Национальный парк Брайс-Каньон, расположенный на плато Колорадо в южной части штата Юта, славится своим потусторонним ландшафтом возвышающихся скальных шпилей, известных как hoodoos. Эти отличительные образования, некоторые из которых достигают более 100 футов в высоту, не являются результатом вулканической активности или тектонической складчатости, а являются шедеврами осадочного наслоения и неустанной эрозии. Амфитеатры парка содержат самую большую концентрацию hoodoos на Земле, предлагая естественную лабораторию для понимания того, как вода, лед и ветер могут превратить относительно мягкие осадочные породы в фантазию о плавниках, окнах и вершинах. Чтобы полностью понять эволюцию этих образований, необходимо изучить как состав слоев породы, так и конкретные эрозионные силы, которые действовали на них за последние несколько миллионов лет.

Геологический контекст плато Колорадо

Брайс-Каньон находится на восточном краю плато Паунсаугунт, подразделения более крупного плато Колорадо. Этот регион пережил сложную тектоническую историю: он был поднят, начиная примерно 70 миллионов лет назад во время орогенивания Ларамида, но в отличие от большинства горных поясов, плато оставалось относительно плоским. Этот мягкий подъем сохранил первоначальную горизонтальную ориентацию осадочных слоев, которая имеет важное значение для формирования вертикальных особенностей, таких как капусты. Высота парка колеблется от около 7400 футов до более 9000 футов каждый год, что означает, что он получает значительный снегопад и испытывает многочисленные циклы замерзания-оттепели. Геологический обзор Национальной службы парков] обеспечивает полезное введение в скальные единицы области.

Осадочные слои, выставленные в Брайс-Каньоне, были отложены в различных древних средах: мелководные моря, прибрежные равнины, речные системы и озёрные пласты. Самым молодым и наиболее визуально поразительным образованием является формация Кларона (также называемая формация Уосатч в более старой литературе), которая является основной породой для hoodoos. Ниже Кларона лежат более старые морские единицы, такие как песчаник Дакота и тропический сланец, но они подвергаются только в нижних пределах каньонов и не способствуют hoodoos, видимым с края. Понимание этой стратиграфической структуры имеет решающее значение, потому что механические и химические свойства каждого слоя - особенно различия в твердости, пористости и цементации - диктуют, как протекает эрозия.

Осадочные слои: строительные блоки Брайс-Каньона

Формирование Claron

Худу вырезаны почти исключительно из формации Кларона, которая датируется поздним мелом до раннего палеоцена (примерно 60—55 млн лет). Это образование состоит из чередующихся пластов известняка, песчаника, иллюмината и гряземетана, причём известняк является доминирующим горным типом. Осадочная среда представляла собой большую, мелководную, пресноводную озерную систему, которая периодически расширялась и сокращалась в ответ на климатические сдвиги. В влажные периоды карбонат кальция осаждался из озерной воды, создавая известняк. Во время более сухих эпизодов реки переносили песок и грязь в бассейн, откладывая слои кремниевого осадка. Это чередование производило последовательность пород с резко контрастирующей устойчивостью к эрозии.

Слои известняка относительно тверды и устойчивы, тогда как глиняные и иллюминированные пласты мягкие и быстро разрушаются. Многие из известняковых пластов содержат небольшое количество глины и ила, что делает их более склонными к разрыву вдоль плоскостей постельного белья. Слои песчаника, хотя и более прочные, чем глиняный камень, часто плохо цементируются и могут распадаться при воздействии повторного смачивания и сушки. В U.S. Geological Survey Professional Paper 1801 (Глава B)) предоставляет подробные петрографические данные о формации Кларона.

Цветовые вариации и минеральная химия

Одним из наиболее фотографируемых аспектов Брайс-Каньона является яркая окраска hoodoos. Эти цвета не встречаются в отдельных крупинках породы, а являются результатом следовых минералов - в первую очередь оксидов железа и марганца - которые покрывают поверхности и инфильтрируют поровые пространства. оксид железа (гематит) производит красные и оранжевые оттенки; гидроксид железа (гоэтит) дает желтые и коричневые оттенки; и оксиды марганца дают фиолетовые, розовые и черные полосы. Белые и серые слои указывают на отсутствие окрашивания железа, обычно потому, что исходные карбонатные минералы остаются неокисленными. Распределение этих пигментов отражает изменения в древней химии озера и региональных условиях окисления во время осаждения или более поздних диагенетических изменений.

Важно отметить, что цвета не контролируют эрозию напрямую, но они часто коррелируют с размером зерна и цементацией. Например, тонкие, розовато-красные полосы часто представляют собой богатые глиной глинистые глиняные породы, которые разрушаются быстрее, чем массивные белые известняковые шапки. Посетители парка могут наблюдать это соотношение вдоль петли Навахо, где худу часто отображают слой белого кепка над постепенно более темным, более эрозированным основанием. Эта дифференциальная эрозия является фундаментальным механизмом, который создает классическую форму худу: широкая, устойчивая шапка, защищающая более узкий, мягкий пьедестал.

Эрозионные процессы: Скульпторы Гуду

Морозное склеп: доминирующая сила

Высокие высоты Брайс-Каньона и холодные зимы делают морозное сужение самым мощным размывающим агентом. Процесс прост, но неустанен: вода просачивается в трещины, плоскости постельного белья и поровые пространства в дневное время или более теплые месяцы. Когда температура опускается ниже замерзания ночью, вода расширяется примерно на 9%. Это расширение оказывает давление, превышающее прочность на разрыв большинства осадочных пород, вызывая распространение трещин. С каждым циклом замерзания-оттепели - парк может испытывать более 200 в год в некоторые годы - трещины расширяются и образуются новые. На протяжении десятилетий и веков это ослабляет целые блоки породы, которые падают вниз и оставляют более неповрежденные, связанные между собой шпили, которые мы называем hoodoos.

Морозное сварка наиболее эффективно в районах с высоким содержанием влаги и быстрыми колебаниями температуры. На южных склонах Брайс-амфитеатра больше прямых солнечных лучей, быстро тает снег и позволяет воде проникать перед следующим замораживанием. Это объясняет, почему наиболее впечатляющие дисплеи капусты часто находятся на северных или защищенных стенах, где сосредоточено морозное действие. Процесс также способствует образованию «крышевой породы» - кепка, которая защищает капусту - которая имеет тенденцию быть относительно неразломленным известняком, тогда как лежащие в основе более раздробленные слои отбираются льдом.

Химическое выветривание и растворение

Хотя морозное сварка является основным актом, химическое выветривание играет тонкую, но важную вспомогательную роль. Дождевая вода, которая естественным образом слегка кислая (pH ~ 5,6) из-за растворенного углекислого газа из атмосферы, медленно растворяет карбонат кальция, который цементирует известняк и песчаник. Это ослабляет матрицу породы, делая ее более восприимчивой к физической эрозии. В районах, где порода содержит значительный кальцитовый цемент, растворение может производить небольшие полости, ямы и даже миниатюрные карстовые особенности, такие как воронки (хотя они редки в Брайсе).

Кроме того, окисление железосодержащих минералов, особенно пирита (золота дурака), обнаруженного в некоторых слоях грязевых пород, производит серную кислоту, которая еще больше ускоряет растворение известняка. Однако, поскольку общая скорость химического выветривания в полузасушливой среде относительно медленна, она действует преимущественно как подготовительный этап, делая породу более хрупкой, прежде чем мороз или дождевая вода физически удаляет ее.

Дождевая вода и эрозия риля

В то время как морозное слияние ослабляет скалу, дождевая вода отвечает за транспортировку мусора. Во время интенсивных летних гроз, сток следует за суставами и трещинами, вырезая глубокие овраги, называемые «овраги». Со временем эти рилы расширяются в щели и со временем создают дренажную сеть, которая определяет амфитеатры Брайс-Каньона. Вода несет эродированный осадок вниз по склону, откладывая его в аллювиальные вентиляторы или смывая его в бассейн дренажа реки Пария. Этот процесс особенно эффективен на крутых склонах (часто превышающих 45 градусов), где обнажаются капюшоны.

Дождевая вода также способствует округлению шпилей капусты. По мере того, как вода течет по бокам шпиля, она сглаживает наружную поверхность, сглаживая острые края и расширяя любые боковые трещины. Это создает флейтированный, почти органический вид зрелых капустных. Сочетание эрозии риля и ослабления мороза также отвечает за коллапс капустных шпилей, когда их основания становятся слишком узкими, чтобы поддерживать вес кептона. Страница эрозии NPS объясняет эти процессы в контексте всего парка.

Ветер истирание

Ветер является менее значительным, но все же заметным агентом. Плато Колорадо испытывает частые сильные ветры, особенно весной. Ветровые песок и иловые частицы действуют как естественная наждачная бумага, обхватывая более мягкие глиняные и иловые поверхности. Однако, поскольку капусты тесно расположены, а направление ветра часто направляется стенами амфитеатра, эффект ограничен наиболее открытыми поверхностями. В отличие от засушливых пустынь, где ветер является доминирующей геоморфической силой (например, Долина Монументов), в Брайс-Каньоне ветер служит в основном для полировки или слегка подрезания определенных слоев, уточняя окончательную форму шпиля.

Стадии формирования Hoodoo

Этап 1: Депозиция и литификация

История начинается 55-60 миллионов лет назад в древнем озере Флагстафф (не путать с современным Флагстаффом, Аризона). Осадок из окружающих гор оседал в озере ритмическими циклами. Каждый цикл обычно начинался с богатого карбонатом известнякового слоя, за которым следовал слой грязи / ильтового камня, а иногда и замыкался тонким слоем песчаника. За миллионы лет эти слои были уплотнены под весом надлежащего осадка и цементированы карбонатом кальция и кремнеземом, образуя когерентную породу. Общая толщина формации Кларон в районе Брайс-Каньона превышает 2000 футов.

Этап 2: Поднятие и соединение

Начиная примерно с 15-10 миллионов лет назад, все плато Колорадо было поднято. Этот подъем не был однородным; он создал широкие деформации и мягкие складки. В области Paunsaugunt, подъем генерировал вертикальные трещины (соединения), расположенные примерно на 10-30 футов друг от друга. Эти соединения являются ключевыми каналами для проникновения воды. Без них скала будет выдерживать однородную погоду, образуя закругленные ручки, а не шпили. Расстояние и ориентация суставов определяются региональным стрессовым полем и механическими свойствами породы. Суставы наиболее тесно расположены в более слабых, богатых глиной слоях и более широко разнесены в массивных известняковых слоях.

Стадия 3: Первоначальная эрозия и развитие пиннакл

Как только плато было поднято и суставы были открыты, эрозия могла атаковать сверху. Поверхностный сток и морозное заклинивание начали расширять суставы, создавая вертикальные слоты. Со временем эти слоты углубились в длинные, узкие плавники (стены из камня, стоящие в одиночестве). По бокам этих плавников морозное заклинивание и эрозия риля преимущественно удаляли более мягкие слои глиняного камня, подрезав более твердые известняковые шапки. Это создало классический профиль «hoodoo»: прочный камешек над более стройным основанием. Фины в конечном итоге прорезали в определенных местах, образуя окна (археи), которые позже рухнули, оставляя изолированные шпили. Этот процесс все еще продолжается: новые окна появляются каждые несколько десятилетий, а существующие разрушаются под собственным весом.

4-я стадия: Утончение Худу и кончина будущего

Когда капуста становится изолированной, процессы эрозии концентрируются на ее основании. Морозное сужение эксплуатирует горизонтальные плоскости постельного белья и вертикальные переломы внутри самого шпиля. По мере сужения основания шпиль становится неустойчивым. В конце концов, спустя, возможно, тысячи лет, кепка теряет опору и падает, оставляя пень, который быстро разрушается. Средняя продолжительность жизни капусты оценивается в несколько сотен тысяч лет, хотя некоторые из них выжили более миллиона. Весь амфитеатр отступает на запад со скоростью около 1,6 фута в столетие, когда обод разрушается. Это означает, что через несколько миллионов лет все видимые сегодня капусты исчезнут - но новые будут сформированы за ними, поскольку плато продолжает изнашиваться.

Сравнение Hoodoos с другими геоморфическими особенностями

Гуду часто путают с другими эрозионными рельефами, такими как столбы, вершины, земные пирамиды и даже сталагмиты (которые совершенно разные). В отличие от сбалансированных пород Сада Богов (образованных из древних песчаных дюн), Брайс-гуду в основном известняк и грязевый камень. В отличие от дымоходных образований в Каппадокии (образованных из вулканического туфа), Брайс-гуду являются осадочными и не имеют цементации вулканического пепла. Однако основной принцип тот же: дифференциальная эрозия, где устойчивый каменоломень защищает более слабый пьедестал. Земные пирамиды в Южном Тироле, Италия, также разделяют эту особенность, но состоят из ледникового периода. Уникальное сочетание осадочного слоя, высокой плотности разрыва и экстремальной частоты замерзания-оттепели делает капусты Брайс-Каньона, возможно, самыми впечатляющими примерами на планете. Посетители могут сравнить эти образования вдоль Садовой тропы Квинса, где интерпретирующие знаки объясняют

Взаимодействие человека и его сохранение

Брайс-Каньон принимает более 2 миллионов посетителей ежегодно, и парк активно работает над минимизацией воздействия человека на капустных. Ходьба по капустам строго запрещена, потому что мягкий грязевой камень легко рушится; даже один след может дестабилизировать образование и инициировать ускоренную эрозию. Загрязнение воздуха с отдаленных электростанций немного увеличило кислотность дождя, потенциально ускоряя химическое выветривание. Однако Служба национальных парков внимательно следит за этим и сотрудничает с региональными инициативами по качеству воздуха. Страница природных особенностей NPS включает в себя детали политики защиты. Кроме того, модели изменения климата предполагают, что более теплые зимы могут уменьшить количество циклов замерзания-оттепели в Брайс-Каньоне, что может замедлить образование капустных осадков, но также и увеличить скорость химического выветривания. Долгосрочное будущее этого ландшафта зависит от этих конкурирующих факторов, что делает продолжение научного исследования необходимым.

В заключение, капюшоны Брайс-Каньона представляют собой замечательный отчет осадочных отложений и силы льда, воды и ветра для формирования камня в течение геологического времени. От чередующихся известняковых и глиняных пластов древней формации Кларона до ежедневных битв заморозки-оттепели, которые вырезают шпили и сводчатые арки, каждый капюшон рассказывает историю динамической поверхности Земли. Понимание этого взаимодействия не только обогащает посещение парка, но и напоминает нам о постоянно меняющейся природе ландшафтов, которые мы часто принимаем как должное.