Sortowanie cząstek poprzez wielokrotne zamrażanie i rozmrażanie
DOI:
https://doi.org/10.26485/BP/1966/15/19Słowa kluczowe:
podnoszenie mrozowe, front zamarzania, sortowanie pionowe, sortowanie boczne, sortowanie mechaniczneAbstrakt
Na podstawie eksperymentów laboratoryjnych przedstawiono zasadę migracji cząstek w wyniku zamarzania. Migrujące cząstki są segregowane według grup o jednorodnych rozmiarach. Ruch cząstek zależy od ilości wody znajdującej się pomiędzy granicą fazy lód–woda a cząstką, prędkości zamarzania, rozkładu wielkości cząstek oraz orientacji płaszczyzny zamarzania i rozmarzania.
Zgodnie z tą zasadą, segregacja cząstek w wyniku zamarzania zachodzi za pomocą trzech różnych mechanizmów: (1) Sortowanie przez unoszenie się (podnoszenie mrozowe), (2) Sortowanie przez migrację przed przemieszczającym się frontem zamarzania, (3) Sortowanie mechaniczne. Typ (1) występuje, gdy procesy zamarzania i rozmarzania zachodzą od góry; typ (2) gdy zamarzanie i rozmarzanie odbywają się zarówno od góry, jak i od boków; typ (3) gdy zamarzanie następuje od dołu, a rozmarzanie od góry, co prowadzi do powstawania wyniesień.
W przypadku, gdy zamarzanie i rozmarzanie przebiegają od góry, grubsze cząstki przemieszczają się ku górze, natomiast drobniejsze ku dołowi warstwy zamarzająco-rozmarzającej. Tego rodzaju sortowanie, określane mianem sortowania pionowego, zostało zaobserwowane zarówno w warunkach laboratoryjnych, oraz w środowisku naturalnym.
Gdy zamarzanie i rozmarzanie przebiegają od boków, cząstki przemieszczają się w kierunku przeciwnym do frontu zamarzania, pozostawiając największe ziarna blisko powierzchni styku z chłodniejszą stroną. Dla tego rodzaju sortowania, zaobserwowanego zarówno eksperymentalnie, jak i w materiałach naturalnych, proponowana jest jako sortowanie boczne (lateralne).
Sortowanie mechaniczne zachodzi w warunkach formowania się pagórków. Inna jego forma może występować przy zamarzaniu od dołu ku górze.
Eksperymenty wykazały, że po wystąpieniu sortowania pionowego, możliwe jest także powstanie sortowania bocznego w przypadku zmiany kierunku zamarzania.
W wyniku procesów sortowania, warstwa zamarzająco-rozmarzająca wykazuje zwiększenie objętości, spowodowane przemieszczaniem się cząstek. Zmiany objętości wywołane przesiewaniem, bez udziału procesów zamarzania i rozmarzania w dobrze uziarnionych próbkach, są funkcją współczynnika jednorodności.
Proponowany model sortowania, który może tłumaczyć niektóre naturalnie występujące uporządkowania osadów w strefach zimnych, obejmuje następujące etapy: (1) Obszary o przewadze drobnych frakcji mogą stanowić początkowy etap procesu sortowania pionowego, (2) W trakcie rozwoju sortowania pionowego może następować wzrost objętości i powstawanie pagórków. Z takich wyniesień dochodzi następnie do sortowania mechanicznego. Warunki te (1–2) mogą być intensyfikowane poprzez boczną migrację, jeśli występuje zamarzanie boczne.
Postuluje się również, aby określić potencjalne zastosowania praktyczne zasady sortowania.
Bibliografia
Beskow, G., 1930 - Erdfliessen und Strukturboden der Hochgebirge im Licht der Frosthebung (Solifluction and structural soils in the high mountains with respect to frost heaving). Geol. Fören. Stockholm Förhandl., vol. 62; p. 622-638.
Beskow, G., 1935 - Tjälbildningen och tjällyftningen med särskill hänsyn till vägar och järnvägar (Soil freezing and frost heaving with special reference to roads and railroads ). Stockholm: Statens Väg Institut, Med. 48; 242 pp.
Casagrande, A., 1931 - Discussions on frost heaving. Highway Research Board Proc., 11; p. 165-167.
Cailleux, A., Taylor, G., 1954 - Cryopédologie, études des sols gelés. Paris: Herman & Cie. Éditeurs; 218 pp.
Cook, F., 1955 - Near surface soil temperature measurements at Resolute Bay, North-west Territories. Arctic, vol. 8, no. 4; p. 237-349.
Corte, A. E., 1962 a - Relationships between four ground patterns, structure of the active layer and type and distribution of ice in the permafrost. U. S. Army Cold Reg. Research and Engineering Lab., Corps of Engineers Research Rept. 88; 82 p. Also: Biuletyn Peryglacjalny, no. 12, 1963; p. 7-90.
Corte, A. E., 1961-1962 b - The frost behavior of soils. Part I: Vertical Sorting; Part II: Horizontal Sorting. USA CRREL Rep., No. 85. Also: Highway Res. Board, Bull., no. 317; p. 9-34; Bull. no. 331; p. 46-66.
Corte, A. E., 1962 c - Migration of particles in front of a moving freezing plane. Jour. Geophysical Research, (67) no. 3; p. 1085-1090.
Corte, A. E., Somoza, A. L., 1957 - Observaciones criopedológicas y glaciológicas en las Islas Decepción Media Luna y Melchior, Antartica. Instituto Antartico Argentino, Pub. no. 4; p. 65-131.
Hamberg, A., 1915 - Zur Kenntnis der Vorgänge im Erdboden beim Gefrierem und Auftauen sowie Bermerkungen über die erste Kristallisation des Eise in Wasser. Geol. Fören. Stockholm Förhandl., vol. 37; p. 538-619.
Higashi, A., 1958 - Experimental study of frost heaving. U. S. Army Snow Ice and Permafrost Research Establishment, Corps of Engineers, Research Rept., 45; 44 pp.
Högbom, B., 1908-09 - Einige Illustrationen zur den geologischen Wirkungen des Frostes auf Spitzbergen (Some illustrations of geological frost action in Spitsbergen). Bull. Geol. Inst. Univ. Upsala., vol. 9; p. 41-59.
Kersten, M. S., 1949 - Thermal properties of soils. Bull. Univ. of Minn., Inst. of Tech. Eng. Exp. Sta., Bull. no. 28; 225 pp.
Kreutz, W., 1942 - Das Eindringen des Frostes in Boden, unter gleichen und verschiedenen Witterungsbedingungen während des sehr kalten. Winters 1939 /40. Reichsamt für Wetterdienst Luftwaffe, Wiss Abhandl., no. 9; p. 1-22.
Kulling, O., Ahlmann, H., W:son 1936- Scientific results of the Swedish-Norwegian Arctic expedition in the summer of 1931. Part XII. Geografiska Annaler, Bd. 18; p. 1-19.
Linell, K. A., Kaplar, C. W., 1959 - The factor of soil and material type in frost action. Highway Research Board, Bull., 225; p. 81-128.
Lundqvist, G., 1949 - The orientation of block materials in certain species of flow earth. Geografiska Annaler, Bd. 31; p. 335-347.
Lundqvist, G., 1951 - Block sänkor och några andra frostfenomen. Geol. Fören. Stockholm Förhandl., vol. 73.
Mackay, J. R., 1953 - Fissures and mud circles on Cornwallis Island. N. W. T. Canadian Geographer, no. 3; p. 31-37.
Nakaya, U., Magono, C., 1944 - Tojo no jikken-teki kenkyu (Experimental studies on frost heaving). Teien-Kagaku, vol. 1; p. 37-51.
Penner, E., 1960 - The importance of freezing rate in frost action in soils. Proc. ASTM, vol. 60; p. 1151-1165.
Schaible, L., 1953-54 - Über die Zunehmende Gefähr der Frostschaden unsere Verkehrswege (Increasing danger of frost damage to our roads). Bautechnik, Bd. 30, p. 262-266; Bd. 31, p. 287-292.
Schmertmann, J. H., 1958 - A thermally controlled soil freezing cabinet. U. S. A. SIPRE, Corps of Engineers, Technical Report, 50; 13 pp.
Sharp, R. P., 1942 - Soil structures in the St. Elias Range, Yukon Territory. Jour. Geomorphology, vol. 4.; p. 274-301.
Taber, S., 1930 - The mechanics of frost heaving. Jour. Geol., vol. 30.
Taber, S., 1950 - Intensive frost action along lake shores. Amer. Jour. Sci., vol. 248; p. 784-793.
Takagi, S., 1963 - Fundamentals of the theory of frost heaving. U. S. Army Cold Regions, Research and Engineering Laboratory; Hanover N. H.
Taylor, R. S., 1956 - A study of some high-latitude patterned-ground features. Ph. D. Thesis, University of Minnesota; 229 pp.
Troll, C., 1944 - Strukturboden, Solifluktion und Frostklimate der Erde. Geol. Rundschau, Bd. 34; p. 545-649. Also: Structural soils, solifluction, and frost climates of the earth. U.S.A. SIPRE, Translation, no. 43.
Vilborg, L., 1955 - The uplift of stones by frost. Geografiska Annaler, Bd. 37; p. 164- 169.
U. S. Army Engineers Waterways Experiment Station Corps of Engineers 1953-1960. The Unified Soil Classification System. Tech Memo. No. 3, 357 (I), March 1953, revised April 1960.
Washburn, L., 1956 - Classification of patterned ground and review of suggested origins. Bull. Geol. Soc. America vol. 67; p. 823-865.
