В теплом климате ледники разрушают горы, а в холодном — сохраняют

Высокогорья Анд — величественная и крайне полезная модель для геологов, изучающих морфологию горных массивов. Анды поднялись 14–17 млн лет назад, затем их хребты и перевалы видоизменялись под действием ледников и других горообразующих факторов. Фото с сайта powderquest.com

Международная группа геологов изучила особенности разрушения гор в холодном климате. Им удалось показать, что действие высокогорных ледников на высоту и ширину гор в холодном и в теплом климате прямо противоположное. Если в более теплом климате ледники быстро уменьшают высоту гор, ускоряя их эрозию, то в холодном, напротив, способствуют их увеличению и расширению, уменьшая эрозию горных пород. Геологи получили более точную модель для интерпретации горных ландшафтов, а палеоклиматологи — возможность уточнить границы крупномасштабных оледенений.

Отчего горы высокие? Над этим детским вопросом размышляли и размышляют сотни геологов по всему миру. Потому что в действительности вопрос совсем не простой. Горы поднимаются за счет движений и деформаций земной коры, затем разрушаются в процессе эрозии. В зависимости от того, какой процесс идет быстрее — накопление или разрушение, горы или растут или разрушаются и сглаживаются. Рост гор обеспечивается процессами движения тектонических плит, в частности субдукцией тектонических плит (см. также Subduction). В результате субдукции одна плита пододвигается под другую, и на месте контакта двух плит идет накопление и наложение земной коры, образуются складки и большие горные массивы. Один из примеров горных систем, сформировавшихся в ходе субдукции, — Анды. Южно-Американская плита надвинулась на плиту Наска и подмяла ее под себя, на месте встречи двух плит образовались Анды.

Основные тектонические плиты, окружающие Южную Америку. Затененный прямоугольник и стрелочка выделяют район исследований — Южные Анды. Карта из энциклопедии Дж. Трефила «Природа науки» (статья Тектоника плит)

Ледники — мощный формообразующий и разрушающий фактор складчатых горных областей. Так, на примере Анд показано, что ледники резко увеличивают эрозию и таким образом способствуют уменьшению и сглаживанию горных вершин. Чем больше эрозия, тем ниже горы. Максимальной эффективности эрозия достигает на границе питания ледника (equilibrium line altitude) — то есть на высоте, на которой скорость накопления снега и льда примерно уравновешивается скоростью выноса льда (это суммарный результат таяния, испарения, отрывания льда, схода лавин и т. д.); см. раздел Анатомия ледника. Геологи придерживаются гипотезы, подтверждаемой и эмпирическими данными, что чем ниже была линия питания палеоледника (и, следовательно, выше эффективность эрозии), тем ниже должны быть современные горы. Глобальное похолодание климата и оледенение должны приводить к ускорению разрушения гор, их высота должна снижаться, основание горного массива стать более узким, а склоны гор более изрезанными. Некоторые данные по позднекайнозойскому оледенению (5–7 млн лет назад) подтверждают эти теоретические выкладки.

Но геологи из Чилийского университета в Сантьяго, а также Аризонского (Тусон), Йельского (Нью-Хейвен) и Иллинойсского (Урбана) университетов США обратили внимание на специфические черты гор в Патагонских Андах, расположенных южнее 45°ю.ш. Они показали, что высота границы питания ледников во время плейстоценового максимума оледенения (когда формировались горные вершины) снижается в южном направлении. Это должно означать, что в плейстоцене в этом районе ледники были мощнее. Значит, в соответствии с теорией, сильная эрозия должна была бы быстро сгладить горы, и высота современных гор, как и древняя высота границы питания ледников, должна уменьшаться в направлении к югу. Но на самом деле в этом районе и высота, и ширина гор к югу увеличиваются. То есть для данного района классическая схема влияния ледниковой эрозии на высоту и ширину гор не работает. Ученые предложили ввести в модель дополнительное условие — климатические условия, в которых формировался ледник. Это условие позволяет объяснить разногласие между двумя основными показателями, которыми пользуются гляциологи, — высотой гор и высотой границы питания ледника.

В дополнение к имеющимся 140 образцам (о них были публикации в прошлые годы) ученые собрали еще 150 образцов пород, которые несли следы эрозии. Дополнительные сборы, очевидно, понадобились специалистам, не до конца поверившим в противоречивые результаты предварительных измерений. Затем двумя различными методами низкотемпературной термохронологии — трековым методом по апатиту (apatite fission-track, AFT) и уран-ториевым методом (U–Th)/He по апатиту — они определили возраст образцов и оценили скорость их продвижения к поверхности. Возраст образцов косвенным образом отражает скорость эрозии: чем выше эффективность эрозии, тем выше скорость приближения к поверхности находящегося на глубине образца и тем меньше его возраст. Представим, что эрозия слой за слоем, миллиметр за миллиметром снимет слои горных пород, подбираясь постепенно к всё более глубоким. Если скорость эрозии высока, то глубокие слои окажутся на поверхности быстрее и возраст их будет меньше, а если скорость эрозии мала, то до глубоких слоев поверхностный холод доберется существенно позже. Конкретные измерения скорости эрозии в Андах дают результат 0,6–0,8 мм породы в год.

Оказалось, что в северной части Анд образцы сравнительно моложе (возраст образцов 5 млн лет), затем, при продвижении к югу, они постепенно стареют. На широте 45–46°ю.ш. образцы начинают стареть всё быстрее, достигая возраста в 7 млн лет и более. Из этого можно заключить, что южные образцы испытывали существенно меньшую эрозию, чем северные, в особенности на этой удивительной границе 46°ю.ш. Именно на этой широте Анды начинают подниматься, а злополучная линия питания палеоледников опускаться. Итак, в южной части Анд во время плейстоценового оледенения ледники были самые мощные, а скорость эрозии при этом резко снизилась. В результате горы выросли за счет продолжавшейся с постоянной скоростью субдукции тектонических плит под Южно-Американскую плиту (скорость поднятия западного края южно-американской плиты 0,07–0,22 мм/год). А в более северных частях, где ледниковая эрозия была эффективной, подъем гор уравновешивался эрозией или был меньше ее, так что высота гор снизилась.

Осталось ответить на ключевой вопрос: почему, несмотря на мощные ледники, скорость эрозии всё же снизилась? Ответ оказался прост (помогла палеогеография позднемиоценового времени). В это время южная часть Анд располагалась в полярных широтах. Ледники смерзались с материнскими породами, скорость движения ледников становилась крайне низкой. Потому и эрозии почти не было. Таким образом, когда в более теплых соседних районах ледяные шапки усиленно разрушают горы, севернее они, напротив, защищают горы от разрушения, позволяя вершинам расти ввысь и вширь за счет активных тектонических процессов.

Впервые показано, что ледник может защищать активно растущие горы, а не тектонически пассивные континентальные ландшафты (как, например, в Антарктиде). Этот пример будет обязательно использован геологами для переосмысления истории формирования современных горных массивов. Возможна и обратная задача: по соотношению высоты горных массивов и положению линии питания ледников определить климатические условия, господствовавшие на территории формирования ледника и горных массивов.

Источник: Stuart N. Thomson, Mark T. Brandon, Jonathan H. Tomkin, Peter W. Reiners, Cristián Vásquez, Nathaniel J. Wilson. Glaciation as a destructive and constructive control on mountain building // Nature. 2010. V. 467. P. 313–317.

Елена Наймарк