地面に生えているこれらの「砕けた氷」「円」「砂利」はどこから来るのでしょうか?

永久凍土は、氷を含む摂氏零度以下の特殊な土壌で、我が国の大興安山脈、小興安山脈、青海チベット高原など、世界中の高緯度・高標高地域に分布しています。

永久凍土は非常に特殊な性質を持っているため、さまざまな特異な永久凍土地形を形成することがあります。この記事で言及されている「黒魔術」は永久凍土によって引き起こされます。

地下水が湧き出ています。

永久凍土の形成に重要な条件は、土壌に水が存在することです。この水が絶えず凍ったり溶けたりすると、多くの興味深い地形が形成されます。

地氷はその名の通り、永久凍土中に形成された氷で、凝結氷、埋没氷、鉱脈氷などが含まれます。地氷は永久凍土地域において極めて重要な水資源です。地氷の存在は永久凍土工学と気候変動に大きな影響を与えます。

地下の氷。画像出典: Wikipedia

凍上とは、凍結条件下で氷が増加することによって土壌が上方に膨張する地形です。具体的には、冬場は、溶けた層が上から下、下から上へと凍り、通水部分が収縮し、凍った層上の水に圧力がかかります。同時に、凍結プロセス中に水が移動し、氷の層が生成されます。凍った表面が下向きに発達するにつれて、凍った層にかかる水の圧力が上にある土壌層の強度よりも大きくなると、表面が膨らんで凍上丘が形成されます。

凍上塚は、私の国の永久凍土地域でよく見られる凍った地形の一種です。霜塚の底の直径は数メートルから数十メートル、高さは1～2メートルで、3～5メートルに達するものもあります。霜塚の表面には交差する亀裂が見られることが多い。中国で知られている最大の凍上塚は、青海チベット高速道路の62号線にあります。底部の直径は40～50メートル、高さは20メートルです。

凍上塚の断面。画像出典: Wikipedia

永久凍土地域では、遠くからでも銀色の氷の塊が見えることがあります。これらはつららです。冬に溶けた層が再び凍結すると、地下水圧が高まり、上部の土壌層を突き破って地表に溢れ出します。オーバーフロー出口の氷は次第に大きくなり上昇し、円錐形になります。溢れた水は流れながら凍り、元の地下水の流れの経路に沿って広がり、氷錐を形成します。

アイスコーンの形や大きさは多種多様です。直径が2〜3メートルのものもあれば、数十メートル、数百メートルにわたって氷の斜面が広がり、複数のオーバーフロー出口があるものもあります。氷錐は永久凍土地域では非常によく見られます。

溶けるつらら。画像出典: 中国科学博覧会

凍った土も円を描くのが好き

砂利の輪を見たことがありますか?永久凍土の独特の凍結融解選別効果により、さまざまな物質が分離されるため、この「円」現象は永久凍土地域で発生する可能性が高くなります。環状列石や凍上草地は、より典型的な「円形」の地形です。

平坦で混合した表層では、凍結融解選別後、土と小さな岩の破片が中央に集中し、岩のブロックは周辺に押し込まれ、誰かが意識的に石を円形に置いたかのように、多角形またはほぼ円形を形成します。このような凍った地形はストーンリングと呼ばれます。

石の指輪。画像出典: Wikipedia

石の輪が形成される場所は、粗い岩石と細かい岩石、土が混ざり合った場所でなければならず、また十分な水があり、温度が0度前後で長期間変動している必要があります。この方法でのみ、土に混ざった石を押し出すことができます。

石の輪は、川岸からそれほど遠くない平地や山からの川の出口でよく見つかります。なぜなら、これらの場所は石の輪が形成される条件が満たされている場所だからです。

凍上草リングは、地表に多角形またはほぼ円形の芝生を形成し、その間に露出した岩の破片と砂利があります。これは永久凍土地域における比較的珍しい周氷河地形です。真ん中は赤と黄色、周りはエメラルドグリーンで、とても綺麗です。現時点では、科学者たちはその形成メカニズムとプロセスについてまだよくわかっていません。

凍上草のリング。画像出典：参考文献[1]

凍土の中の「砂利」

亀裂が存在することで、水が凍って膨張すると岩石が多数の小さな破片に砕け散ったり、温度変化によって岩石を構成する鉱物が不均一に膨張・収縮したりして岩石が割れたりします。この場合、さまざまな大きさの角張った岩石や岩の破片が大量に生成されます。平坦な地形の場合、ほとんどの岩石破片はその場所に残り、地面を覆う砂利を形成します。ここは石の海です。

石の海。画像出典: Wikipedia

石海は我が国の青海チベット高原、西部の山々、大興安山脈の北部永久凍土帯に分布しています。岩石海が形成されるには、岩石が硬くて脆く、多くの亀裂があるだけでなく、特定の熱水条件も満たされている必要があります。つまり、岩石には一定量の水分が含まれており、その水分の温度変化が大きく、温度が0℃付近で長時間変動している必要があります。

岩石斜面の物質源と形成は、一般的に岩石海のものと似ていますが、両者は地形学的には異なる場所に現れます。なだらかな山頂には石の海がよく見られ、丘の中腹には岩の斜面が見られます。

岩石流斜面の岩石や岩屑は、斜面の霜による風化で生じたものであるだけでなく、重力によって山から転がり落ちたものでもあります。これにより、岩屑斜面の組成は上部が細かく下部が粗く、上部では主に小さな岩石の破片、下部では主に大きな岩石であることがわかります。

石の斜面。画像出典: Wikipedia

デブリ斜面は永久凍土地域によく見られる周氷河地形です。インド西部のグレーター・ヒンガン山脈や高山、高原永久凍土地域に広く分布しており、ほぼどこでも見ることができます。

自然条件下では、表面の材料は粗い材料と細かい材料が混ざっていることがよくあります。石と土は熱伝導率が異なるため、凍結する速度も異なります。砂利は熱伝導率が高いため、最初に凍結します。水は石の近くに移動して、その近くに氷を形成します。水が氷になると、その体積が膨張し、砂利が動きます。このようにして、粗い物質と細かい物質が分離されます。科学者はこの現象を、ふるいのように異なる物質を分離することから「凍結融解選別」と呼んでいます。

石条は、岩石流斜面の礫が凍結と融解を繰り返し、凍結融解によって選別され、低い場所に集まり、その後、重力の作用により斜面に沿って下方に広がることで形成されます。そのため、岩石流斜面には石帯が併存することが多く、斜面に沿って砂利や細粒分が帯状に配列している。

石帯は石斜面の「兄弟」です。画像出典: Wikipedia

霜による風化で生じた岩石や破片は、重力の作用により斜面下の溝に集まります。砂利が溝に沿ってゆっくりと下に移動し、石で満たされた小さな川を形成するため、石河と名付けられました。

石の海、石の坂、石の川は同じ一族の兄弟であり、それらの間には有機的なつながりがあります。同じ山に同時に現れることもよくあります。山は巨大な岩で覆われていることが多く、斜面は砂利で覆われ、麓も砂利で覆われて小川が形成されています。

ストーンリバー。画像出典: Wikipedia

自然界の「砂利石」は、岩石が特殊な永久凍土環境にある場合にのみ形成されます。その形は奇妙だが、脆弱な永久凍土環境を人間が注意深く保護することによってのみ、人類に継続的な衝撃を与えることができる。

参考文献:

[1] ヒョルト・ヤン（2006年）。フィンランドのラップランドにおける周氷河地形の発生に影響を与える環境要因：数値的アプローチ。

制作 |科学普及中国

制作：アースストーリーチーム

プロデューサー｜中国科学博覧会

提出者: 中国科学院コンピュータ情報ネットワークセンター