Loess är en utbredd, vindtransporterad, siltdominerad geologisk deposition som täcker cirka 10 procent av jordens markyta. Miljontals människor bor i hem, arbetar på företag och använder vägar, järnvägar och flygplatser byggda på löss., Loess är också modermaterialet i världens mest produktiva jordbruksmark. Eftersom loess deponeras från atmosfären ger det ett viktigt geologiskt arkiv av tidigare atmosfärisk cirkulation som kan användas för att testa atmosfäriska cirkulationsmodeller (Mahowald et al. 2006). Luftburet damm, varav siltstorlekspartiklar är en viktig komponent, påverkar också klimatet genom sin roll i strålningsöverföringsprocesser och genom att transportera mineralnäringsämnen till oceanerna, vilket påverkar primärproduktiviteten och kolcykeln (Ridgwell 2002, Jickells et al. 2005)., Loessavlagringar bildas där damm ackumuleras tillräckligt snabbt för att bilda ett distinkt siltrikt lager som begraver jordar eller andra geologiska material. En mängd olika geologiska, klimat-och biotiska faktorer interagerar för att bilda siltstora partiklar, mobilisera och transportera silt från en källa och låta den ackumuleras på landskapet.
Siltpartiklar är mellan 2-50µm (0.002–0.05 mm) i storlek, mellanliggande mellan mikroskopiska lerstorlekspartiklar (sand (0.05-2mm) (Figur 1)., Glacial slipning är mycket effektiv på att producera silt – storlek partiklar, som är införlivade i till, omarbetas av smältvatten och släpps ut i glaciärmatade strömmar som ”glacial mjöl” och deponeras på outwash slätter innan de fångas och deponeras av vind. Loess deposition pågår i delar av Alaska, Nya Zeeland, Island och andra områden där floder bär silt-rika smältvatten från dagens glaciärer., Den geografiska närheten av många av världens stora löss insättningar till marginaler av tidigare kontinentala istäcken och floderna som dränerade dem, liksom sammanträffandet av åldern av löss insättningar med förskott och reträtt av istäcken under den senaste istiden, förstärka kopplingen av glacial slipning med silt produktion och löss bildning.
ett antal andra siltproducerande mekanismer, såsom frost splittring, comminution under transport i strömmar och på sluttningar, eolisk nötning och salt väder, har föreslagits för att redogöra för loess insättningar som inträffar nära torra eller halvtorra regioner där glaciärer inte har funnits (Derbyshire et al. 1998, Wright m.fl. 1998, Wright, 2001, Whalley m.fl., 1982). Nyligen genomförda studier har dock visat att de flesta av de silt som utgör löss insättningar i samband med dessa ”öken” källor förmodligen bildas i mer avlägsna glacial miljöer eller eroderades från silty berggrund outcropping i de torra regionerna (Muhs & Bettis 2003).,
mobilisering, Transport och avsättning av Silt med vind
Deflation, lyft och avlägsnande av partiklar från en yta av vinden, kan inträffa om tre villkor är uppfyllda: 1) en källa till torrt sediment är tillgänglig, 2) vinden är stark nog att mobilisera partiklarna, och 3) markytan är inte avskärmad från vinden genom vegetation eller andra hinder. Dessa förhållanden styrs av interaktioner mellan geologiska material, atmosfäriska fenomen och biota, inklusive mänskliga handlingar som markröjning., Silt-storlek partiklar är särskilt mottagliga för vinddeflation-de saknar elektrostatisk laddning och affinitet för vatten som gör lera-Storlek partiklar fastnar på ytan, har mindre massa, och är därför lättare att avbryta i vind än sandpartiklar.
det finns många potentiella källor för vindtransporterad silt eftersom siltstorlekspartiklar är allestädes närvarande i markbundna miljöer., Siltpartiklar är lätt tillgängliga längs strömmar som dränerar glaciärer och i torra intermountain bassänger där silt bildas i avlägsna alpina glacial miljöer och transporteras av strömmar till dessa bassänger exponeras när sjöar och dammar torkar upp (Kapp et al. 2011). Hällar av silty berggrund kan också fungera som källor för vindblåst silt, förutsatt att de ingående siltkornen kan mobiliseras (Muhs et al. 2008). Med tillkomsten av storskalig markröjning och säsongsodling har jordbrukslandskap också blivit viktiga källor till silt (Tegan et al. 1996).,
vind är drivkraften bakom Eoliska (vindrelaterade) processer. Entrainment av silt och lera kräver en starkare vind än vad som krävs för att börja rörelsen av sand (vätsketröskeln i Figur 2). I själva verket ökar energi från effekterna av saltande sandkorn som rör sig vid lägre vindhastigheter kraftigt inlindningen av silt och lera. Saltande sandkorn påverkar ytan och matar ut silt och lerpartiklar som annars skulle vara svåra att begränsa på grund av deras sammanhängande natur och låg profil mot vinden., När de väl har kastats ut, transporteras silt-och lerpartiklar i atmosfären av turbulenta virvlar där de rör sig nedvind i suspension, ibland under längre tidsperioder. Silt och lerpartiklar förblir suspenderade i atmosfären tills 1) vindhastigheten sjunker under partiklarnas sedimenteringshastighet, 2) elektrostatisk bindning av partiklarna producerar aggregat med tillräcklig sedimenteringshastighet för att falla, eller 3) dammpartiklar eller aggregat blir införlivade i regn eller snöfall (Pye 1995).,
flera faktorer påverkar hur stark vinden blåser över ytan av marken och därmed hur mycket silt (om någon) kommer att mobiliseras. Partiklar eller skräp som är för stora för att vinden ska röra sig bildar en immobil ”rustning” som skyddar underliggande korn från vinden och hindrar dem från att bli intrained. Växter, staket och byggnader som stiger över markytan, liksom brant sluttande raster i landskapet, påverkar vindens hastighet och turbulens., Dessa så kallade ”grovhetselement” styr höjden ovanför markytan där vindens horisontella hastighet är för låg för att mobilisera partiklar (”grovhetshöjden”). Vegetationskåpan undertrycker sålunda sandrörelsen och silt-entrainment genom att hålla grovhetshöjden ovanför markytan och genom att armera ytan med växtskräp (Figur 3). När vegetationsskyddet ökar är mindre Bar yta tillgänglig för silt entrainment., Vegetation och andra grovhetselement främjar också avsättning av vindtransporterade partiklar när den del av den vertikala vindprofilen som påverkas av dem sjunker under stöttröskeln. Den grad i vilken vegetation eller andra grovheter främjar nedfall kallas ”fångst effektivitet”. I allmänhet har hög och/eller tät vegetation en större fångst effektivitet än kort eller spridda vegetation., Topografiska egenskaper, såsom snidade ström dalar, berggrund brant sluttningar, eller andra hinder, kan också fälla saltande sandpartiklar och därigenom främja ansamling av loess på deras leeward sida (Mason et al. 1999).
The Loess Depositional System
produktionen, entrainment och deponering av loess involverar interaktioner mellan litosfären, atmosfären och biosfären som slutligen styrs av klimatet. Kalla förhållanden med tillräcklig fukt för att stödja våtbaserade glaciärer ger ”fabrikerna” för siltproduktion samt utvattenströmmarna för att transportera sand, silt och lera till platser där infångning av vinden kan uppstå., Det måste finnas tillräckligt torra förhållanden i deflationsområdet för att sand ska saltas och påverka ytan så att silt och lerpartiklar kan kastas ut i vinden. Vind kan inte medföra mineralpartiklar från en fuktig yta eftersom vindkraften inte kan överstiga ytspänningen av vatten mellan partiklarna. En bar yta med en fukthalt på endast några procent är mycket svår för vinden att erodera., Långvariga torra förhållanden leder till mindre tät vegetation, mer sandrörelse och ökar i mängden silt och lera som släpps ut i atmosfären så länge som tillräcklig sand, silt och lera finns på ytan. Å andra sidan kommer topografiska barriärer eller bioklimatiska faktorer som minskar sandrörelsen att minska mängden silt och lera som kommer in i atmosfären på den platsen men öka ackumuleringen av silt och lera från vindkällor. När loess depositional området expanderar, platser upplever saltande aktivitet shift upwind., Om bioklimatiska förhållanden ändras till den punkt där saltation inte längre är en stor aktiv process i källområdet upphör signifikant dammgenerering och loess-deponering.
eftersom silt-och lerpartiklar suspenderas i atmosfären av turbulenta virvlar kan de transporteras långt från sitt källområde innan de ackumuleras som löss. Graden av stoftavsättning och tjockleken på den resulterande loessavsättningen är störst nära källan och minskar med avstånd (Figur 4)., Andra egenskaper hos loess, såsom Genomsnittlig kornstorlek, lerinnehåll och mineralogisk komposition kan också variera systematiskt Med avstånd från källan (Figur 5, Muhs et al. 2008). Dessa variationer ger fysiska och kemiska mönster på lösslandskap som påverkar jorderosion, lutningsstabilitet, vattenhållningskapacitet och andra viktiga egenskaper.,
exempel
exempel från modern Alaska och från den sista glacial perioden i den amerikanska Mellanvästern illustrerar arbetet med två loess depositionssystem-en direkt knuten till glaciärer och en sekund kopplad till torra förhållanden i ett källområde. Täta kraftiga vindar i den nedre delen av centrala Alaskas Delta River valley resulterar i damm stormar och nedfall av modern loess. Flera dal glaciärer som ger silt-laden outwash utsatt för starka vindar som torkar flätan slätten under lågflödesperioder matar floden., Sand saltning över den exponerade och vegetationsfria flätan slätt sprutar silt och lerpartiklar, som sveps in i luften av turbulenta virvlar (Figur 6). Downwind vegetation fällor några av de entrained silt och lera som damm beläggningar på blad, stjälkar, stammar, och markytan. Fångst är särskilt effektiv när vegetationen är fuktig med dagg eller frost. Löss som har ackumulerats under de senaste tusen åren på båda sidor av dalen ger ett långsiktigt perspektiv på löss ackumuleringsprocessen., Lössen tunnar sig från flera meter i tjocklek på bluffar i barrskogen bredvid floden till mindre än en meter i en liknande skog flera kilometer nervind. På närliggande trädlinjeplatser är lössen betydligt tunnare eftersom vegetationen är lägre och öppnare med en mycket lägre fångsteffektivitet än i barrskogen.
ett stort område med tjock lastglacial loess gränsar plötsligt den sydöstra marginalen av Nebraska Sand Hills, som var den största aktiva dune fältet i Nordamerika under den senaste istiden, och så nyligen som 1500 år sedan (Figur 4)., Kompositionsstudier av loess indikerar att siltstone outcrops nordväst om Sand Hills var källan till loess (Muhs et al. 2008). En modell som föreslås för att förklara dessa löss tjocklek och sammansättning relationer är att kalla, torra sista-glacial klimatförhållanden i övre Mellanvästern främjas glesa vegetationsskydd och frys tina cykler som resulterade i idealiska förhållanden för sand rörelse och vind erosion av den exponerade siltsten., Silt och lerpartiklar som trängdes in i källområdet blåstes i sydost in i det aktiva Sand Hills dune-fältet där saltande sand åter förankrade någon sedimenterande silt och lera. Silt och clay fortsatte att flytta över och genom Sand Hills tills saltande sand föll ut ur systemet vid floddalar och andra topografiska hinder längs sydöstra marginalen av dune field (Mason 2001)., Med effekten av saltande sand inte längre agerar för att åter avbryta silt och lera och med fortsatt indragning och transport av silt från vind, tjock loess ackumuleras på landskapet sydost om sand kullar (Figur 7).
sammanfattning
Loess sedimentära system drivs av klimat-och landskapsprocesser och förhållanden som producerar siltpartiklar, innesluter och transporterar partiklarna från källområden och främjar tillräcklig siltackumulering nedvind av entrainmentområdet för att bilda en loess deposition. Torra källområden med glesa vegetationsskydd möjliggör sandsaltation och ballistisk entrainment av siltpartiklar, processer som förbättrar siltdeflation och transport., Omvänt, ytor där löss ackumuleras i allmänhet saknar saltande sand och måste ha skydd från vinden, som kan tillhandahållas av vegetation, topografiska barriärer, eller andra förhållanden som minskar vindhastigheten.