土壤及其他胶体材料中的冰透镜形成与几何过冷

我们提出了一个在土壤和其他致密颗粒悬浮液冻结过程中冰透镜形成和生长的、具有物理直观性的新模型。受实验证据的启发，我们考虑了冻结土壤中充满冰的裂缝的生长。在低温下，裂缝中的冰对裂缝壁施加巨大压力，最终导致裂缝裂开。我们表明，裂缝随后会穿过土壤传播，形成新的透镜。该过程受两个因素控制：土壤的内聚力，以及土壤中水的几何过冷——这是一个新引入的概念，用于衡量形成新冰透镜可用的能量。当过冷超过临界量（与土壤的内聚强度成正比）时，就会形成新的冰透镜。这种冰透镜形成和生长的条件不依赖于任何特设的、经验性的假设，并解释了无论是否存在冻结缘，周期性冰透镜如何形成。所提出的机制与实验吻合良好，特别是解释了冰透镜图案的形成，以及与新生透镜生长相关的冻胀速率激增。重要的是，对于没有冻结缘的系统，仅根据土壤的未冻结性质即可预测冰透镜的形成和冻胀。我们利用我们的理论估计了冰透镜生长温度，与目前有限的实验数据获得了定量一致。最后，我们提出了可能进行的实验，以便更详细地验证这一理论。该理论可推广到复杂的自然土壤情景，因此应有助于预测宏观冻胀速率。