Soulèvement par le gel

Compréhension historique du soulèvement par le gelModifier

Formation de lentilles de glace entraînant un soulèvement par le gel dans les climats froids.

Selon Beskow, Urban Hjärne (1641-1724) a décrit les effets du gel dans le sol en 1694. En 1930, Stephen Taber (1882-1963), chef du département de géologie de l’université de Caroline du Sud (Columbia, Caroline du Sud), avait réfuté l’hypothèse selon laquelle le soulèvement par le gel résulte de l’expansion du volume molaire avec congélation de l’eau déjà présente dans le sol avant l’apparition de températures négatives, c’est-à-dire avec une faible contribution de la migration de l’eau dans le sol.

Puisque le volume molaire de l’eau se dilate d’environ 9% lorsqu’elle change de phase, passant de l’eau à la glace à son point de congélation global, 9% serait l’expansion maximale possible en raison de l’expansion du volume molaire, et même dans ce cas, seulement si la glace était rigidement contrainte latéralement dans le sol de sorte que toute l’expansion du volume devait se produire verticalement. La glace est inhabituelle parmi les composés car elle augmente son volume molaire à partir de son état liquide, l’eau. La plupart des composés diminuent en volume lorsqu’ils passent de l’état liquide à l’état solide. Taber a montré que le déplacement vertical du sol dans le soulèvement par le gel peut être considérablement plus important que celui dû à l’expansion du volume molaire.

Taber a démontré que l’eau liquide migre vers la ligne de gel dans le sol. Il a montré que d’autres liquides, comme le benzène, qui se contracte lorsqu’il gèle, produisent également un soulèvement par le gel. Ceci a exclu les changements de volume molaire comme mécanisme dominant pour le déplacement vertical du sol gelé. Ses expériences ont en outre démontré le développement de lentilles de glace à l’intérieur de colonnes de sol qui ont été gelées en refroidissant la surface supérieure seulement, établissant ainsi un gradient de température.

Développement de lentilles de glaceEdit

Soulèvements par le gel sur une route rurale du Vermont pendant le dégel printanier

La cause dominante du déplacement du sol dans le soulèvement par le gel est le développement de lentilles de glace. Pendant le soulèvement par le gel, une ou plusieurs lentilles de glace sans sol se développent, et leur croissance déplace le sol au-dessus d’elles. Ces lentilles se développent grâce à l’ajout continu d’eau provenant d’une source d’eau souterraine qui se trouve plus bas dans le sol et sous la ligne de congélation du sol. La présence d’un sol sensible au gel dont la structure des pores permet un écoulement capillaire est essentielle pour alimenter en eau les lentilles de glace au fur et à mesure de leur formation.

En raison de l’effet Gibbs-Thomson du confinement des liquides dans les pores, l’eau du sol peut rester liquide à une température inférieure au point de congélation global de l’eau. Les pores très fins ont une courbure très élevée, ce qui fait que la phase liquide est thermodynamiquement stable dans ces milieux à des températures parfois inférieures de plusieurs dizaines de degrés au point de congélation du liquide. Cet effet permet à l’eau de percoler à travers le sol vers la lentille de glace, permettant à la lentille de croître.

Un autre effet de transport de l’eau est la préservation de quelques couches moléculaires d’eau liquide à la surface de la lentille de glace, et entre la glace et les particules du sol. Faraday a fait un rapport en 1860 sur la couche non gelée d’eau pré-fondue. La glace prémélange contre sa propre vapeur, et au contact de la silice.

Processus à micro-échelleEdit

Les mêmes forces intermoléculaires qui provoquent la prémélange aux surfaces contribuent au soulèvement par le gel à l’échelle des particules sur la face inférieure de la lentille de glace en formation. Lorsque la glace entoure une fine particule de sol lors de sa préfonte, la particule de sol sera déplacée vers le bas en direction de la chaleur dans le gradient thermique en raison de la fonte et du regel du mince film d’eau qui entoure la particule. L’épaisseur d’un tel film dépend de la température et est plus mince sur le côté plus froid de la particule.

L’eau a une énergie libre thermodynamique plus faible lorsqu’elle est dans la glace en vrac que lorsqu’elle est à l’état liquide surfondu. Par conséquent, il y a un réapprovisionnement continu d’eau s’écoulant du côté chaud vers le côté froid de la particule, et une fusion continue pour rétablir le film plus épais sur le côté chaud. La particule migre vers le bas, vers le sol plus chaud, dans un processus que Faraday a appelé « régénération thermique ». Cet effet purifie les lentilles de glace à mesure qu’elles se forment en repoussant les fines particules du sol. Ainsi, un film de 10 nanomètres d’eau non gelée autour de chaque particule de sol de taille micrométrique peut la déplacer de 10 micromètres par jour dans un gradient thermique aussi faible que 1 °C m-1. Lorsque les lentilles de glace se développent, elles soulèvent le sol au-dessus, et séparent les particules de sol en dessous, tout en attirant l’eau vers la face de congélation de la lentille de glace par capillarité.