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levantamiento por helada

Anatomía de un levantamiento por helada durante el deshielo primaveral. El lateral de un levantamiento de 15 cm (6 pulgadas) con la tierra retirada para revelar (de abajo hacia ...

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Anatomía de un levantamiento por helada durante el deshielo primaveral. El lateral de un levantamiento de 15 cm (6 pulgadas) con la tierra retirada para revelar (de abajo hacia arriba):
  • Hielo en forma de aguja , que ha emergido desde el frente de congelación a través de un suelo poroso desde un nivel freático inferior
  • Suelo coalescido rico en hielo, que ha estado sujeto a ciclos de congelación y descongelación.
  • Tierra descongelada en la parte superior
Fotografía tomada el 21 de marzo de 2010 en Norwich, Vermont.

El levantamiento por helada (o elevación del suelo por helada ) es una hinchazón ascendente del suelo durante las heladas causada por la presencia creciente de hielo a medida que crece hacia la superficie, desde la profundidad del suelo donde las temperaturas de congelación han penetrado (el frente de congelación o límite de congelación). El crecimiento del hielo requiere un suministro de agua que la transporta al frente de congelación por acción capilar en ciertos suelos. El peso del suelo suprayacente restringe el crecimiento vertical del hielo y puede favorecer la formación de áreas de hielo en forma de lente dentro del suelo. Sin embargo, la fuerza de una o más lentes de hielo en crecimiento es suficiente para levantar una capa de suelo, hasta 0,30 metros o más. El suelo a través del cual pasa el agua para alimentar la formación de lentes de hielo debe ser suficientemente poroso para permitir la acción capilar, pero no tanto como para interrumpir la continuidad capilar. Dicho suelo se denomina "susceptible a las heladas". El crecimiento de las lentes de hielo consume continuamente el agua ascendente en el frente de congelación. [ 1 ] [ 2 ] El levantamiento diferencial por heladas puede agrietar las superficies de las carreteras —contribuyendo a la formación de baches en primavera— y dañar los cimientos de los edificios . [ 3 ] [ 4 ] Los levantamientos por heladas pueden ocurrir en edificios de almacenamiento en frío refrigerados mecánicamente y pistas de hielo .

El hielo acicular es esencialmente un levantamiento por helada que ocurre al comienzo de la temporada de congelación, antes de que el frente de congelación haya penetrado muy profundamente en el suelo y no haya una capa de suelo que se levante como un levantamiento por helada. [ 5 ]

Mecanismos

Comprensión histórica del levantamiento por heladas

Formación de lentes de hielo que provocan el levantamiento del terreno por heladas en climas fríos.

Urban Hjärne describió los efectos de las heladas en el suelo en 1694. [ a ] ​​[ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] Para 1930, Stephen Taber, jefe del Departamento de Geología de la Universidad de Carolina del Sur , había refutado la hipótesis de que el levantamiento por helada resulta de la expansión del volumen molar con la congelación del agua ya presente en el suelo antes del inicio de las temperaturas bajo cero, es decir, con poca contribución de la migración del agua dentro del suelo.

Dado que el volumen molar del agua se expande aproximadamente un 9 % al cambiar de fase de agua a hielo en su punto de congelación , el 9 % sería la máxima expansión posible debido a la expansión del volumen molar, e incluso así, solo si el hielo estuviera rígidamente restringido lateralmente en el suelo, de modo que toda la expansión de volumen tuviera que ocurrir verticalmente. El hielo es inusual entre los compuestos porque aumenta su volumen molar desde su estado líquido, el agua . La mayoría de los compuestos disminuyen su volumen al cambiar de fase de líquido a sólido. Taber demostró que el desplazamiento vertical del suelo en el levantamiento por helada podría ser significativamente mayor que el debido a la expansión del volumen molar. [ 1 ]

Taber demostró que el agua líquida migra hacia la línea de congelación dentro del suelo. Mostró que otros líquidos, como el benceno , que se contrae al congelarse, también producen levantamiento por congelación. [ 9 ] Esto excluyó los cambios de volumen molar como mecanismo dominante para el desplazamiento vertical del suelo congelado. Sus experimentos demostraron además el desarrollo de lentes de hielo dentro de columnas de suelo que se congelaron al enfriar solo la superficie superior, estableciendo así un gradiente de temperatura . [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]

Desarrollo de lentes de hielo

El hielo levanta el terreno en una carretera rural de Vermont durante el deshielo primaveral.

La principal causa del desplazamiento del suelo durante la expansión por heladas es la formación de lentes de hielo . Durante este fenómeno, se forman una o más lentes de hielo sin suelo, cuyo crecimiento desplaza el suelo que se encuentra sobre ellas. Estas lentes se forman gracias a la continua entrada de agua proveniente de un acuífero subterráneo situado a menor profundidad y por debajo del punto de congelación. La presencia de suelo susceptible a las heladas, con una estructura porosa que permite el flujo capilar, es esencial para el suministro de agua a las lentes de hielo durante su formación.

Debido al efecto Gibbs-Thomson del confinamiento de líquidos en los poros, el agua en el suelo puede permanecer líquida a una temperatura inferior al punto de congelación global del agua. Los poros muy finos tienen una curvatura muy alta , lo que hace que la fase líquida sea termodinámicamente estable en dichos medios a temperaturas que a veces se encuentran varias decenas de grados por debajo del punto de congelación global del líquido. [ 13 ] Este efecto permite que el agua se filtre a través del suelo hacia la lente de hielo, lo que permite que esta crezca.

Otro efecto del transporte de agua es la preservación de unas pocas capas moleculares de agua líquida en la superficie de la lente de hielo y entre el hielo y las partículas del suelo. Faraday informó en 1860 sobre la capa no congelada de agua prefundida . [ 14 ] El hielo se prefunde contra su propio vapor y en contacto con sílice . [ 15 ]

Procesos a microescala

Las mismas fuerzas intermoleculares que provocan la fusión prematura en las superficies contribuyen a la expansión por congelación a escala de partícula en la parte inferior de la lente de hielo en formación. Cuando el hielo rodea una partícula fina de suelo durante su fusión prematura, dicha partícula se desplaza hacia abajo, en dirección a temperaturas más cálidas, dentro del gradiente térmico, debido a la fusión y recongelación de la fina película de agua que la rodea. El espesor de esta película depende de la temperatura y es menor en el lado más frío de la partícula.

El agua tiene una energía libre termodinámica menor cuando está en estado sólido de hielo que cuando está en estado líquido subenfriado. Por lo tanto, hay una reposición continua de agua que fluye desde el lado cálido al lado frío de la partícula, y una fusión continua para restablecer la película más gruesa en el lado cálido. La partícula migra hacia abajo hacia el suelo más cálido en un proceso que Faraday denominó "regelación térmica". [ 14 ] Este efecto purifica las lentes de hielo a medida que se forman al repeler las partículas finas del suelo. Así, una película de 10 nanómetros de agua no congelada alrededor de cada partícula de suelo de tamaño micrométrico puede moverla 10 micrómetros/día en un gradiente térmico de tan solo 1  °C  m −1 . [ 15 ] A medida que las lentes de hielo crecen, elevan el suelo por encima y segregan las partículas de suelo por debajo, mientras atraen el agua hacia la cara congelada de la lente de hielo por acción capilar.

Suelos susceptibles a las heladas

Las lithalsas (montículos elevados que se encuentran en el permafrost ) parcialmente derretidas y colapsadas han dejado estructuras en forma de anillo en el archipiélago de Svalbard.

La expansión por helada requiere un suelo susceptible a las heladas, un suministro continuo de agua por debajo ( nivel freático ) y temperaturas bajo cero que penetren en el suelo. Los suelos susceptibles a las heladas son aquellos con tamaños de poro entre partículas y área superficial de partículas que promueven el flujo capilar . Los tipos de suelo limoso y franco , que contienen partículas finas, son ejemplos de suelos susceptibles a las heladas. Muchas agencias clasifican los materiales como susceptibles a las heladas si el 10 por ciento o más de las partículas constituyentes pasan a través de un  tamiz de 0,075 mm (n.° 200) o el 3 por ciento o más pasan a través de un  tamiz de 0,02 mm (n.° 635). Chamberlain informó otros métodos más directos para medir la susceptibilidad a las heladas. [ 16 ] Con base en dicha investigación, existen pruebas estándar para determinar la susceptibilidad relativa al debilitamiento por heladas y deshielo de los suelos utilizados en sistemas de pavimentación comparando la tasa de expansión y la relación de soporte descongelado con valores en un sistema de clasificación establecido para suelos donde la susceptibilidad a las heladas es incierta. [ 17 ]

Los suelos no susceptibles a las heladas pueden ser demasiado densos para favorecer el flujo de agua (baja conductividad hidráulica) o demasiado abiertos en porosidad para favorecer el flujo capilar. Algunos ejemplos son las arcillas densas con un tamaño de poro pequeño y, por lo tanto, una baja conductividad hidráulica, y las arenas y gravas limpias , que contienen pequeñas cantidades de partículas finas y cuyos tamaños de poro son demasiado abiertos para favorecer el flujo capilar. [ 18 ]

Formas del relieve creadas por la expansión de las heladas

Las palsas (levantamiento de suelos ricos en materia orgánica en permafrost discontinuo) pueden encontrarse en zonas alpinas debajo de la colina Mugi en el Monte Kenia.

La expansión del suelo por heladas crea relieves con diversas geometrías, como círculos, polígonos y franjas, que pueden describirse como palsas en suelos ricos en materia orgánica, como la turba, o lithalsa [ 19 ] en suelos más ricos en minerales. [ 20 ] Las lithalsas pedregosas (montículos elevados) que se encuentran en el archipiélago de Svalbard son un ejemplo. La expansión del suelo por heladas ocurre en regiones alpinas, incluso cerca del ecuador , como lo ilustran las palsas en el Monte Kenia . [ 21 ]

En las regiones de permafrost ártico , un tipo de levantamiento del suelo relacionado, que se produce a lo largo de cientos de años, puede crear estructuras de hasta 60 metros de altura, conocidas como pingos , que se alimentan de un afloramiento de agua subterránea, en lugar de la acción capilar que alimenta el crecimiento de los levantamientos por congelación. Los montículos de tierra criogénicos son pequeñas formaciones resultantes de la convección granular que aparecen en suelos congelados estacionalmente y tienen muchos nombres diferentes; en América del Norte se llaman montículos de tierra; thúfur en Groenlandia e Islandia ; y pounus en Fennoscandia .

La cámara orbital de Marte (MOC), a bordo del Mars Global Surveyor , y la cámara HiRISE , del Mars Reconnaissance Orbiter , han observado formaciones poligonales, aparentemente causadas por la expansión del hielo, en regiones cercanas a los polos de Marte. En mayo de 2008, el módulo de aterrizaje Mars Phoenix aterrizó sobre un paisaje poligonal formado por la expansión del hielo y descubrió rápidamente hielo a pocos centímetros de la superficie.

En edificios refrigerados

Los edificios de almacenamiento en frío y las pistas de hielo que se mantienen a temperaturas bajo cero pueden congelar el suelo bajo sus cimientos hasta una profundidad de decenas de metros. Los edificios que se congelan estacionalmente, como algunas pistas de hielo, pueden permitir que el suelo se descongele y se recupere cuando se calienta el interior del edificio. Si los cimientos de un edificio refrigerado se asientan sobre suelos susceptibles a las heladas con un nivel freático al alcance del frente de congelación, los pisos de dichas estructuras pueden levantarse debido a los mismos mecanismos que se encuentran en la naturaleza. Estas estructuras pueden diseñarse para evitar estos problemas empleando varias estrategias, por separado o en conjunto. Las estrategias incluyen la colocación de suelo no susceptible a las heladas bajo los cimientos, la adición de aislamiento para disminuir la penetración del frente de congelación y el calentamiento del suelo bajo el edificio lo suficiente para evitar que se congele. Las pistas de hielo que operan estacionalmente pueden mitigar la velocidad de congelación subsuperficial elevando la temperatura del hielo. [ 22 ]

Véase también

Notas a pie de página explicativas

  1. ↑ En la sección II. Fl. Om Jord och Landskap i gemeen (II. Sobre el suelo y el paisaje en general) de su libro, Hiärne menciona el fenómeno del "lanzamiento de tierra" o "levantamiento de tierra", en el que, después del deshielo primaveral, grandes trozos de césped parecen haber sido arrancados del suelo y arrojados: "3. Si uno ve en otros lugares de Suecia, Finlandia e Islandia, etc., como ha sucedido en Uppland y en Närke en la parroquia de Viby, real Vallby, que la tierra misma con césped y todo [en pedazos] de hasta unos pocos codos de largo y ancho ha sido arrojada hacia arriba, lo que 20 o más hombres no podrían hacer, y queda un gran hoyo después." ( 3. Om man seer uti andre Orter i Swerige / Fin-Est och Lif-land / etc. så wara stedt / som hår i Upland / och i Nårike i Wijby Sochn / Kongz Wallby / at Jorden sig med Torff och all Until någre Alnars Långd och bredd har opkastat det 20 eller flere Karlar teke sugerencia göra / och en stoor Graff effter sig lemnat ) Urban Hjärne, Een kort Anledning Until åtskillige Malm- och Bergarters, Mineraliers, Wäxters, och Jordeslags sampt flere sällsamme Tings, effterspöriande och angifwande [Una breve guía para descubrir y especificar varios tipos. de menas y montañas, minerales, plantas y suelos, junto con varias cosas inusuales] (Estocolmo, Suecia: 1694). Disponible en línea en: Biblioteca Nacional de Suecia .

Referencias

  1. 1 2 Taber, Stephen (1929). "Frost Heaving" (PDF) . Journal of Geology . 37 (5): 428– 461. Bibcode : 1929JG.....37..428T . doi : 10.1086/623637 . S2CID 224836578. Archivado del original el 8 de abril de 2013. Recuperado el 24 de marzo de 2010 . 
  2. ↑ Rempel, AW; Wettlaufer, JS; Worster, MG (2001). "Prefusión interfacial y la fuerza termomolecular: flotabilidad termodinámica". Physical Review Letters . 87 (8) 088501. Bibcode : 2001PhRvL..87h8501R . doi : 10.1103/PhysRevLett.87.088501 . PMID 11497990 . 
  3. ↑ Transports Quebec (2007). "Québec Pavement Story" . Archivado del original el 16 de julio de 2011. Consultado el 21 de marzo de 2010 .
  4. ↑ Widianto; Heilenman, Glenn; Owen, Jerry; Fente, Javier (2009). "Diseño de cimentaciones para el levantamiento por heladas". Cold Regions Engineering 2009. pp. 599–608 . doi : 10.1061/41072(359)58 . ISBN  978-0-7844-1072-1.
  5. 1 2 Beskow, Gunnar (1935). "Levantamiento del suelo y levantamiento por heladas con aplicación especial a carreteras y ferrocarriles" (PDF) . La Sociedad Geológica Sueca (30). Traducido por Osterberg, JO. Archivado del original el 8 de abril de 2013. Recuperado el 24 de marzo de 2010 .
  6. ↑ Sjögren, Hjalmar (1903) "Om ett "jordkast" vid Glumstorp i Värmland och om dylika företeelser beskrivna av Urban Hiärne" (Sobre un "fundido de tierra" en Glumstorp en Värmland y sobre fenómenos similares descritos por Urban Hiärne), Arkiv för matematik, astronomi och fysik , 1  : 75–99.
  7. ↑ Hjärne, Urbano (1694). "Een kort Anledning Until åtskillige Malm- och Bergarters, Mineraliers, Wäxters, och Jordeslags sampt flere sällsamme Tings, effterspöriande och angifwande" [ Una breve guía para descubrir y especificar varios tipos de menas y montañas, minerales, plantas y suelos, junto con varias cosas inusuales ] (en sueco). Estocolmo.{{cite journal}}: Para citar una revista se requiere |journal=( ayuda )
  8. ↑ Patrick B. Black y Mark J. Hardenberg, eds., Informe especial 91-23: Perspectivas históricas en la investigación sobre el levantamiento por heladas: Los primeros trabajos de S. Taber y G. Beskow (Hanover, New Hampshire: Cuerpo de Ingenieros del Ejército de los EE. UU.: Laboratorio de Investigación e Ingeniería de Regiones Frías, 1991).
  9. ↑ Taber, Stephen (1930). "La mecánica del levantamiento por helada" (PDF) . Journal of Geology . 38 (4): 303– 317. Bibcode : 1930JG.....38..303T . doi : 10.1086/623720 . S2CID 129655820. Archivado del original el 8 de abril de 2013. Recuperado el 24 de marzo de 2010 . 
  10. ↑ Bell, Robin E. (27 de abril de 2008). "El papel del agua subglacial en el balance de masa de la capa de hielo". Nature Geoscience . 1 (5802): 297– 304. Bibcode : 2008NatGe...1..297B . doi : 10.1038/ngeo186 .
  11. ↑ Murton, Julian B.; Peterson, Rorik; Ozouf, Jean-Claude (17 de noviembre de 2006). "Fractura del lecho rocoso por segregación de hielo en regiones frías". Science . 314 (5802): 1127– 1129. Bibcode : 2006Sci...314.1127M . doi : 10.1126/science.1132127 . PMID 17110573 . S2CID 37639112 .  
  12. ↑ Dash, G.; AW Rempel; JS Wettlaufer (2006). "La física del hielo prefundido y sus consecuencias geofísicas". Rev. Mod. Phys . 78 (695). American Physical Society : 695. Bibcode : 2006RvMP...78..695D . CiteSeerX 10.1.1.462.1061 . doi : 10.1103/RevModPhys.78.695 . 
  13. ↑ John Tyndall (1858) "Sobre algunas propiedades físicas del hielo", Philosophical Transactions of the Royal Society of London , 148  : 211–229. Resumido en: Tyndall, J. (1858). "Sobre algunas propiedades físicas del hielo" . Proceedings of the Royal Society of London . 9 : 76–80 . doi : 10.1098/rspl.1857.0011 . S2CID 186210972 . 
  14. 1 2 Faraday, M. (1860). "Nota sobre la regelación". Actas de la Real Sociedad de Londres . 10 : 440–450 . doi : 10.1098/rspl.1859.0082 . S2CID 136019935 . 
  15. 1 2 Rempel, AW; Wettlaufer, JS; Worster, MG (2004). "Dinámica de prefusión en un modelo continuo de levantamiento por congelación". Journal of Fluid Mechanics . 498 : 227– 244. Bibcode : 2004JFM...498..227R . doi : 10.1017/S0022112003006761 . S2CID 17061621 . 
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  17. ↑ ASTM, Subcomité: D18.19 (2013), "Métodos de prueba estándar para la susceptibilidad de los suelos al levantamiento por heladas y al debilitamiento por deshielo" , Libro de normas ASTM , 04 (9){{citation}}: CS1 maint: nombres numéricos: lista de autores ( enlace )
  18. ↑ Muench, Steve (6 de noviembre de 2006). "Pavement Interactive—Frost Action" . Recuperado el 24 de marzo de 2010 .
  19. ↑ Pissart, A.; Tilman, Sart (2002). "Palsas, lithalsas y restos de estos montículos periglaciares. Un informe de progreso". Progress in Physical Geography . 26 (4): 605– 621. Bibcode : 2002PrPG...26..605P . doi : 10.1191/0309133302pp354ra . hdl : 2268/248951 . S2CID 140583281 . 
  20. ↑ De Schutter, Paul (2005-12-03). "Palsas & Lithalsas" . Archivado del original el 27-07-2011 . Recuperado el 10-03-2010 .
  21. ↑ Baker, BH (1967). Geología del área del Monte Kenia; hoja de grados 44, cuadrante noroeste (con mapa coloreado) . Nairobi: Servicio Geológico de Kenia.
  22. ↑ Brown, WG (enero de 1965), Elevación por heladas en pistas de hielo y edificios de almacenamiento en frío , CBD-61, Consejo de Investigación de Canadá , consultado el 5 de enero de 2018.

Lecturas adicionales

  • Manz, Lorraine (julio de 2011), "Hlost heave" (PDF) , Geo News , 32 ( 2): 18–24