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La segregación de hielo es el fenómeno geológico producido por la formación de lentes de hielo , que inducen erosión cuando la humedad , difundida en el suelo o la roca , se acumula en una zona localizada. El hielo se acumula inicialmente en pequeños poros contiguos o grietas preexistentes y, mientras las condiciones sigan siendo favorables, continúa acumulándose en la capa o lente de hielo, separando el suelo o la roca. Las lentes de hielo crecen paralelas a la superficie y alcanzan profundidades de varios centímetros a varios decímetros (pulgadas a pies) en el suelo o la roca. Estudios realizados entre 1990 y la actualidad han demostrado que la fractura de la roca por segregación de hielo (es decir, la fractura de roca intacta por lentes de hielo que crecen al extraer agua de su entorno durante períodos de temperaturas bajo cero sostenidas) es un proceso de meteorización más eficaz que el proceso de congelación-descongelación propuesto en textos más antiguos. [ 1 ]
Las lentes de hielo desempeñan un papel fundamental en la fractura de la roca madre y el levantamiento de suelos inducido por las heladas , procesos esenciales para la meteorización en regiones frías. El levantamiento por heladas genera detritos y transforma drásticamente los paisajes en patrones complejos . La fractura de rocas en regiones periglaciares (alpinas, subpolares y polares) se ha atribuido a menudo a la congelación y expansión volumétrica del agua atrapada en poros y grietas. Sin embargo, la mayor parte del levantamiento por heladas y la fractura de la roca madre se deben, en cambio, a la segregación del hielo en lentes de hielo en las regiones congeladas cercanas a la superficie. La segregación del hielo produce fractura de rocas y levantamiento por heladas. [ 2 ]
Descripción de los fenómenos
Levantamiento por heladas común
La elevación por helada es el proceso por el cual la congelación del suelo saturado de agua provoca la deformación y el empuje ascendente de la superficie del terreno. [ 3 ] Este proceso puede distorsionar y agrietar el pavimento , dañar los cimientos de los edificios y desplazar el suelo siguiendo patrones regulares. El suelo húmedo de grano fino, a ciertas temperaturas , es el más susceptible a la elevación por helada.
Lentes de hielo en la tundra
El levantamiento por helada es común en la tundra ártica debido a que el permafrost mantiene el suelo congelado en profundidad e impide el drenaje del agua de deshielo y la lluvia. Como resultado, se dan las condiciones óptimas para la formación de lentes de hielo profundas con grandes acumulaciones de hielo y un desplazamiento significativo del suelo. [ 4 ]
La elevación diferencial por helada, que produce patrones complejos, se producirá si se dan las condiciones adecuadas. La retroalimentación de la elevación por helada de un año influye en los efectos de los años siguientes. Por ejemplo, un pequeño aumento en la sobrecarga afectará la profundidad de la formación de hielo y la elevación en los años posteriores. Los modelos dependientes del tiempo de la elevación por helada indican que, durante un período suficientemente largo, las perturbaciones de corta separación se amortiguan, mientras que las perturbaciones de rango medio crecen y llegan a dominar el paisaje. [ 4 ]
formaciones de hielo subglacial
Se han observado bandas de sedimento o till glacial debajo de las capas de hielo antárticas; se cree que estas son el resultado de la formación de lentes de hielo en los detritos. En las regiones glaciares de flujo más rápido, la capa de hielo se desliza sobre sedimentos saturados de agua (till glacial) o incluso flota sobre una capa de agua. El till y el agua sirven para reducir la fricción entre la base de la capa de hielo y el lecho rocoso. Estas aguas subglaciales provienen del agua superficial que drena estacionalmente por el deshielo en la superficie, así como del deshielo de la base de la capa de hielo. [ 5 ]
Se prevé que el crecimiento de lentes de hielo dentro del lecho rocoso bajo el glaciar ocurra durante los meses de verano, cuando hay abundante agua en la base del glaciar. Estas lentes se formarán dentro del lecho rocoso, acumulándose hasta que la roca se debilite lo suficiente como para desprenderse o desprenderse. Las capas de roca a lo largo de la interfaz entre los glaciares y el lecho rocoso quedan al descubierto, generando gran parte de los sedimentos en estas regiones basales de los glaciares. Dado que la velocidad del movimiento glaciar depende de las características de este hielo basal, se están realizando investigaciones para cuantificar mejor el fenómeno. [ 6 ]
Comprender los fenómenos
La condición básica para la segregación del hielo y el levantamiento por congelación es la existencia de una región en el suelo o roca porosa que sea relativamente permeable, que se encuentre en un rango de temperatura que permita la coexistencia de hielo y agua (en estado prefundido) y que tenga un gradiente de temperatura a través de la región. [ 7 ]
Un fenómeno clave para comprender la segregación del hielo en el suelo o la roca porosa (también conocida como lente de hielo debido a su forma) es la prefusión, que consiste en el desarrollo de una película líquida en superficies e interfaces a temperaturas significativamente inferiores a su temperatura de fusión global. El término prefusión se utiliza para describir la reducción de la temperatura de fusión (por debajo de 0 °C) que resulta de la curvatura superficial de los medios porosos que confinan el agua (el efecto Gibbs-Thomson ). El agua prefusión existe como una capa delgada en la superficie del hielo. En condiciones de prefusión, el hielo y el agua pueden coexistir a temperaturas inferiores a -10 °C en un medio poroso. El efecto Gibbs-Thomson produce que el agua migre a lo largo de un gradiente térmico (de temperaturas más altas a temperaturas más bajas); Dash afirma que "...el material es transportado a regiones más frías...". Esto también puede verse energéticamente como una preferencia por las partículas de hielo más grandes sobre las más pequeñas ( maduración de Ostwald ). Como resultado, cuando existen condiciones para la segregación del hielo (formación de lentes de hielo), el agua fluye hacia el hielo segregado y se congela en la superficie, engrosando la capa de hielo segregado. [ 7 ]
Es posible desarrollar modelos analíticos utilizando estos principios; estos predicen las siguientes características, que son consistentes con las observaciones de campo:
- El hielo se forma en capas paralelas a la superficie suprayacente. [ 2 ]
- El hielo se forma inicialmente con pequeñas microfracturas paralelas a la superficie. A medida que se acumula, la capa de hielo crece hacia afuera en lo que frecuentemente se describe como una lente de hielo paralela a la superficie. [ 2 ]
- El hielo se formará en rocas permeables al agua de forma muy similar a como se forma en el suelo. [ 2 ]
- Si la capa de hielo se formó por enfriamiento desde una sola dirección (p. ej., desde arriba), la fractura tiende a estar cerca de la superficie (p. ej., 1–2 cm en la tiza). Si la capa de hielo se formó por congelación desde ambos lados (p. ej., desde arriba y desde abajo), la fractura tiende a estar a mayor profundidad (p. ej., 2–3,5 cm en la tiza). [ 2 ]
- El hielo se forma rápidamente cuando hay líquido disponible. En estas condiciones, el hielo segregado (lente de hielo) crece paralelamente a la superficie fría expuesta. Crece rápidamente hasta que el calor liberado por la congelación calienta el límite de la lente de hielo, reduciendo el gradiente de temperatura y controlando la velocidad de segregación del hielo. Bajo estas condiciones, el hielo crece en una sola capa que se vuelve progresivamente más gruesa. La superficie se desplaza y el suelo se reposiciona o la roca se fractura. [ 8 ]
- El hielo se forma de manera diferente cuando el líquido es menos accesible. Cuando el líquido no está fácilmente disponible, el hielo segregado (lente de hielo) crece lentamente. El calor liberado por la congelación no logra calentar el límite de la lente de hielo. Por lo tanto, el área por donde se difunde el agua continúa enfriándose hasta que se forma otra capa de hielo segregado debajo de la primera capa. Con un clima frío prolongado, este proceso puede repetirse, produciendo múltiples capas de hielo (lentes de hielo), todas paralelas a la superficie. La formación de múltiples capas (múltiples lentes) produce daños por heladas más extensos en rocas o suelos. [ 8 ]
- En determinadas condiciones, no se forma hielo. A presiones de sobrecarga más elevadas y a temperaturas superficiales relativamente cálidas, no se produce la segregación del hielo; el líquido presente se congela dentro del espacio poroso, sin segregación de hielo en masa ni deformación superficial o daños por congelación medibles. [ 8 ]
Crecimiento de lentes de hielo en la roca
Las rocas contienen habitualmente poros de tamaño y forma variables, independientemente de su origen o ubicación. Los huecos de las rocas son esencialmente pequeñas grietas y sirven como punto de propagación de la grieta si la roca se somete a tensión. Si el hielo se acumula asimétricamente en un poro, ejercerá tensión sobre la roca en un plano perpendicular a la dirección de acumulación del hielo. Por lo tanto, la roca se agrietará a lo largo de un plano perpendicular a la dirección de acumulación del hielo, que es prácticamente paralelo a la superficie. [ 9 ]
Walder y Hallet desarrollaron modelos que predicen la ubicación y la velocidad de crecimiento de grietas en las rocas, de forma consistente con las fracturas observadas en el campo. Su modelo predijo que el mármol y el granito desarrollan grietas con mayor eficacia cuando las temperaturas oscilan entre -4 °C y -15 °C; en este rango, el granito puede desarrollar fracturas que encierran hielo de 3 metros de longitud en un año. Cuando la temperatura es más alta, el hielo que se forma no ejerce suficiente presión para que la grieta se propague. Cuando la temperatura está por debajo de este rango, el agua es menos móvil y las grietas crecen más lentamente. [ 9 ]
Mutron confirmó que el hielo se forma inicialmente en los poros y crea pequeñas microfracturas paralelas a la superficie. A medida que se acumula, la capa de hielo crece hacia afuera en lo que frecuentemente se describe como una lente de hielo paralela a la superficie. El hielo se forma en rocas permeables al agua de manera muy similar a como se forma en el suelo. Si la capa de hielo resulta de un enfriamiento desde una sola dirección (por ejemplo, desde arriba), la fractura de la roca tiende a estar cerca de la superficie (por ejemplo, 1-2 cm en la tiza). Si la capa de hielo resulta de la congelación desde ambos lados (por ejemplo, desde arriba y desde abajo), la fractura de la roca tiende a estar más profunda (por ejemplo, 2-3,5 cm en la tiza). [ 2 ]
Referencias
- ↑ "Meteorización periglacial y erosión de la pared frontal en bergschrunds de glaciares de circo"; Johnny W. Sanders, Kurt M. Cuffey, Jeffrey R. Moore, Kelly R. MacGregor y Jeffrey L. Kavanaugh; Geology ; 18 de julio de 2012, doi : 10.1130/G33330.1
- 1 2 3 4 5 6 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 .
- ↑ 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 .
- 1 2 Peterson, RA; Krantz, WB (2008). "Modelo diferencial de levantamiento por helada para la formación de suelos con patrones: Corroboración con observaciones a lo largo de un transecto ártico norteamericano" . Journal of Geophysical Research . 113. American Geophysical Union .: G03S04. Bibcode : 2008JGRG..113.3S04P . doi : 10.1029/2007JG000559 .
- ↑ 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 .
- ↑ Rempel, AW (2008). "Una teoría para las interacciones hielo-tilt y el arrastre de sedimentos bajo los glaciares" . Journal of Geophysical Research . 113 (113). American Geophysical Union .: F01013. Bibcode : 2008JGRF..113.1013R . doi : 10.1029/2007JF000870 .
- 1 2 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 .
- 1 2 3 Rempel, AW (2007). "Formación de lentes de hielo y levantamiento por escarcha" . Journal of Geophysical Research . 112 (F02S21). American Geophysical Union : F02S21. Bibcode : 2007JGRF..112.2S21R . doi : 10.1029/2006JF000525 . Recuperado el 30 de noviembre de 2009 .
- 1 2 Walder, Joseph; Hallet, Bernard (marzo de 1985). "Un modelo teórico de la fractura de la roca durante la congelación" . Boletín de la Sociedad Geológica de América . 96 (3). Sociedad Geológica de América .: 336– 346. Bibcode : 1985GSAB...96..336W . doi : 10.1130/0016-7606(1985)96 < 336:ATMOTF > 2.0.CO ; 2. Recuperado el 30 de noviembre de 2009 .
- Glaciología
- Formas del relieve erosivas
