Гранд каньон. Гранд каньон загадки реки Колорадо
 Скачать 32.31 Kb.
|
|
Гранд каньон: загадки реки Колорадо Гранд-Каньон Колорадо — самый известный пример эрозии речных каньонов на планете Земля. Он высечен на юго-западной окраине юго-западного региона плато Колорадо. Гранд-Каньон демонстрирует впечатляющую топографию засушливых скал и склонов на протяжении 360 км в длину, 30 км в ширину и 1830 м в глубину. Хотя очевидно, что Каньон был вырезан рекой Колорадо, точная последовательность событий и время эрозии остаются открытыми для обсуждения. Многие гипотезы, упрощенно сгруппированные здесь в одну из трех основных точек зрения, развились за последние 150 лет: 1) взгляд на монореку или «старую реку», 2) взгляд на многофазную реку с эрозией в направлении головы или «интегрированную реку», 3) вид на запруды, переливы и продолговатую реку или «новую реку». Ключевые слова Река Колорадо • речная эрозия • Гранд-Каньон • эволюция ландшафта 6.1 Геоморфология современного Гранд-Каньона 6.1.1 Обзор Гранд-Каньон Колорадо, расположенный в северной Аризоне, США (рис.6.1), является самым известным примером эрозии речных каньонов на планете Земля (рис.6.2). Это самый большой из нескольких крупных каньонов, пересекаемых рекой Колорадо на пути от ее истоков в Скалистых горах до ее дельты в море Кортеса. Гранд-Каньон получает воду из каньонов Глен и Мрамор непосредственно вверх по течению (рис.6.3); и пустеет в каньоны Айсберг и Боулдер ниже по течению от скал Гранд-Уош (рис.6.4). Собственно, Гранд-Каньон имеет длину около 360 км и ширину до 30 км. Поэтому течению река Колорадо врезалась и обнажила до 1830 метров по вертикали осадочных и метаморфических пород соседних плато Хуалапай, Коконино, Кайбаб, Уинкарет, Канаб и Шиввитс (рис.6.1и6.2). 6.1.2 Общая литологическая история Два эпизода горообразования протерозойской эры оставили после себя сильно деформированные корни гор, которые стали фундаментом сегодняшнего Гранд-Каньона. Эти метаморфизованные породы находятся во «Внутреннем ущелье» каньона (рис.6,5). Длительная эрозия скосила эти древние горы, оставив после себя «Великое несогласие», относительно плоскую эрозионную поверхность, на которой отложились более молодые осадочные породы. Последовательные океанические трансгрессии и регрессии накладывались на край развивающегося североамериканского протоконтинента и за его пределы в течении палеозойской и мезозойской эр. Эти моря отложили тысячи вертикальных метров песчаников, сланцев и известняков над Великим несогласием. 6.1.3 Ларамидский орогенез и расширение бассейна и ареала Примерно 70–75 миллионов лет назад толщи горных пород, описанные выше, были подняты во время Ларамидского орогенеза, в значительной степени тектонического сжатия, которое подняло нынешнее плато Кайбаб со многими другими структурами, которые сейчас находятся на западе США. Недавние исследования рыб позволяют предположить, что Континентальный водораздел располагался далеко к западу от его нынешнего положения во времена Ларамида. Около 10–25 миллионов лет назад поле напряжения изменилось на противоположное создавая многочисленные горы и долины с блоковыми разломами, простирающиеся с севера на юг, по всему внутреннему западу, называемые провинцией бассейна и хребта. В районе Гранд-Каньона произошло расширение и опущение бассейна и хребта в западном направлении, а поднятие плато Колорадо произошло на востоке около 16 миллионов лет назад. Этот крупный тектонический разлом оставил ряд высоких плато регионального масштаба на юго-западной окраине Плато Колорадо. Эти плато примыкают к впечатляющему рельефу бассейнов и хребтов с разломами вдоль линии, отмеченной современными скалами Гранд-Уош (рис.6.1и 6.4). Для геоморфолога одним из самых впечатляющих видов на западе США является панорама плато Колорадо, границы бассейна и хребта, видимая с горы Грейпвайн (небольшая часть которой показана на рис.6.4). 6.1.4 Разрез реки Колорадо Когда-то во время или после этих тектонических событий река Колорадо вырезала Гранд-Каньон на этих региональных плато. Огромное количество горных пород, покрывающих этот регион, также было разрушено в течение этого времени в результате того, что Кларенс Даттон назвал «Великая денудация». Река Колорадо асимметрично рассекала региональные плато, врезаясь в боковые склоны, а не прямо в вершины. Северный край на высоте 2440 м примерно на 300 м выше Южного края. В результате на северной стороне реки находятся длинные последовательные боковые каньоны и большие храмы (батты). Короткие, крутые боковые каньоны и более мелкие храмы (холмы) находятся на южном берегу реки (рис.6,5). Когда Гранд-Каньон сформировался, несколько извержений вулканов излили лаву вокруг Каньона и внутри него. Некоторые из потоков полностью перекрыли реку Колорадо, образовав озера в Гранд-Каньоне. После заполнения озера вышли за пределы и прорвали лавовые дамбы (Хэмблин 1994 г.; Фентон и др.2004). Трон Вулкана, вулканический конус на краю Каньона, и порог лавового водопада на уровне реки и непосредственно под ним, являются остатками такого процесса (рис.6.1– 1). 6.1.5 Топография склонов и обрывов Учитывая, что породы Гранд-Каньона формировались в результате такого большого разнообразия процессов, условий окружающей среды и в течение огромного периода времени, неудивительно, что различные слои сильно различаются по составу, твердости и эрозионной стойкости. Подвергаясь выветриванию и последующему эрозионному удалению, слои горных пород с различной устойчивостью имеют тенденцию образовывать характерную топографию скал и склонов, характерную для современного Гранд-Каньона (рис.6.2, 6.3, и 6.5). Скалы с большой устойчивостью к выветриванию и эрозии (например, сланцы внутреннего ущелья у реки или песчаник Коконино, обнаруженный примерно в 100 м ниже края каньона) образуют поразительные скальные полосы. Породы, которые менее устойчивы к выветриванию и эрозии (например, сланцы формаций Эрмит и Брайт Энгл), быстро изнашиваются, часто подрезая вышележащие устойчивые слои, оставляя после себя широкие пологие склоны или террасы. Очень выступающий широкий выступ, видимый у дна каньона, называется платформой Тонто (рис.6,5). Платформа Тонто была создана путем быстрого износа сланца Брайт Энджел, который залегает непосредственно поверх высокопрочного песчаника Тэйпитс. Одним из интересных типов горных пород, с точки зрения устойчивости к атмосферным воздействиям, является известняк. Во многих влажных регионах мира известняк очень подвержен химическому воздействию. Но в засушливых ландшафтах известняк довольно устойчив к атмосферным воздействиям, а известный известняк Рэдволл образует одну из самых заметных полос скал в Гранд-Каньоне. Расширение каньона по-прежнему происходит за счет различных процессов на склонах холмов, таких как камнепады и оползни (Херефорд и Хантун).1990), наряду с паводковыми селевыми потоками из боковых каньонов, возникающими в основном во время интенсивных муссонных летних гроз (Webb et al.1987). Селевые потоки очень эффективно переносят обломки склонов на уровень реки, в то время как реке требуется дополнительное время для транспортировки материала дальше вниз по течению. В результате селевые потоки, выходящие из боковых каньонов, образуют неглубокие дамбы, которые препятствуют течению реки, образуя знаменитые заводи и пороги Гранд-Каньона (Webb et al.1987). 6.2 Геоморфологическая эволюция Гранд-Каньона 6.2.1 Обзор Концептуально образование Гранд-Каньона объяснить очень просто. Река Колорадо разливается ежегодно весной из-за таяния снега в Скалистых горах. Эти наводнения оказывают большое тяговое (эрозионное) воздействие на русло реки. Более многих миллионовлет река разрезала великолепный каньон на прилегающие плато. В действительности процессы гораздо сложнее и до конца не объяснены. С упрощенным происхождением Гранд-Каньона, описанным выше, связаны две фундаментальные проблемы. Первая проблема связана со значительным возвышенным топографическим барьером, который объединенные плато Хуалапай, Коконино, Кайбаб, Уинкарет, Канаб и Шиввитс создают для течения реки Колорадо (рис.6.1и6,6). Колорадо, следуя своим нынешним курсом, не могла бы течь в гору через эти возвышающиеся преграды. Вторая проблема заключается в том, что время, в течении которого мог быть высечен Гранд-Каньон, ограничено несколькими линиями доказательств удивительно короткими 5–6 миллионами лет (Lucchitta1988, 1989; Янг и Спамер2001). В 1857 году Джон Ньюберри стал первым квалифицированным геологом, увидевшим Гранд-Каньон, и он предположил, что Каньон был вырезан рекой Колорадо. С тех пор многочисленные усложнения этого простого объяснения способствовали развитию более дюжины уникальных теорий о том, как на самом деле был высечен Каньон (Рэнни2005 г.; Пауэлл2006). Различные основные гипотезы образования Гранд- Каньона можно упрощенно сгруппировать в три основные точки зрения: 1. Вид на моно-реку или «старую реку» 2. Представление о полифазной реке, направленной в сторону размыва, или о «интегрированной реке». 3. Вид на запруду, перелив и вытянутую реку или «новую реку». Детали каждой точки зрения представлены в следующих исторических рамках. 6.2.2 Вид на моно-реку или «Старую реку» Пауэлл (1875 г.) приписывает происхождение нескольких каньонов вдоль реки Колорадо (включая Гранд-Каньон) предшествующие тому месту, где ранее протекала «старая река» вздымающимися окруженными скалами. Пауэлл применяет эту концепцию, чтобы подогнать наблюдения, которые он собирает во время своих двух исторических экспедиций по реке Колорадо в 1869 и 1871–1872 годах. Влияние Пауэлла сделало эту «гипотезу выбора» в конце девятнадцатого века, и она до сих пор часто используется как простое (хотя и не очень подкрепленное) объяснение образования каньона. Даттон (1882 г.) уступает Пауэллу, соглашаясь с тем, что предшествующая теория является наиболее вероятным объяснением происхождения Гранд- Каньона. Но, Даттон намекает на возможность «наложения», поскольку эта концепция так хорошо согласуется с его гипотезой Великой денудации. Наложение означает, что предковая река Колорадо должна была начать течь поверх более молодых мезозойских слоев и в ходе Великой денудации медленно вливаться в более старые палеозойские и докембрийские породы, прорезая каньон. Знаменитый геолог Г. К. Гилберт, друг и коллега Пауэлла и Даттона, высказывает сомнения в отношении гипотезы антецедентности, но никогда не предлагает сильного альтернативного объяснения (Гилберт1876 г.). По мере того, как девятнадцатый век подходит к концу, начинает проявляться ряд проблем с гипотезой антецедентности. Уолкотт(1890) изучает разлом Меса-Бьютт и моноклиналь Восточный Кайбаб в восточной части БольшогоКаньон, и он определяет, что строения на удивление старые. Чтобы предшествующая теория работала, река Колорадо должна быть старше этих сооружений. Уолкотт склоняется к гипотезе наложения, потому что она допускает возможность того, что молодая река врезается в погребенную структуру, образовавшуюся в более раннее время. Эммонс (1897) также находит серьезный недостаток в гипотезе антецеденции, когда показывает, что в районе гор Уинта река Колорадо фактически прорезает молодые озерные отложения, прилегающие к поднятым областям, которые их сбросили. Это наблюдение порождает серьезную дилемму в рассуждениях Пауэлла. Затем, в 1946 году, Лонгвелл показывает, что очень молодой (возрастом 5–8 миллионов лет) местный коллювий на склонах холмов (формация Мадди-Крик), образовавшийся в результате эрозии со скал Гранд-Уош в западной части Гранд-Каньона, является также прорезанным рекой Колорадо (рис.6.1– 2 и 6.4) (Лонгвелл 1946). Это растущее количество свидетельств почти полностью опровергает старую идею Пауэлла о реке. Хант (1956, 1969, 1974), ухватившись за идею моно-реки с помощью гипотез, которые даже он считает «возмутительными», пытается обойти «проблему Мадди-Крик», предполагая, что либо каньон Пич-Спрингс (рис.6.1– 3) несли реку вокруг формации Мадди-Крик, или обширную карстовую (пещерную) сеть в толстых слоях известняка «подводили» воду под формацию Мадди-Крик. По словам Ханта, западный Гранд-Каньон образовался в результате обрушения системы пещер. Аналоги этого процесса трубопровода существуют сегодня в виде широко распространенных систем подачи подземной воды в Блу-Спрингс, Тандер-Ривер и многочисленные источники в каньоне Хавасупай. 6.2.3 Представление о многофазной реке или «объединенной реке» В первые несколько лет двадцатого века Уильям Моррис Дэвис обращает свое внимание на Гранд-Каньон. Дэвис известен тем, что разработал теорию эволюции ландшафта, в которой речные долины превращаются из молодых в зрелые и стареющие по мере того, как они изнашивают землю. Таким образом, Дэвиса привлекают идеи Даттона и Уолкотта о наложении на гипотезу антецедентства Пауэлла. Важно отметить, что Дэвис также понимает, что даже более высокие барьеры, чем существующие сегодня, блокировали течение современной реки Колорадо. Древнее нагорье Моголлон (произносится как Моуг-и-собственный) окружало юго- западную окраину современного плато Колорадо до того, как оно существовало в виде возвышенности. Эта конфигурация вынудила весь регион иметь северо-восточный дренаж. Дэвис (1901) заявляет, что поворот потока на юго-запад произошел, когда более поздний бассейн и хребет опустились на юго-запад, а плато Колорадо поднялось на северо-восток. В 1945 году Бабенрот и Стралер уточняют гипотезу наложения Даттона и Уолкотта, предполагая, что древняя река Колорадо, протекающая поверх мезозойских осадочных пород, врезалась в палеозойские породы на подошве плато Кайбаб, образовав широкую изгиб реки Колорадо. в восточной части Гранд-Каньона (рис.6.1–7) (Бабенрот и Штралер 1945). Наконец, они предполагают, что агрессивный поток, текущий с запада, захватил исконный Колорадо. Это речное пиратство является ключевым понятием, которое использовалось многими последующими исследователями, чтобы связать воедино относительно «старую» верхнюю реку с относительно «молодой» нижней рекой. Интегрированное представление о реке получило широкое распространение в 1964 году, когда были предприняты первые крупные коллективные усилия по объединению данных и объяснению эволюции Гранд-Каньона, а в Музее Северной Аризоны был созван симпозиум «Эволюция реки Колорадо в Аризоне». (Макки и др.1967). Участники симпозиума представляют «альтернативу озера Хопи», которая объединяет большую, но нечетко ограниченную область обширных пресноводных отложений, называемую формацией Бидахочи, расположенную к юго-востоку от Гранд-Каньона (рис.6.1 – 4). Группа симпозиума предполагает, что большое озеро (называемое озером Хопи или озером Бидахоти) образовалось из воды реки Колорадо, образовавшейся в то время, когда Обод Моголлон поднимался на юг. По совпадению, как предполагалось ранее Бабенротом и Стралером, молодой поток, быстро размывающийся с запада (называемый дренажной системой Хуалапай) (рис.6.1- 5) захватывает основную исконную реку Колорадо за счет направленной эрозии и пиратства, таким образом осушая озеро Хопи. Позже Янг и Макки(1978), отмечая, что некоторые участки Гранд-Каньона кажутся морфологически старше других, утверждают, что современная река образовалась в результате объединения трех отдельных дренажных систем. Они сохраняют наследственный Колорадо и разрушающуюся на восток дренажную систему Хуалапай в тех же местах, которые были предложены группой симпозиума, но добавляют третий дренаж, текущий на север вдоль нынешнего течения Канабского ручья (рис.6.1–6) между двумя другими. Канаб- Крик - крупный приток современного Колорадо, в настоящее время впадающий на юг. Они предполагают, что современный Гранд-Каньон является интеграцией всех трех. Наконец, Лукчитта(1988, 1989)объединяет гипотезу Бабенрота и Стралера с гипотезой Юнга и Макки. Подобно Бабенроту и Стралеру, Лукчитта использует концепцию наложения для построения кольцевого дренажа, похожего на гоночную трассу, над современным плато Кайбаб. По мере того, как река спускалась по этому ипподрому, она закрепилась, образовав широкую изогнутую долину, которую мы видим сегодня в восточной половине Гранд-Каньона (рис.6.1– 7). Эта старая река текла на северо-запад из Канаб-Крик в неизвестном направлении, но в конечном итоге была захвачена более молодой дренажной системой Хуалапай, эродирующей на восток. Самая недавняя поддержка эрозии реки в направлении головыполучена в результате исследований с использованием уран-свинцового датирования пещерных маммилярных образований (спелеотем), связанных с ранее существовавшим местным уровнем грунтовых вод. Даты таких образований, взятые из девяти мест в западной части Гранд-Каньона, указывают на то, что видимый местный уровень грунтовых вод снижался со скоростью 55–123 м за 1 миллион лет. Если предположить, что понижение уровня грунтовых вод будет таким же, как скорость врезания реки Колорадо, то хронология и предполагаемые скорости врезания предполагают, что Гранд-Каньон развивался в результате направленной эрозии за последние 17 миллионов лет (Polyak et al.2008). Многие противники этих гипотез о захвате ручья отмечают необычную степень эрозии, необходимую для небольшой и несколько локализованной дренажной системы Хуалапай. Они иногда цинично называют эти идеи гипотезами «преждевременного оврага». 6.2.4. Запруд, перелив и река, идущая вперед, или «новая река» Довольно интересно читать Ньюберри.(1861 г.: 19–20) впечатленного нижним бассейном реки Колорадо: Несомненно, в прежние времена [река Колорадо] наполняла эти бассейны до краев, таким образом орошая и обогащая все свое течение. Однако по прошествии веков его скопившиеся воды, переливаясь через самые низкие точки в преградах, препятствовавших их продвижению к морю, прорезали их от вершины до основания, образуя тот замечательный ряд глубоких и узких каньонов, через которые его мутные воды теперь текут быстрым и почти беспрепятственным течением от истока к устью. Таким образом, получается, что самый первый геолог, когда- либо посетивший Гранд-Каньон в середине 1800-х годов, приписывает его создание речной системе, расположенной вниз по течению от истоков путем затопления и перелива (про-удлинение)! В начале 1930-х Блэквелдер(1934), зная о проблемах с представлением Пауэлла о «старой реке», отвергает общепринятую геологическую конвенцию эрозии в направлении головы и представляет аргументы в пользу Гранд-Каньона, который был прорезан молодой рекой, протянувшейся вперед. Уникальные идеи Ньюберри и Блэквелдера в значительной степени игнорировались до 2000 года, когда в Национальном парке Гранд-Каньон под эгидой Службы национальных парков США (Young and Spamer) проводится еще один симпозиум по эволюции Гранд-Каньона.2001). На этой конференции Мик и Дуглас (2001) представить независимо заново открытую версию гипотезы Ньюберри и Блэквелдера. Мик изучал плейстоценовое развитие системы реки Мохаве в соседней Калифорнии. Он продемонстрировал, что река Мохаве, текущая на северо-восток от своего истока в горах Сан-Бернардино, образовалась из озер, которые последовательно перекрывали ряд закрытых бассейнов. Мик и Дуглас используют эволюцию реки Мохаве как аналог развития реки Колорадо. Каньон Афтон вдоль реки Мохаве был вырезан после выхода за пределы палео-озера Маникс, и они предполагают, что это аналог разреза Гранд-Каньона.__ Несколько других презентаций, сделанных на симпозиуме 2000 года, также поддерживают идею выхода озера за пределы. Скарборо (2001) находит свидетельства поздненеогеновых отложений и вытеснения в районе непосредственно к востоку от Гранд-Каньона, где запруднение озера должно быть наиболее заметным, если гипотеза верна (рис.6.1– 8). Однако других крупных плювиальных отложений из такого озера пока не обнаружено. Спенсер и Пиртри (2001, 2005) обобщить недавнюю работу с бассейновыми отложениями формации Боуз вдоль реки Колорадо ниже Гранд-Каньона. Их вывод состоит в том, что отложения Боуса не имеют морского происхождения, а скорее образуются в серии небольших бассейнов, заполненных пресной водой из продолговатой речной системы, связанной с открытием Гранд-Каньона, вероятно, из-за выхода озера. Недавние детальные исследования третичного аллювия в нижнем течении долины реки Колорадо (House et al.2005)и окаменелостей рыб и митохондриальной ДНК рыб (Spencer et al.2008) кажется, поддерживают гипотезу распространения и про-элонгации. 6.3 Заключение Гранд-Каньон Колорадо — самый известный пример эрозии речных каньонов на планете Земля. Собственно, Гранд-Каньон имеет длину около 360 км и ширину до 30 км. По этому течению река Колорадо врезалась в осадочные и метаморфические породы высотой до 1830 метров по вертикали и обнажила их. Сочетание эрозии засушливых склонов и речной эрозии, воздействующей на слои горных пород с разной устойчивостью, привело к драматическому многоцветному рельефу скал и склонов, которым славится каньон. Хотя Гранд-Каньон явно является продуктом реки Колорадо, его эволюция за последние несколько миллионов лет точно не известна, и существует ряд теорий, пытающихся объяснить, как появился Каньон. Теории можно грубо сгруппировать по трем основным точкам зрения: 1) взгляд на монореку или «старую реку», 2) вид многофазной реки, направленной в сторону эрозии, или «интегрированная река» и 3) вид запруживания, перелива и удлинения реки или «новой реки». Приятно осознавать, что такая известная форма рельефа, как Гранд-Каньон, все еще хранит в себе элемент тайны! Автор Леланд Р. Декстерявляется почетным профессором географии, недавно вышедшим на пенсию из Университета Северной Аризоны во Флагстаффе и проживающим в настоящее время в Клаудкрофте, штат Нью-Мексико. За свою карьеру он вел многочисленные занятия по горной географии, физической географии, геоморфологии, климатологии и географическим информационным системам (ГИС). Его исследовательские интересы включают снежные и ледовые процессы в высокогорных условиях. (особенно лавины и сублимация снега), морфология и эволюция песчаных отмелей в Гранд-Каньоне, исследования энергетического баланса микроклимата и ГИС-анализ различных экологических проблем. |