Hostname: page-component-74656f9884-54qdv Total loading time: 0 Render date: 2026-11-10T08:23:27.071Z Has data issue: false hasContentIssue false

A Model for Sorted Patterned-Ground Regularity

Published online by Cambridge University Press:  20 January 2017

R. J. Ray
Affiliation:
Department of Chemical Engineering, University of Colorado, Boulder, Colorado 80309, U.S.A.
W. B. Krantz
Affiliation:
Department of Chemical Engineering, University of Colorado, Boulder, Colorado 80309, U.S.A.
T. N. Caine
Affiliation:
Institute of Arctic and Alpine Research, and Department of Geography, University of Colorado, Boulder, Colorado 80309, U.S.A.
R. D. Gunn
Affiliation:
Department of Chemical Engineering, University of Wyoming, Laramie, Wyoming 82071, U.S.A.
Rights & Permissions [Opens in a new window]

Abstract

Sorted patterned ground refers to polygons, nets, or stripes defined by rocky borders which are the result of sorting in soil subjected to frost action. This paper presents a model in which convection cells, driven by unstable density stratification in the aqueous phase, result in uneven melting of the underlying ice front during thawing. The resulting undulatory ice front with regularly spaced peaks and troughs provides the pattern which results in the regularity observed for certain types of patterned ground. In addition, the model predicts the width to depth-of-sorting ratio for both polygons and stripes, and explains the characteristic hexagonal shape of sorted polygons, the transition from sorted polygons to sorted stripes on sloped terrain, and the formation of sorted polygons under water. The predicted ratio of width to depth-of-sorting of 3.81 for sorted polygons is compared with the ratio of width to depth-of-sorting of 3.57 found from a linear regression analysis of 18 field study data.

Résumé

Résumé

Les sols à réseaux d’éléments triés forment des polygones, des réseaux ou des rubans délimités par des limites de pierres qui sont le résultat du trie dans les sols sujets à l’action du gel. Cet article présente un modèle dans lequel des cellules de convection produites par une stratification instable par densité en phase aqueuse, provoque une fusion inégale du front de glace sous-jacent pendant la période de fusion. Le front de glace ondulant qui en résulte avec des pics et des creux régulièrement espacés produit le mogif régulier observé dans certains types de sols à réseaux. De plus, le modéle prévoit le rapport entre la largeur et la profondeur de tri à la fois pour les polygones et les bandes, et explique la forme hexagonale caractéristique des polygones triés, la transition entre les polygones triés et les bandes triées sur les terrains en pente, ainsi que la formation sous l’eau de polygones triés. Le rapport prévu de 3,81 entre la largeur et la profondeur de tri pour les polygones triés est comparée avec le rapport de 3,57 entre la largeur et la profondeur de tri trouvées d’une analyse par régression linéaire de 18 données d’études sur le terrain.

Zusammenfassung

Zusammenfassung

Unter sortierten Musterböden sind Polygone, Netzwerke oder Streifen, markiert durch Säume groben Gerölls, die durch Frostsortierung im Boden gebildet werden, zu verstehen. Diese Arbeit entwickelt ein Modell, in dem Konvektionszellen, hervorgerufen durch eine instabile Dichteschichtung in der Auftauphase, zu ungleichmässigem Schmelzen der Permafroststirn während der jahreszeitlichen Tauperiode führen. Die daraus resultierende gewellte Eisstirn mit regelmässig angeordneten Wällen und Trögen liefert das Muster, woraus die Regelmässigkeit entsteht, die bei bestimmten Typen von Musterböden zu beobachten ist. Ausserdem sagt das Modell das Verhältnis zwischen Weite und Tiefe der Sortierung sowohl für Polygone wie für Streifen voraus und erklärt die charakteristische hexagonale Form der Sortierten Polygone, den Übergang von sortierten Polygonen zu sortierten Streifen auf geneigtem Gelände und die Bildung von sortierten Polygonen unter Wasser. Das vorhergesagte Verhältnis von 3,81 zwischen Weite und Tiefe der Sortierung bei Polygonen wird mit dem entsprechenden Verhältnis von 3,57 verglichen, das sich aus einer linearen Regressionsanalyse der Daten von 18 Feldstudien ergab.

Information

Type
Research Article
Copyright
Copyright © International Glaciological Society 1983
Figure 0

Fig. 1. Relict sorted polygon, Arapaho Pass, Front Range of Colorado. Polygon is approximately 3 m across.

Figure 1

Fig. 2. Photograph of hexagonal, diurnal sorted polygons.

Figure 2

Fig. 3. Schematic of saturated porous media used to model the active layer. The 277 K isotherm is shown at the surface for convenience.

Figure 3

Fig. 4. Two-dimensional cross-section of hexagonal Rayleigh convection cells in the active layer. Note the resulting uneven melting of the permafrost front.

Figure 4

Fig. 5. Schematic of the two possible hexagonal convection cell configurations: flow up in the center (a) and up in the border (b).

Figure 5

Fig. 6. Wave-number versus Rayleigh number for the boundary conditions corresponding to a free upper surface maintained at constant temperature. Critical Rayleigh number is 27.1, critical wave-number is 2.33.

Figure 6

Fig. 7. Typical trench across border of sorted polygons. Stretched tape shows undisturbed ground level.

Figure 7

Table I. Field study data for sorted polygons

Figure 8

Fig. 8. Characteristic width versus depth of sorting for sorted polygons. The dark points are diurnal sorted polygons.

Figure 9

Fig. 9. Wave-number versus depth for sorted polygons and Rayleigh convection cells. Rayleigh convection theory predictions are included. The dark points are diurnal sorted polygons.

Figure 10

Fig. 10. Schematic of two-dimensional cross-section of Rayleigh convection cells in a diurnal active layer in the center of a large sorted polygon.

Figure 11

Fig. 11. Underwater sorted polygons, Snowy Range of Wyoming. Polygons are approximately 0.8 m wide.