氷の分離

氷の分離は、氷レンズの形成によって生じる地質学的現象であり、土壌または岩石内に拡散した水分が局所的に蓄積すると、侵食を引き起こします。氷は、最初は小さな共存する気孔または既存の亀裂内に蓄積し、条件が良好である限り、氷層または氷レンズに集まり続け、土壌または岩石を分離します。氷レンズは、地表と平行に、土壌または岩石の数センチメートルから数十センチメートル (インチからフィート) の深さまで成長します。1990 年から現在までの研究では、氷の分離による岩石の破壊 (つまり、氷点下の気温が持続する期間中に周囲から水を吸い上げて成長する氷レンズによる無傷の岩石の破壊) は、古い文献で提唱された凍結融解プロセスよりも効果的な風化プロセスであることが実証されています。^[1]

氷レンズは、寒冷地の風化に不可欠な岩盤の破壊と凍土による土壌の隆起に重要な役割を果たしています。凍土隆起は岩屑を生み出し、地形を複雑なパターンに劇的に形作ります。周氷河地域（高山、亜極地、極地）の岩盤破壊は、しばしば細孔や亀裂内に閉じ込められた水の凍結と体積膨張に起因するとされてきました。しかし、凍土隆起と岩盤破壊の大部分は、地表近くの凍結地域における氷レンズ内の氷の分離によって生じています。氷の分離は岩盤破壊と凍土隆起を引き起こします。^[2]

凍上とは、水分を含んだ 土壌が凍結することで地表が変形し、上向きに押し上げられる現象です。 ^{[3]この現象により、}舗装が 変形したりひび割れたり、建物の基礎が損傷したり、土壌が規則的に移動したりします。特定の温度では、湿った細粒の土壌が最も凍上を起こしやすいです。

凍上は北極ツンドラでよく見られる現象で、永久凍土が深部で地面を凍らせ、雪解け水や雨水の排水を妨げます。その結果、大規模な氷の蓄積と土壌の大幅な移動を伴う深層氷レンズの形成に最適な条件が整います。^[4]

複雑なパターンを生む差異凍上は、適切な条件が整えば発生します。1 年の凍上からのフィードバックは、その後の年にも影響を及ぼします。たとえば、表土のわずかな増加は、その後の年の氷形成と凍上深度に影響を及ぼします。凍上に関する時間依存モデルは、十分に長い期間にわたって、短い間隔の変動は弱まり、中程度の変動が大きくなり、地形を支配するようになることを示しています。^[4]

南極の氷床の下には堆積物の帯や氷河堆積物が観察されている。これらは氷河堆積物に形成された氷レンズから生じたものと考えられている。流れの速い氷河地域では、氷床は水で飽和した堆積物（氷河堆積物）の上を滑っているか、実際には水層の上に浮かんでいる。堆積物と水は、氷床の底と岩盤の間の摩擦を減らす役割を果たしている。これらの氷河下の水は、季節的に表面で溶けて流れ出る表層水と、氷床の底が溶けて流れ出る水から来ている。^[5]

氷河の基底に水が十分ある夏季には、氷河の下の岩盤内で氷レンズが成長すると予測されています。氷レンズは岩盤内で形成され、岩が十分に弱くなって剥がれ落ちるまで蓄積されます。氷河と岩盤の境界面に沿った岩層が解放され、氷河の基底部に堆積物が多く生成されます。氷河の移動速度はこの基底氷の特性に依存するため、現象をより正確に定量化するための研究が進行中です。^[6]

氷の分離と凍上の基本条件は、土壌または多孔質岩石の中に、比較的浸透性があり、氷と水（融解前）が共存できる温度範囲にあり、領域全体に温度勾配がある領域が存在することです。^[7]

土壌や多孔質岩石（形状からアイスレンズとも呼ばれる）における氷の分離を理解するための重要な現象は、前溶融です。前溶融とは、表面や界面に、バルク融点より大幅に低い温度で液膜が形成されることです。前溶融という用語は、多孔質媒体の表面の曲率が水を閉じ込める結果として生じる融点の低下（0 °C未満）を説明するために使用されます（ギブス・トムソン効果）。前溶融した水は、氷の表面に薄い層として存在します。前溶融状態では、多孔質媒体内で氷と水は-10 °C未満の温度で共存できます。ギブス・トムソン効果により、水は温度勾配に沿って（高温から低温へ）移動します。Dashは、「…物質はより低温の領域に運ばれる…」と述べています。これは、エネルギー的に、より大きな氷粒子が小さな氷粒子よりも優先される（オストワルド熟成）と見ることもできます。その結果、氷の分離（氷レンズ形成）の条件が存在する場合、水は分離された氷に向かって流れ、表面で凍結し、分離された氷層を厚くします。^[7]

これらの原則を使用して分析モデルを開発することが可能であり、現場での観察と一致する以下の特性を予測します。

• 氷は、その上にある地表と平行な層状に形成される。^[2]
• 氷は最初、表面と平行な小さな微小亀裂とともに形成されます。氷が蓄積するにつれて、氷の層は外側に成長し、表面と平行な氷レンズとして特徴付けられることが多いです。^[2]
• 氷は土壌で形成されるのとほぼ同じように、透水性岩石でも形成されます。^[2]
• 氷層が一方向（例えば上部）からの冷却によって生じた場合、亀裂は表面近く（例えば白亜層で1～2cm）に位置する傾向がある。氷層が両側（例えば上部と下部）からの凍結によって生じた場合、亀裂はより深いところ（例えば白亜層で2～3.5cm）に位置する傾向がある。^[2]
• 液体が容易に利用できる場合、氷は急速に形成されます。液体が容易に利用できる場合、分離した氷（氷レンズ）は露出した冷たい表面と平行に成長します。凍結によって解放された熱が氷レンズ境界を温め、温度勾配を減らしてさらなる氷の分離速度を制御するまで、氷は急速に成長します。これらの条件下では、氷は単層で成長し、徐々に厚くなります。表面が移動し、土壌の位置が変わったり、岩が破壊されたりします。^[8]
• 液体が入手しにくい場合、氷は異なるパターンで形成されます。液体が入手しにくい場合、分離した氷（氷レンズ）はゆっくりと成長します。凍結によって解放された熱は、氷レンズの境界を温めることができません。そのため、水が拡散している領域は、最初の層の下に別の氷分離層が形成されるまで冷え続けます。寒さが続くと、このプロセスが繰り返され、複数の氷層（氷レンズ）が形成され、すべて表面と平行になります。複数の層（複数のレンズ）が形成されると、岩や土壌内でより広範囲の霜害が発生します。^[8]
• 条件によっては氷が形成されないこともあります。表土圧力が高く、表面温度が比較的高い場合、氷の分離は起こりません。存在する液体は細孔空間内で凍結し、バルク氷の分離は起こらず、測定可能な表面変形や霜害も発生しません。^[8]

岩石には、起源や場所に関係なく、さまざまな大きさや形の孔が日常的に存在します。岩石の空隙は本質的に小さな亀裂であり、岩石が張力を受けると亀裂が広がる場所として機能します。氷が孔に非対称に蓄積すると、氷は氷の蓄積方向と垂直な平面で岩石を張力状態にします。したがって、岩石は氷の蓄積方向と垂直な平面に沿って割れ、実質的には表面と平行になります。^[9]

ワルダーとハレットは、現場で実際に観察された亀裂と一致する岩石の亀裂成長の場所と速度を予測するモデルを開発した。彼らのモデルは、大理石と花崗岩の亀裂が最も効果的に成長する温度範囲が-4℃から-15℃であると予測した。この範囲では、花崗岩は1年で長さ3メートルの氷を囲む亀裂を発達させる可能性がある。温度が高いと、形成された氷は亀裂を伝播させるのに十分な圧力をかけない。温度がこの範囲を下回ると、水の動きが悪くなり、亀裂の成長が遅くなる。^[9]

ミュートロンは、氷は最初に細孔で形成され、表面と平行に小さな微小亀裂を形成することを確認しました。氷が蓄積するにつれて、氷層は外側に成長し、しばしば表面と平行な氷レンズとして特徴付けられます。氷は、土壌で形成されるのとほぼ同じように、透水性岩石で形成されます。氷層が単一方向（たとえば上部）からの冷却によって生じた場合、岩石の亀裂は表面近く（たとえば白亜で 1～2 cm）に位置する傾向があります。氷層が両側（たとえば上下）からの凍結によって生じた場合、岩石の亀裂はより深く（たとえば白亜で 2～3.5 cm）に位置する傾向があります。^[2]