Sols éternellement gelés : aires de répartition, température, caractéristiques de développement

2024 Auteur: Henry Conors | [email protected]. Dernière modifié: 2024-02-12 07:04

Dans cet article, vous découvrirez les caractéristiques des sols de pergélisol qui sont courantes dans les zones de pergélisol. En géologie, le pergélisol est un terrain, y compris un sol pierreux (cryotique), qui est présent à une température de congélation de 0 ° C ou moins pendant deux ans ou plus. La majeure partie du pergélisol se trouve à des latitudes élevées (dans et autour des régions arctiques et antarctiques), mais, par exemple, dans les Alpes, on le trouve à des altitudes plus élevées.

La glace de sol n'est pas toujours présente, comme cela peut être le cas avec un socle rocheux non poreux, mais on la trouve souvent en quantités supérieures à la saturation hydraulique potentielle du matériau du sol. Le pergélisol représente 0,022 % de l'eau totale sur Terre et existe dans 24 % des terres ouvertes de l'hémisphère nord. Il se produit également sous l'eau sur les plateaux continentaux des continents entourant l'océan Arctique. Selon un groupe de scientifiques, une augmentation de la température globale de 1,5 °C (2,7 °F) au-dessus de la température actuelleles niveaux seront suffisants pour commencer à dégeler le pergélisol en Sibérie.

Étude

Contrairement à la rareté relative des rapports sur les sols gelés en Amérique du Nord avant la Seconde Guerre mondiale, la littérature sur les aspects techniques du pergélisol était disponible en russe. À partir de 1942, Simon William Muller a fouillé dans la littérature pertinente détenue par la Bibliothèque du Congrès et la Bibliothèque du United States Geological Survey pour fournir au gouvernement un manuel d'ingénierie et un rapport technique sur le pergélisol d'ici 1943.

Définition

Le pergélisol est un sol, une roche ou un sédiment qui a été gelé pendant plus de deux années consécutives. Dans les zones non couvertes de glace, ils existent sous une couche de sol, de roche ou de sédiments qui gèle et dégèle chaque année et est appelée la « couche active ». En pratique, cela signifie que le pergélisol se produit à une température annuelle moyenne de -2 ° C (28,4 ° F) ou moins. L'épaisseur de la couche active varie selon la saison, mais varie de 0,3 à 4 mètres (peu profonde le long de la côte arctique; profonde dans le sud de la Sibérie et sur le plateau Qinghai-Tibétain).

Géographie

Qu'en est-il de la propagation du pergélisol ? L'étendue du pergélisol varie selon le climat: aujourd'hui, dans l'hémisphère nord, 24 % des terres libres de glace - l'équivalent de 19 millions de kilomètres carrés - sont plus ou moins affectées par le pergélisol.

Un peu plus de la moitié de cette zone est recouverte de pergélisol continu,environ 20 pour cent sont du pergélisol discontinu et un peu moins de 30 pour cent sont du pergélisol sporadique. La majeure partie de ce territoire est située en Sibérie, dans le nord du Canada, en Alaska et au Groenland. Sous la couche active, les fluctuations annuelles de la température du pergélisol diminuent avec la profondeur. La profondeur la plus profonde du pergélisol se trouve là où la chaleur géothermique maintient les températures au-dessus du point de congélation. Au-dessus de cette limite, il peut y avoir du pergélisol dont la température ne change pas annuellement. C'est le "pergélisol isotherme". Les zones de sols de pergélisol sont mal adaptées à la vie humaine active.

Climat

Le pergélisol se forme généralement dans n'importe quel climat où la température annuelle moyenne de l'air est inférieure au point de congélation de l'eau. Des exceptions peuvent être trouvées dans les climats hivernaux humides, comme dans le nord de la Scandinavie et le nord-est de la Russie à l'ouest de l'Oural, où la neige agit comme une couverture isolante. Les zones glaciaires peuvent être des exceptions. Parce que tous les glaciers sont chauffés à leurs bases par la chaleur géothermique, les glaciers tempérés qui sont proches de leur point de fusion sous pression peuvent avoir de l'eau liquide à la frontière avec la terre. Par conséquent, ils sont exempts de pergélisol. Des anomalies froides « fossiles » du gradient géothermique dans les zones où le pergélisol profond s'est développé au cours du Pléistocène persistent jusqu'à plusieurs centaines de mètres. Cela ressort clairement des mesures de température de puits en Amérique du Nord et en Europe.

Température souterraine

En règle générale, la température sous terre varie d'une saison à l'autre de moins detempérature de l'air. Dans le même temps, les températures moyennes annuelles ont tendance à augmenter avec la profondeur en raison du gradient géothermique de la croûte terrestre. Ainsi, si la température annuelle moyenne de l'air n'est que légèrement inférieure à 0 °C (32 °F), le pergélisol ne se formera que dans les endroits protégés - généralement du côté nord - créant un pergélisol discontinu. En règle générale, le pergélisol restera discontinu dans les climats où la température moyenne annuelle de la surface du sol est de -5 à 0 ° C (23 à 32 ° F). Les zones aux hivers humides mentionnées ci-dessus peuvent même ne pas avoir de pergélisol intermittent jusqu'à -2 ° C (28 ° F).

Types de pergélisol

Le pergélisol est souvent divisé en pergélisol discontinu étendu, où le pergélisol couvre 50 à 90 % du paysage et se trouve généralement dans des zones où les températures annuelles moyennes sont de -2 à -4 °C (28 à 25 °F), et le pergélisol sporadique, où le pergélisol couvre moins de 50 % du paysage et se produit généralement à des températures annuelles moyennes comprises entre 0 et -2 °C (32 et 28 °F). En science du sol, la zone de pergélisol sporadique est la SPZ, tandis que la zone de pergélisol discontinu étendu est la zone de télédétection. Des exceptions se produisent en Sibérie et en Alaska non émaillées, où la profondeur actuelle du pergélisol est un vestige des conditions climatiques de la période glaciaire, où les hivers étaient de 11 °C (20 °F) plus froids qu'aujourd'hui.

Température du pergélisol

Lorsque les températures annuelles moyennes à la surface du sol sont inférieures à -5 °C (23 °F), l'influence de l'aspectne suffira jamais à faire fondre le pergélisol et à former une zone de pergélisol continu (CPZ en abrégé). La ligne de pergélisol continu dans l'hémisphère nord représente la limite la plus méridionale où la terre est couverte de pergélisol continu ou de glace glaciaire.

Pour des raisons évidentes, la conception sur le pergélisol est une tâche extrêmement difficile. La ligne continue du pergélisol évolue vers le nord ou le sud dans le monde en raison du changement climatique régional. Dans l'hémisphère sud, la majeure partie de la ligne équivalente se trouverait dans l'océan Austral s'il y avait des terres. La majeure partie du continent antarctique est couverte de glaciers, sous lesquels la majeure partie du terrain est sujette à la fonte du sol. Les terres exposées de l'Antarctique sont en grande partie du pergélisol.

Alpes

Les estimations de la superficie totale de la zone de pergélisol dans les Alpes varient considérablement. Bockheim et Munro ont combiné les trois sources et ont fait des estimations tabulaires par région (3 560 000 km2 au total).

Le pergélisol alpin dans les Andes n'était pas sur la carte. L'étendue dans ce cas est modélisée pour estimer la quantité d'eau dans ces zones. En 2009, un chercheur de l'Alaska a découvert le pergélisol à 4 700 m (15 400 pieds) sur le plus haut sommet d'Afrique, le mont Kilimandjaro, à environ 3° au nord de l'équateur. Les fondations sur des sols de pergélisol à ces latitudes ne sont pas rares.

Mers gelées et fond gelé

Le pergélisol marin se trouve sous le fond marin et existe sur les plateaux continentaux polairesRégions. Ces zones se sont formées au cours de la dernière période glaciaire, lorsque la majeure partie de l'eau de la Terre était enfermée dans des calottes glaciaires sur terre et que le niveau de la mer était bas. Au fur et à mesure que les calottes glaciaires fondaient et redevenaient de l'eau de mer, le pergélisol est devenu des plateaux submergés dans des conditions aux limites relativement chaudes et salées par rapport au pergélisol à la surface. Par conséquent, le pergélisol sous-marin existe dans des conditions qui conduisent à sa réduction. Selon Osterkamp, le pergélisol sous-marin est un facteur dans "la conception, la construction et l'exploitation d'installations côtières, de structures de fond marin, d'îles artificielles, de pipelines sous-marins et de puits forés pour l'exploration et la production".

Le pergélisol s'étend jusqu'aux profondeurs de la base, où la chaleur géothermique de la Terre et la température annuelle moyenne de surface atteignent une température d'équilibre de 0 °C. La profondeur de la base du pergélisol atteint 1 493 mètres (4 898 pieds) dans les bassins nord des rivières Lena et Yana en Sibérie. Le gradient géothermique est le taux d'augmentation de la température par rapport à l'augmentation de la profondeur à l'intérieur de la Terre. Loin des limites de la plaque tectonique, il fait environ 25-30 °C/km près de la surface dans la plupart des pays du monde. Elle varie avec la conductivité thermique du matériau géologique et est moindre pour le pergélisol dans le sol que dans le substratum rocheux.

Glace dans le sol

Lorsque la teneur en glace du pergélisol dépasse 250 % (de la masse de glace au sol sec), il est classé commeglace massive. Les corps de glace massifs peuvent varier en composition de la boue glacée à la glace pure. Les couches de glace massives ont une épaisseur minimale d'au moins 2 mètres, un petit diamètre d'au moins 10 mètres. Les premières observations enregistrées en Amérique du Nord ont été faites par des scientifiques européens sur la rivière Canning en Alaska en 1919. La littérature russe donne une date antérieure de 1735 et 1739 lors de la Grande expédition du Nord de P. Lassinius et Kh. P. Laptev, respectivement. Les deux catégories de glace de sol massive sont la glace de surface enfouie et la glace dite "intra-shed". La création de fondations sur le pergélisol nécessite qu'il n'y ait pas de grands glaciers à proximité.

La glace de surface enterrée peut provenir de la neige, de la glace de lac ou de mer gelée, d'aufeis (glace de rivière roulée) et probablement la variante la plus courante est la glace glaciaire enterrée.

Gel des eaux souterraines

La glace intradiestimale se forme à la suite du gel des eaux souterraines. Ici, la glace de ségrégation prévaut, ce qui se produit à la suite de la différenciation de la cristallisation qui se produit lors du gel des précipitations humides. Le processus s'accompagne d'une migration de l'eau vers le front de congélation.

La glace intradiestimale (constitutionnelle) a été largement observée et étudiée partout au Canada et comprend également de la glace intrusive et d'injection. De plus, les coins de glace, un type distinct de glace de sol, produisent des polygones à motifs reconnaissables ou des polygones de toundra. Des coins de glace se forment dans une structure géologique préexistantesubstrat. Ils ont été décrits pour la première fois en 1919.

Cycle du carbone

Le cycle du carbone du pergélisol concerne le transfert du carbone des sols du pergélisol vers la végétation terrestre et les microbes, vers l'atmosphère, vers la végétation et enfin vers le sol du pergélisol par enfouissement et précipitation par des processus cryogéniques. Une partie de ce carbone est transférée à l'océan et à d'autres parties du globe à travers le cycle mondial du carbone. Le cycle comprend l'échange de dioxyde de carbone et de méthane entre les composants terrestres et l'atmosphère, et le transport du carbone entre la terre et l'eau sous forme de méthane, de carbone organique dissous, de carbone inorganique dissous, de particules de carbone inorganique et de particules de carbone organique.

Histoire

Le pergélisol de l'Arctique s'est rétréci au fil des siècles. Cela a pour conséquence le dégel du sol, qui peut être plus faible, et la libération de méthane, qui contribue à une augmentation du taux de réchauffement climatique dans une boucle de rétroaction. Les aires de répartition des sols de pergélisol ont constamment changé au cours de l'histoire.

Au dernier maximum glaciaire, le pergélisol continu couvrait une superficie beaucoup plus grande qu'aujourd'hui. En Amérique du Nord, seule une ceinture très étroite de pergélisol existait au sud de la calotte glaciaire de latitude du New Jersey dans le sud de l'Iowa et le nord du Missouri. Il était étendu dans les régions occidentales plus sèches, où il s'étendait jusqu'à la frontière sud de l'Idaho et de l'Oregon. Dans l'hémisphère sud, il existe des preuves d'un ancien éternelpergélisol de cette période dans le centre de l'Otago et en Patagonie argentine, mais il était probablement discontinu et associé à la toundra. Le pergélisol alpin s'est également produit dans le Drakensberg pendant l'existence de glaciers au-dessus de 3000 mètres (9840 pieds). Néanmoins, des fondations et des fondations sur le pergélisol sont en train d'être établies même là-bas.

Structure du sol

Le sol peut être composé de nombreux matériaux de substrat, y compris le substratum rocheux, les sédiments, la matière organique, l'eau ou la glace. Un sol gelé est tout ce qui se trouve en dessous du point de congélation de l'eau, que de l'eau soit présente ou non dans le substrat. La glace de sol n'est pas toujours présente, comme cela peut être le cas pour le substrat rocheux non poreux, mais elle est courante et peut être présente en quantités supérieures à la saturation hydraulique potentielle du substrat dégelé.

En conséquence, les précipitations augmentent, ce qui affaiblit et peut-être effondre les bâtiments dans des régions comme Norilsk, dans le nord de la Russie, qui se trouve dans la zone de pergélisol.

Effondrement de la pente

Au cours du siècle dernier, de nombreux cas de rupture de pente alpine dans les chaînes de montagnes du monde entier ont été signalés. Une grande quantité de dommages structurels devrait être associée à la fonte du pergélisol, qui serait causée par le changement climatique. On pense que la fonte du pergélisol a contribué au glissement de terrain de Val Pola en 1987 qui a tué 22 personnes dans les Alpes italiennes. Grand dans les chaînes de montagnesune partie de la stabilité structurelle peut être due aux glaciers et au pergélisol. Au fur et à mesure que le climat se réchauffe, le pergélisol dégèle, entraînant une structure montagneuse moins stable et éventuellement plus de rupture de pente. L'augmentation de la température permet des profondeurs plus profondes de la couche active, ce qui entraîne encore plus de pénétration d'eau. La glace dans le sol fond, entraînant une perte de résistance du sol, un mouvement accéléré et des coulées de débris potentielles. Par conséquent, la construction sur le pergélisol est hautement indésirable.

Il existe également des informations sur les chutes massives de roches et de glace (jusqu'à 11,8 millions de m³), les tremblements de terre (jusqu'à 3,9 millions de kilomètres), les inondations (jusqu'à 7, 8 millions de m³ d'eau) et l'écoulement rapide des glaces rocheuses. Ceci est causé par «l'instabilité des pentes» dans les conditions de pergélisol dans les hautes terres. L'instabilité des pentes dans le pergélisol à des températures élevées proches du point de congélation dans un pergélisol qui se réchauffe est associée à un stress effectif et à une augmentation de la pression interstitielle dans ces sols.

Développement des sols de pergélisol

Jason Kea et ses co-auteurs ont inventé un nouveau piézomètre rigide sans filtre (FRP) pour mesurer la pression de l'eau interstitielle dans les sols partiellement gelés tels que le réchauffement du pergélisol. Ils ont étendu l'utilisation du concept de stress effectif aux sols partiellement gelés pour une utilisation dans l'analyse de la stabilité des pentes des pentes de pergélisol qui se réchauffent. L'application du concept de contrainte effective présente de nombreux avantages, par exemple la possibilité de construire des bases et des fondations sursols de pergélisol.

Biologique

Dans la région circumpolaire nord, le pergélisol contient 1 700 milliards de tonnes de matière organique, soit près de la moitié de toute la matière organique. Ce bassin a été créé au fil des millénaires et est lentement détruit dans les conditions froides de l'Arctique. La quantité de carbone séquestrée dans le pergélisol est quatre fois supérieure à la quantité de carbone rejetée dans l'atmosphère par l'activité humaine à l'époque moderne.

Conséquences

La formation du pergélisol a des implications importantes pour les systèmes écologiques, principalement en raison des restrictions imposées sur les zones racinaires, ainsi que des restrictions sur la géométrie des tanières et des terriers pour la faune nécessitant des maisons souterraines. Les impacts secondaires affectent les espèces dépendantes des plantes et des animaux dont l'habitat est limité par le pergélisol. L'un des exemples les plus courants est la prévalence de l'épinette noire dans de vastes zones de pergélisol, car cette espèce peut tolérer un établissement limité près de la surface.

Les calculs des sols de pergélisol sont parfois effectués pour l'analyse de la matière organique. Un gramme de sol d'une couche active peut contenir plus d'un milliard de cellules bactériennes. Lorsqu'elles sont placées les unes à côté des autres, les bactéries d'un kilogramme de sol de la couche active forment une chaîne de 1000 km de long. Le nombre de bactéries dans le sol du pergélisol varie considérablement, généralement entre 1 et 1000 millions par gramme de sol. La plupart de cesles bactéries et les champignons dans le pergélisol ne peuvent pas être cultivés en laboratoire, mais l'identité des micro-organismes peut être révélée à l'aide de méthodes basées sur l'ADN.

La région arctique et le réchauffement climatique

La région arctique est l'une des sources naturelles de gaz à effet de serre de méthane. Le réchauffement climatique accélère sa libération. Une grande quantité de méthane est stockée dans l'Arctique dans les gisements de gaz naturel, le pergélisol et sous la forme de clathrates sous-marins. Les autres sources de méthane comprennent les taliks sous-marins, le transport fluvial, le retrait du complexe de glace, le pergélisol sous-marin et les dépôts d'hydrates de gaz en décomposition. Une analyse informatique préliminaire indique que le pergélisol peut produire du carbone équivalant à environ 15 % des émissions actuelles provenant des activités humaines. Le réchauffement et le dégel des massifs de sol rendent la construction sur le pergélisol encore plus dangereuse.