La segregación de hielo es el fenómeno geológico producido por la formación de lentes de hielo , que inducen erosión cuando la humedad , difundida dentro del suelo o la roca , se acumula en una zona localizada. El hielo se acumula inicialmente dentro de pequeños poros colocados o grietas preexistentes y, mientras las condiciones sigan siendo favorables, continúa acumulándose en la capa de hielo o lente de hielo, separando el suelo o la roca. Las lentes de hielo crecen paralelas a la superficie y a varios centímetros a varios decímetros (pulgadas a pies) de profundidad en el suelo o la roca. Estudios realizados entre 1990 y la actualidad han demostrado que la fractura de rocas por segregación de hielo (es decir, la fractura de roca intacta por lentes de hielo que crecen extrayendo agua de su entorno durante períodos de temperaturas sostenidas bajo cero) es un proceso de meteorización más eficaz que el proceso de congelación-descongelación que proponían textos más antiguos. [1]
Las lentes de hielo desempeñan un papel fundamental en la fractura de la roca madre y el levantamiento de los suelos inducido por las heladas , que son fundamentales para la meteorización en regiones frías. El levantamiento por las heladas crea escombros y da forma dramática a los paisajes en patrones complejos . La fractura de rocas en regiones periglaciales (alpinas, subpolares y polares) a menudo se ha atribuido a la congelación y expansión volumétrica del agua atrapada dentro de poros y grietas. Sin embargo, la mayoría del levantamiento por las heladas y de la fractura de la roca madre resulta en cambio de la segregación de hielo en las lentes de hielo en las regiones congeladas cercanas a la superficie. La segregación de hielo resulta en fractura de rocas y levantamiento por las heladas. [2]
El levantamiento por congelamiento es el proceso por el cual la congelación del suelo saturado de agua provoca la deformación y el empuje hacia arriba de la superficie del suelo. [3] Este proceso puede distorsionar y agrietar el pavimento , dañar los cimientos de los edificios y desplazar el suelo en patrones regulares. El suelo húmedo y de grano fino a ciertas temperaturas es más susceptible al levantamiento por congelamiento.
El levantamiento por congelamiento es común en la tundra ártica porque el permafrost mantiene el suelo congelado en profundidad e impide que la nieve derretida y la lluvia se escurran. Como resultado, las condiciones son óptimas para la formación de lentes de hielo profundo con grandes acumulaciones de hielo y un desplazamiento significativo del suelo. [4]
Si se dan las condiciones adecuadas, se producirán patrones complejos de levantamiento diferencial por heladas. La retroalimentación del levantamiento por heladas de un año influye en los efectos de los años siguientes. Por ejemplo, un pequeño aumento de la sobrecarga afectará la profundidad de la formación de hielo y el levantamiento en los años siguientes. Los modelos dependientes del tiempo del levantamiento por heladas 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]
Se han observado bandas de sedimentos o till glacial debajo de las capas de hielo de la Antártida; se cree que son resultado de la formación de lentes de hielo en los escombros. En las regiones glaciares de flujo más rápido, la capa de hielo se desliza sobre sedimentos saturados de agua (till glacial) o, de hecho, 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 se drena estacionalmente al derretirse en la superficie, así como del derretimiento de la base de la capa de hielo. [5]
Se prevé que durante los meses de verano, cuando hay abundante agua en la base del glaciar, se formen lentes de hielo en el lecho rocoso, que se irán acumulando hasta que la roca se debilite lo suficiente como para que se desprenda o se descascare. Las capas de roca que se encuentran a lo largo de la interfaz entre los glaciares y el lecho rocoso se liberan, lo que produce gran parte de los sedimentos en estas regiones basales de los glaciares. Dado que la velocidad del movimiento de los glaciares depende de las características de este hielo basal, se están realizando investigaciones para cuantificar mejor el fenómeno. [6]
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, esté en un rango de temperatura que permita la coexistencia de hielo y agua (en un estado prefundido) y tenga un gradiente de temperatura a lo largo de la región. [7]
Un fenómeno clave para entender la segregación de hielo en el suelo o en la roca porosa (también denominada lente de hielo debido a su forma) es la prefusión, que es el desarrollo de una película líquida sobre superficies e interfaces a temperaturas significativamente inferiores a su temperatura de fusión en masa. El término prefusión se utiliza para describir la reducción de la temperatura de fusión (por debajo de 0 °C) que resulta de la curvatura de la superficie de los medios porosos que confinan el agua (el efecto Gibbs-Thomson ). El agua prefundida existe como una capa fina sobre 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 da como resultado 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 tendencia a favorecer a las partículas de hielo más grandes sobre las más pequeñas ( maduración de Ostwald ). Como resultado, cuando existen condiciones para la segregación de hielo (formación de lentes de hielo), el agua fluye hacia el hielo segregado y se congela en la superficie, engrosando la capa de hielo segregada. [7]
Es posible desarrollar modelos analíticos utilizando estos principios que predicen las siguientes características, que son consistentes con las observaciones de campo:
Las rocas contienen habitualmente poros de distintos tamaños y formas, 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 encuentra en tensión. Si el hielo se acumula en un poro de forma asimétrica, el hielo colocará la roca en tensión en un plano perpendicular a la dirección de acumulación de hielo. Por lo tanto, la roca se agrietará a lo largo de un plano perpendicular a la dirección de acumulación de hielo, que es efectivamente paralelo a la superficie. [9]
Walder y Hallet desarrollaron modelos que predicen la ubicación y la velocidad de crecimiento de las grietas en las rocas, que son coherentes con las fracturas observadas en la práctica. Su modelo predijo que el mármol y el granito desarrollan grietas de manera más efectiva cuando las temperaturas oscilan entre -4 °C y -15 °C; en este rango, el granito puede desarrollar fracturas que encierran una capa de hielo de 3 metros de longitud en un año. Cuando la temperatura es más alta, el hielo que se forma no aplica suficiente presión para hacer 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 el hielo se acumula, la capa de hielo crece hacia afuera en lo que se caracteriza con frecuencia como una lente de hielo paralela a la superficie. El hielo se forma en rocas permeables al agua de la misma manera que se forma en el suelo. Si la capa de hielo es el resultado de un enfriamiento desde una sola dirección (por ejemplo, la parte superior), 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 es el resultado de la congelación desde ambos lados (por ejemplo, arriba y abajo), la fractura de la roca tiende a estar más profunda (por ejemplo, 2-3,5 cm en la tiza). [2]