Геологические истоки реки Ниагара

Река Ниагара вышла из окончательного отступления Лёдного щита Лорантида примерно 12 000 лет назад. Когда ледники отступили через бассейн Великих озер, огромные объемы талой воды вырезали новые дренажные пути. Один из этих путей следовал за доледниковой рекой, которая была заполнена и похоронена ледниковым дождем. Таяние воды прочесывало эту зарытую долину, образуя современный канал реки Ниагара. Река течет из западного конца озера Эри около Буффало, Нью-Йорк и Форт Эри, Онтарио, примерно на 35 миль, прежде чем опустеть в озеро Онтарио около Ниагара-на-озере. Падение высоты между двумя озерами составляет около 325 футов, и примерно половина этой капли происходит только на Ниагарском водопаде. Этот градиент создает мощный поток, который привел к резкому изменению ландшафта на протяжении тысячелетий.

Основу региона составляют осадочные слои, отложенные в древних морях между 400 и 450 миллионами лет назад. Наиболее значительным из этих слоев для реки Ниагара является Локпорт Долостон, твердый, устойчивый капрок, который образует гребень водопада. Под Локпорт Долостоун лежат более слабые, более эрозивные сланцы и песчаники, включая Рочестерский сланец и песчаник Гримсби. Это расположение твердой породы над мягкой скалой делает эрозивное поведение реки & #8217 таким отличительным и что в конечном итоге производит крутой, рецессионный облик Ниагарского водопада.

Механика эрозии вдоль реки

Река Ниагара несет существенную нагрузку на осадок, особенно во время весеннего стока и штормовых событий. Эти взвешенные частицы действуют как абразивы, измельчая русло реки и берега, когда вода движется вниз по течению. Со временем эта механическая истирание углубляет и расширяет канал. Поток реки & #8217 неоднороден; он ускоряется через суженные участки и замедляется в более широких пределах, создавая зоны высокого эрозионного потенциала и зоны осаждения. Наиболее интенсивная эрозия происходит в порогах непосредственно вверх по течению водопада и в бассейне погружения у основания катаракты.

Процесс подрезания приводит к отступлению Ниагарского водопада. Вода течет по стойкому Локпортскому долостонскому капроку, забивая под собой более слабый Рочестерский сланец. Сланец быстрее размывается, образуя полость за падающей водой. Когда неподдерживаемый капрок теряет фундамент, блоки долостонового трещины и падают в ущелье внизу. Этот процесс повторяется непрерывно, заставляя водопады мигрировать вверх по течению. С конца последнего оледенения Ниагарский водопад отступил примерно на 7 миль от своего первоначального положения вблизи откоса в Квинстоне. Средняя скорость отступления составила около 1 фута в год, хотя современные меры регулирования потока резко замедлили это.

Роль Ниагарского откоса

Ниагарский откос является видной геологической особенностью, которая простирается от Нью-Йорка через Онтарио, Мичиган, Висконсин и в Иллинойс. Откос формируется дифференциальной эрозией тех же осадочных слоев пород, которые лежат в основе водопада. Устойчивый Локпорт Долостон образует капрок на вершине откоса, в то время как более слабые сланцы ниже разрушаются быстрее, создавая крутую, похожую на скалу поверхность. До того, как река Ниагара существовала, откос был уже значительной топографической особенностью. Когда ледниковая талая вода начала течь по откосу, река приняла эту ранее существовавшую геологическую слабость в качестве своего основного дренажного пути. Откос по существу диктовал, где водопады будут формироваться и продолжают влиять на поведение реки & #8217 сегодня.

Дифференциальная эрозия коренного

Не все слои породы вдоль реки Ниагара эродируют с одинаковой скоростью. Локпортский долостон очень устойчив к химическому выветриванию и физическому истиранию, из-за чего образует обод водопадов и верхние уступы ущелья. Под ним Рочестерский сланец относительно мягкий и содержит глиняные минералы, которые расширяются при влажном, ускоряя процесс разрушения. Песчаник Гримсби умеренно устойчив, но содержит слабые плоскости постельного белья, где вода может проникать и вызывать разделение плит. Ниже этих образований, таких как Квинстонский сланец, еще более эродируемы. Это наслоение создает ступенчатый профиль, видимый в стенах ущелья, с устойчивыми выступами, выступающими над утопленными, более мягкими интервалами. Река эксплуатирует эти различия, подрезая более слабые слои, в то время как более жесткие слои остаются видными скамьями.

Ниагарский водопад: центральная форма суши

Ниагарский водопад является наиболее заметным выражением эрозионной силы реки. Падения на самом деле представляют собой три отдельных каскада: водопад подковы, американский водопад и водопады Бридальной вуали. Водопад подковы, расположенный в основном на канадской стороне, несет примерно 90% потока реки и #8217; на гребне реки около 2200 футов. Американский водопад, на нью-йоркской стороне, несет оставшиеся 10% и составляет около 830 футов в ширину. Небольшой остров, остров Луна, отделяет Американский водопад от водопадов Бридальной вуали. Вертикальное падение составляет примерно 170 футов у водопадов Подковы и 70-100 футов у американского водопада, в зависимости от объема каменных талу в основании.

Бассейн для погружения у основания водопада Лошади глубиной около 100 футов прочищен постоянным воздействием падающей воды и транспортируемого мусора. Валуны Локпортского Долостона, упавшие с гребня, накапливаются в бассейне для погружения и вдоль основания стен ущелья. Со временем эти валуны разрушаются ударом о пол бассейна и истиранием от подвесного осадка. Бассейн для погружения действует как осадочная ловушка, захватывая грубый материал, прежде чем его можно будет транспортировать дальше вниз по течению. Бассейн продолжает углубляться по мере отступления падений, хотя скорость углубления ограничена силой подстилающей породы и объемом накопления талуса.

Отступление от водопадов

Исторические записи и геологические исследования документируют устойчивое отступление Ниагарского водопада. Наблюдения, сделанные за последние два столетия, показывают, что гребень Подковы отступил вверх по течению между 150 и 200 футами с начала 1800-х годов. До начала мер по контролю за потоком в 1950-х годах средняя скорость отступления составляла примерно от 3 до 5 футов в год у водопадов Подковы. Американский водопад отступает гораздо медленнее, возможно, на 3 дюйма в год, потому что поток более мелкий и структура породы различна. В 1969 году Инженерный корпус армии США обезвожил Американский водопад, чтобы изучить накопление талуса и рассмотреть вопрос об удалении рыхлой породы, но в конечном итоге куча камней осталась на месте, потому что удаление изменило бы внешний вид и потенциально дестабилизировало бы скалу.

Отступление создало Ниагарское ущелье, крутой речной каньон, который простирается от водопадов вверх по течению до края откоса. Ущелье имеет длину около 7 миль и глубину до 300 футов в местах. Поскольку водопады отступили, они оставили после себя ущелье, которое змеи по ландшафту. Путь ущелья не прямой; он изгибается и изгибается, когда водопады реагируют на изменения твердости породы и стыковочных узоров в скале. Ущелье Верхнего бассейна и Ниагарский водоворот являются особенностями в ущелье, которое сформировалось, когда водопад отступил через древний, погребенный речной канал, заполненный ледниковыми обломками.

Ниагарское ущелье

Ниагарское ущелье - это драматическая особенность ландшафта, вырезанная рекой, когда водопады мигрировали вверх по течению. Ущелье начинается у основания Ниагарского откоса около Квинстона, Онтарио и Льюистона, Нью-Йорк, и простирается на 7 миль вверх по течению до нынешнего положения водопадов. Стены ущелья обнажают полную последовательность силурийских и ордовикских осадочных пород, обеспечивая поперечное сечение региона & #8217; геологическая история. Посетители могут увидеть Локпортский долостон на краю, за которым следуют Рочестерский сланец, Песчаник Гримсби и Квинстонский сланец вблизи уровня реки. Каждый слой записывает отчетливую древнюю среду, от мелководных тропических морей до прибрежных равнин.

Ущелье не является однородной траншеей. Его ширина варьируется от около 200 футов в узких секциях до более 1000 футов в более широких пределах. Самый узкий участок находится на порогах Вирлпула, где река сужается примерно до 100 футов в местах. Это сужение заставляет воду ускоряться до скорости, превышающей 20 миль в час, создавая стоячие волны высотой до 10 футов. Турбулентность здесь является одной из самых экстремальных из любой реки в Северной Америке. Стены ущелья в этом разделе почти вертикальные, с открытыми скальными гранями, которые показывают сложенные и поврежденные слои, свидетельство древних тектонических сил, которые предшествуют самой реке.

Вихрь и погребённый канал

Ниагарский водоворот — любопытная особенность, расположенная примерно в 4 милях вниз по течению от водопадов. Река делает в этой точке резкий поворот на 90 градусов, а водоворот занимает бассейн диаметром примерно 1000 футов. Водоворот образуется потому, что речной поток входит в бассейн из ущелья, циркулирует вокруг бассейна и выходит через узкий выход. Время пребывания воды в водовороте составляет около двух минут, а круговой ток может задерживать плавающие обломки в течение длительных периодов. Глубина водоворота находится примерно в 125 футах ниже поверхности реки, прочесанной стойким вращательным потоком.

Происхождение водоворота относится к зарытому ущелью Святого Давида, древнему речному каналу, предшествовавшему реке Ниагара. Этот канал был перерезан более ранней речной системой в последний межледниковый период и позже был заполнен ледниковой системой и отложениями, когда ледники продвинулись над регионом. Когда Ниагарский водопад отступил, он в конечном итоге пересек этот зарытый канал. Мягкая, неконсолидированная засыпка в древнем канале размывалась гораздо быстрее, чем окружающая порода, создавая резкий поворот и глубокий бассейн, который теперь образует водоворот. Закопанный канал также объясняет необычную ширину и глубину ущелья в этом месте.

Нижние скорости и Великое ущелье

Ниже водоворота река продолжается через нижнюю часть ущелья, известную как Великое ущелье. Этот участок простирается от водоворота до края откоса в Квинстоне. Речный градиент здесь менее крут, чем над водоворотом, но вода все равно течет быстро. Стены Великого ущелья достигают высот 200—300 футов, верхние части состоят из Локпорт-Долостона и нижних секций Квинстон-Шейла. Склоны Талуса выстилают основание стен, образованных скалами, которые падали с обрывных граней на протяжении веков. Растительность колонизировала многие из этих склонов талуса, создавая уникальные экологические ниши, где папоротники, мхи и лиственные деревья процветают в прохладном, влажном микроклимате.

Великое ущелье заканчивается на краю Ниагарского откоса, где река выходит из замкнутого каньона и распространяется в широкую речную долину близ Квинстона. Эта долина образовалась, когда река протекала над откосом на гораздо более высоком возвышении, прежде чем ущелье было полностью вырезано. Переход от замкнутого ущелья к открытой долине резкий, и градиент реки значительно падает, позволяя воде замедлять и откладывать отложения, которые она перенесла из верхнего течения. Эти отложения создали плодородную равнину вдоль нижней реки, поддерживая сельское хозяйство и естественные водно-болотные угодья.

Транспортировка осадков и осаждение

Река Ниагара переносит значительное количество осадка, начиная от мелкого ила и глиняных частиц до песка, гравия и валунов. Состав и объем осадка изменяются в зависимости от условий течения и источника материала. Большая часть мелкого осадка происходит от эрозии сланцевых и глиняных слоев в ущелье. Более грубый осадок, включая гальку и булыжник, происходит от разрушения Локпортского долостона и от ледниковых отложений, которые выстилают берега реки вверх по течению. Во время событий высокого течения река может перемещать валуны диаметром несколько футов, измельчая их друг против друга и против стен коренных каналов.

Нагрузка осадка уменьшается вниз по течению по мере того, как материал отложений реки вдоль границ канала и в более тихих пределах достигает. Участок реки над водопадами относительно осажденный, с песчаными и гравийными брусьями, образующимися вдоль берегов и в устьях притоковых ручьев. Эти бруски являются динамическими особенностями, которые смещают местоположение с изменениями потока. Ниже водопадов ущелье действует как канал отложений, причем большая часть материала движется через высокоэнергетические пороги и оседает только там, где река расширяется и замедляется, например, в бассейне ниже водоворота и в нижней долине.

Плодородные поймы Нижней Ниагары

В низовьях реки, от Квинстона до озера Онтарио, река Ниагара извивается по пойме, которая обитает под богатыми аллювиальными почвами. Эти почвы образуются от осаждения тонких отложений во время сезонных наводнений. Пойма поддерживает сады, виноградники и рядовые культуры, что делает её одной из самых продуктивных сельскохозяйственных областей в регионе. Сочетание хорошо дренированных почв, обильного водоснабжения и сдерживающего влияния озера Онтарио на местные температуры создаёт отличные условия для выращивания. Наличие откоса также обеспечивает защиту от мороза, так как холодный воздух стекает по склону в сторону речной долины.

Человеческая модификация поймы изменила естественные модели наводнений. Проекты по канализации, ченнелингу и стабилизации банков снизили частоту наводнений за пределами берегов, что, в свою очередь, снизило скорость новых осадочных отложений на пойме. Без регулярного пополнения осадков плодородие почвы может со временем снижаться, и фермеры должны в большей степени полагаться на удобрения для поддержания урожайности сельскохозяйственных культур. Экологические сообщества, зависящие от сезонных наводнений, такие как влажные луга и донные леса, также уменьшились в степени. Усилия природоохранных организаций и государственных учреждений направлены на восстановление некоторых естественных функций поймы при защите сельскохозяйственных и жилых земель.

Регулирование потоков воды и его последствия

Поток реки Ниагара в настоящее время тщательно регулируется международным соглашением между Соединенными Штатами и Канадой. Договор о водоотводе реки Ниагара 1950 года определяет минимальные скорости потока в течение дневных часов туристического сезона, с дополнительными потоками, необходимыми в ночное время и в межсезонье. Оставшаяся часть воды реки & #8217 отводится через водозаборные туннели на гидроэлектростанции, эксплуатируемые Нью-Йоркским энергетическим управлением и Энергетической генерацией Онтарио. Эти отводы сократили естественный поток над водопадами на 50-75% в нетуристические часы, значительно изменив гидравлический режим реки & #8217.

Сокращение потока замедлило скорость эрозии и отступления водопадов. При меньшем количестве воды, чтобы управлять процессом вырубки, водопады остаются более стационарными, чем они делали исторически. Однако отвлечение также уменьшает количество осадков, транспортируемых через систему, потенциально влияя на бюджеты осадков ниже по течению и условия среды обитания. Электростанции выпускают воду обратно в реку ниже водопадов, поэтому нижнее ущелье и река ниже по течению Квинстона все еще испытывают высокие потоки, но время и величина этих потоков теперь контролируются графиками выработки электроэнергии, а не естественными осадками и структурами стока.

Влияние на экологию ущелья

Регулирование стока оказало измеримое воздействие на экологию ущелья и нижней реки. Снижение природных импульсов паводков снизило частоту волнений, которые поддерживают раннепрецедентную среду обитания вдоль окраин реки. Уменьшились некоторые виды растений, зависящие от периодического очиста и осаждения осадков. В то же время постоянные потоки в течение туристического сезона создают стабильные уровни воды, поддерживающие рекреационное использование, включая лодочные экскурсии и рыболовство. Охлаждающий эффект отводимой воды, которая извлекается из глубоких водозаборов в озере Эри, также влияет на температуру воды в нижней реке, отдавая предпочтение холодноводным видам рыб, таким как озерная форель и лосось.

Инвазивные виды также воспользовались изменёнными условиями течения. Круглые гоби, мидии зебры и квагги устанавливаются по всей реке и ущелью. Эти фильтровальные мидии уменьшают изобилие планктона и изменяют круговороты питательных веществ, влияя на всю пищевую сеть. Чистая вода, возникающая в результате фильтрации мидий, увеличила проникновение света в реку, способствуя росту прикреплённых водорослей и водных растений в районах, где они ранее были ограничены мутностью. Эти изменения каскадируются через экосистему, изменяя среду обитания рыб и беспозвоночных и создавая новые проблемы для местных видов.

Человеческая деятельность и речные пейзажи

Человеческая деятельность формировала ландшафт региона реки Ниагара на протяжении тысяч лет. Коренные народы, в том числе народы Нейтральной, Гуронской и Сенеки, жили вдоль реки и использовали её в качестве источника пищи, транспорта и торговли. Портаж вокруг водопада был критическим маршрутом для перемещения каноэ и товаров между верхним и нижним Великими озерами. Европейские поселенцы позже установили форты, торговые посты и общины вдоль реки, включая форт Ниагара в устье реки и города Ниагарский водопад и Льюистон вдоль края ущелья. Сегодня река поддерживает индустрию туризма, которая привлекает миллионы посетителей каждый год, наряду с гидроэнергетикой, муниципальным водоснабжением, а также рекреационным катанием на лодках и рыбалкой.

Развитие гидроэнергетики в конце XIX — начале XX веков преобразовало реку и её окрестности. Район Ниагарского водопада стал центром промышленности, фабрики и мельницы использовали дешевую электроэнергию, вырабатываемую водопадами. Строительство канала Велланд обеспечило альтернативный судоходный маршрут, минувший реку и водопады, соединив озеро Онтарио с озером Эри для коммерческого судоходства. Этот канал имеет свои экологические последствия, в том числе введение инвазивных водных видов, которые путешествовали между озерами в балластной воде.

Городское развитие вдоль ущелья

Города Ниагарский водопад, Нью-Йорк и Ниагарский водопад, Онтарио, развивались вдоль края ущелья, пользуясь живописными видами и экономическими возможностями, предоставляемыми водопадами. Городской ландшафт включает в себя отели, казино, парки и смотровые башни, предназначенные для размещения миллионов туристов, которые посещают ежегодно. Развитие посягнуло на естественные края ущелья, с дорожками, обзорами и подпорными стенами, изменяющими склон и растительность. В некоторых районах были установлены меры по контролю эрозии для защиты инфраструктуры, включая каменные болты, брусчатку и дренажные системы. Эти структуры стабилизируют стены ущелья, но также изменяют внешний вид и экологию края.

Загрязнение от стока в городах и промышленных сбросов повлияло на качество воды в реке, хотя с момента принятия Закона о чистой воде и аналогичного законодательства в Канаде были сделаны улучшения. Проекты по восстановлению вывели загрязненные осадочные породы со дна реки в районах, пострадавших от исторической промышленной деятельности, таких как канал любви и место хранения Ниагарского водопада. Эти усилия по очистке продолжаются, стремясь восстановить реку в более здоровом состоянии для водной жизни и использования человеком.

Будущее ландшафта реки Ниагара

Ландшафт реки Ниагара будет продолжать развиваться, формируяся взаимодействием природных процессов и вмешательства человека. Скорость отступления водопадов, хотя и замедляется, не будет полностью останавливаться, пока вода течет над капроком. Инженеры рассматривали различные варианты сохранения водопадов, включая дальнейший контроль потока, усиление капрока и даже заполнение бассейна для уменьшения подрезания. Эти вмешательства фундаментально изменили бы характер водопадов, и они подвергаются обширным дебатам среди ученых, политиков и общественности.

Ожидается, что изменение климата повлияет на реку и регион. Изменения в характере осадков и температуре изменят режим течения реки, потенциально уменьшая количество воды, доступной для гидроэлектрической генерации и для живописного течения над водопадами. Более интенсивные штормы могут увеличить скорость эрозии, в то время как более теплые зимы могут уменьшить продолжительность ледяного покрова на реке, влияя на ледяные заторы и сроки весеннего стока. Экологическим сообществам, зависящим от реки, необходимо будет адаптироваться к этим изменениям, а некоторые виды могут изменить свои ареалы или уменьшить численность.

Усилия по сохранению, сосредоточенные на коридоре реки Ниагара, направлены на защиту оставшихся естественных мест обитания и восстановление деградированных районов. Инициатива Niagara River Greenway, например, направлена на создание связанной сети парков, троп и природных территорий вдоль реки от озера Эри до озера Онтарио. Эти усилия признают ценность реки не только как туристического направления и источника энергии, но и как живого ландшафта, который поддерживает дикую природу и обеспечивает место для людей, чтобы соединиться с природой. Долгосрочное здоровье реки зависит от постоянного внимания к качеству воды, защите среды обитания и тщательному управлению противоречивыми требованиями, предъявляемыми к этому замечательному ресурсу.