Ледниковые процессы и их роль в формировании горных регионов

Ледниковые процессы и их роль в формировании горных регионов

Ледники занимают место среди самых мощных ландшафтных архитекторов Земли. На протяжении тысячелетий эти медленно движущиеся реки льда вырезали некоторые из самых драматических ландшафтов планеты, от острых хребтов Гималаев до U-образных долин европейских Альп. Понимание ледниковых процессов - это не просто академическое упражнение; это важно для геологов, географов, экологов и всех, кто занимается водными ресурсами, природными опасностями или долгосрочной эволюцией горных сред. Эта статья предоставляет всеобъемлющий обзор того, как ледники формируют, перемещаются, разрушают и откладывают материал, и как эти процессы продолжают формировать горные районы сегодня.

Что такое ледники?

Ледники — большие, устойчивые массы льда, образующиеся на суше через уплотнение и перекристаллизацию снега на протяжении многих лет. Они не являются статическими и перекристаллизуются; они текут под давлением собственного веса, медленно двигаясь вниз по склону или наружу из зон накопления. Ледники существуют на всех континентах, кроме Австралии, и они покрывают около 10 процентов поверхности Земли. Большинство из них встречается в полярных регионах (Антарктида и Гренландия), но горные ледники в умеренных и тропических широтах одинаково важны для их роли в формировании местных ландшафтов.

Жизнь ледника начинается в зоне накопления, где каждую зиму выпадает больше снега, чем тает летом. По мере накопления слоев снега вес сжимает нижние слои в волокно (зерновой лед) и в конечном итоге в плотный ледниковый лед. Как только лед достигает критической толщины (обычно от 30 до 50 метров), он начинает пластически деформироваться и течь. Нижняя граница ледника — зона абляции, где таяние, сублимация и отечность удаляют лед быстрее, чем он накапливается. Баланс между накоплением и абляцией определяет, продвигается ли ледник, отступает или остается стабильным.

Типы ледников

Глациологи классифицируют ледники в первую очередь по их размеру, форме и географическому расположению.Каждый тип взаимодействует с ландшафтом по-разному.

• Ледники Долины:] Также называемые альпийскими ледниками, они стекают вниз по ранее существовавшим долинам ручьев в горных районах. Они ограничены стенами долины и могут быть длиной в десятки километров. Примерами являются ледник Атабаска в канадских Скалистых горах и ледник Мер-де-Глейс во французских Альпах. Ледники долины наиболее эффективны при размывании крутых, узких долин в широкие, U-образные впадины.
• Континентальные ледники (Ледовые щиты):] Огромные ледяные массы, покрывающие большие площади суши, часто толщиной в тысячи метров. Антарктические и гренландские ледяные щиты являются единственными двумя в современном мире. Хотя они в основном затрагивают полярные регионы, их прошлые расширения (такие как Лаврентийский ледяной щит) прочесывали целые континенты и отложили отложения, которые влияют на ландшафты вдали от современных горных хребтов.
• Ледники Пьемонта:] Они образуются, когда ледник долины выплескивается на относительно плоскую равнину у основания горного хребта, распространяясь на широкую долю. Ледник Маласпина на Аляске является классическим примером. Ледники Пьемонта создают отличительные особенности осаждения, такие как терминальные морены и вентиляторы.
• Ледники цирка: Маленькие ледники, которые занимают чашеобразные впадины (цирки) на склонах гор. Они часто являются источником более крупных ледников долины и отвечают за создание крутых стен, которые определяют многие альпийские ландшафты.
• Ледники приливной воды: Специальная категория ледников долины, которая заканчивается в океане, откалывая айсберги. Они распространены на Аляске, Гренландии и Антарктиде, и они вносят значительный вклад в повышение уровня моря, когда они ускоряются.

Ледниковые процессы: эрозия и осаждение

Ледники меняют ландшафт с помощью двух фундаментальных процессов: эрозии (удаление породы и осадка) и осаждения (сбрасывание его в другое место). Эти процессы работают одновременно, с чистым результатом в зависимости от скорости, толщины, теплового режима ледника и лежащей в его основе породы.

Эрозия ледников

Ледниковая эрозия гораздо более мощная, чем флювиальная (речная) эрозия, потому что лед может вырывать, измельчать и разрушать породу способами, которые не может сделать вода.

• Плачущий (Катающийся):] По мере движения льда над породой он слегка тает у основания из-за давления и трения. Вода просачивается в трещины и соединения в скале. Когда вода замерзает, она действует как клин, разрывая скалу. Ледник затем «вырывает» эти фрагменты и включает их в лед. Плачущий наиболее эффективен там, где порода соединена или сломана, и он создает грубые, ступенчатые поверхности, такие как рош мутонн & эквут;эс (асимметричные скальные ручки).
• Истирание:] Фрагменты породы, вложенные в основание ледника, действуют как наждачная бумага, соскабливая и измельчая подстилающую породу по мере движения льда. Истирание производит гладкие, полированные поверхности, полосы (параллельные царапины) и борозды, которые указывают направление потока льда. Мелкая каменная мука, производимая истиранием, придает ледниковой талой воде характерный молочный цвет. Эффективность истирания зависит от твердости пластов, давления и скорости скольжения ледника.
• Выветривание при замерзании-оттепели:] Этот механический процесс выветривания происходит не только в леднике, но и на открытых каменных стенах над льдом (настенная стенка цирка). Вода многократно замерзает и оттаивает в трещинах, расширяясь примерно на 9% при замерзании, что вбивает камень в куски. Получающийся мусор падает на поверхность ледника или встраивается в лед. Замораживание-оттепель особенно активна в периглациальной зоне, окружающей ледники.

Вместе эти процессы вырезают различные формы рельефа: U-образные долины с крутыми сторонами и плоскими полами, цирки (депрессии в форме кресла), arêtes (наконечники ножей) и рога (пирамидные вершины, такие как Маттерхорн). Эрозивная сила ледника может опускать пол долины на несколько миллиметров в год, и на протяжении тысячелетий это составляет сотни метров вертикальной эрозии.

Опускание ледников

Ледники переносят огромное количество осадка, от глыб размером с валун до тонкой глины. Когда лед тает, он откладывается этот материал непосредственно (дождь) или косвенно через талую воду (вымывание). Ключевые особенности осаждения включают:

• Морены: Морены: Завалы мусора, сложенные вдоль границ ледников. По бокам образуются морские водоемы, средние морены , где сливаются два ледника, и конечные морены при самом дальнем продвижении льда. Наземная морена является одеялом до тех пор, пока не распространится по полу долины после отступления. Морейны предоставляют критические доказательства прошлых ледниковых протяженностей.
• Барабаны: Обтекаемые, вытянутые холмы, напоминающие перевернутые ложки. Они образуются под активным льдом комбинацией эрозии и осаждения. Драмлины часто встречаются в скоплениях, называемых «полями драмлина» и распространены в районах, переживших континентальное оледенение, таких как северные США и Канада.
• Аутвашские равнины и долинные поезда:] Мелководные потоки, вытекающие из ледникового типа и отложения осадка. Грубый гравий сбрасывается ближе всего к льду, а песок и ил переносятся дальше. Эти вымывные отложения хорошо стратифицированы и часто образуют плоские, плодородные равнины. В горных долинах подобные особенности называются долинными поездами.
• Эрратика: Крупные валуны, перевозимые далеко от источника и оставленные после таяния ледника. Эрратика часто состоит из пород, не являющихся родными для этого района, что дает подсказки о путях ледового потока. Например, гранитные эрратики, найденные на известняковой породе в швейцарской Юре, указывают на то, что лед из Альп когда-то покрывал эту область.
• Камес и эсккерс:] Камес — это насыпи из стратифицированного песка и гравия, отложенные талой водой в углублениях на поверхности ледника или на его краю. Эскеры — извилистые гравийные гряды, образовавшиеся в подледных талых водоемах. Оба они распространены в ранее оледеневших низинах.

Влияние ледниковых процессов на горные районы

Действие ледника коренным образом изменяет топографию, экологию и гидрологию горных сред. Эффект сохраняется долго после исчезновения льда, формируя ландшафты, которые мы видим сегодня.

Топографические изменения

Наиболее заметным наследием оледенения является превращение V-образных речных долин в U-образные ледниковые впадины. Эти долины имеют крутые, часто вертикальные стены и широкие, плоские полы, которые идеально подходят для гидроэлектростанций, транспортных коридоров и поселений человека. Другие особенности включают:

• U-образные долины: В то время как реки вырезают V-образные долины, ледники расширяют и углубляют их, создавая параболическое поперечное сечение. Висячие долины, где притоковые ледники присоединяются к главной долине на более высоком уровне, часто производят впечатляющие водопады (например, Йосемитский водопад).
• Фьорды:] Когда U-образная долина затопляется морем после отступления ледника, она становится фьордом — глубоким, узким входом с крутыми сторонами.Фьорды распространены в Норвегии, Новой Зеландии, Чили и Аляске. Они часто имеют подводную «зал» в устье, отложенную терминальной мореной.
• Цирковые и тарновые (также называемые корри или cwms) представляют собой чашеобразные углубления с крутым стенным покрытием и каменным бассейном. После таяния ледника бассейн часто заполняется водой, образуя круглое озеро, известное как тарна. Многие альпийские озера, такие как озера в канадских Скалистых горах, возникли как тарны.
• Arêtes and Horns: Там, где два цирка размываются спиной к спине по противоположным сторонам хребта, образуется узкий арête. Если три или более цирка разрезаются на гору, то получается острый пирамидальный пик (рог). Маттерхорн (Швейцария/Италия) является классическим примером ледникового рога.

Экологические последствия

Ледники создают уникальные среды обитания и влияют на целые экосистемы.Экологические последствия ледниковых процессов выходят далеко за пределы ледового поля.

• Водоснабжение и время:] Ледники действуют как естественные водохранилища, сохраняя осадки в виде льда в холодные сезоны и высвобождая его в виде талой воды в теплые, сухие периоды. Этот буферный эффект стабилизирует потоки, что имеет решающее значение для сообществ нижнего течения, сельского хозяйства и гидроэнергетики. Во многих горных хребтах, таких как Анды и Гималаи, ледниковая талая вода является основным источником воды в летнее время.
• Создание среды обитания:] Свежеобнаженные породы и морены колонизируются первопроходцами, такими как лишайники и мхи, которые начинают формирование почвы. Со временем создаются более сложные растительные сообщества, создавая хроносеквенцию (последовательность сообществ возрастающего возраста). Проледниковые озера и равнины обеспечивают места размножения птиц и насекомых. Холодные, богатые кислородом талые воды поддерживают специализированных беспозвоночных и рыб, таких как ледниковая каменная муха и арктический уголь.
• Формирование почвы и круговороты питательных веществ:] Ледниковая долина представляет собой гетерогенную смесь фрагментов горных пород и минералов. По мере выветривания она выделяет питательные вещества, такие как кальций, калий и фосфор. Однако молодые ледниковые почвы часто грубые и с низким содержанием органического вещества. На протяжении веков они развиваются в более плодородные коричневые почвы, поддерживая леса и луга.
• Режимы наводнений: Наводнения ледниковых вспышек (jökulhlaups), сходы ледников и потоки мусора являются естественными нарушениями, которые создают патчовые ландшафты. Некоторые виды зависят от этих нарушений для рассеивания семян или регенерации. Например, дрожащая осина извлекает выгоду из голых минеральных почв, оставленных ледниковым отступлением.

Гидрологические изменения

Ледники являются доминирующим фактором в горной гидрологии, влияющим как на количество, так и на качество воды. Их роль быстро меняется в условиях изменения климата.

• Речные системы: Во многих горных водоразделах ледниковый таяние вносит значительный вклад в сброс рек, особенно в конце лета, когда закончилось таяние снега. Эта сезонность «ледникового стока» может задерживать пиковые потоки на недели по сравнению с системами, питаемыми снегом. Например, река Рона в Швейцарии получает около 20% своего потока от ледникового таяния в августе, но менее 5% зимой.
• Качество воды: Ледниковая талая вода обычно очень холодная (около 0°C) и содержит высокие концентрации взвешенных осадков (ледниковая мука), что придает ей бирюзовый или молочный цвет. Нагрузка осадков может быть проблемой для гидроэнергетических турбин и водоочистных сооружений, но она также доставляет питательные вещества в поймы. Напротив, концентрация растворенных ионов низкая, потому что химические скорости выветривания подавляются при низких температурах.
• Риски наводнений:] Быстрое таяние ледников, особенно во время волн тепла или из-за вулканической активности, может вызвать катастрофические наводнения. Наиболее распространенным типом является наводнение вспышек ледникового озера (GLOF), когда озеро, затопленное мореной или льдом, разрушается. В Гималаях ГЛОФы разрушили деревни, мосты и гидроэнергетические объекты. Системы мониторинга и раннего предупреждения становятся необходимыми по мере сокращения ледников и образования новых озер.
• Подпитка грунтовых вод:] Мелководье проникает в проницаемые моренные и вымывные отложения, перезаряжая горные водоносные горизонты. Эта грунтовая вода поддерживает базовый поток в реках в засушливые периоды и обеспечивает питьевую воду для горных общин.

Тематические исследования: ледниковые ландшафты по всему миру

Чтобы оценить разнообразие ледниковых воздействий, рассмотрим три контрастных региона:

Европейские Альпы: Тяжело оледеневшие во время последнего ледникового максимума, Альпы были вылеплены в свои знаковые вершины и долины. Сегодня ледники, такие как ледник Алеч (самый большой в Альпах), продолжают разрушаться и откладываться, хотя они быстро отступают. Регион является лабораторией для изучения параледниковых процессов (регулировка ландшафта после отступления ледника), включая нестабильность склона и разрез реки.

Южные Альпы Новой Зеландии:] Эти горы испытывают высокий снегопад и быструю эрозию из-за их тектонической активности и морского климата. Ледники Франца-Иосифа и Фокса наступают и отступают в десятилетние сроки, обеспечивая динамический пример ледникового ответа на изменчивость климата. Крутая местность делает их склонными к ледяным лавинам и потокам мусора.

Гималаи и Тибетское плато:Знаменимый как «Третий полюс», этот регион содержит самую большую концентрацию ледников за пределами полярных регионов. Они питают крупные реки, такие как Ганга, Инд и Янцзы, поддерживая более миллиарда человек. Отступление ледников здесь ускоряется, что приводит к проблемам нехватки воды и повышенному риску ГЛОФов. Геоморфология включает массивные морены, U-образные долины и некоторые из самых высоких пиков на Земле.

Ледниковые процессы и изменение климата

Современные изменения климата изменяют ледниковые процессы с беспрецедентной скоростью. Повышение температуры вызывает повсеместное отступление ледников, что, в свою очередь, изменяет модели эрозии и осаждения. Известные эффекты включают:

• Ускоренное отступление и потеря массы:] Большинство горных ледников теряют массу с середины XX века. Скорость потерь увеличивается с 1990-х годов. Это снижает способность льда разрушать коренную породу, поскольку более тонкий, более медленный лед оказывает меньшее базальное напряжение. Однако в некоторых местах отступление подвергает свежую породу морозному выветриванию, временно увеличивая эрозию настенных стенок.
• Развивающиеся проледниковые ландшафты:] По мере сокращения ледников они оставляют после себя нестабильные параледниковые ландшафты. Обычны покрытые обломками льды, чайниковые отверстия и морены с ледяным покровом. Эти ландшафты подвержены оползням, потокам мусора и корректировкам речных каналов. Урожаи осадков могут резко возрасти в десятилетия после отступления ледников.
• Формирование новых озер:] Ледниковые озера формируются во многих ранее заполненных льдом бассейнах. Эти озера могут быстро расти и представлять опасность наводнений. Они также изменяют местные микроклиматы и обеспечивают новые места обитания. В некоторых случаях они могут быть использованы для гидроэнергетики, но в опасности.
• Изменения в водоснабжении: Первоначально таяние ледников может увеличить потоки рек («пиковая вода»), но по мере уменьшения объема льда сток уменьшается. Многие водоразделы в Андах и Скалистых горах уже прошли этот пик, что привело к сокращению летних потоков и увеличению водного стресса.

Заключение

Ледниковые процессы имеют основополагающее значение для формирования и продолжающейся эволюции горных регионов. От медленного измельчения, которое производит мелкую каменную муку, до внезапного обрушения озера, покрытого льдом, ледники оказывают мощное влияние на топографию, экосистемы и гидрологию. Формы, которые они создают, U-образные долины, цирки, морены, барабанные перепонки и динамику льда. Сегодня, когда ледники мира отступают, понимание этих процессов важнее, чем когда-либо. Это информирует о нашей способности предсказывать ландшафтные опасности, управлять водными ресурсами и сохранять уникальные альпийские экосистемы. Независимо от того, являетесь ли вы студентом геологии, ученым-экологом или любопытным путешественником, признание импринта ледниковых процессов обогащает вашу оценку динамичной, постоянно меняющейся природы высоких мест нашей планеты.

Для дальнейшего чтения см. USGS Glaciers and Glaciation overview, explore NSIDC's glacier resources, или review the IPCC Sixth Assessment Report on Polar and high-mountain cryosphere.