Denne ekskursjonen tar oss med til geologiske fenomener som kun kan oppstå i forbindelse med permafrost. Spesielt ønsker vi å se nærmere på aktive lag, kryoturbasjon og frostforvitring. Deretter skal vi prøve å forstå "trollbrødet" med tanke på dets opprinnelse.
I den forstand finner vi en rekke forskjellige forekomster med avvikende sammensetning i nærheten av GZ. Disse svært interessante utspringene er absolutt verdt et besøk. For å se nærmere på dette geologiske fenomenet, må vi gå i land. Vi hadde ingen problemer med å gå i land med en jolle (Zodiac),
Fig.1: Tundra nær GZ
Det aktive laget består av jord som tiner om sommeren og fryser igjen om høsten. I alle klima, enten de har permafrost eller ikke, vil temperaturen i de lavere jordlagene holde seg mer stabil enn ved overflaten, der påvirkningen av omgivelsestemperaturen er størst. Dette betyr at over mange år vil påvirkningen av nedkjøling om vinteren og oppvarming om sommeren (i tempererte klima) avta etter hvert som dybden øker.
Hvis vintertemperaturen er under frysepunktet for vann, vil det dannes en frostfront i jorda. Denne frostfronten er grensen mellom frossen og ikke-frossen jord, og når våren og sommeren kommer tines jorda, alltid ovenfra og ned.
Hvis oppvarmingen om sommeren overstiger nedkjølingen om vinteren, vil jorda tines helt om sommeren og det vil ikke være permafrost.
Når det ikke er nok varme til å tine den frosne jorda helt, dannes det permafrost. Det aktive laget i dette miljøet består av de øverste jordlagene som tiner om sommeren, mens det inaktive laget refererer til jorda under det aktive laget, med som resultat at permafrostmiljøene har en tendens til å være svært dårlig drenerte og myraktige.
Fig. 2: Aktivt lag og kryoturbasjon
Bilde 1 i Fig. 2 viser det aktive laget i ikke-frosset tilstand. På bilde 2 er det frosset. På grunn av volumøkningen av vannet som fryser, har jorda og steinen steget litt. På bilde 3 har tiningen startet. Så lenge steinens nedre ende sitter fast i den frosne jorden, glir den tinende jorden ned langs steinen. På bilde 4 er den nedre enden av steinen også tint. Den kan nå bli med på den nedadgående bevegelsen. Samlet sett er steinen nå nærmere overflaten enn tidligere.
Fig. 3: Avsetning av materiale
Etter mange fryse- og tinesykluser er steinen på overflaten. Nå er den på en liten forhøyning, når den fine jorden er bulet om vinteren. Som følge av tyngdekraften må den nå gli nedover. På grensen mellom den finere og den grovere jorden avsettes den til slutt igjen.
I virkeligheten er hele prosessen mye mer kompleks.
Tykkelsen på det aktive laget er avhengig av:
1. Den maksimale temperaturen som oppnås i løpet av sommeren. Hvis den bare så vidt er over 0°C, så kan det aktive laget være svært tynt, mens det vil være mye tykkere hvis det er ganske varmt.
2. Det opprinnelige jordmaterialet er også viktig: aktive lag i jord som opprinnelig av sand-eller grusholdige materialer kan være opptil fem ganger dypere enn de som opprinnelig besto av leire- eller leirerikt materiale. Dette er fordi det grovere materialet i mye større grad leder varme ned i jorda.
Blanding av materialer i permafrostjord fra ulike jordlag ned til berggrunnen på grunn av frysing og tining kalles kryoturbasjon.
Etter hvert som denne prosessen skjer, tørker det øvre jordmaterialet gradvis ut slik at det danner en granulær struktur med mange svært særegne krystallinske former (som islinser). Omfanget av kryoturbasjon i gelisoler varierer betydelig: Det forekommer mye mer på utsatte steder enn skjermede steder som daler.
Solifluksjon er betegnelsen på gradvise prosesser der en masse beveger seg ned en skråning relatert til fryse-tine-aktivitet. Begrepet ble brukt for å henvise til disse langsomme prosessene, og utelukker derfor raske periglasiale bevegelser.
Frostforvitring er en samlebetegnelse for flere mekaniske forvitringsprosesser som er et resultat av påkjenninger som skapes når vann fryser til is. Begrepet fungerer som en paraplybetegnelse for en rekke prosesser, som frostsprenging, iskiling og kryofrakturering.
Den tradisjonelle forklaringen på frostforvitring var volumetrisk ekspansjon av frysende vann. Når vann fryser til is øker dets volum med 9 %. Under spesifikke forhold er denne ekspansjonen i stand til å flytte eller bryte i stykker stein. For at frostforvitring skal skje ved volumetrisk ekspansjon, må steinen nesten ikke inneholde luft som kan komprimeres for å kompensere for utvidelsen av isen, noe som betyr at den må være mettet av vann og fryse raskt fra alle kanter slik at vannet ikke migrer bort og trykket utøves på steinen.
Frostforvitring er noen ganger ansvarlig for bisarre former. Et eksempel på dette er "trollbrød", som noen ganger kan finnes på den arktiske tundraen. Kryoturbasjon transporterte steinene i fig. 4 og 5 til overflaten. Deretter delte frostsprenging den i skiver langs svakhetssoner som følger lagdeling. De er derfor parallelle.
Fig. 4 og 5: "Trollbrød"
For å logge denne EarthCache, vennligst send svarene på følgende spørsmål til kontoen min. Du trenger ikke vente på en logg-godkjenning. Hvis noe ikke stemmer, kommer jeg til å kontakte deg.
1. Gå til GZ. Bruk den oppgitte informasjonen til å undersøke området nøye. På mange steder kan du se indikasjoner på tilstedeværelse av aktive lag. Beskriv disse kjennetegnene mer detaljert. Er de aktive lagene distribuert forskjellig i miljøet? Nøyaktig hvor finner du disse?
2. I den oppgitte informasjonen var kryoturbasjon beskrevet i større detalj. Hva er sammensetningen av materialet som er blitt brakt frem i lyset? Er det finkornet eller grovkornet, blandet eller sortert? Tenk over det og fortell hvorfor det er slik.
3. Hvordan ble "trollbrødet" vi fant dannet? Hva er den romlige orienteringen? Hvorfor er kun en del av steinen vi fant "skåret åpen"? Opptrer "trollbrød"-fenomenet kun i enkelte steinsorter, eller har ikke dette noen betydning?
4. Ble de eksistierende forekomstene også påvirket av solifluksjon? Gi eksempler som du fant.
5. Last opp et bilde med loggen din.
Kilder:
Fig. 1, 4 og 5: Egne
Fig. 2 og 3: Stange Rolf: Steine und Eis, Landschaften des Nordens ISBN -937903-02-x
Wikipedia
Stange Rolf: a.a.O.
Active layer and troll bread
This excursion takes us to geological phenomena that only can arise in connection with permafrost. In particular we want to take a closer look at active layers, cryoturbation and frost weathering. Then we try to understand the troll bred with regard to its origin.
In that sense, a variety of different deposits with diverging compositions can be found in the vicinity of GZ. These highly interesting outcrops make the visit absolutely worthwile. In order to deal more closely with these geological phenomena, a shore leave is necessary. We had no problem, landing with a dinghy (Zodiac).
Fig. 1: Tundra near GZ
The active layer consists of soil, that thaws during the summer and freezes again during the autumn. In all climates, whether they contain permafrost or not, the temperature in the lower levels of the soil will remain more stable than that at the surface, where the influence of the ambient temperature is greatest. This means that, over many years, the influence of cooling in winter and heating in summer (in temperate climates) will decrease as depth increases.
If the winter temperature is below the freezing point of water, a frost front will form in the soil. This frost front is the boundary between frozen and unfrozen soil, and with coming of spring and summer, the soil is thawed, always from the top to down.
If the heating during summer exceeds the cooling during winter, the soil will be completely thawed during the summer and there will be no permafrost.
When there is not sufficient heat to thaw the frozen soil completely, permafrost forms. The active layer in this environment consists of the top layers of soil which thaws during the summer, while the inactive layer refers to the soil below the active layer, with the result that permafrost environments tend to be very poorly drained and boggy.
Fig.2: Active layer and cryoturbation
Picture 1 in Fig. 2 shows the active layer soil in unfrozen state. In picture 2 it is frozen. Due to the increase in volume of the freezing water, the soil and the rock have risen slightly. In picture 3 thawing has started. As long as the stones lower end stucks in the frozen ground, the thawing soil slides down along the stone. In picture 4 the lower end of the stone is also thawed. This now can join the downward movement. Overall, the stone is now closer to the surface than before.
Fig. 3: Deposition of the material
After many freeze and thaw cycles, the stone is on the surface. Now he is on a small hill, when the fine earth area is bulged in winter. Following gravity he now has to slide downwards. At the boundary between the finer and the coarser soil he finally deposits himself again.
In reality, the whole process is much more complex.
The thickness of the active layer depends:
1. The maximum temperature attained during the summer. If it is only above 0°C, the active layer can be very thin, whilst it is quite warm, it is much thicker.
2. The parent material of the soil is also important: active layers in soil made of sandy or gravelly parent materials can be up to five times deeper than those made from loam- or clay-rich parent material. This is because the coarser material allows for much greater conductivity of heat down into the soil.
The mixing of materials in permafrost soils from various horizons of the soil down to the bedrock due to freezing and thawing is called cryoturbation.
As this process occurs, the upper soil material gradually dries out so that it forms a granular structure with many very distinctive crystalline shapes (such as ice lenses). The extent of cryoturbation in gelisols varies considerably: it occurs much more on exposed sites than sheltered sites such as valleys.
Solifluction is the designation for gradual processes in which a mass moves down a slope related to freeze-thaw activity. The term was appropriated to refer to these slow processes, and therefore excludes rapid periglacial movements.
Frost weathering is a collective term for several mechanical weathering processes induced by stresses created by the freezing of water into ice. The term serves as an umbrella term for a variety of processes, such as frost shattering, frost wedging and cryofracturing.
The traditional explanation for frost weathering was volumetric expansion of freezing water. When water freezes to ice, its volume increases by 9 %. Under specific circumstances, this expansion is able to displace or fracture rock. For frost weathering to occur by volumetric expansion, the rock must have almost no air that can be compressed to compensate for the expansion of ice, which means it has to be water-saturated and frozen quickly from all sides so that water does not migrate away and the pressure is exerted on the rock.
Frost weathering sometimes is responsible for bizarre shapes. An example for this is the troll bread that occasionally can be found in the arctic tundra. Cryoturbation transported the stones in Fig. 4 and 5 to the surface. Then frost cracking sliced it along zones of weakness that follow stratification, Therefore they are parallel.
Fig. 4 and 5.: Troll bread
To log this Earthcache, please send the answers of the following questions to my account.You do not need to wait for a log approval. If something ist not correct, I will contact you soon:
1. Go to GZ. Use the information in the listing to examine the area closely. In many places you can see indicators, that active layers are present. Describe these characteristics in more details. Are the active layers distributed differently in the environment ? Where in particular can these be found ?
2. In the listing, cryoturbation was described in more details. What is the composition of the material, that has been brought to light ? Is it fine-grained or coarse-grained; mixed or sorted ? Consider and share, why this is so.
3. How is the found troll bread formed ? What is the spatial orientation ? Why is only a part of the found stones "cut open" ? Does the troll bread only appear at some types of rock or does it not matter ?
4. Were the existing deposits also influenced by solifluction ? Give examples you found.
5. Upload a photo on site with your log.
Sources:
Fig. 1, 4 and 5: Own
Fig. 2 and 3: Stange Rolf: Steine und Eis, Landschaften des Nordens ISBN 3-937903-02-x
Wikipedia,
Stange Rolf: a.a.O.