Формирование и значение цирков в ледниковых долинах

Понимание цирков: шарообразные подписи ледниковой эрозии

В высокой, изрезанной местности горных хребтов по всему миру, одна из самых отличительных форм рельефа, оставленных прошлым оледенением, - это цирк. Эти амфитеатрообразные, чашеобразные впадины вырезаны во фланги гор неустанным действием ледникового льда. Более чем живописные особенности - часто удерживающие небольшое, похожее на драгоценные камни озеро, называемое тусклым - цирки имеют основополагающее значение для интерпретации истории ледникового продвижения и отступления. Они записывают места, где ледники впервые начали формироваться, направление и интенсивность движения льда и климатические условия, которые их поддерживали. Понимание цирков имеет важное значение для геоморфологов, гляциологов и любого, кто изучает эволюцию ландшафта в альпийских условиях.

В этой статье рассматриваются процессы, которые создают цирки, их диагностические особенности, факторы, которые контролируют их распределение и размер, а также их непреходящее значение как для науки о Земле, так и для водных ресурсов. Мы также рассмотрим некоторые из самых знаковых цирков в мире и рассмотрим, как эти формы рельефа реагируют на современные изменения климата.

Формирование цирков

Цирковые образования образуются в результате сочетания процессов ледниковой эрозии, действующих на протяжении тысяч-десяти тысяч лет. Процесс начинается задолго до появления истинного ледника, часто в небольшой впадине на горном склоне, где снег накапливается и сохраняется круглый год.

От нивации до ледникового цирка

Самая ранняя стадия образования цирка известна как nivation. Снег собирается в мелкой породной полости, а сезонный цикл замораживания-оттаивания приводит к процессу, называемому заморозка заклинивания. Вода просачивается в трещины в скале, замерзает, расширяется и отрывается от мелких фрагментов. Эти фрагменты медленно транспортируются вниз по склону талой водой, постепенно увеличивая полость. На протяжении веков нивация полая углубляется и расширяется, создавая защищенную алькову, где может накапливаться еще больше снега.

Когда накопленный снег становится достаточно густым, он сжимает нижние слои в волокно и в конечном итоге в ледниковый лед.Как только масса льда становится достаточно толстой, чтобы течь под собственным весом, полая входит в истинную ледниковую фазу. Ледник теперь занимает впадину, и его движение резко усиливает эрозию.

Эрозионные процессы: утечка, истирание и ротационное скольжение

Три основных эрозионных механизма ответственны за раскопки зрелого цирка:

• Глациальная выщипывание (карьеризация): По мере того, как лед течет по коренных породах, он оказывает давление на поверхность породы. Там, где лед тает и повторно замерзает вокруг стыковой или раздробленной породы, блоки оттягиваются от подложки и включаются в лед. Этот процесс наиболее эффективен на лиевой стороне ступеней коренных пород, где высвобождение давления способствует разрыву.
• Истирание:] Фрагменты породы, вложенные в основание и боковые стороны ледника, действуют как наждачная бумага, измельчаясь о коренную породу по мере движения льда. Это приводит к сглаживанию, полированию поверхности и тонкой каменной муке. Истирание наиболее активно там, где лед находится под высоким давлением, например, вдоль основания и нижних боковых стенок цирка.
• Ротационное скольжение: Цирковые ледники обычно толстые у них на голове и тоньше у морды. Эта геометрия заставляет лед проходить вращательное движение — своего рода вилочный поток, который вращается вокруг горизонтальной оси. Ротационное скольжение концентрирует эрозию у основания стенки и прочесывает пол в углубленный бассейн. Это вращение является ключевой причиной, по которой цирки развивают такую отличительную сверхглубокую форму чаши.

Вместе эти процессы опускают дно цирка, кружат наголовник и расширяют цирк обратно в гору, процесс, известный как головная эрозия или обратная ношение .

Роль заморозки-оттепели и Бергшрунда Крипа

Высоко на головной стенке, над главным телом ледника, глубокая трещина, называемая bergschrund, часто отделяет движущийся лед от неподвижного льда или снежного поля, цепляющегося за стену. Активность замораживания-оттепели внутри и вблизи бергшрунда интенсивна. Вода просачивается в трещины, замерзает и высыхает рыхлые фрагменты скал, которые падают на поверхность ледника. Этот мусор затем транспортируется, обеспечивая головной стенд остается крутым и свежим. Этот процесс, иногда называемый , провисание головной стенки , имеет решающее значение для обратного расширения цирка.

Анатомия одного цирка

Полностью разработанный цирк показывает набор характерных морфологических элементов, которые позволяют геологам идентифицировать и интерпретировать их даже после исчезновения ледника.

Feature	Description
Headwall	The steep, often precipitous back wall of the cirque. It is typically arcuate in plan and can be hundreds of meters high. The headwall is maintained by freeze‑thaw activity and plucking at its base.
Cirque Floor	A relatively flat or gently sloping surface at the base of the headwall. It is often over‑deepened by rotational slip and may be covered by till or lacustrine sediments.
Threshold (Lip)	A rock ridge or sill that forms the down‑valley rim of the cirque. The threshold is often composed of more resistant bedrock or may be a moraine deposited by the glacier at its maximum extent. It acts as a dam, impounding water behind it.
Tarn	A small lake that occupies the basin of a cirque after the glacier melts. Tarns are typically clear, cold, and oligotrophic (low in nutrients). They often have a distinctive blue‑green color due to finely ground rock flour suspended in the water.
Roche Moutonnée	Commonly found on the cirque floor or downstream of the threshold, these are asymmetrical bedrock bumps with a smooth, abraded up‑ice side and a steep, plucked down‑ice side. They indicate the direction of ice flow.

Не каждый цирк прекрасно отображает все эти элементы. Некоторые из них, возможно, были частично заполнены более поздним осадком, изменены последующим оледенением или нарушены эрозией потока. Однако комбинация крутого наголовника, дна в форме бассейна и порога является диагностической.

Факторы, влияющие на развитие цирка

Размер, форма и ориентация цирков сильно различаются от региона к региону.Выявлено несколько контролирующих факторов.

Высота и аспект

Образование цирка требует постоянного накопления снега, который сильно контролируется высотой и аспектом. В средних широтах цирки наиболее распространены на склонах, обращенных к северу и востоку, которые получают меньше прямого солнечного излучения и, следовательно, испытывают более низкие скорости плавления. В южном полушарии предпочтение отдается противоположной ориентации (на юг). Более высокие высоты обычно обеспечивают более низкие температуры и более длинный снежный покров, что приводит к более энергичному развитию цирка. Однако существует верхний предел, за которым склоны становятся слишком крутыми или слишком открытыми для эффективного накопления снега.

Геология и структура

Тип и структура породы оказывают сильное влияние. Цирки развиваются наиболее легко в хорошо соединенных, раздробленных или близко постельных породах, которые восприимчивы к выщипыванию. Граниты, гнейсы и хорошо цементированные песчаники могут поддерживать крутые наголовники, в то время как более слабые породы, такие как сланцы или сланцы, могут создавать более мягкие, менее четко определенные формы. Существующие геологические слабости, такие как зоны разломов или плоскости постельных принадлежностей, часто определяют местоположение и ориентацию цирков.

Климат и подъем снежной линии

Возвышение равновесной линии высот (ELA) является критическим климатическим параметром. ELA — граница между зоной накопления (где снег набирает массу) и зоной абляции (где он теряет массу). Цирковые ледники имеют тенденцию стабилизироваться на высотах чуть ниже регионального ELA, где накопление немного превышает абляцию. Изменения климата, которые поднимают или опускают ELA, заставят цирковые ледники сокращаться или расширяться. Поэтому возвышение цирковых полов часто используется в качестве прокси для прошлых уровней ELA.

Цирковые как палеоклиматические индикаторы

Поскольку цирки являются прямыми продуктами ледниковой эрозии, они служат мощными инструментами для реконструкции прошлых климатических условий. Когда ледник занимает цирк, он защищает пол от быстрой эрозии, в то время как наголовник продолжает покручиваться. Пороговое возвышение цирка - в частности, высота циркового пола - приближается к возвышению бывшего ELA.

Нанося на карту самые низкие крутые полы в горном хребте, ученые могут реконструировать снежную депрессию в прошлые ледниковые периоды. Например, исследования в Скалистых горах использовали крутые поднятия пола, чтобы оценить, что ELA во время последнего ледникового максимума (LGM) был примерно на 800-1000 метров ниже, чем сегодня. Аналогичная работа в Европейских Альпах, Андах и Гималаях предоставила ключевые данные для глобальных моделей палеоклимата.

Кроме того, ориентация цирков позволяет получить информацию о преобладающих направлениях ветра и источниках влаги в ледниковые периоды. Во многих диапазонах цирки преимущественно выровнены для получения максимального снежного дрейфа с направлений ветра, что указывает на то, что перенос снега под воздействием ветра был важен для питания ледников.

Интересные исследования по цирковой палеоклиматологии можно найти в последних исследованиях геоморфологии, таких как опубликованные в Геоморфология и Журнал гляциологии.

Мировые примеры замечательных цирков

Цирковые горы встречаются почти в каждом горном массиве, который испытал оледенение, от тропиков до полярных регионов. Некоторые из них стали всемирно известными достопримечательностями.

The Cirque of the Towers, Вайоминг, США

Расположенный в Винд-Ривер-Ридж, этот драматический кластер гранитных вершин, образующих полукруглый цирк, является меккой для альпинистов и туристов.Цирк был вырезан альпийскими ледниками во время плейстоцена и теперь содержит несколько нетронутых тарнов.

Цирк Фер-а-Шеваль, Французские Альпы

Этот огромный подковообразный цирк (название переводится как «Horseshoe Cirque») является одним из крупнейших в Европе. Его скалы поднимаются более чем на 600 метров и усеяны водопадами, которые каскадируют по стене во время весеннего таяния.

Висячие цирки в Йосемитском национальном парке, США

Многие из знаменитых водопадов Йосемити, такие как водопад Бридалвейл и водопад Риббон, вырезаны из висящих цирков, вырезанных притоками ледников, которые когда-то присоединялись к главному леднику Мерседа. Эти цирки теперь расположены высоко над главным дном долины, классическим примером дифференциальной ледниковой эрозии.

Lago di Braies, Доломиты, Италия

Это потрясающее изумрудно-зеленое озеро занимает цирк в природном парке Фанес-Сенес-Брейс. Цирк окружен вертикальными доломитовыми стенами и является одним из самых фотографируемых альпийских пейзажей в мире.

Цирковые и ландшафтные эволюции

Цирковые формы не являются статическими.С течением геологического времени они эволюционируют и влияют на более широкий ландшафт несколькими важными способами.

Головная эрозия и завышение ареала

Когда цирки увеличиваются через эрозию головы, они съедают обратно в горный массив. Когда два цирка образуются на противоположных сторонах хребта, они могут в конечном итоге встретиться и создать узкий, острый хребет, известный как arête . Когда три или более цирка растут вокруг одной вершины, они вырезают его в крутой пирамидальный саммит, называемый рог . Маттерхорн в Альпах является учебником пример рога, образованного расширением головы трех цирков.

Трансформация в ледниковые долины

Хорошо развитый цирк часто является родиной ледника долины. Когда лед падает через порог, он начинает течь вниз по уже существующей долине, превращая V-образную речную долину в U-образное ледниковое желоб. Таким образом, цирк сидит во главе многих ледниковых долин, питая лед в главный ледник ствола. После оледенения цирк остается висящей чашей во главе долины.

Нарушенные цирки и ущелья

В некоторых регионах эрозия послеледникового потока прорезала порог цирка, осушая тьму и создавая ущелье. Эти прорванные цирки обеспечивают впечатляющие поперечные сечения через ледниковую и коренную историю области.

Гидрологическое значение цирков

Помимо своей геологической ценности, цирки играют практическую роль в водных ресурсах.Турны, занимающие многие цирки, являются важными резервуарами пресной воды, особенно в регионах с ограниченным хранением подземных вод.Они обычно имеют стабильные, холодные температуры и поддерживают уникальные водные экосистемы, в том числе редкие виды амфибий, беспозвоночных и рыб, таких как ручьевая форель в Северной Америке или арктический уголь в Скандинавии.

Цирки также функционируют как ловушки для осадков. Мелкозернистая каменная мука, образующаяся при ледниковой истирании, оседает в тарнах, создавая отличительные лакированные (сезонно слоистые) отложения. Эти осадки являются ценными архивами для реконструкции сезонной и ежегодной изменчивости климата в течение сотен-тысяч лет. Палеолимнологи часто используют осадки для изучения прошлых изменений скорости эрозии, растительности и истории пожаров.

Во многих альпийских водоразделах цирки непропорционально способствуют летнему потоку. Поскольку они собирают и хранят снег в своих защищенных бассейнах, снег тает позже в летнее время по сравнению с открытыми склонами, обеспечивая устойчивый базовый поток для ручьев и рек. Это имеет решающее значение для водопользователей нисходящего потока в засушливых регионах, таких как западные Соединенные Штаты и горы Центральной Азии.

Цирковые явления в контексте современного изменения климата

По мере нагревания планеты мелкие ледники, которые до сих пор занимают многие цирки, стремительно сокращаются. В некоторых случаях они уже полностью исчезли. Потеря этих цирковых ледников имеет множество последствий.

Во-первых, талая вода от цирковых ледников будет уменьшаться, что скажется на потоке в конце лета. Во-вторых, свежевыявленные породы и отложения, оставленные отступающими льдами, уязвимы для эрозии и нестабильности склонов, увеличивая риск оползней и обломков в альпийских районах. В-третьих, пятнышки, которые заменяют ледники, могут сами быть изменены по мере деградации окружающей вечной мерзлоты и изменения доставки осадков.

Исследователи используют спутниковые снимки и полевые исследования для документирования отступления цирковых ледников по всему миру. Например, всестороннее исследование цирковых ледников в Европейских Альпах показало, что они потеряли более половины своего объема с 1850-х годов, причем скорость потерь ускоряется в последние десятилетия. Аналогичные тенденции сообщаются из Национального центра данных о снеге и льде для ледников в Андах, Гималаях и западных Соединенных Штатах.

Воздействие свежей, ледниково полированной породы на круглых полах также предлагает новые возможности для датировки истории ледникового отступления с использованием космогенного датирования воздействия изотопов (например, 10Be). Ученые могут пробовать валуны на недавно оледеневших круглых полах, чтобы точно определить, когда лед последний раз покрывал это место, обеспечивая точные хронологии реакции ледника на изменение климата.

Методы изучения цирков

Исследование цирков требует сочетания картографирования полей, дистанционного зондирования и лабораторного анализа.

• Геоморфологическое картирование: Подробное картирование полей границ кругов, углов наголовника, градиентов пола и пороговых высот. Это часто дополняется цифровыми моделями высот высокого разрешения (DEM), полученными из LiDAR или спутниковых данных.
• Геология ледников: Анализ дождевой, морен и поперечных поверхностей породы для реконструкции прежней протяженности и динамики циркового ледника.
• Космогенное датирование нуклидов: Измерение концентрации изотопов, таких как 10Be или 26Al, в кварцевых поверхностях пород, чтобы определить, как долго они подвергались воздействию после оледенения.
• Седиментная коррекция: Добыча осадочных кернов из тюленей для анализа лакированных отложений, микрофоссилей и геохимических прокси для прошлого климата и изменения окружающей среды.
• Нумерическое моделирование:] Использование моделей ледникового потока для моделирования роста и разрушения цирковых ледников при различных климатических сценариях, тестирование гипотез об их развитии.

Для отличного обзора современных методов в ледниковой геоморфологии см. ресурсы, собранные Международной ассоциацией геоморфологов .

Заключение

Цирковые породы — это нечто большее, чем живописные впадины в горах. Они являются результатом сложного взаимодействия между климатом, динамикой льда и геологией породы на протяжении сотен тысяч лет. От их происхождения как простых впадин для зарождения до их зрелой формы как крутых стенных амфитеатр, цирки записывают историю ледникового продвижения и отступления с замечательной точностью.

Для ученых-земледельцев они открывают окно в прошлый климат, помогая нам понять величину и время ледниковых периодов. Для менеджеров водных ресурсов они являются критически важными водохранилищами, которые поддерживают летний поток. Для широкой публики они являются знаковыми пейзажами, которые вызывают трепет и любопытство по поводу сил, которые формируют нашу планету.

Поскольку альпийские ледники продолжают отступать перед лицом глобального потепления, изучение цирков приобретает новую актуальность. Они являются временными капсулами недавнего ледникового прошлого Земли и в то же время чувствительными показателями того, как ландшафты реагируют на быстрое изменение климата. Понимание их в полной мере является не только научным поиском, но и шагом к прогнозированию будущего горных водных ресурсов, опасностей и экосистем в мире потепления.