. 8, 2001, p. 088501, DOI:10.1103/PhysRevLett.87.088501.
- ^ a b (EN) R. A. Peterson, Krantz , W. B., Differential frost heave model for patterned ground formation: Corroboration with observations along a North American arctic transect, in Journal of Geophysical Research, vol. 113, American Geophysical Union., 2008, pp. G03S04, DOI:10.1029/2007JG000559.. URL consultato il 30-11-2009.
- ^ (EN) Robin E. Bell, The role of subglacial water in ice-sheet mass balance, in Nature Geoscience, vol. 1, n. 5802, 27-04-2008, pp. 297–304, DOI:10.1038/ngeo186. URL consultato il 30-11-2009.
- ^ (EN) A. W. Rempel, Journal of Geophysical Research, American Geophysical Union., 2008, pp. F01013, DOI:10.1029/2007JF000870., https://oadoi.org/10.1029/2007JF000870.. URL consultato il 30-11-2009.
- ^ a b (EN) G. Dash, A. W. Rempel, J. S. Wettlaufer, The physics of premelted ice and its geophysical consequences, in Rev. Mod. Phys., vol. 78, n. 695, American Physical Society, 2006, DOI:10.1103/RevModPhys.78.695. URL consultato il 30-11-2009.
- ^ a b c (EN) A.W. Rempel, Formation of ice lenses and frost heave, in Journal of Geophysical Research, vol. 112, F02S21, American Geophysical Union, 2007, DOI:10.1029/2006JF000525. URL consultato il 30 November 2009.
- ^ a b (EN) Joseph Walder, Hallet, Bernard, A theoretical model of the fracture of rock during freezing, in Geological Society of America Bulletin, vol. 96, n. 3, Geological Society of America., marzo 1985, pp. 336–346, DOI:10.1130/0016-7606(1985)96<336:ATMOTF>2.0.CO;2. URL consultato il 30-11-2009.