การแยกตัวของน้ำแข็งเป็นปรากฏการณ์ทางธรณีวิทยาที่เกิดจากการก่อตัวของเลนส์น้ำแข็งซึ่งทำให้เกิดการกัดเซาะเมื่อความชื้นที่กระจายอยู่ภายในดินหรือหินสะสมตัวในบริเวณเฉพาะที่ น้ำแข็งจะสะสมตัวในตอนแรกภายในรูพรุนขนาดเล็กที่อยู่รวมกันหรือรอยแตกที่มีอยู่ก่อนแล้ว และตราบใดที่สภาพแวดล้อมยังคงเอื้ออำนวย น้ำแข็งก็จะสะสมตัวต่อไปในชั้นน้ำแข็งหรือเลนส์น้ำแข็ง ทำให้ดินหรือหินแยกออกจากกัน เลนส์น้ำแข็งจะเติบโตขนานกับพื้นผิวและมีความลึกหลายเซนติเมตรถึงหลายเดซิเมตร (นิ้วถึงฟุต) ในดินหรือหิน การศึกษาระหว่างปี 1990 จนถึงปัจจุบันแสดงให้เห็นว่าการแตกหักของหินโดยการแยกตัวของน้ำแข็ง (เช่น การแตกหักของหินที่สมบูรณ์โดยเลนส์น้ำแข็งที่เติบโตโดยการดึงน้ำจากสภาพแวดล้อมโดยรอบในช่วงที่มีอุณหภูมิต่ำกว่าจุดเยือกแข็งอย่างต่อเนื่อง) เป็นกระบวนการผุพังที่มีประสิทธิภาพมากกว่ากระบวนการแช่แข็ง-ละลายที่ตำราเก่าเสนอไว้^{[ 1 ]}

เลนส์น้ำแข็งมีบทบาทสำคัญในการแตกหักของหินฐานและ การยกตัว ของดินที่เกิดจากน้ำแข็ง ซึ่งเป็นพื้นฐานของ การผุพังในเขตหนาว การยกตัวของดินเนื่องจากน้ำแข็งทำให้เกิดเศษซากและเปลี่ยนแปลงภูมิทัศน์อย่างมากจนเกิดเป็นรูปแบบที่ซับซ้อนการแตกหักของหินใน เขต หนาวจัด (เทือกเขาแอลป์ เขตกึ่งขั้วโลก และเขตขั้วโลก) มักถูกอธิบายว่าเกิดจากการแข็งตัวและการขยายตัวเชิงปริมาตรของน้ำที่ติดอยู่ภายในรูพรุนและรอยแตก อย่างไรก็ตาม การยกตัวของดินเนื่องจากน้ำแข็งและการแตกหักของหินฐานส่วนใหญ่เกิดจากการแยกตัวของน้ำแข็งในเลนส์น้ำแข็งในบริเวณที่แข็งตัวใกล้ผิวดิน การแยกตัวของน้ำแข็งส่งผลให้เกิดการแตกหักของหินและการยกตัวของดินเนื่องจากน้ำแข็ง^{[ 2 ]}

การยกตัวเนื่องจากน้ำแข็งตัวเป็นกระบวนการที่การแข็งตัวของดินที่อิ่มตัว ด้วยน้ำ ทำให้เกิดการเสียรูปและการดันขึ้นของพื้นผิวดิน^{[ 3 ]} กระบวนการนี้สามารถทำให้ พื้นผิวถนน บิดเบี้ยวและ แตกร้าว สร้างความเสียหายต่อฐานรากของอาคาร และทำให้ดินเคลื่อนตัวเป็นรูปแบบปกติ ดินที่มีความชื้นและมีเม็ดละเอียดที่อุณหภูมิ บางช่วง จะมีความอ่อนไหวต่อการยกตัวเนื่องจากน้ำแข็งตัวมากที่สุด

การยกตัวของดินเนื่องจากน้ำแข็งเป็นเรื่องปกติในทุ่งทุนดราอาร์กติก เนื่องจากชั้นดินเยือกแข็งถาวรช่วยรักษาพื้นดินให้แข็งตัวในระดับความลึกและป้องกันไม่ให้หิมะละลายและน้ำฝนไหลลงสู่พื้นดิน ส่งผลให้สภาพแวดล้อมเหมาะสมสำหรับการก่อตัวของชั้นน้ำแข็งลึกที่มีการสะสมของน้ำแข็งจำนวนมากและการเคลื่อนตัวของดินอย่างมีนัยสำคัญ^{[ 4 ]}

การยกตัวของดินเนื่องจากน้ำแข็งที่แตกต่างกันซึ่งก่อให้เกิดรูปแบบที่ซับซ้อนจะเกิดขึ้นหากมีเงื่อนไขที่เหมาะสม ปฏิกิริยาตอบกลับจากการยกตัวของดินเนื่องจากน้ำแข็งในปีหนึ่งจะส่งผลต่อผลกระทบในปีต่อๆ ไป ตัวอย่างเช่น การเพิ่มขึ้นเล็กน้อยของน้ำหนักบรรทุกจะส่งผลต่อความลึกของการก่อตัวของน้ำแข็งและการยกตัวของดินในปีต่อๆ ไป แบบจำลองการยกตัวของดินเนื่องจากน้ำแข็งที่ขึ้นอยู่กับเวลาแสดงให้เห็นว่าเมื่อเวลาผ่านไปนานพอ การรบกวนที่มีระยะห่างสั้นๆ จะลดลง ในขณะที่การรบกวนในระยะกลางจะเติบโตและครอบงำภูมิทัศน์^{[ 4 ]}

มีการสังเกตพบ แถบตะกอนหรือดินตะกอน ธาร น้ำแข็งอยู่ใต้แผ่นน้ำแข็งแอนตาร์กติกา เชื่อกันว่าเกิดจากการก่อตัวของเลนส์น้ำแข็งในเศษซาก ในบริเวณธารน้ำแข็งที่ไหลเร็ว แผ่นน้ำแข็งจะเลื่อนไปบนตะกอนที่อิ่มตัวด้วยน้ำ (ดินตะกอนธารน้ำแข็ง) หรือลอยอยู่บนชั้นน้ำ ดินตะกอนและน้ำทำหน้าที่ลดแรงเสียดทานระหว่างฐานของแผ่นน้ำแข็งกับหินฐาน น้ำใต้ธารน้ำแข็งเหล่านี้มาจากน้ำผิวดินที่ระบายออกตามฤดูกาลจากการละลายที่ผิวน้ำ รวมถึงการละลายที่ฐานของแผ่นน้ำแข็งด้วย^{[ 5 ]}

การเติบโตของเลนส์น้ำแข็งภายในหินฐานใต้ธารน้ำแข็งคาดว่าจะเกิดขึ้นในช่วงฤดูร้อนเมื่อมีน้ำเพียงพอที่ฐานของธารน้ำแข็ง เลนส์น้ำแข็งจะก่อตัวขึ้นภายในหินฐาน สะสมตัวจนกระทั่งหินอ่อนแอลงมากพอที่จะแตกหรือหลุดออก ชั้นหินตามแนวรอยต่อระหว่างธารน้ำแข็งกับหินฐานจะหลุดออก ทำให้เกิดตะกอนจำนวนมากในบริเวณฐานของธารน้ำแข็งเหล่านี้ เนื่องจากอัตราการเคลื่อนที่ของธารน้ำแข็งขึ้นอยู่กับลักษณะของน้ำแข็งที่ฐานนี้ การวิจัยจึงยังคงดำเนินต่อไปเพื่อหาปริมาณปรากฏการณ์นี้ให้ดียิ่งขึ้น^{[ 6 ]}

เงื่อนไขพื้นฐานสำหรับการแยกตัวของน้ำแข็งและการยกตัวของน้ำแข็งคือการมีอยู่ของบริเวณในดินหรือหินพรุนซึ่งมีความซึมผ่านได้ค่อนข้างสูง อยู่ในช่วงอุณหภูมิที่เอื้อต่อการอยู่ร่วมกันของน้ำแข็งและน้ำ (ในสถานะละลายก่อน) และมีการไล่ระดับอุณหภูมิข้ามบริเวณ^{[ 7 ]}

ปรากฏการณ์สำคัญในการทำความเข้าใจการแยกตัวของน้ำแข็งในดินหรือหินพรุน (เรียกอีกอย่างว่าเลนส์น้ำแข็งเนื่องจากรูปร่างของมัน) คือการละลายก่อนกำหนด ซึ่งเป็นการเกิดฟิล์มของเหลวบนพื้นผิวและรอยต่อที่อุณหภูมิต่ำกว่าอุณหภูมิหลอมเหลวของวัสดุอย่างมาก คำว่าการละลายก่อนกำหนดใช้เพื่ออธิบายการลดลงของอุณหภูมิหลอมเหลว (ต่ำกว่า 0 °C) ซึ่งเป็นผลมาจากความโค้งของพื้นผิวของตัวกลางพรุนที่กักเก็บน้ำไว้ ( ปรากฏการณ์กิบส์-ทอมสัน ) น้ำที่ละลายก่อนกำหนดจะอยู่เป็นชั้นบางๆ บนพื้นผิวของน้ำแข็ง ภายใต้สภาวะการละลายก่อนกำหนด น้ำแข็งและน้ำสามารถอยู่ร่วมกันได้ที่อุณหภูมิต่ำกว่า -10 °C ในตัวกลางพรุน ปรากฏการณ์กิบส์-ทอมสันส่งผลให้น้ำเคลื่อนที่ลงตามความชันของอุณหภูมิ (จากอุณหภูมิสูงไปยังอุณหภูมิต่ำ) แดชกล่าวว่า "...วัสดุถูกพาไปยังบริเวณที่เย็นกว่า..." สิ่งนี้สามารถมองได้ในเชิงพลังงานว่าเป็นการส่งเสริมอนุภาคน้ำแข็งขนาดใหญ่มากกว่าอนุภาคขนาดเล็ก (การเจริญเติบโตของออสท์ วาลด์ ) ดังนั้น เมื่อมีสภาวะที่เอื้อต่อการแยกตัวของน้ำแข็ง (การก่อตัวของเลนส์น้ำแข็ง) น้ำจะไหลไปยังน้ำแข็งที่แยกตัวและแข็งตัวบนพื้นผิว ทำให้ชั้นน้ำแข็งที่แยกตัวหนาขึ้น^{[ 7 ]}

สามารถพัฒนาแบบจำลองเชิงวิเคราะห์โดยใช้หลักการเหล่านี้ได้ โดยแบบจำลองเหล่านี้สามารถทำนายลักษณะต่างๆ ดังต่อไปนี้ ซึ่งสอดคล้องกับการสังเกตการณ์ภาคสนาม:

• น้ำแข็งก่อตัวเป็นชั้นๆ ซึ่งขนานกับพื้นผิวด้านบน^{[ 2 ]}
• น้ำแข็งเริ่มก่อตัวโดยมีรอยแตกขนาดเล็กขนานกับพื้นผิว เมื่อน้ำแข็งสะสมตัว ชั้นน้ำแข็งจะเติบโตออกไปด้านนอกในลักษณะที่มักเรียกว่าเลนส์น้ำแข็งขนานกับพื้นผิว^{[ 2 ]}
• น้ำแข็งจะก่อตัวในหินที่น้ำสามารถซึมผ่านได้ในลักษณะเดียวกับที่ก่อตัวในดิน^{[ 2 ]}
• หากชั้นน้ำแข็งเกิดจากการเย็นตัวจากทิศทางเดียว (เช่น ด้านบน) รอยแตกมักจะอยู่ใกล้พื้นผิว (เช่น 1–2 ซม. ในชอล์ก) หากชั้นน้ำแข็งเกิดจากการแข็งตัวจากทั้งสองด้าน (เช่น ด้านบนและด้านล่าง) รอยแตกมักจะอยู่ลึกกว่า (เช่น 2–3.5 ซม. ในชอล์ก) ^{[ 2 ]}
• น้ำแข็งก่อตัวอย่างรวดเร็วเมื่อมีของเหลวพร้อมใช้งาน เมื่อมีของเหลวพร้อมใช้งาน น้ำแข็งที่แยกตัวออกมา (เลนส์น้ำแข็ง) จะเติบโตขนานกับพื้นผิวที่เย็นที่สัมผัส มันจะเติบโตอย่างรวดเร็วจนกระทั่งความร้อนที่ปลดปล่อยออกมาจากการแข็งตัวทำให้ขอบเลนส์น้ำแข็งอุ่นขึ้น ลดความแตกต่างของอุณหภูมิและควบคุมอัตราการแยกตัวของน้ำแข็งต่อไป ภายใต้เงื่อนไขเหล่านี้ น้ำแข็งจะเติบโตเป็นชั้นเดียวซึ่งหนาขึ้นเรื่อยๆ พื้นผิวจะถูกเคลื่อนย้ายและดินจะถูกจัดวางใหม่หรือหินจะแตก^{[ 8 ]}
• น้ำแข็งจะก่อตัวในรูปแบบที่แตกต่างกันเมื่อมีของเหลวน้อยลง เมื่อไม่มีของเหลวเพียงพอ น้ำแข็งที่แยกตัวออกมา (เลนส์น้ำแข็ง) จะเติบโตช้าลงความร้อนที่ปลดปล่อยออกมาจากการแข็งตัวไม่สามารถทำให้ขอบเลนส์น้ำแข็งอุ่นขึ้นได้ ดังนั้นพื้นที่ที่น้ำแพร่กระจายจึงยังคงเย็นลงเรื่อยๆ จนกระทั่งเกิดชั้นน้ำแข็งที่แยกตัวออกมาอีกชั้นหนึ่งใต้ชั้นแรก ด้วยสภาพอากาศหนาวเย็นต่อเนื่อง กระบวนการนี้สามารถเกิดขึ้นซ้ำได้ ทำให้เกิดชั้นน้ำแข็งหลายชั้น (เลนส์น้ำแข็ง) ซึ่งขนานกับพื้นผิวทั้งหมด การก่อตัวของหลายชั้น (เลนส์หลายอัน) ทำให้เกิดความเสียหายจากน้ำแข็งที่กว้างขวางมากขึ้นภายในหินหรือดิน^{[ 8 ]}
• ภายใต้เงื่อนไขบางประการ น้ำแข็งจะไม่ก่อตัวขึ้น เมื่อมีแรงกดทับสูงขึ้นและที่อุณหภูมิพื้นผิวค่อนข้างอุ่น การแยกตัวของน้ำแข็งจะไม่เกิดขึ้น ของเหลวที่มีอยู่จะแข็งตัวภายในช่องว่างของรูพรุน โดยไม่มีการแยกตัวของน้ำแข็งในปริมาณมาก และไม่มีการเสียรูปของพื้นผิวหรือความเสียหายจากน้ำแข็งที่วัดได้^{[ 8 ]}

โดยทั่วไปแล้วหินจะมีรูพรุนที่มีขนาดและรูปร่างแตกต่างกัน ไม่ว่าจะมีต้นกำเนิดหรือตำแหน่งใดก็ตาม ช่องว่างในหินนั้นโดยพื้นฐานแล้วคือรอยแตกเล็กๆ และทำหน้าที่เป็นจุดเริ่มต้นที่รอยแตกสามารถขยายตัวได้หากหินอยู่ในสภาวะตึงเครียด หากน้ำแข็งสะสมอยู่ในรูพรุนอย่างไม่สมมาตร น้ำแข็งจะทำให้หินอยู่ในสภาวะตึงเครียดในระนาบที่ตั้งฉากกับทิศทางการสะสมของน้ำแข็ง ดังนั้นหินจะแตกตามระนาบที่ตั้งฉากกับทิศทางการสะสมของน้ำแข็ง ซึ่งโดยพื้นฐานแล้วขนานกับพื้นผิว^{[ 9 ]}

Walder และ Hallet ได้พัฒนาแบบจำลองที่ทำนายตำแหน่งและอัตราการเติบโตของรอยแตกในหินที่สอดคล้องกับรอยแตกที่สังเกตได้จริงในภาคสนาม แบบจำลองของพวกเขาทำนายว่าหินอ่อนและหินแกรนิตจะเกิดรอยแตกได้ดีที่สุดเมื่ออุณหภูมิอยู่ในช่วง −4 °C ถึง −15 °C ในช่วงนี้ หินแกรนิตอาจเกิดรอยแตกที่ล้อมรอบน้ำแข็งที่มีความยาว 3 เมตรภายในหนึ่งปี เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น น้ำแข็งที่เกิดขึ้นจะไม่สร้างแรงดันมากพอที่จะทำให้รอยแตกขยายตัว เมื่ออุณหภูมิต่ำกว่าช่วงนี้ น้ำจะเคลื่อนที่ได้น้อยลงและรอยแตกจะเติบโตช้าลง^{[ 9 ]}

มูตรอนยืนยันว่าน้ำแข็งเริ่มก่อตัวในรูพรุนและสร้างรอยแตกขนาดเล็กขนานกับพื้นผิว เมื่อน้ำแข็งสะสมตัว ชั้นน้ำแข็งจะเติบโตออกไปด้านนอกในลักษณะที่มักเรียกว่าเลนส์น้ำแข็งขนานกับพื้นผิว น้ำแข็งจะก่อตัวในหินที่น้ำซึมผ่านได้ในลักษณะเดียวกับที่ก่อตัวในดิน หากชั้นน้ำแข็งเกิดจากการเย็นตัวจากทิศทางเดียว (เช่น ด้านบน) รอยแตกของหินมักจะอยู่ใกล้กับพื้นผิว (เช่น 1–2 ซม. ในชอล์ก) หากชั้นน้ำแข็งเกิดจากการแข็งตัวจากทั้งสองด้าน (เช่น ด้านบนและด้านล่าง) รอยแตกของหินมักจะอยู่ลึกกว่า (เช่น 2–3.5 ซม. ในชอล์ก) ^{[ 2 ]}