ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ СНЕГА, ЛЬДА И ЛЕДНИКОВ .
В современную эпоху 11% суши или 17 млн . км2 занято ледниками и ледниковыми покровами , объемом около 30 млн . км3 и это не считая морских льдов, айсбергов и снежного покрова, а также подземных льдов, широко распространенных на земном шаре. 18-20 тыс . лет назад огромная территория в Северном полушарии была занята сплошным покровом льда , мощность которого превышала 3 км. Крупнейшими ледниковымипокровами на суше являются Антарктический ( около 15 млн . км2) и Гренландский ( около 1,8 млн . км2). Все остальные ледники , развитые преимущественно в горах, обладают незначительным объемом .
Для образования ледников необходим снежный покров , который не успевал бы полностью растаять в летний период. Следовательно, уменьшаются контрасты температур между снежной зимой и прохладным летом . Превращение снега в лед. Снег выпадает в форме красивых тонких , обычно гексагональных легких кристаллов , которые образуют рыхлый покров на поверхности Земли . Кристаллы снега образуются при конденсации водяного пара . Свежий снег обладает высокой пористостью и большой поверхностью соприкосновения с воздухом, что способствует испарению и сухой возгонке , т.н. сублимации , при которой выделяется тепло . Снежинки начинают уплотняться и, подтаивая, за счет высвобождающегося тепла, начинают изменять свою форму , превращаясь в округлые зерна и уплотняясь . Подобное состояние снега называется фирном. Дальнейшее уплотнение фирновых зерен ведет к их трансформации в фирновый лед, еще содержащий поры, а еще позднее уже в глетчерный лед, не имеющий пор, обладающий голубоватым цветом и менее плотный , чем речной лед. Чтобы образовался 1 м3 льда необходимо 10-11 м3 снега, а чтобы снеговой покров длительно сохранялся нужно сочетание низких температур воздуха с обильными снегопадами.
Т.к. с высотой температура воздуха понижается на 0,5-0,6° С на каждые сто метров , то в горных областях есть уровень - снеговая линия, выше которой снег уже не тает . В разных районах Земного шара снеговая линия находится на разных высотах: от 0 в Антарктиде и до 6 км в горах в низких широтах, причем в горных районах на положение снеговой линии оказывает влияние экспозиция склонов. На южных она выше, чем на северных. Льды образуются как на суше, так и в реках, озерах и морях. Речной лед более плотный , чем глетчерный , а максимальная плотность чистой воды достигается при температуре +3,98° С, при этом плотность охлаждающейся воды с поверхности увеличивается и она опускается вниз , способствуя перемешиванию воды, пока вся масса воды не приобретет максимальную плотность. При температуре около 0 ° С вода начинает превращаться в лед и при этом объем увеличивается. При колебаниях температуры объем льда увеличивается или уменьшается , причем в первом случае , например, в озерах , лед выталкивается на берег, образуя валы из обломков пород . Соленая вода в морях замерзает при температуре − 2-4 ° С, что зависит от солености. В Северном Ледовитом океане мощность льда не превышает 3-4 м , увеличиваясь у берегов до 10-15 м , т.к. лед намерзает за счет брызг от волн. Смерзшиеся льдины образуют неровную поверхность пакового льда . В прибрежных районах образуется донный лед.
Классификация ледников.
По форме ледники подразделяются на горно- долинные и покровные . Наиболее крупные материковые ледяные покровы находятся в Антарктиде и Гренландии, а более мелкие известны в Исландии, на Земле Франца- Иосифа, Новой Земле , Северной Земле и островах Канадского Арктического архипелага . Горно -долинные ледники развиты почти во всех крупных горных системах : Кордильерах, Андах, Памире, Гималаях, Кавказе, Альпах и других , где в высокогорье располагаются понижения - цирки с ледяными шапками , из которых лед спускается в долины. Иногда еще выделяют промежуточный тип ледников , которые в горах обладают долинной формой, а выходя на равнину превращаются в покровный ледник, сливаясь в единый ледниковый щит незначительной мощности.
Горно - долинный тип ледников .
В любом горно - долинном леднике различаются области: 1) аккумуляции, 2) стока и 3) разгрузки . Горные ледники питаются за счет снега, выпадающего в высокогорье и постепенно переходящего в фирн, а затем и в лед. Естественно, что областью накопления льда являются понижения между скальными пиками, напоминающие чаши и называемые карами. Сливаясь между собой кары образуют более обширные ледниковые цирки, из которых лед устремляется в горные долины, по которым может перемещаться на десятки километров.
В том месте, где ледник выходит из кара или цирка, всегда существует перегиб склона , а в леднике возникает подгорная трещина . Область стока ледника всегда характеризуется обилием трещин, т.к. в горной местности существуют резкие перепады высот рельефа уступы, обрывы и т.д ., т.е . быстро изменяется градиент склона . Область разгрузки представляет собой окончание ледника, где он тает и уменьшается в мощности и объеме.
Горно - долинные ледники подразделяются на простые и сложные. Последние характеризуются питанием из целого ряда ледниковых цирков и наличием языков льда , сливающихся в один крупный долинный ледник. Такие ледники характерны для многих горных систем типа Кавказа, Альп, Памира. Ледник Федченко на Памире, обладающий длиной в 71,7 км и мощностью до 1000 м, в своей средней части, принимает в себя около 20 относительно небольших ледников , которые его подпитывают и картина в плане напоминает дерево . Поэтому такие сложные ледники называются древовидными.
Нередко ледниками заняты высокогорные перевалы и языки льда спускаются по обе стороны горного хребта , нося название переметных ледников , напоминающих положение переметных сум на лошади. Существуют каровые ледники, располагающиеся только в каровом углублении . Иногда ледник выходит из кара, но не достигает днища главной долины, оставаясь как бы висеть на склоне . Такие ледники называются висячими . От концов висячих ледников часто обрушиваются большие глыбы льда .
В Средней Азии существует особый тип горно - долинных ледников , питающихся не за счет каровых фирновых полей и ледников , а за счет большого количества снега, поступающего на поверхность ледника с лавинами, сходящими со склонов ледниковой долины. Подобные ледники называются туркестанскими. Лед - хрупкое вещество . Если по нему ударить молотком он разобьется . Тем не менее ледники движутся и это означает , что на глубинах в 50 и более метров , там , где трещин уже нет и давление велико , лед обладает пластичностью и способен медленно течь , т.к. атомы в кристаллической решетке льда способны смещаться друг относительно друга, а лед испытывает пластическую деформацию. Собственно говоря , лед течет точно также , как и горные породы под большим давлением и высокой температурой на глубинах в первые км. В этом отношении лед не отличается от горных пород . В силу различной твердости разных слоев льда в леднике возникает расслоенность и отдельные слои могут скользить друг по другу с разной скоростью . Особенно часто отслаивается верхний наиболее хрупкий слой ледника, на крутых склонах образуя мощные ледопады, как это случается в Альпах, на Кавказе.
Скорость движения ледников различна и отличается в разные периоды года , составляя от 0,1-0,5 м /сутки, как, например, на Кавказе или в Альпах, до первых м / сутки на крупных ледниках Памира, Каракорума и Гималаев, а в Гренландии есть ледники , скорость перемещения которых в узких горных долинах составляет 30 м / сутки. Существуют ледники , которые как бы внезапно приобретают аномально большие скорости движения. Так, например, необычным “ норовом ” славится ледник Медвежий на Памире. В 1963 г. скорость его движения превысила 150 м / сутки и он за короткое время продвинулся вперед почти на 7 км. Также необычно быстро двигался в феврале 1937 г. ледник Блэк Рэпидз на Аляске в 210 км к югу от г.Фэрбенкс. 23 февраля его скорость достигла 220 футов/ сутки ( около 75 м / сутки) и так он двигался примерно 6 месяцев. Затем скорость его перемещения упала и он начал отступать.
Причины аномально быстрых движений ледников обычно связаны с обильным поступлением снега в области аккумуляции и превратившись в лед, масса испытывает большое давление , не успевая протиснуться сквозь узкое сечение долины. В эти моменты скорость движения ледника возрастает и она будет сохраняться пока не сбросится как бы “ лишняя” масса льда .
В горно - долинных ледниках скорость движения льда в плане и в поперечном разрезе различается в разных местах сечения ледника. У бортов и у днища ледника скорости минимальны ввиду трения о коренные породы, а в середине и в центральной части в плане скорости перемещения будут больше. Так как движение ледника неравномерно в поперечном сечении, он растрескивается и трещины располагаются перпендикулярно оси максимального по скорости течения ледника, загибаясь к его краям . Трещинообразованию способствует и расслоенность ледника, о чем уже говори лось выше. Талые воды, текущие , как по поверхности, так и под днищем горно - долинных ледников разрабатывают неровности и трещины , нередко превращая их в ледяные туннели или глубокие канавы. Кроме того , эти водные потоки переносят большое количество разрушенного ледником обломочного материала с коренных склонов долины. Покровные материковые ледники , обладая изометричной в плане и линзовидной формой в поперечном разрезе, обладают максимальной мощностью, доходящей до первых км в центральной части купола , откуда лед под давлением и в результате изменения градиента давления движется по радиусам к своим краям . При этом следует иметь в виду, что в основании горно - долинных ледников температура обычно высокая и близка к точке плавления льда (“ледники с теплым основанием”). Поэтому льды скользят по субстрату с минимальным трением по пленке из талой воды, как конькобежец движется по льду с пленочкой воды под лезвием конька . В высоких широтах температура может быть настолько низкой как в самой толще льда , так и в его основании, что лед “ примерзает ” к субстрату (“ледники с холодным основанием”) и движение ледника осуществляется за счет скольжения его внутренних неоднородных слоев.
На станции Бэрд в Антарктиде в 1966-1968 гг . пробурена скважина, достигшая на глубине 2,164 км пород основания ледника, температура которого была всего лишь - 1,6° С, тогда как на глубине 0,8 км во льдах она составляла - 28,8 °С. Несмотря на общую, очень низкую температуру на поверхности Антарктического покрова, в районе станции “ Восток” радиолокацией было обнаружено подледное озеро шириной до 75 км и длиной более 200 км при глубине до 0,5 км. Температура льда в основании покрова на глубинах в 3,750 км равна температуре его плавления и составляет всего -2 ° С, при давлении у ложа в 300 атм . Талая вода должна выдавливаться туда , где мощность ледника меньше и в отдельных углублениях она может скапливаться в виде подледных озер . Скважина на станции “ Восток” была остановлена на глубине 3623 м при общей толщине ледника в 3750 м . Когда уже резко изменилась структура льда и его крупные кристаллы указывали на то , что он намерз снизу, бурение остановили из - за опасности нарушения возможной микробиоты пресного подледного водоема .
Открытие подледного озера в Антарктиде при огромной мощности ледникового щита ( более 4 км) имеет большое значение для поисков жизни на ледяных спутниках Юпитера, например, Европы. Возможно и под ледяным панцирем Европы тоже есть озера с пресной водой , а в них какая- нибудь биота. Поверхность ледников , не покрытых снегом , всегда изрезана трещинами , которых особенно много там , где тело ледника испытывает изгиб вверх и в нем развивается напряжение растяжения . Возникающие при этом трещины располагаются веерообразно , расширяются к верху и суживаются вниз . А по краям долинного ледника всегда закономерно расположена система трещин - карисс , изогнутых в сторону верховьев ледника, что связано с его течением . Если снег с поверхности ледника стаял, то ручьи, текущие по ней днем, в жаркое время суток, вырабатывают небольшие углубления , разделенные гребнями. Такая поверхность называется сераки .
Попавшие на ледник крупные камни , предохраняют лед от таяния и тогда на нем возникают ледяные “ грибы ”. Пыль, скопившаяся на поверхности ледника, ускоряет его таяние , образуя углубления - ледяные “ стаканы ”. Материковые покровные ледники . В настоящее время существуют два крупных покровных ледника. Один в Антарктиде и второй - в Гренландии. Антарктический покровный ледник - крупнейший на земном шаре, занимающий около 14 млн . км2 или 9% территории суши. В Антарктиде сосредоточено 91% всех наземных льдов и 45% водных запасов континентов. Объем льда составляет 25 млн . км3, а максимальная мощность покрова более 4 км при средней - в 2 км.
Под гигантской тяжестью ледникового покрова, большие пространства Антарктического материка , особенно в западной его части, располагаются ниже уровня океана . По краям континента ледники спускаются к океану , образуя огромные шельфовые ледяные поля (ледник Росса, ледник Фильхнера) и выводные ледники . Края антарктических ледников за последние 100 лет непрерывно пульсировали , наступали, отступали, от них откалывались огромные айсберги . Наблюдения за многолетним ходом снегонакопления показали , что оно крайне неравномерно. С 1880 по 1960 гг . скорость снежного питания покрова сначала увеличивалась на 15% до 30- х годов ХХ века , а затем снизилась на 20%. Средняя величина накопления снега в Антарктиде составила 15 г/ см2 в год , что дает почти 2100 км3 снега в год в пределах всей площади ледяного покрова. Антарктический ледник пополняется только за счет атмосферных осадков, которые оцениваются примерно в 2500 км3 в год . В то же время убыль массы ледника складывается из испарения и конденсации влаги, выноса снега ветром (20 ± 10 км3), жидкого стока в виде таяния поверхности и основания ледника (50 ± 20 км3), откалывания айсбергов ( 2600 км3) и донного таяния шельфовых ледников (320 км3), таяния снега (10 ± 5 км3). Таким образом, в настоящее время наблюдается отрицательный водноледниковый баланс в Антарктиде, в то же время
масса льда растет , хотя в краевых зонах ледники отступают. Увеличение массы льда в центральных частях покрова еще долго не будет влиять на краевые части ледяного покрова.
Возникновение ледникового антарктического покрова относится, скорее всего, к позднему олигоцену, т.е . около 30 млн . лет тому назад. Поэтому такой интерес представляют скважины, пробуренные в Антарктическом льду . Отбирая из них керн , исследователи получили возможность изучить изотопный состав льда и состав пузырьков воздуха, заключенных в нем , что позволяет анализировать прежний состав атмосферы . На станции “ Восток” мощность льда 3,7 км, а скважина прошла во льдах 2,755 км и в 1996 г. до 3,523 км. Определение палеотемператур из керна льда по соотношению стабильных изотопов позволило охарактеризовать голоцен (10 тыс .лет), вюрм ( валдайское оледенение ) (10-20 тыс .лет назад), рисс - вюрмское ( микулинское) межледниковье (120-140 тыс .лет назад), рисское (днепровское) оледенение (140-220 тыс . лет назад), межледниковье (220-320 тыс .лет назад) и миндельское ( окское ) оледенение (320-420 тыс .лет назад). На сегодняшний день - это уникальная единственная в мире скважина, в которой охвачены изотопными данными все 3 или 4 главные ледниковые эпохи . Химические компоненты воды - кислород и водород содержат как обычные “ легкие ”, изотопы
16О и Н, но и тяжелые 18 О и 2Н или дейтерий (D). Их соотношение определяется испарением и конденсацией , которые , в свою очередь, зависят от температуры . Так и состав изотопов выпавшего снега определяется температурным режимом . В Восточной Антарктиде установлено, что понижение относительного содержания 18 О на 1‰ ( единицу на тысячу) в стандартной морской воде , равно похолоданию на 1,5 ° С. Если содержание D уменьшается на 6 ‰ - на 1 ° С. Изменения изотопного содержания 18 О и D соответствуют изменениям температуры . В последнюю вюрмскую ( валдайскую) ледниковую эпохи температура в Антарктиде была на 6°С холоднее , чем в голоцене ( последние 10 000 лет). Эти данные подкрепляются изучением содержания во льдах долгоживущего радиоактивного изотопа 10Ве, образующегося только в космической обстановке , содержание которого увеличивается в ледниковые эпохи , но, так как поступление 10 Ве из космоса всегда постоянно, то его концентрация во льдах обратно пропорциональна объему выпавшего снега. Следовательно, в ледниковые эпохи в Антарктиде наблюдалось не только общее похолодание, но и уменьшение количества выпавшего снега. Это может показаться парадоксом , но это действительно так и только во время потепления климата количество осадков возрастает .
Таким образом, современные методы изучения керна льда при бурении скважин в ледяных покровах , способны рассказать многое о палеотемпературах, содержании парниковых газов СО2 и СН4, вклад которых в изменение климата Антарктиды за последние несколько сотен тысяч лет может достигать 40-60%. Большое значение в ледниковые эпохи имела разница температуры атмосферы между низкими и высокими широтами, а также увеличение запыленности атмосферы в ледниковые эпохи , что связывается с общей аридизации климата, осушением огромных территорий шельфов из -за понижения уровня моря. Вот о чем может рассказать столбик или керн льда , полученный с большой глубины в Антарктическом ледяном покрове. Гренландский покровный ледник второй по величине на Земле в современную эпоху , занимает площадь в 2,2 млн . км2 при максимальной мощности льда в 3400 м и средней - 1500 м . В длину ледник протянулся на 2600 км, имея наибольшую ширину почти в 1000 км .
Почти везде ледник, обладающий неровной, волнистой поверхностью и залегающий в виде линзы , на побережье ограничен горами и зоной до 100 и даже 160 км свободной ото льда . Лед, утыкаясь в горы, ищет выхода по долинам , образуя выводные ледники , некоторые из которых достигают океана и тогда от их краев откалываются айсберги . Оценки свидетельствуют о ежегодном рождении 10-15 тысяч больших айсбергов .
Крупный покров плавучего льда существует в Арктике, занимая большую часть Северного Ледовитого океана . В последние десятилетия по данным спутниковых наблюдений он сокращается на 3% в 10 лет. Однако, лед не только уменьшается по площади , он сокращается и в мощности. Результаты акустического зондирования с подводных лодок показали , что в глубоководной части Ледовитого океана за 10 лет мощность льда уменьшилась с 3,1 до 1,8 м . За 40 последних лет арктические плавучие льды потеряли 40% своего объема. Если процесс будет идти с такой же скоростью , то в ближайшие 80-100 лет плавучий лед исчезнет и огромное пространство Ледовитого океана превратится в накопитель тепла, в то время как сейчас льды его отражают. Это может повлечь за собой коренные изменения климата Земли .
Разрушительная ( экзарационная ) деятельность ледников.
Термин экзарация ( лат. “экзарацио” - выпахивание ) используется для обозначения эродирующей деятельности ледника, которая оказывается им благодаря огромному давлению, движению льда , а также воздействию на ложе ледника включенных в лед валунов, обломков, гравия и песка. Именно эта “ прослойка” на контакте льда и горных пород , благодаря давлению оказывает на последние абразивное действие , срезая выступы , истирая и полируя их, действуя как огромный лист наждачной бумаги.
Благодаря такому абразивному действию ,V - образные речные горные долины, по которым начинает двигаться ледник, постепенно приобретают корытообразную U- образную форму трога ( нем . “трог ” - корыто). Если в долине встречаются выступы более твердых пород - ригели , ледник переваливает через них , а перед ними или после них днище трога углубляется и образуются ванны выпахивания . В верхних частях горно -долинных ледников образуются , как уже говорилось выше, чашеобразные кары и более крупные цирки .
Ледники крупных долин в горных областях часто принимают в себя более мелкие ледники из боковых долин , днище которых располагается намного выше коренного днища главной троговой долины. После таяния ледников образуются “ висячие троги”, хорошо прослеживаемые, например, в ледниковых долинах Северного Кавказа, Баксана, Чегема, Уруха, Терека и других .
Впаянные в основание ледника разнообразные по величине камни благодаря огромному давлению оставляют на подстилающих горных породах борозды и царапины - ледниковые шрамы, которые фиксируют своей ориентировкой направление движения ледника. Скальные выступы пород сглаживаются и полируются абразивным действием льда , возникают т.н. бараньи лбы , обладающие асимметричной формой. Длинный , отполированный и со шрамами “ лоб ” располагается навстречу движению ледника, а крутой , обрывистый склон находится с другой стороны . Скопления бараньих лбов образует форму рельефа, называемую курчавыми скалами .
Ледник способен захватывать крупные обломки горных пород , нередко покрытые ледниковыми шрамами , и разносить их на большие расстояния - эрратические ( не местные) валуны . Так, в Подмосковье широко распространены валуны кристаллических пород из Карелии, с Балтийского щита, выступа фундамента Восточно- Европейской платформы . Нередко также валуны несут на себе несколько поверхностей полировки с царапинами. Большие глыбы коренных пород могут попадать в основание покровного ледника за счет откалывания от субстрата примороженных ледником крупных кусков породы под напором двигающегося ледника .
Покровные ледники , обладая большой экзарационной силой , выпахивают в своем ложе глубокие и протяженные ложбины и рвы - ложбины выпахивания . Более 90% озер в северных широтах Земного шара своим возникновением обязаны именно таким процессам, связанным с последними оледенениями. В Карелии существуют сотни озер такого происхождения , ориентированные , преимущественно , в меридиональном направлении. Протяженные борозды выпахивания установлены и на дне Баренцева моря, ныне заполненные четвертичными морскими осадками . В позднем плейстоцене во времена вюрмских (валдайских ) оледенений ледники покрывали все западные шельфовые моря Северного Ледовитого океана , т.к. уровень океана был намного ниже. Из района Скандинавии и Кольского полуострова ледники перемещались на север, формируя ложбины выпахивания .
Мощная напорная сила медленно перемещающегося ледника, как нож бульдозера способна вызвать дислокацию горных пород, сминая их в складки, разрывая на крупные глыбы - отторженцы, способные перемещаться на многие десятки км. Гляциодислокации - довольно распространенное явление в областях древних оледенений .
Транспортная и аккумулятивная деятельность ледников.
При своем движении ледник захватывает и переносит различный материал , начиная от тонкого песка и, кончая , крупными глыбами , весом в десятки тонн. Попадают они в тело ледника различными способами .
В горно - долинных ледниках обломки пород скатываются со склонов ледниковых каров, цирков или трогов в результате выветривания , обвалов и оползней и, попадая, на лед перемещаются вместе с ним , проникая в трещины , погружаясь в лед за счет протаивания последнего . Особенно много обломочного материала скапливается в местах контакта ледника сбортом долины. Кроме того , в днище ледника также включены многочисленные обломки , попавшие туда в результате экзарационной деятельности .
Материал любого размера, включенный в лед или переносимый льдом и впоследствии отложенный, называется мореной. Выделяются морены движущиеся и отложенные . В горно - долинных ледниках существует ряд разновидностей морен в связи с их положением в теле ледника . Боковые морены располагаются в краевых частях ледника, срединные - в их середине , причем как на поверхности, так и внутри ледника. Последние образуются при слиянии двух ледников , когда две боковые морены сливаются в одну, расположенную по оси ледника. Донная морена выстилает ложе ледника. В ледниках покровного материкового типа развиты преимущественно донные морены, т.к. лед перекрывает мощной толщей все выступы рельефа.
Отложенные морены образуются либо после отступания ледника, либо в моменты его стационарного положения , когда скорость наступания равняется скорости таяния или абляции . В последнем случае , как в горных, так и в равнинных , покровных ледниках формируется конечная морена или конечно- моренный вал. Различный обломочный материал , включенный в лед, вытаивает из него у края ледника. Но так как ледник движется вперед , он приносит с собой все новые и новые порции обломочного материала, которые постепенно и нагромождаются у его стоящего на одном месте края .
В формировании конечно - моренных или терминальных гряд не исключено и напорное действие ледника, подобно действию бульдозера . Обломки могут выжиматься из льда , выдавливаться из него . На Русской равнине хорошо известна Клинско- Дмитровская гряда ранневалдайского (ранневюрмского) оледенения , высотой в 100-150 м . Моренный пояс последнего оледенения прослеживается в широтном направлении через Западную Сибирь. Известен он и в Восточной Сибири, располагаясь южнее плато Путорана и прослеживаясь до устья р.Оленек. Если в горных ледниках конечные морены всегда имеют дугообразную форму , располагаясь выпуклой стороной вниз по долине, то на равнинах конечные морены повторяют изгибы краев ледникового покрова, часто лопастями приникающими по древним речным долинам .
Донная или , как ее иногда называют, основная морена, образуется в основании ледника, когда при его движении происходит отрыв и перемалывание , раздробление , как твердых , так и рыхлых коренных пород ложа ледника. Обычно донная морена состоит из обломков, валунов, гравия , песка и глины , представляя собой весьма разнообразный материал . Подобные донные морены покрывают большие пространства , формируясь при отступании ледниковых покровов и могут быть весьма плотными за счет высокого давления ледника. Как правило, талыми водами мелкий материал впоследствии вымывается и на поверхности преобладают скопления крупного валунного материала.
Уплотненные древние морены получили название тиллитов («till» - отложения , «moraine» - форма рельефа, англ .). Плохая сортированность донных морен, да и не только донных, особенно в разрезах древних отложений , позволяет их путать с отложениями селевых потоков. Донные морены образуют обычно слабо холмистый рельеф , на фоне которого нередки отдельные овальные в плане возвышенности , высотой до 30 м , длиной до первых км и шириной в сотни метров . По форме они напоминают половинку дыни или яйца и называются друмлинами. Образуются они за каким - либо выступом коренных горных пород , когда ледник переваливает через него , за ним образуется недостаток массы льда или даже полость и там скапливаются донные моренные отложения , часто слоистые . Друмлины нередко образуют целые поля , например, в Финляндии , где они длинной осью вытянуты по направлению движения ледника, также как и ложбины выпахивания , занятые
озерами.
Водно - ледниковые отложения
Крупные материковые покровы льда при своем таянии поставляют огромную массу воды. Целые реки воды текут по поверхности краевой части ледника, внутри него и подо льдом , вырабатывая в нем туннели . Сток воды может быть плоскостным или линейным ( сосредоточенным ), а объем талой воды огромным. Естественно, что эта быстродвижущаяся вода производит большую работу , как аккумулятивную, так и эрозионную. Под ледяным покровом могут располагаться большие озера, как это сейчас наблюдается в Антарктиде. Объем талых вод сильно изменяется в зависимости от сезона, а также от “ холодного” или “ теплого” типов ледника.
Благодаря постоянному выносу талых вод формируются ложбины стока, образующих своеобразный рельеф чередования ложбин с широкими днищами и крутыми склонами. Обломочный, главным образом, песчаный материал , влекомый этими потоками, распространяется на больших пространствах, образуя зандровые равнины ( нем . “ зандер ” - песок), за внешним краем конечно - моренных валов. Такие зандровые поля сейчас известны перед некоторыми ледниками в Исландии и на Аляске и чрезвычайно широко были распространены перед фронтом покровных ледников в четвертичный период на Русской равнине, в Прибалтике, в Северной Германии и Польше.
Создавались зандровые равнины многочисленными ручьями и речками , постоянно меняющими свои русла. Вблизи края ледника материал откладывался более грубый, а тонкий песок уносился дальше всего. Зандры известны и в ископаемом состоянии, например, в Сахаре , где они связаны с раннепалеозойским ( ордовикским ) оледенением .
Озы представляют собой протяженные , извилистые гряды или валы, высотой в 20-30 м , сложенные слоистым песчано- галечным или песчано- гравийным материалом. Образовались они вследствие наличия водных потоков на поверхности или внутри ледника, которые переносили песчано- гравийный материал . Когда ледник растаял, этот материал оказался спроектирован на поверхность суши в виде вала , а не в форме “ корыта”, какую он имел в реке , текущей по льду . Озы всегда ориентированы по направлению стока воды с ледника, а , следовательно, указывают нам на его движение.
Камы - это холмы изометричной формы , высотой в 10-20, редко больше метров , сложенные чередованием слоев разнозернистого песка, глин , редко с отдельными гальками и валунами. Эти отложения формировались в озерных котловинах , расположенных на поверхности ледника и после таяния последнего , оказались, как и озы , спроектированными на поверхность коренных пород .
Озерно- ледниковые, тонкослоистые (ленточные ) отложения , состоящие из многократно чередующихся глинистых и песчанистых слойков образовались в приледниковых озерах . Когда таяние было более бурным, например, летом , в озеро сносится относительно грубый материал , а зимой , в условиях ослабленного водотока накапливались глины . Количество слоев в ленточных озерных отложениях (варвы ) говорит о времени формирования озера. Все упомянутые выше отложения , связанные с действием талых ледниковых вод иначе называются флювиогляциальными, что указывает на их водно - ледниковое происхождение .
Плавучие льды или айсберги разносятся течениями на большие расстояния от кромки ледников . Один из айсбергов погубил печально знаменитый пароход “ Титаник”.
На плавучих льдах находилось много обломочного материала, который , по мере их таяния откладывался на океанском дне. В шельфовых ледниках , занимающих большие пространства , как, например, ледник Росса в Антарктиде, площадью больше 800 000 км2 и мощностью до 200 м , благодаря волнению вод с краев откалываются столовые айсберги , с отвесными уступами. Длина таких айсбергов может превышать 100 км и они десятилетиями плавают в океанах, постепенно раскалываясь и подтаивая, представляя большую опасность для судоходства.
Откалываясь от края шельфовых ледников , айсберги провоцируют накопление на дне мощных оплывающих валунно -глинистых отложений и формирующих мореноподобные толщи .
Оледенения в истории Земли .
Изучая современные ледники в горах и на материках, установив особенности их строения , механизм передвижения, разрушительную и аккумулятивную работу , можно выявить наличие оледенений в геологической истории Земли , использовав знаменитое выражение Ч .Ляйеля “ настоящее - ключ к прошлому”.
18-20 тыс . лет назад облик поверхности Земли в Северном полушарии был совсем иным, чем в наши дни . Огромные пространства Северной Америки , Европы, Гренландии, Северного Ледовитого океана , были заняты гигантскими ледяными покровами с максимальной мощностью в их центре до 3 км. Это было последнее крупное оледенение , продвинувшееся на Русской равнине почти до широты Москвы, а в Северной Америке - южнее Великих озер . С тех пор ледники стали отступать и сейчас лед последнего оледенения сохранился только в Гренландии и на ряде островов Канадской Арктики. В последние 10 000 лет, называемых голоценом , окончательный распад ледниковых шапок и их быстрое таяние произошло около 8000 лет назад, когда климат был теплее современного . Этот период соответствовал “ климатическому оптимуму”. Где-то между 8000 и 5000 лет назад климат стал еще теплее , а в Африке более влажным . Но между 5000 и 3500 лет назад произошло сильное похолодание и местами возникли новые ледники , что позволило выделить даже “ малый ледниковый период”. Именно к нему относятся ныне существующие ледники на Кавказе, в Альпах, на Памире, в Скалистых горах Северной Америки и других местах .
Все эти события произошли с момента окончания максимального продвижения ледников за последние 18 000 лет. Но в четвертичном периоде, начиная с 2 млн . лет тому назад достоверно выделяется не менее 4-х ледниковых или криогенных эпох , следы которых прекрасно установлены в Евразии и в Северной Америке . В начале ХХ в. немецкими геологами А.Пенком и Э.Брюкнером в Альпах были обоснованы четыре крупных оледенения : гюнц (поздний плиоцен ), миндель ( ранний плейстоцен ), рисс ( средний плейстоцен ) и вюрм ( поздний плейстоцен ) с двумя стадиями наступания ледников либо с двумя самостоятельными оледенениями.
Впоследствии, выделяя следы древних оледенений в других местах им, хотя и давали местные названия , но всегда сопоставляли с Альпами . Трудами многих российских геологов на Русской равнине установлены следы не менее 4-х оледенений в самом общем виде сопоставимых с альпийскими .
Такая же картина и в Северной Америке . Изучение керна океанских осадков и льда из Антарктического покрова на предмет соотношения содержания легкого - 16О и тяжелого - 18О изотопов кислорода, как показателя изменений климата и температуры воды в океанах, позволило выделить те же самые холодные климатические интервалы в тех же самых возрастных границах , что и в Альпах или на Русской равнине. Тем самым была доказана глобальность климатических изменений за четвертичный период и примерная синхронность оледенении в Северной Америке и в Евразии. Однако, океанская стратиграфия , т.е . изучение слоев океанских отложений дает сейчас более точные данные, отличающиеся от классической континентальной, в которые пытаются “втиснуть ” ставшие уже привычными представления.
На Русской равнине максимальное продвижение ледников устанавливается в раннюю стадию ( днепровскую ) средне четвертичного оледенения или в донскую , языки которого спускались по долине Днепра до Днепропетровска, а по долине Дона южнее Воронежа. Вторая (московская ) стадия оледенения среднего плейстоцена достигала районов южнее Минска и Москвы. Все остальные оледенения имели конечно – моренные гряды севернее.
Установлены границы оледенений в Западной и Восточной Сибири, где конечно же, лучше выражены следы последнего оледенения в виде протяженных , извилистых конечно - моренных гряд и валов. В таблице представлен расчет объемов четвертичных ледников по всему Миру. Понятно, что такое огромное количество льда отбирало воду из океана , уровень которого в позднем плейстоцене понизился на величину от 100 до 140 м . Наличие гигантских ледяных покровов в Панарктическом регионе некоторые геологи ставят под сомнение, что заставляет искать новые фактические данные, подтверждающие, либо опровергающие классическую схему .
Ледниковые покровы последнего оледенения , вместе с Панарктическим ледником, по мнению М .Г .Гроссвальда создали непреодолимое препятствие для рек, текущих с северном направлении, например, Сев. Двины , Мезены, Печоры, Иртыша, Оби , Енисея и других.
Вследствие этого перед фронтом покровного ледника возникли огромные подпрудные приледниковые озера, которые искали пути для стока в южном направлении. И такие пути в виде хорошо сохранившегося грядово- ложбинного рельефа, ориентированного в субширотном направлении были найдены во многих местах Западной Сибири, Приаралья и Северного Прикаспия. Временами происходили катастрофические прорывы этих приледниковых озер , а также , возможно, озер из - под ледниковых покровов “ теплого” типа . Широкие, плоскодонные ложбины стока, например, в древней реке на месте современных Манычских озер в Предкавказье пропускали до 1000 км3 в год воды. Этот расход сильно менялся по сезонам. Когда ледниковые покровы начали таять и отступать, многие ложбины стока талых ледниковых вод были унаследованы речными системами . Следует подчеркнуть тесную связь формирования, наступания и таяния ледниковых покровов с колебаниями уровня океана , который очень чутко реагировал на “ отбор” и поступление в него воды за счет роста или таяния ледников .
Современные расчеты, произведенные И.Д. Даниловым , показывают, что в конце позднего плейстоцена, во время последнего максимального оледенения , площадь , занятая льдом в Северном полушарии не превышала 6 млн . км2, а объем льда - 7-8 млн . км3, в то время как подземное оледенение (“вечная мерзлота ”) охватывало площадь до 45 млн . км2, при объеме более 1 млн . км3 льда . В обоих полушариях объем плавучих льдов составлял 45-50 млн . км3. Вполне естественно, что Великие четвертичные оледенения , какими бы они не были по своим размерам , оставили намного больше следов , чем более древние. Тем не менее в истории Земли установлены несколько довольно продолжительных эпох , во время которых отмечалось похолодание и развитие ледников . Признаки, по которым реконструировались ледники , близки между собой . Это развитие тиллитов ( древних, уплотненных и метаморфизованных морен), тиллоидов (образований, напоминающих морены), эрратических валунов с типичной ледниковой штриховкой, бараньих лбов и курчавых скал , ленточных глин и других явно ледниковых или водно - ледниковых ( флювиогляциальных ) отложений .
Следы наиболее древнего оледенения зафиксированы в отложениях раннего протерозоя в Канаде, на Балтийском щите (2,5-2,0 млрд. лет), причем обращает на себя внимание длительность интервала в 400 млн . лет, в пределах которого обнаруживаются предположительно ледниковые отложения .
Более молодая ледниковая эпоха фиксируется в слоях позднего рифея и венда (0,9-0,63 млрд. лет) на Русской плите, в Канаде, США, Шотландии и Норвегии, на Северном Урале и др. регионах. Трудно выделить области распространения ледников и реконструировать их морфологию и объем .
В раннем палеозое ( ордовик - силур) в интервале 460-420 млн . лет установлены следы оледенения в Западной Африке, в Сахаре , возможно в Аргентине, Бразилии и Юго-Западной Африке, Западной Европе, Северной Америке . Отложения явно ледникового генезиса относятся к временному интервалу 350-230лн . лет, что отвечает каменноугольному и пермскому времени позднего палеозоя . Это было время существования огромного суперматерика Пангеи II, когда Южная и Северная Америки , Африка и Евразия, Антарктида, Австралия, Индостан были спаяны вместе , а между Евразией и Гондваной ( южные материки) существовал океан Тетис. Области распространения ледников в это время не нуждаются в комментариях. По- видимому, существовал в высоких широтах крупный ледниковый покров или ряд покровов , радиально растекавшихся от центра . Великое позднепалеозойское оледенение достаточно хорошо изучено и документировано .
И, наконец, кайнозойский криогенный период (38 млн . лет - ныне), длящийся намного больше, чем хорошо изученные Великие четвертичные оледенения . Начало этого периода относится к интервалу 38-25 млн . лет назад, т.е . к позднему олигоцену, когда возникли первые ледники в Антарктиде, прежде всего в Трансантарктических горах и горах Гамбурцева. Всеобщий ледниковый покров с формировался в раннем миоцене (25-20 млн . лет назад). В среднем миоцене (15 млн . лет назад), по- видимому, сформировался Гренландский ледник, а общее похолодание и резкое ухудшение климатической обстановки четко фиксируется с рубежа в 700 000 лет. Возможно, этим временем определяется начало четвертичного ледникового периода, а его последним крупным событием было оледенение , начавшееся около 25000 лет назад и достигшее максимума 18000 лет назад, после чего началась быстрая деградация ледникового покрова, отступавшего со скоростью до 5 км в год .
Причины возникновения оледенений.
Выше уже говорилось о том , что в геологической истории Земли , по крайней мере с раннего протерозоя , неоднократно проявлялись холодные эпохи , во время которых возникали обширные ледниковые покровы , чаще всего в пределах ряда материков или их частей . Однако, наличие ледникового покрова является только одной из составляющих “ ледникового периода”, в который входят и мерзлые породы верхней части земной коры, а также огромные массивы плавучих морских льдов. Причины изменения климата в глобальном масштабе, как и причины появления покровных ледников на больших пространствах материков все еще остаются предметом оживленных дискуссий, ходя поле для маневров сужается , т.к. сейчас достаточно широко стали применяться математические модели, которым свойственны определенные рамки , выйти за которые не позволяют фактические данные.
Пожалуй, наибольшим признанием в настоящее время пользуется астрономическая теория палеоклимата , возникшая около 150 лет тому назад, когда стало известно о циклических изменениях элементов орбиты Земли . Яснее всего эти идеи были выражены югославским ученым М .Миланковичем, впервые рассчитавшим изменения солнечной радиации, приходящей на верхнюю границу атмосферы за последние 600 000 лет. В русском переводе его книга “ Математическая климатология и астрономическая теория колебаний климата” вышла в 1939 г. В ней решающее значение для изменений климата придается циклическим изменениям основных параметров орбиты Земли : 1) эксцентриситета “ е ” с периодом в 100000 лет; 2) наклона плоскости экватора Земли к плоскости эклиптики ( плоскостью орбиты Земли ) “Е” с периодичностью примерно в 41 000 лет и 3) период предварения равноденствий или период процессии , т.е . изменение расстояния Земли от Солнца, который не остается постоянным. В перигелии Земля ближе всего к Солнцу, а в афелии - дальше всего от Солнца. Период процессии равен примерно 23 000 лет.
Понятно, что находясь в афелии, Земля имеет наибольшее удаление от Солнца, поэтому в Северном полушарии лето будет длительным, но прохладным, т.к. Земля будет обращена к Солнцу Северным полушарием. Через полупериод цикла процессии, т.е . через 11500 лет к Солнцу будет обращено уже Южное полушарие , а в Северном - лето будет жарким, но коротким, тогда как зима будет холодной и продолжительной . Подобные различия в климате будут тем резче, чем больше эксцентриситет “ е ” орбиты Земли .
Широтное распределение солнечной радиации на Земле сильнее всего зависит от наклона земной оси по отношению к плоскости эклиптики , т.е . от угла “ Е”. Наиболее значимые относительные изменения радиации или инсоляции будут происходить в высоких широтах. Если угол наклона “ Е” уменьшается , то это в высоких широтах может привести по М .Миланковичу к уменьшению Солнечной радиации и, следовательно, к увеличению площади ледников или к их возникновению . Для этого процесса , как полагал М .Миланкович, необходимо длительное и прохладное лето , в течение которого не успевал растаять снег , накопившийся мягкой, но короткой зимой. На мощность или величину солнечной радиации влияет эксцентриситет орбиты Земли , но не наклон оси вращения Земли к эклиптике и не прецессия земной оси. В последних двух случаях среднегодовое количество солнечной радиации, поступающей на Землю , остается постоянным. Однако, происходит ее перераспределение по сезонам или по широтам . И только изменение эксцентриситета влечет за собой изменение среднегодового количества солнечной радиации, т.к. при орбите , близкой к круговой , расстояние ( среднее) от Земли до Солнца наибольшее, а , следовательно, солнечная радиация минимальна. Если величина “ е ” увеличивается, т.е . орбита Земли становится более узкой и поэтому среднее расстояние от Земли до Солнца уменьшается , то солнечная радиация возрастает. М .Миланкович построил инсоляционный (радиационные) диаграммы , на которых показал изменение солнечной радиации во времени для различных географических широт.
Впоследствии были установлены некоторые разночтения этой кривой с кривыми , полученными по изотопно - кислородным данным при изучении донных осадков океанов.
Но в целом , гипотеза М .Миланковича довольно аргументировано объясняет возникновение великих четвертичных оледенений . В то же время выявляется еще целый ряд факторов , как экзогенных , так и эндогенных, которые могут влиять на климатические изменения, вместе с изменениями орбитальных параметров Земли . Значительные колебания глобальной температуры приземного слоя атмосферы могут вызываться изменением содержания СО2 и различных аэрозолей в воздухе. Только удвоение СО2 по отношению к современному (0,03%) способно повысить температуру воздуха на 3° С из - за парникового эффекта , который , пропуская на поверхность Земли солнечную радиацию, одновременно задерживает тепло, отраженное от земной поверхности, нагревая тем самым , приземный слой воздуха.
Расчеты не дают ясного ответа на вопрос , на сколько надо уменьшить содержание СО2 в атмосфере , чтобы наступило сильное похолодание. Изучение содержания СО2 в керне льда из глубоких скважин в Антарктиде показало , что во время максимума валдайского позднеплейстоценового оледенения оно было на 25% ниже, чем в голоцене , т.е . в последние 10 000 лет. Причем, что считать причиной, а что следствием , пока остается неясным , хотя корреляция между изменениями температуры и содержанием СО2 вполне очевидна , также как и с метаном - СН4 , содержание которого в последние оледенения резко падало .
Несомненно, что на климатические изменения влияет и океан, огромные массы воды которого , циркулируя, переносят как холод , так и тепло. Особенно важно термическое состояние глубоких уровней океанских вод , когда тяжелые придонные воды охлаждаются до температуры ниже 5-8 ° С, что совпадает с периодами похолоданий климата, тогда как образование очень соленых и теплых придонных вод отвечает теплым климатическим периодам. Это состояние резко отличается от современной океанской циркуляции. Собственно эвстатические колебания уровня воды в океане влияют на распределение течений, также как и перемещение литосферных плит. Однако, сами по себе эти явления не могут вызвать глобальных изменений климата. Для этого необходимы более весомые причины - астрономические, на которые могут влиять , усиливать или , наоборот , ослаблять их перечисленные выше факторы , в том числе и эпохи энергичного горообразования, когда большие районы поверхности земного шара поднимались выше снеговой линии и формировались горно - долинные ледники .
В заключение следует отметить , что проблема возникновения покровных оледенений находится в ряду многих проблем глобального изменения климата, которые в наши дни приобрели особое значение в связи с быстрым техногенным изменением и, не в лучшую сторону, природной среды .