Туннельные долины
Туннельные долины — U-образные, длинные и широкие долины, изначально вырезанные под ледником вблизи края континентальных ледниковых щитов, подобных тому, который сейчас покрывает Антарктиду и который ранее покрывал части всех континентов во время прошлых ледниковых периодов[1].
Значение
Туннельные долины играют важную роль в идентификации нефтеносных районов в Аравии и Северной Африке, где породы верхнего Ордовика и/или нижнего Силура содержат слой богатых углём чёрных аргиллитов толщиной около 20 метров. Около 30 % мировой нефти находится в этих отложениях аргиллита. Установлено, что аргиллит регулярно покрывает ледниковые и гляцио-морские осадки, отложенные примерно 445 миллионов лет назад хирнантским оледенением. Аргиллит связывают с ледниковым обогащением питательных веществ в талой воде мелководной морской среды. Следовательно, наличие туннельных долин в этих районах является индикатором присутствия нефти[2].
Туннельные долины составляют значительную часть всего дренажа талых вод ледников. Это влияет на движение ледника, что важно для понимания длительности ледниково-межледниковых периодов и помогает выявлять их цикличность, особенно в палеоэкологических исследованиях[3].
Туннельные долины обычно вырезаны в коренной породе и заполнены ледниковыми отложениями различного размера. Такая структура делает их отличными ловушками и резервуарами для воды. Поэтому они играют важную роль как водоносные горизонты в значительной части Северной Европы, Канады и США. Примеры североамериканских водоносных горизонтов — это морена Оук-Ридж, водоносный горизонт долины Спокан-Ратдрам, Махомет, водоносный горизонт Сагино Лоуб[4] и водоносный горизонт Корнинг[5].
Характеристики
Захороненные, открытые и частично заполненные
Можно наблюдать открытые и захороненные (частично или полностью) туннельные долины. Если они захоронены, то могут быть частично или полностью заполнены ледниковыми или другими отложениями. Долина может быть врезана в коренную породу, песок, ил или глину[1].
Размеры
Долины различаются по глубине и ширине канала; например, в Дании встречаются долины шириной 0,5-4 км и глубиной 50-350 м. По своему ходу они также варьируют по глубине/высоте, иногда демонстрируя переуглубления; такие участки врезаются в коренную породу и обычно значительно глубже как верхних, так и нижних участков. Склоны долин крутые и часто асимметричны[1].
В туннельных долинах часто встречаются отдельные относительно прямолинейные сегменты, которые идут параллельно и независимо друг от друга. На протяжении долины могут встречаться периодические разрывы: в некоторых из них наблюдается возвышенность эскер, что указывает на прохождение канала через ледяной участок. Участки с меньшим уклоном обычно имеют длину 5-30 км; в некоторых случаях такие участки формируют более крупную структуру, состоящую из ряда депрессий, которые могут простираться на 70-100 км[1].
Строение
Верхняя часть, то есть участок, наиболее удалённый внутри ледника, представляет собой разветвлённую систему, образующую сеть, схожую с анастомозными моделями верхнего течения реки (в отличие от дендритных моделей). Обычно туннельные долины имеют наибольшую площадь поперечного сечения в центре и заканчиваются на относительно коротком расстоянии конусами ледниковых отложений у края льда.[1]
Туннельные долины пересекают региональный уклон: в результате они могут быть пересечены современными водотоками. В одном из примеров притоки реки Каламазу почти под прямым углом пересекают канал захоронённого туннеля, заполненного льдом и отложениями.[6] Часто заканчиваются отступающей мореной. Туннельные долины последующих оледенений могут пересекаться друг с другом[7].
Туннельные долины часто идут примерно параллельными путями. Районы их происхождения и прохождения имеют явные признаки эрозии посредством абразии и могут демонстрировать штриховку и шлифованные скалы. На терминальных концах встречаются отложенные формы, такие как конечные морены и конусы выноса[1]. В Мичигане было отмечено, что каналы туннельных долин расходятся с средней дистанцией между ними 6 км и стандартным отклонением 2,7 км.[8]
Каналы туннельных долин часто начинаются и обрываются резко. Они имеют выпуклый продольный профиль и часто заняты вытянутыми озёрами или недоразвитыми водотоками. Часто встречаются признаки последующих отложений, таких как эскеры[8].
Доказательства механизмов эрозии
Эрозия в туннельных долинах в основном обусловлена потоком талых вод, согласно гипотезе эпизодического дренажа, вызванного повторяющимися йёкюльхлёйпами, происходящими из подледниковых озёр и резервуаров; такие явления наблюдались в Антарктиде. Хотя имеются доказательства ледниковой эрозии в виде штриховки на коренной породе, они обнаружены только в самых крупных долинах и, вероятно, играли второстепенную роль.[1]
Подледниковое расположение туннелей/каналов в основном ориентировано параллельно линиям ледникового потока и, по сути, простирается от зон с более толстым льдом к областям с более тонким льдом. Могут наблюдаться обратные уклоны, возникающие, когда прессованная талая вода течёт через препятствия, такие как гряды или холмы, расположенные на дне ледника.[9]
Туннельные долины могут формироваться под большой толщей льда. Примеры наблюдаются на дне озера Верхнего и в океанах у побережья Антарктиды. Ход туннельной долины обычно идёт от самой толстой части ледника к его краю; в результате ледник прессует воду так, что она течёт «вверх» к его краям[1].
Формирование туннельных каналов/долин
Хотя роль талой воды в образовании туннельных долин признана, существует несколько теорий их формирования:
- Теория стационарного состояния — Боултон и Хиндмарш выдвинули теорию стационарного состояния, согласно которой туннельные долины формируются в несвязанных осадках, когда талая вода под давлением течёт через изначально узкий подледниковый канал. По мере удаления осадков талой водой лёд под собственным весом деформируется в полость, создавая туннельную долину через механизм положительной обратной связи.[10]
- Эрозия, вызванная йёкюльхлёйпом — Пётровски предполагает, что ледники могут в некоторых случаях быть холоднобазальными, то есть примерзать к мёрзлой почве (вечной мерзлоте). Талая вода накапливается за этим «замёрзшим» льдом, пока не создаст достаточного давления для подъёма льда и разрыва связи, что приводит к катастрофическому выбросу талой воды, как наблюдается в йёкюльхлёйпах Исландии. В результате такого йёкюльхлёйпа формируется туннельная долина[11].
- Эрозия ледника — Вингфилд предполагает, что туннельные долины формируются постепенно, когда голова долины постепенно отступает к истоку ледника во время дегляциации.[12]
Периодические «взрывы» воды между подледниковыми озёрами под восточно-антарктическим ледяным щитом были зафиксированы. Спутниковые данные зафиксировали подледниковый «сброс» объёмом 2 км3, который прошёл ~260 км менее чем за год. Когда поток уменьшается, вес льда закрывает туннель, вновь запечатывая озеро[13]. Поток воды хорошо моделируется как проходящий по льду и осадкам. Аналитическая модель показывает, что в некоторых регионах геометрия подложки лёд-осадок включает участки, которые были бы заморожены, блокируя поток, если только эрозия осадочного основания не создаёт канал, поддерживающий сток[14]. Таким образом, сочетание этих данных и анализа с наблюдениями исландских йёкюльхлёйпов даёт экспериментальные доказательства правдоподобности некоторых гипотез йёкюльхлёйпа с чертами стационарной модели.
Общие черты теорий туннельных долин
Идея подледникового потока талой воды общая для всех теорий; поэтому ключ к пониманию формирования канала — в понимании подледникового водного потока, который может образовываться на поверхности ледника (супрагляциально), под ним (базально) или обоими способами. Талая вода может течь как по поверхности, так и по основанию, и признаки её потока различаются в зависимости от зоны прохождения. В поверхностных условиях супрагляциальный поток похож на обычный водоток: вода течёт с возвышенных участков к низким под действием гравитации. Базальный поток отличается тем, что вода, образующаяся у основания или поступающая с поверхности, скапливается у основания ледника в лужах и озёрах под сотнями метров льда. Если нет поверхностного дренажа, талая вода с поверхности стекает вниз и скапливается в трещинах льда, а базальная талая вода — под ледником; источник формирует подледниковое озеро. Гидравлический напор воды, накопленной в базальном озере, увеличивается по мере дренирования через лёд, пока давление не станет достаточным для образования пути через или над льдом[3][9].
Теория стационарного состояния
Источники воды и её пути дренажа через и под тёплыми и субполярными ледниками достаточно хорошо изучены и дают основу для понимания туннельных долин. Для таких ледников супрагляциальная вода течёт по поверхности ледника, пока не попадает в вертикальную трещину (мельник). Оттуда она соединяется с подледниковой водой, образованной за счёт геотермического тепла; часть воды уходит в водоносные горизонты под ледником. Избыточная подледниковая вода, не способная просочиться через осадки или непроницаемое основание, движется по каналам, вырезанным в осадках под ледником (называемым каналами Найя[15]), или вверх по каналам внутри ледника (каналы Рётлисбергера), в конечном итоге выходя за его пределы. В упрощённом виде туннельная долина может рассматриваться как масштабная версия этих явлений[16].
Туннельные долины (или туннельные каналы) образуются талой водой, текущей под ледником, и часто полностью или частично захоронены осадками в периоды наступления и отступления ледника[9].
Хотя интересно, что это постепенно увеличивает формирование канала Найя, как видно по осадкам, недостаток теории стационарного состояния в том, что она требует, чтобы туннельные долины вырезались в несвязанных осадках, тогда как талая вода изначально вынуждена проходить через узкий подледниковый канал. По мере прогрессирующей эрозии осадков талой водой лёд под собственным весом деформируется в полость, создавая всё большую туннельную долину. Однако теория стационарного состояния, по-видимому, не учитывает эрозию в коренной породе, которая широко наблюдается[17].
Эрозия, вызванная йёкюльхлёйпом
Существуют доказательства того, что стоки талой воды носят эпизодический характер[13]. Это происходит потому, что по мере накопления воды всё больше льда поднимается, а вода растущего озера подо льдом движется наружу. Участки, где лёд тоньше и легче всего поднимается, поднимаются первыми. Поэтому вода, двигаясь к областям с меньшим ледяным покровом, может поднимать подстилающую поверхность[18]. По мере накопления воды лёд поднимается всё больше, пока не образуются пути для сброса.
Если нет предварительно существующего канала, вода сначала сбрасывается в йёкюльхлёйп с широкого фронта, с потоком шириной в десятки километров. Продолжающийся поток приводит к эрозии льда и подстилающих материалов, формируя канал, хотя понижение давления позволяет большей части льда опуститься на подстилающую поверхность, блокируя сброс с широкого фронта и канализируя поток. Направление канала определяется в первую очередь толщиной вышележащего льда и во вторую — уклоном подстилающей поверхности, и может наблюдаться «течение вверх», поскольку давление льда заставляет воду двигаться в области с меньшим ледяным покровом, пока она не выйдет на поверхность. Таким образом, конфигурация туннельных долин, сформированных в ходе определённого оледенения, даёт общую карту толщины ледника в период их формирования, особенно если исходный рельеф под ледником был ограничен[3][9].
Анализ Пётровски показывает, что годовой объём воды типичного водосбора 642×106 м3 будет регулярно дренироваться через связанную с ним туннельную долину менее чем за 48 часов[11]. Отложения, найденные в туннелях и у их устьев, обычно состоят из грубых обломков и валунов, что указывает на высокие скорости потока и крайне эрозионную среду, соответствующую формированию туннелей глубиной более 400 метров и шириной 2,5 километра, как наблюдалось в Антарктиде[9]. Модель Пётровски предполагает следующий цикл:
- Талая вода образуется за счёт геотермического нагрева снизу. Поверхностная абляционная вода не учитывается, так как её количество минимально в максимуме оледенения, и данные свидетельствуют, что поверхностная вода не проникает глубже 100 метров в ледник.[11]
- Талая вода изначально дренируется через подледниковые водоносные горизонты.[11]
- Когда гидравлическая проводимость основания превышена, талая вода накапливается в бассейнах.[11]
- Вода накапливается до тех пор, пока не пробьёт путь через ледяную преграду туннельной долины, образовавшуюся после последнего сброса.[11]
- Туннельная долина отводит избыточную талую воду; турбулентный поток плавит или размывает избыточный лёд вместе с ложем долины.[11]
- Когда уровень воды падает, давление уменьшается, и туннельные долины вновь прекращают пропуск воды и льда.[11]
Процессы заполнения после эрозии
Все туннельные долины имеют схожие черты, независимо от того, формируются ли они на суше или в подводной среде. Это связано с тем, что они образуются под действием высоконапорной воды под толстой ледяной массой; в подводной среде давление достаточно для эрозии туннельных долин, аналогичных формам, возникающим на суше.[17]
Туннельные долины могут оставаться открытыми, частично или полностью заполненными в зависимости от отступления ледника. Заполненная форма важна, поскольку такие долины становятся отличными резервуарами для воды (водоносные горизонты) или нефти. Это связано с тем, что относительно крупнозернистые песчаники располагаются на ложах и по краям долин, а грубые осадки оседают предпочтительно там, где вода течёт по общим стратиграфическим уровням, пригодным для заполнения туннельной долины[17].
Сети подледниковых туннельных долин изначально формировались вблизи края ледника. Туннельные долины могут заполняться осадками после сброса талой воды при отступлении ледника. Заполнение происходит двумя способами. В первом случае обломки, принесённые потоком, накапливаются в туннельной долине. Затем, когда лёд отступает достаточно далеко, морские осадки могут откладываться в зависимости от глубины воды у фронта ледника.[17]
Запись осадконакопления в туннельной долине контролируется скоростью сброса талой воды, и осадки накапливаются во время отступления ледника. Осадки, найденные в туннельной долине, позволяют определить, были ли они отложены в приливной, переходной или в основном сухой среде с хорошим дренажем. В гляциомаринальной среде ледниковые отложения перемежаются с отложениями в непокрытых льдом приливных зонах; приливная среда характеризуется конусами, доминируемыми обратными потоками. Переходная среда характеризуется смешанным присутствием морской и пресноводной жизни в дельтовой обстановке. В в основном сухой среде ледниковый поток приносит осадки, которые накапливаются в количестве, сопоставимом с тем, что оседает на дне водотока.[17]
Крупномасштабная структура
Ледниковый поток внутри ледника — результат увеличения наклона поверхности ледника (из-за географических особенностей) в сочетании с дисбалансом между количеством льда, накопленного за счёт осадков, и потерями из-за абляции. Увеличение уклона повышает сдвиговое напряжение на леднике, пока он не начнёт двигаться. Скорость потока и деформация зависят не только от уклона, но и от толщины и температуры ледника.
Пункари считал, что континентальные ледниковые щиты обычно текут в виде конических языков, сходящихся из отдельных источников и движущихся с разной скоростью. Языки разделены интерлобовыми зонами с более тонким ледяным покровом, где скапливается вода. Гидравлический напор (давление) ниже в зонах с более тонким льдом, поэтому подледниковая вода стремится к интерлобовым соединениям. Отдельные языки движутся с разной скоростью, создавая трение на границе ледника; выделяемое тепло плавит лёд, высвобождая дополнительную воду. Поверхность интерлобовой зоны растрескивается, позволяя талой воде с поверхности проникать внутрь льда. В результате модели ледникового потока и накопления обломков различаются в интерлобовых зонах. В частности, туннельные долины и эскеры указывают на поток воды к интерлобовым зонам, возвышающимся вследствие переноса и отложения обломков.[19]
Географическое распространение
Туннельные долины ледникового происхождения выявлены на всех континентах.
Африка
В африканских странах, включая Ливию, обнаружены туннельные долины, связанные с оледенением позднего ордовика[20]. Эти песчаниковые тела, заполняющие крупномасштабные каналы, являются заметной седиментологической особенностью отложений, связанных с древней границей северной Гондваны. Их глубина составляет 10-200 метров, ширина — 500-3000 метров. Туннельные долины врезаны в коренную породу и могут достигать длины от 2 до 30 километров. Пример — Мавритания (Западная Сахара), где позднеордовикские силикластические ледниковые черты и отложения на континентальном шельфе северной Гондваны включают в себя врезанные каналы, идентифицированные как туннельные долины. Заполненные туннельные долины имеют длину в несколько километров и ширину в сотни метров. Реконструкции показывают, что эти структуры находились в областях на краю ледника; поперечные профили долин сопоставимы с формами, образованными ледником, днища флювиогляциальных отложений схожи с туннельными долинами, а послеледниковое заполнение типично для туннельных долин[21].
Антарктида
Активное формирование туннельных долин в настоящее время наблюдается подо льдом Антарктиды[9][22].
Азия
В позднем Ордовике восточная Гондвана была покрыта ледниковыми щитами. В результате Иордания и Саудовская Аравия демонстрируют обширные региональные структуры заполненных туннельных долин[2].
Австралия
Открытые золотые рудники вблизи Калгурли, Западная Австралия, демонстрируют обширную сеть ледниково-эрозионных долин, заполненных тиллитом и аргиллитом, прорезанных под ледником Пилбара в позднем палеозое[23].
Европа
Туннельные долины и связанные с ними ледниковые воздействия выявлены в России, Белоруссии, Украине, Польше, Германии, северной Франции, Нидерландах, Бельгии, Великобритании, Финляндии, Швеции и Норвегии[24]. Подробно изучены в Дании, северной Германии и северной Польше, где толстый ледник Вислинского и предыдущих оледенений, стекавший с гор Скандинавии, начинал подниматься на североевропейские склоны, будучи подпитан высотой накопления льда на Скандинавии. Их выравнивание указывает направление ледникового потока во время их формирования[1][25]. Также широко распространены в Великобритании, например, в Чешире[11][26]. Обнаружены также под Северным морем[27].
Примеры озёр, образованных в туннельных долинах: Руппинер-Зе (озеро в Остпригниц-Руппин, Бранденбург), Вербеллинзе и Швилохзе, все в Германии.
Северная Америка
Озеро Оканаган — крупное и глубокое ленточное озеро, расположенное в долине Оканаган в Британской Колумбии, образовавшееся в туннельной долине, вырезанной языком Оканаган Кордильерского ледника. Озеро имеет длину 135 км, ширину 4-5 км и площадь поверхности 351 км²[28]. Северный Айдахо и Монтана демонстрируют свидетельства формирования туннельных долин под языками Пёрселл и Флатхед Кордильерского ледника[29].
Туннельные долины/каналы в юго-восточной Альберте (Канада) формируют разветвлённую сеть, включающую Сейдж-Крик, Лост-Ривер и Милк-Ривер, и обычно дренируются на юго-восток[30].
Туннельные долины обнаружены в Миннесоте, Висконсине и Мичигане на краях Лаврентийского ледника[31]. Примеры туннельных долин в коренной породе Миннесоты включают водопады Уоррен и несколько долин, лежащих глубоко под мореной, оставленной ледниками, которые их создали, но также их можно наблюдать во многих местах вдоль цепи озёр Миннеаполиса и сухих долин и озёр Сент-Пол.
Озёра Каварта в Онтарио образовались в ледниковый период позднего висконсинского оледенения. Таяние льда с Ниагарского уступа происходило через туннельные долины подо льдом, который простирался, образуя проход с запада на восток между основным лаврентийским ледником и ледяной массой бассейна озера Онтарио[32].
Каньон Сидар-Крик — это туннельная долина в округе Аллен (Индиана). Это прямой, очень узкий и глубокий каньон (около 50-100 м), в котором протекает часть нижнего течения Сидар-Крик, крупнейшего притока реки Сент-Джозеф.
В Лаврентийском канале у восточного побережья Канады выявлено множество туннельных долин, происходящих из затопленной долины Сен-Лоран ледникового происхождения. Сейсмические профили заполнения туннельных долин указывают на различные эпохи, самая молодая из которых датируется вскоре после последнего ледникового максимума. Они возникли в результате эрозии, вызванной подледниковой водой, через восточную Шотландскую банку у Новой Шотландии, и берут начало в Лаврентийском канале к югу от пролива Кабота. Кроме того, сейсмические профили выявили глубоко захоронённые миоценовые каналы, некоторые из которых лежат на 1100 м ниже современного уровня моря, пересекающие восточную часть внешнего Лаврентийского канала; эти каналы также пытались описывать как туннельные долины. Сейсмические профили также картировали крупные туннельные долины на Банкеро-Банк и Сейбл-Айленд-Банк[33].
Южная Америка
Глетчер Перито-Морено расположен в южном патагонском ледниковом поле, заканчиваясь в озеро Архентино по координатам 50°30′ ю. ш. 73°06′ з. д.GЯO. Он делит озеро Архентино на канал Лос-Темпанос и рукав Рико, блокируя канал ледяной дамбой. Озеро Архентино периодически резко сбрасывает воду через прорывные паводки, изначально дренируясь через туннель с последующим обрушением свода и образованием открытого канала[34].
Временное распространение
В истории Земли известно пять наиболее поздних ледниковых периодов. В настоящее время продолжается четвертичное оледенение.
| Название | Возраст (миллионы лет) | Период | Эра | Туннельные долины и их образования, широко наблюдаемые |
|---|---|---|---|---|
| Четвертичное | 2,58 — настоящее время | Неоген | Кайнозой | Формирования туннельных долин отмечены в Северной Азии, Европе, Северной Америке и Антарктиде |
| Карруское | 360 — 260 | Каменноугольный и Пермский | Палеозой | Туннельные долины отмечены в ледниковых отложениях каменноугольно-пермского возраста в Австралии[17][23]. |
| Андино-сахарское | 450 — 420 | Ордовик и Силур | Палеозой | Туннельные долины отмечены в Иордании, Саудовской Аравии, Мавритании, Мали, Марокко, Алжир, Ливии, Тунис, Нигер, Чад и Судане[17]. |
| Криогенный (или стуртийское-варангское) |
800 — 635 | Криогенный | Неопротерозой | В криогенных слоях Омана и Мавритании туннельные долины не обнаружены[17]. |
| Уронийское | 2100 — 2400 | Сидерий и Риакий | Палеопротерозой |