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.