التربة المتجمدة إلى الأبد: مناطق التوزيع ، ودرجة الحرارة ، وخصائص التنمية

2024 مؤلف: Henry Conors | [email protected]. آخر تعديل: 2024-02-12 03:31

من هذه المقالة سوف تتعرف على ميزات التربة دائمة التجمد الشائعة في مناطق التربة الصقيعية. في الجيولوجيا ، التربة الصقيعية هي الأرض ، بما في ذلك التربة الحجرية (شديدة البرودة) ، والتي توجد عند درجة حرارة تجمد تبلغ 0 درجة مئوية أو أقل لمدة عامين أو أكثر. تقع معظم التربة الصقيعية على خطوط عرض عالية (في وحول منطقة القطب الشمالي والمنطقة القطبية الجنوبية) ، ولكن ، على سبيل المثال ، في جبال الألب توجد على ارتفاعات أعلى.

الجليد الأرضي ليس موجودًا دائمًا ، كما هو الحال مع حجر الأساس غير المسامي ، ولكنه غالبًا ما يوجد بكميات تزيد عن التشبع الهيدروليكي المحتمل لمادة الأرض. تشكل التربة الصقيعية 0.022٪ من إجمالي المياه على الأرض وتوجد في 24٪ من الأراضي المفتوحة في نصف الكرة الشمالي. كما يحدث تحت الماء على الرفوف القارية للقارات المحيطة بالمحيط المتجمد الشمالي. وفقًا لمجموعة من العلماء ، زادت درجة الحرارة العالمية بمقدار 1.5 درجة مئوية (2.7 درجة فهرنهايت) فوق التيارستكون المستويات كافية لبدء ذوبان الجليد الدائم في سيبيريا.

دراسة

على عكس الندرة النسبية للتقارير عن التربة المتجمدة في أمريكا الشمالية قبل الحرب العالمية الثانية ، كانت الأدبيات حول الجوانب الهندسية للتربة الصقيعية متاحة باللغة الروسية. ابتداءً من عام 1942 ، بحث سايمون وليام مولر في الأدبيات ذات الصلة التي تحتفظ بها مكتبة الكونغرس ومكتبة المسح الجيولوجي بالولايات المتحدة لتزويد الحكومة بدليل هندسي وتقرير تقني عن التربة الصقيعية بحلول عام 1943.

التعريف

التربة الصقيعية هي التربة أو الصخور أو الرواسب التي تم تجميدها لأكثر من عامين متتاليين. في المناطق غير المغطاة بالجليد ، توجد تحت طبقة من التربة أو الصخور أو الرواسب التي تتجمد وتذوب كل عام وتسمى "الطبقة النشطة". في الممارسة العملية ، هذا يعني أن التربة الصقيعية تحدث بمتوسط درجة حرارة سنوية تبلغ -2 درجة مئوية (28.4 درجة فهرنهايت) أو أقل. يختلف سمك الطبقة النشطة باختلاف الموسم ، ولكنه يتراوح من 0.3 إلى 4 أمتار (ضحلة على طول ساحل القطب الشمالي ؛ في أعماق جنوب سيبيريا وهضبة تشينغهاي - التبت).

الجغرافيا

ماذا عن انتشار التربة الصقيعية؟ يختلف مدى التربة الصقيعية باختلاف المناخ: اليوم في نصف الكرة الشمالي ، 24٪ من مساحة الأرض الخالية من الجليد - أي ما يعادل 19 مليون كيلومتر مربع - تتأثر بشكل أو بآخر بالتربة الصقيعية.

أكثر بقليل من نصف هذه المنطقة مغطاة بالتربة الصقيعية المستمرة ،حوالي 20 في المائة من التربة الصقيعية المتقطعة وأقل من 30 في المائة هي التربة الصقيعية المتقطعة. تقع معظم هذه الأراضي في سيبيريا وشمال كندا وألاسكا وجرينلاند. تحت الطبقة النشطة ، تصبح التقلبات السنوية في درجات الحرارة في التربة الصقيعية أصغر مع العمق. يحدث أعمق عمق للتربة الصقيعية حيث تحافظ الحرارة الجوفية على درجات حرارة أعلى من درجة التجمد. فوق هذا الحد ، قد تكون هناك أرض صقيعية لا تتغير درجة حرارتها سنويًا. هذا هو "الجليد الدائم متساوي الحرارة". مناطق التربة دائمة التجمد غير مناسبة بشكل جيد للحياة البشرية النشطة.

المناخ

تتشكل التربة الصقيعية عادة في أي مناخ يكون فيه متوسط درجة حرارة الهواء السنوية أقل من نقطة تجمد الماء. يمكن العثور على استثناءات في المناخات الشتوية الرطبة ، كما هو الحال في شمال الدول الاسكندنافية وشمال شرق روسيا غرب جبال الأورال ، حيث يعمل الثلج كغطاء عازل. قد تكون المناطق الجليدية استثناءات. نظرًا لأن جميع الأنهار الجليدية يتم تسخينها في قواعدها بواسطة الحرارة الجوفية ، فإن الأنهار الجليدية المعتدلة القريبة من نقطة الانصهار المضغوطة يمكن أن تحتوي على مياه سائلة عند حدود الأرض. لذلك ، فهي خالية من التربة الصقيعية. الانحرافات الباردة "الأحفورية" في التدرج الحراري الأرضي في المناطق التي نشأت فيها التربة الصقيعية العميقة خلال العصر الجليدي استمرت حتى عدة مئات من الأمتار. هذا واضح من قياسات درجة حرارة الآبار في أمريكا الشمالية وأوروبا.

درجة الحرارة تحت الأرض

عادة ، تختلف درجة الحرارة تحت الأرض من موسم لآخر أقل مندرجة حرارة الهواء. في الوقت نفسه ، يميل متوسط درجات الحرارة السنوية إلى الزيادة مع العمق نتيجة التدرج الحراري الأرضي لقشرة الأرض. وبالتالي ، إذا كان متوسط درجة حرارة الهواء السنوية أقل بقليل من 0 درجة مئوية (32 درجة فهرنهايت) ، فإن التربة الصقيعية لن تتشكل إلا في الأماكن المحمية - عادة على الجانب الشمالي - مما يؤدي إلى تكوين التربة الصقيعية المتقطعة. عادة ، تظل التربة الصقيعية متقطعة في المناخات حيث يكون متوسط درجة حرارة سطح التربة السنوية من -5 إلى 0 درجة مئوية (23 إلى 32 درجة فهرنهايت). المناطق ذات الشتاء الرطب المذكورة أعلاه قد لا تحتوي حتى على التربة الصقيعية المتقطعة حتى -2 درجة مئوية (28 درجة فهرنهايت).

أنواع التربة الصقيعية

غالبًا ما يتم تقسيم التربة الصقيعية أيضًا إلى تربة صقيعية متقطعة واسعة النطاق ، حيث تغطي التربة الصقيعية من 50 إلى 90 في المائة من المناظر الطبيعية وتوجد عادةً في المناطق ذات درجات الحرارة السنوية المتوسطة من -2 إلى -4 درجة مئوية (28 إلى 25 درجة فهرنهايت) ، والتربة الصقيعية المتفرقة ، حيث تغطي التربة الصقيعية أقل من 50 في المائة من المناظر الطبيعية وتحدث عادةً عند متوسط درجات الحرارة السنوية بين 0 و -2 درجة مئوية (32 و 28 درجة فهرنهايت). في علم التربة ، تكون منطقة التربة الصقيعية المتفرقة هي SPZ ، بينما منطقة التربة الصقيعية الواسعة النطاق هي منطقة الاستشعار عن بعد. تحدث الاستثناءات في سيبيريا وألاسكا غير المزججة ، حيث يكون عمق التربة الصقيعية الحالية من بقايا الظروف المناخية خلال العصر الجليدي ، حيث كان الشتاء 11 درجة مئوية (20 درجة فهرنهايت) أكثر برودة من اليوم.

درجة حرارة التربة الصقيعية

عندما يكون متوسط درجات حرارة سطح التربة السنوية أقل من -5 درجة مئوية (23 درجة فهرنهايت) ، فإن تأثير الجانبلا يمكن أبدًا أن يكون كافيًا لإذابة التربة الصقيعية وتشكيل منطقة دائمة التجمد (CPZ باختصار). يمثل خط التربة الصقيعية المستمرة في نصف الكرة الشمالي الحد الجنوبي الأقصى حيث تُغطى الأرض بالتربة الصقيعية المستمرة أو الجليد الجليدي.

لأسباب واضحة ، يعد التصميم على التربة الصقيعية مهمة صعبة للغاية. يتغير خط التربة الصقيعية المستمر شمالًا أو جنوبًا حول العالم بسبب تغير المناخ الإقليمي. في نصف الكرة الجنوبي ، سيكون معظم الخط المكافئ في المحيط الجنوبي إذا كانت هناك أرض. تغطي الأنهار الجليدية معظم قارة أنتاركتيكا ، حيث تتعرض معظم التضاريس تحتها للذوبان في الأرض. الأرض المكشوفة في القارة القطبية الجنوبية عبارة عن أرض دائمة التجمد إلى حد كبير.

جبال الألب

تقديرات المساحة الإجمالية للمنطقة دائمة التجمد في جبال الألب تختلف اختلافًا كبيرًا. قام Bockheim و Munro بدمج المصادر الثلاثة وقدموا تقديرات مجدولة حسب المنطقة (إجمالي 3.560.000 كيلومتر مربع).

التربة الصقيعية في جبال الألب في جبال الأنديز لم تكن على الخريطة. تم تصميم المدى في هذه الحالة لتقدير كمية المياه في هذه المناطق. في عام 2009 ، اكتشف باحث من ألاسكا التربة الصقيعية على ارتفاع 4700 متر (15400 قدم) في أعلى قمة في إفريقيا ، جبل كليمنجارو ، على بعد حوالي 3 درجات شمال خط الاستواء. الأساسات الموجودة في التربة دائمة التجمد في خطوط العرض هذه ليست غير شائعة.

بحار مجمدة وقاع متجمد

التربة الصقيعية البحرية تتواجد تحت قاع البحر وتوجد على الرفوف القارية القطبيةالمناطق. تشكلت هذه المناطق خلال العصر الجليدي الأخير ، عندما كانت معظم مياه الأرض محبوسة في طبقات جليدية على اليابسة وكانت مستويات البحر منخفضة. عندما ذابت الصفائح الجليدية وأصبحت مياه البحر مرة أخرى ، أصبحت التربة الصقيعية أرففًا مغمورة تحت ظروف حدودية دافئة ومالحة نسبيًا مقارنة بالتربة الصقيعية على السطح. لذلك ، توجد التربة الصقيعية تحت الماء في ظل ظروف تؤدي إلى تقليلها. وفقًا لـ Osterkamp ، فإن التربة الصقيعية تحت سطح البحر هي عامل في تصميم وبناء وتشغيل المرافق الساحلية وهياكل قاع البحر والجزر الاصطناعية وخطوط الأنابيب تحت سطح البحر والآبار التي تم حفرها للاستكشاف والإنتاج.

يمتد الجليد الدائم إلى أعماق القاعدة ، حيث تصل الحرارة الجوفية من الأرض ومتوسط درجة حرارة السطح السنوية إلى درجة حرارة توازن تبلغ 0 درجة مئوية. يصل عمق طبقة التربة الصقيعية إلى 1493 مترًا (4898 قدمًا) في الأحواض الشمالية لنهري لينا ويانا في سيبيريا. التدرج الحراري الأرضي هو معدل الزيادة في درجة الحرارة بالنسبة للزيادة في العمق في باطن الأرض. بعيدًا عن حدود الصفيحة التكتونية ، تبلغ درجة الحرارة حوالي 25-30 درجة مئوية / كم بالقرب من السطح في معظم دول العالم. وهي تختلف باختلاف الموصلية الحرارية للمادة الجيولوجية وهي أقل بالنسبة للتربة الصقيعية دائمة التجمد عنها في الصخر الصخري.

الجليد في التربة

عندما يتجاوز محتوى الجليد في التربة الصقيعية 250 في المائة (من كتلة الجليد إلى التربة الجافة) ، يتم تصنيفها على أنهاجليد هائل. يمكن أن تتراوح الأجسام الجليدية الضخمة في تكوينها من الطين الجليدي إلى الجليد النقي. يبلغ سمك الطبقات الجليدية الضخمة مترين على الأقل ، وقطر قصير لا يقل عن 10 أمتار. قام علماء أوروبيون بأول مشاهد مسجلة في أمريكا الشمالية على نهر كانينج في ألاسكا في عام 1919. يعطي الأدب الروسي تاريخًا مبكرًا بين عامي 1735 و 1739 أثناء الرحلة الاستكشافية الشمالية الكبرى لـ P. Lassinius و Kh. P. Laptev ، على التوالي. فئتان من الجليد الأرضي الهائل هما الجليد السطحي المدفون وما يسمى ب "الجليد الداخلي". يتطلب إنشاء أي أساسات على التربة الصقيعية عدم وجود أنهار جليدية كبيرة قريبة.

يمكن أن يأتي الجليد السطحي المدفون من الثلج أو البحيرة المتجمدة أو الجليد البحري ، aufeis (جليد النهر المدرفل) وربما يكون النوع الأكثر شيوعًا هو الجليد المدفون.

تجميد المياه الجوفية

يتكون الجليد الداخلي نتيجة لتجميد المياه الجوفية. هنا ، يسود فصل الجليد ، والذي يحدث نتيجة تمايز التبلور الذي يحدث أثناء تجميد الترسيب الرطب. العملية مصحوبة بهجرة مائية لجبهة التجمد

تمت ملاحظة الجليد الداخلي (الدستوري) على نطاق واسع ودراسته في جميع أنحاء كندا ويتضمن أيضًا الجليد التدخلي والحقن. بالإضافة إلى ذلك ، فإن الأوتاد الجليدية ، وهي نوع منفصل من الجليد الأرضي ، تنتج مضلعات منقوشة يمكن التعرف عليها أو مضلعات التندرا. تتشكل أسافين الجليد في شكل جيولوجي موجود مسبقًاالمادة المتفاعلة. تم وصفهم لأول مرة في عام 1919.

دورة الكربون

تهتم دورة الكربون دائمة التجمد بنقل الكربون من التربة الصقيعية إلى النباتات الأرضية والميكروبات ، إلى الغلاف الجوي ، والعودة إلى الغطاء النباتي ، وأخيراً العودة إلى التربة الصقيعية من خلال الدفن والترسيب من خلال عمليات التبريد. يتم نقل بعض هذا الكربون إلى المحيط وأجزاء أخرى من الكرة الأرضية من خلال دورة الكربون العالمية. تتضمن الدورة تبادل ثاني أكسيد الكربون والميثان بين المكونات الأرضية والغلاف الجوي ، ونقل الكربون بين الأرض والماء على شكل ميثان ، وكربون عضوي مذاب ، وكربون عضوي مذاب ، وجزيئات كربون غير عضوية ، وجزيئات كربون عضوية.

التاريخ

التربة الصقيعية في القطب الشمالي تتقلص على مر القرون. والنتيجة هي إذابة التربة ، التي قد تكون أضعف ، وإطلاق غاز الميثان ، الذي يساهم في زيادة معدل الاحتباس الحراري في حلقة التغذية المرتدة. تغيرت مناطق توزيع التربة دائمة التجمد في التاريخ باستمرار.

في آخر قمة جليدية ، غطت التربة الصقيعية المستمرة مساحة أكبر بكثير مما هي عليه اليوم. في أمريكا الشمالية ، لم يكن هناك سوى حزام ضيق جدًا من التربة الصقيعية جنوب الغطاء الجليدي لخط عرض نيوجيرسي في جنوب ولاية أيوا وشمال ميسوري. كانت واسعة النطاق في المناطق الغربية الأكثر جفافاً ، حيث امتدت إلى الحدود الجنوبية لأيداهو وأوريجون. في نصف الكرة الجنوبي ، هناك بعض الأدلة على وجود أبدي سابقالتربة الصقيعية لهذه الفترة في وسط أوتاجو وفي باتاغونيا الأرجنتينية ، لكنها كانت على الأرجح متقطعة ومرتبطة بالتندرا. حدثت التربة الصقيعية في جبال الألب أيضًا في Drakensberg أثناء وجود الأنهار الجليدية فوق 3000 متر (9840 قدمًا). ومع ذلك ، يتم إنشاء الأساسات والأساسات على التربة الصقيعية حتى هناك.

هيكل التربة

يمكن أن تتكون التربة من العديد من مواد الركيزة ، بما في ذلك صخر الأساس أو الرواسب أو المواد العضوية أو الماء أو الجليد. الأرض المتجمدة هي أي شيء تحت درجة تجمد الماء ، سواء كان الماء موجودًا في الركيزة أم لا. لا يوجد الجليد الأرضي دائمًا ، كما هو الحال بالنسبة للصخور غير المسامية ، ولكنه شائع وقد يكون موجودًا بكميات تزيد عن التشبع الهيدروليكي المحتمل للركيزة المذابة.

نتيجة لذلك ، يتزايد هطول الأمطار ، مما يضعف بدوره وربما ينهار المباني في مناطق مثل نوريلسك في شمال روسيا ، والتي تقع في منطقة التربة الصقيعية.

انهيار المنحدر

على مدار القرن الماضي ، تم الإبلاغ عن العديد من حالات فشل منحدرات جبال الألب في سلاسل الجبال حول العالم. من المتوقع أن يرتبط قدر كبير من الضرر الهيكلي بذوبان التربة الصقيعية ، والذي يعتقد أنه ناجم عن تغير المناخ. يُعتقد أن ذوبان التربة الصقيعية قد ساهم في الانهيار الأرضي في فال بولا عام 1987 الذي أودى بحياة 22 شخصًا في جبال الألب الإيطالية. كبير في سلاسل الجبالجزء من الاستقرار الهيكلي قد يكون بسبب الأنهار الجليدية والتربة الصقيعية. مع ارتفاع درجة حرارة المناخ ، تذوب التربة الصقيعية ، مما يؤدي إلى بنية جبلية أقل استقرارًا وفي النهاية مزيد من انهيار المنحدرات. تسمح زيادة درجة الحرارة بأعماق أعمق للطبقة النشطة ، مما يؤدي إلى زيادة تغلغل المياه. يذوب الجليد في التربة ، مما يتسبب في فقدان قوة التربة ، وتسريع الحركة ، وتدفقات الحطام المحتملة. لذلك ، فإن البناء على التربة الصقيعية أمر غير مرغوب فيه للغاية.

هناك أيضًا معلومات حول السقوط الهائل للصخور والجليد (حتى 11.8 مليون متر³) ، الزلازل (حتى 3.9 مليون ميل) ، الفيضانات (حتى 7 ، 8 ملايين م³من الماء) والتدفق السريع للجليد الصخري. يحدث هذا بسبب "عدم استقرار المنحدرات" في ظروف التربة الصقيعية في المرتفعات. يرتبط عدم استقرار المنحدر في التربة الصقيعية عند درجات حرارة مرتفعة بالقرب من درجة التجمد في التربة الصقيعية الاحترارية بالإجهاد الفعال وزيادة ضغط المياه المسامية في هذه التربة.

تطوير التربة دائمة التجمد

ابتكر جيسون كيا والمؤلفون المشاركون مقياس ضغط ثقيل صلب جديد بدون مرشح (FRP) لقياس ضغط المياه في المسام في التربة المجمدة جزئيًا مثل ارتفاع درجة حرارة التربة الصقيعية. لقد قاموا بتوسيع استخدام مفهوم الإجهاد الفعال في التربة المجمدة جزئيًا لاستخدامها في تحليل استقرار المنحدرات لارتفاع درجة حرارة منحدرات التربة الصقيعية. لتطبيق مفهوم الإجهاد الفعال العديد من المزايا ، على سبيل المثال ، القدرة على بناء القواعد والأسس عليهاالتربة دائمة التجمد.

عضوي

في المنطقة القطبية الشمالية ، تحتوي التربة الصقيعية على 1700 مليار طن من المواد العضوية ، أي ما يقرب من نصف جميع المواد العضوية. تم إنشاء هذا الحوض على مدى آلاف السنين ويتم تدميره ببطء في الظروف الباردة في القطب الشمالي. كمية الكربون المحبوس في التربة الصقيعية هي أربعة أضعاف كمية الكربون المنبعثة في الغلاف الجوي عن طريق النشاط البشري في العصر الحديث.

النتائج

لتكوين التربة الصقيعية آثار كبيرة على النظم البيئية ، ويرجع ذلك أساسًا إلى القيود المفروضة على مناطق الجذور ، فضلاً عن القيود على هندسة الأوكار والجحور للحيوانات التي تتطلب منازل تحت الأرض. تؤثر التأثيرات الثانوية على الأنواع التي تعتمد على النباتات والحيوانات التي تكون موائلها محدودة بالتربة الصقيعية. أحد الأمثلة الأكثر شيوعًا هو انتشار شجرة التنوب السوداء في مناطق شاسعة من التربة الصقيعية ، حيث يمكن لهذا النوع أن يتحمل التأسيس المحدود بالقرب من السطح.

يتم إجراء حسابات التربة دائمة التجمد أحيانًا لتحليل المواد العضوية. يمكن أن يحتوي غرام واحد من التربة من طبقة نشطة على أكثر من مليار خلية بكتيرية. عندما توضع البكتيريا على طول بعضها البعض ، تشكل البكتيريا من كيلوغرام واحد من تربة الطبقة النشطة سلسلة بطول 1000 كيلومتر. يختلف عدد البكتيريا في التربة دائمة التجمد بشكل كبير ، وعادة ما يتراوح بين 1 و 1000 مليون لكل جرام من التربة. اغلب هذه الاشياءلا يمكن استزراع البكتيريا والفطريات في التربة دائمة التجمد في المختبر ، ولكن يمكن الكشف عن هوية الكائنات الحية الدقيقة باستخدام الأساليب القائمة على الحمض النووي.

منطقة القطب الشمالي والاحتباس الحراري

منطقة القطب الشمالي هي أحد المصادر الطبيعية لغازات غاز الميثان المسببة للاحتباس الحراري. الاحتباس الحراري يسرع إطلاقه. يتم تخزين كمية كبيرة من الميثان في القطب الشمالي في رواسب الغاز الطبيعي والتربة الصقيعية وفي شكل clathrates تحت الماء. تشمل المصادر الأخرى للميثان الغواصات ، النقل النهري ، تراجع مجمع الجليد ، التربة الصقيعية المغمورة ، ورواسب هيدرات الغاز المتحللة. يشير تحليل الكمبيوتر الأولي إلى أن التربة الصقيعية يمكن أن تنتج كربونًا يعادل حوالي 15 بالمائة من انبعاثات اليوم من الأنشطة البشرية. الاحترار وذوبان كتل التربة الصقيعية يجعل البناء على التربة الصقيعية أكثر خطورة.