О перемещении материала в условиях многолетней мерзлоты и оледенения в высокогорье. Часть 4

Многолетняя мерзлота в массивах трещиноватых скальных грунтов (продолжение)

Чувствительность к изменениям климата

Ссылаясь на других авторов, Роберт Кеннер с коллегами [5] пишут о том, что многие исследователи связывают повышение температуры или таяние многолетней мерзлоты на трещиноватых скальных склонах со снижением их прочности на сдвиг и с увеличением частоты их разрушений. Непрерывно растущая критичность в отношении устойчивости таких склонов часто вызывается положительной обратной связью деструктивных процессов, приводящей к необратимой дестабилизации и в конечном итоге к крупным разрушениям.

Основным изменением, вызванным потеплением или таянием многолетней мерзлоты, является увеличение гидропроводности массива скальных грунтов. Как только лед в разрывах сплошности растает, вода начинает проникать в толщу трещиноватых пород, но на бОльших глубинах ее может встретить и не пропустить дальше лед, оставшийся ненарушенным. В таких случаях гидростатическое давление увеличивается и остается высоким в течение достаточно длительного времени. А повторное замерзание этой воды зимой может еще больше увеличить напряжение в структурах скального грунтового массива, причем даже на довольно больших глубинах.

Как авторы статьи [5] уже указывали, в морозные периоды в скальных грунтах могут образовываться новые трещины. После этого при потеплении может начаться значительная инфильтрация воды в ранее относительно сухие зоны массива пород, что вызовет разупрочнение их микроструктуры (см. рис. 20 в предыдущей части). Кроме того, даже в ранее водонасыщенных многолетнемерзлых породах соотношение воды и льда при потеплении или оттаивании увеличивается, что снижает их прочность на сжатие и растяжение на величину до 50% и более при высоких скоростях деформирования. В макроструктурах вода уменьшает сопротивление сдвигу по трещинам, другим разрывам сплошности или по потенциальным плоскостям сдвига. Все эти изменения, связанные с инфильтрацией воды в результате потепления, могут вызвать необратимое деформирование в массиве скальных грунтов: развитие трещин, разрушение твердых перемычек, увеличение пористости и в некоторых случаях ускоренные сдвиговые деформации. Такая дезинтеграция массива, в свою очередь, увеличивает его гидропроводность, что может привести к положительной, то есть ускоряющей процессы разрушения, обратной связи (см. рис. 19 в предыдущей части).

Независимо от инфильтрации воды, многие исследователи, на которых ссылаются авторы работы [5], указывают, что потепление и таяние скрепленного льдом многолетнемерзлого трещиноватого грунта приводят к ослаблению или потере связи между его фрагментами и к соответствующему разупрочнению его структуры. Но тут решающее значение имеет учет временных масштабов.

При очень высоких скоростях деформирования (от 1х10^-5 до 1х10^-6 с^-1) повышение температуры и таяние многолетней мерзлоты вызывают снижение прочности трещиноватого скального грунта на сжатие и растяжение, разупрочнение границ раздела «порода – лед» и «порода – порода», а также изменения в прочности и ползучести трещинного льда. Все это может иметь значение в краткосрочной перспективе для неглубоко залегающих и критически неустойчивых зон, в которых плоскости разрушения уже широко распространились и которые подвержены быстрому нагреванию, например во время волн летней жары. Наряду с инфильтрацией воды нагревание льда в трещинах может способствовать активности мелкомасштабных камнепадов с многолетнемерзлых скальных склонов и уступов в конце лета.

Плоскости разрушения в зонах средне- и крупномасштабных нестабильностей обычно развиваются в результате длительного развития гидроразрывов. Скорости деформирования в этих случаях обычно на несколько порядков меньше по сравнению с критическими мелкомасштабными нестабильностями и находятся в диапазоне от 1х10^-9 до 1х10^-7 с^-1 (от нескольких миллиметров до нескольких дециметров в год). При таких малых скоростях деформаций лед ведет себя аналогично жидкости и его связующий эффект маловероятен.

Таким образом, активность небольших камнепадов наблюдается в конце лета и осенью, совпадая с сезонными пиками температур самых верхних метров трещиноватых скальных грунтов в горных регионах с «теплой» многолетней мерзлотой, а крупные разрушения скальных склонов, возникающие в пределах пояса многолетней мерзлоты, могут происходить круглый год.

Авторы работы [5] также добавляют, что изменения в прочности скальных грунтов при нагревании при любой скорости деформирования в основном характерны для исходно льдонасыщенных пород. Прочность сухого скального грунта (как правило, на больших глубинах) гораздо меньше зависит от нагревания.

Сценарии будущего

Кеннер с соавторами [5] прогнозируют, что при потеплении климата вслед за изменениями атмосферных температур будет продолжаться прогревание скальных склонов. Это предполагает смещение «теплой» многолетней мерзлоты все выше в горы и все глубже от дневной поверхности, что увеличит распространение зон с более высокой гидропроводностью. Это уже наблюдается, например, в таких высокогорных тоннелях в Швейцарских Альпах, как Юнгфрауйох и Вайсфлюйох, где, по наблюдениям персонала, вода все больше просачивается сквозь массивы скальных грунтов. Появление воды в многолетней мерзлоте в некоторых случаях подтвердили и буровые работы в Швейцарских Альпах.

В будущем, как предполагают авторы статьи [5], нестабильные участки трещиноватых скальных склонов, которые ранее были эффективно закреплены многолетнемерзлым льдом, с очень большой долей вероятности отреагируют на инфильтрацию в них воды своим разупрочнением и повышением активности камнепадов во всех объемах (рис. 21).

Рис. 21. В будущем многие участки трещиноватых скальных склонов, которые ранее были закреплены многолетнемерзлым льдом, с очень большой долей вероятности отреагируют на потепление климата своим разупрочнением и повышением активности камнепадов в самых разных объемах [11, 12, 18, 19]

Роль многолетней мерзлоты в увеличении нестабильности скальных склонов и в их обрушениях является относительно молодой областью исследований и, случается, вызывает споры. Некоторые неопределенности возникают из-за того, что основная часть знаний по этому поводу была получена в результате лабораторных экспериментов. Более того, например, выводы, касающиеся влияния сегрегационного льдовыделения в трещинах скальных пород или основных движущих факторов трещинообразования в зонах глубоких гравитационных деформаций склонов, в основном основаны на теоретическом анализе. При этом полевой мониторинг на скальных склонах проводился редко из-за больших логистических и технических проблем. Поэтому в будущем на основе новых наблюдений и исследований возможны сдвиги в текущем понимании и нынешних оценках значимости отдельных параметров или процессов в рассматриваемом отношении.

ОЛЕДЕНЕНИЕ

Оледенение оказывает многогранное воздействие на устойчивость и выветривание горных склонов.

Умеренными (изотермическими, теплыми) называют ледники, во всей толще которых ниже деятельного слоя постоянно держится температура, близкая к точке таяния льда под давлением, а холодными называют ледники, во всей толще которых глубже деятельного слоя температура всегда ниже точки плавления льда под давлением [1].

Как указывают авторы статьи [5], умеренные ледники вызывают эрозию горных склонов из-за деятельности подледниковых водных потоков и одновременно изолируют эти склоны от более ощутимого тепла. Напротив, холодные ледники предотвращают подледниковую водную эрозию и даже препятствуют инфильтрации воды к подстилающим их грунтам.

Кроме того, нагружение и разгрузка во время наступания и отступания ледника вызывают знакопеременное перераспределение напряжений в скальных грунтовых массивах, слагающих примыкающие к нему склоны.

Некоторые из факторов влияния ледников на горные склоны авторы работы [5] рассматривают далее более подробно.

Чрезмерное увеличение крутизны склонов

Ссылаясь на других авторов, Кеннер с коллегами [5] пишут о том, что при эрозии подножий склонов в результате деятельности ледников происходит чрезмерное увеличение их крутизны (overstepening). При этом та часть склона, которая находится ниже поверхности ледника, становится круче, а склон надо льдом разупрочняется. Такое изменение геометрии вызывает концентрацию напряжений в подножии склона и может приводить к каскадам камнепадов в течение долгого времени до тех пор, пока не будет восстановлен стабильный угол наклона поверхности.

Различают два основных участка чрезмерного увеличения крутизны склонов: задняя (вершинная) стенка, ограничивающая верхнюю часть ледника, и ограничивающие его боковые склоны (особенно для долинных ледников) (рис. 22).

Рис. 22. Ледники на горе Сент-Элиас на границе Аляски и канадской территории Юкон. Для ледника в середине фотографии хорошо просматривается задняя стенка его цирка и боковые склоны ледниковой долины (1–3 – цирки, содержащие области питания долинных ледников; 4, 5 – каровые ледники) [8]

Если над ледником выступает пояс из почти вертикальной части задней стенки (называемый шрундлайном), то верх этого пояса указывает на прежний уровень ледника (рис. 23). А повышение крутизны боковых склонов ложа ледника в результате их боковой абразии наиболее хорошо видно по форме U-образных ледниковых долин (см. рис. 22).

Рис. 23. Пояса из почти вертикальных стенок (шрундлайны) над одним из ледников в Западных Швейцарских Альпах, образовавшиеся при прежнем более высоком уровне ледника (показаны стрелками) (а); многоярусный ледниковый цирк после дегляциации, шрундлайны которого указывают на различные уровни ледника в прошлом (б) [1, 7]

Ледниковая эрозия

Движущийся ледник производит огромную разрушающую работу, называемую экзарацией (ледниковой эрозией), которая связана с двумя основными процессами [2, 5].

1. Абразия состоит в стачивании подледного ложа обломками, захваченными ледником, который действует при своем движении наподобие шлифовального станка. В зависимости от величины фрагментов, включенных в подошву ледника, на подстилающем скальном грунте возникают отполированные поверхности и ледниковая штриховка – штрихи, царапины и борозды;

2. Плакинг (выпахивание) происходит, когда лед, в отдельные моменты примерзая к ложу, в процессе движения отрывает и увлекает за собой отщепленные фрагменты пород. Плакингу прежде всего способствуют большие силы сдвига, вызванные движущимся под действием силы тяжести ледником. Кроме того, давление подледниковой воды, изменяющееся в пространстве и во времени, может приводить к усталости пород. И когда между ледниковым льдом и его скальным ложем образуются полости, эти переменные в пространстве и времени давления могут вызывать эффекты «тепловых насосов», инициируя примерзание подошвы ледника к участкам трещиноватых скальных грунтов с последующим «выдергиванием» и уносом их фрагментов.

Если, например, ледник «переползает» скальный выступ (ступень рельефа), то абразия будет наиболее эффективна для проксимальной (обращенной навстречу движению льда) наклонной поверхности грунта, которая со временем примет плавные очертания. А плакинг будет более эффективно происходить на дистальной (нисходящей по ходу движения льда) наклонной поверхности, которая со временем станет более крутой и приобретет угловатые очертания из-за выламывания крупных фрагментов пород, особенно там, где ранее существовали трещины. В результате образуются формы рельефа, называемые «бараньими лбами», которые видны после исчезновения ледника [2, 5]. После дегляциации не только по форме «бараньего лба», но и по ледниковой штриховке можно определить направление движения ледника в прошлом: гладкая поверхность – по направлению, занозистая – против [8] (рис. 24).

Рис. 24. Схема образования «бараньего лба» при движении ледника (а); «бараний лоб» после исчезновения ледника (Аляска); ледниковая штриховка после дегляциации (в, г); «микро бараньи лбы» с ледниковой штриховкой после дегляциации (д) [8]

Кроме того, относительные вклады абразии и плакинга в ледниковую эрозию сильно зависят от толщины и скорости движения ледника, литологии и структуры подстилающих его скальных грунтов. Для слабых («мягких») и нетрещиноватых пород обычно преобладает абразия, в то время как твердые и трещиноватые породы сильнее подвержены плакингу. Тонкие и крутонаклонные ледники из-за меньших нормальных нагрузок и высоких скоростей способствуют образованию полостей за дистальными частями ступеней рельефа и поэтому способствуют плакингу.

Эти факторы влияют не только на типы ледниковой эрозии, но и на ее темпы, которые обычно находятся в диапазоне 0,1–1 мм/год.

Чрезмерное увеличение крутизны задних стенок начальных частей ледников

Кеннер с соавторами [5] указывают, что начальная часть ледника в области его питания обычно отделена от ее задней (вершинной) скальной стенки глубокой трещиной протаивания, называемой ранклюфтом (рис. 25). Эта трещина возникает прежде всего из-за присутствия более теплой скальной поверхности над ледником, подверженной воздействию солнечных лучей (поскольку более темные скалы нагреваются от солнца сильнее, чем светлая фирновая поверхность). Такой процесс может происходить и по бокам ледника. Не стоит путать ранклюфт с бергшрундом – поперечной трещиной в начале тела ледника глубиной иногда до 100 м и более, формирующейся при отрыве его движущейся тяжелой нижней части от менее подвижной верхней снежно-фирновой зоны (такая трещина также может образоваться вблизи боковых границ ледника) (см. рис. 25) [5, 9, 13, 15].

Рис. 25. Верхняя часть циркового (карового) ледника в продольном вертикальном разрезе с изображением ранклюфта и бергшрунда (по [4])

В ранклюфте происходит чрезмерное увеличение крутизны склона (рис. 26, 27, а). То есть скальный склон в пределах этой трещины становится явно круче той части склона, которая располагается выше. И этот почти вертикальный участок становится видным в виде пояса (шрундлайна) после снижения уровня или исчезновения ледника. Более того, над ледником может быть несколько шрундлайнов (ярусов цирка) в связи с разными уровнями его поверхности в прошлом (см. рис. 23) [5]. (От редакции добавим, что если бергшрунд доходит до коренной породы и особенно если он продолжается вдоль ложа ледника, то это тоже может серьезно сказываться на ледниковой эрозии и также увеличивать крутизну подножия склона (см. рис. 25, 27, б)).

Рис. 26. Процессы, вызывающие быструю эрозию скальной стенки в ранклюфте [5]

Рис. 27. Примеры многометровых ранклюфта (а) и бергшрунда (б) [3, 4]

Условия и процессы внутри ранклюфта до сих пор изучены мало. Только при нескольких исследованиях, на которые ссылаются авторы статьи [5], проводились прямые измерения температуры и/или скоростей деформирования и эрозии скального грунта в таких расщелинах. Обычно полагают, что чрезмерное увеличение крутизны склона там вызвано более высокими скоростями эрозии в пределах ранклюфта по сравнению со скальными склонами, не затронутыми оледенением (см. рис. 26).

Эрозия скальной стенки в зоне ранклюфта считается основной движущей силой эволюции горных цирков (каров). Есть предположение, что растущий ледник расширяет цирк прежде всего за счет плакинга при «вращательном движении» ледовой массы (возникающем из-за движения льда из цирка вниз по долине), действуя наподобие циркулярной пилы [5, 16] (см. рис. 25, 26). Однако из-за ограниченного количества прямых наблюдений эта гипотеза пока не получила прямой количественной оценки. Некоторые исследователи, на которых ссылаются Кеннер и др. [5], думают, что для развития ледникового цирка более эффективна базальная эрозия его ложа. Но это подразумевало бы прямо противоположное объяснение чрезмерного увеличения крутизны в зоне ранклюфта, поскольку при этом более высокий ярус цирка рассматривался бы как реликт прежнего более крутого рельефа, образовавшегося в результате эрозии основания ледника и сохранившегося за счет низкой скорости эрозии в ранклюфте. Тогда более высокие скорости надледниковой эрозии вызвали бы уплощение стенки над уровнем ледника. Однако анализ размеров многих ледниковых цирков показывает, что отступание стенки цирка обычно происходит быстрее, чем нисходящая эрозия, что подтверждает первую гипотезу. Ее подтверждают и наблюдения за многочисленными скальными фрагментами, оторванными ледником от его задней стенки и застрявшими в нем.

Как отмечают авторы статьи [5], ссылаясь на других исследователей, доступные данные указывают на то, что в пределах ранклюфтов имеются условия многолетней мерзлоты, но, вероятно, с очень тонкими или отсутствующими деятельными слоями. Наблюдения свидетельствуют о наличии там больших количеств воды в течение всего теплого периода года (весной и летом), а в холодное время происходит ее повторное замерзание. Эти условия способствуют криогенному (морозобойному) растрескиванию и сегрегационному льдовыделению, которые, вероятно, затрагивают лишь довольно тонкий поверхностный слой скального склона, но действуют очень интенсивно (рис. 28). После такой дестабилизации ледник может оторвать фрагменты породы от задней стенки в результате плакинга и унести их с собой.

Рис. 28. Обнажившаяся после камнепада задняя стенка трещины, расклиненная в свое время льдом. Эта бывшая зона ранклюфта в Швейцарских Альпах стала хорошо видна после снижения уровня ледника в результате потепления климата [5]

Ссылаясь на других авторов, Кеннер с коллегами [5] рассказывают, что измерение температуры поверхностей скальных грунтов на несколько метров ниже верха ранклюфтов подтвердило условия многолетней мерзлоты в задних стенках, даже если над верхним уровнем ледника многолетняя мерзлота в них отсутствует (особенно если они подвергаются воздействию солнечных лучей). Это может быть результатом эффективного охлаждения внутри ранклюфтов за счет:

а) воздухообмена, вызванного естественной конвекцией зимой;

б) наличия в ранклюфте холодного воздуха летом (см. рис. 26).

Отсутствие многолетней мерзлоты в надледниковой части задней стенки может увеличить поступление воды в подледниковые части этого скального склона по подземным дренажным путям (вдобавок к поверхностному стоку).

Все это создает оптимальные условия для долговременных эрозионных процессов, что и может быть объяснением наличия упомянутых выше шрундлайнов, иногда многоярусных, отчетливо видных над поверхностью льда на подвергающихся воздействию солнечных лучей стенках ледниковых цирков (см. рис. 23).

Однако, как отмечают авторы статьи [5], эффективность морозного выветривания скальных склонов в ранклюфтах варьирует и зависит от нескольких факторов. К ним относится наличие жидкой воды, которая может отсутствовать в очень холодных условиях полярных регионов или на больших высотах. Очень крутые вершинные стенки, на которых может накапливаться лишь небольшое количество снега, еще больше ограничивают количество талой воды (рис. 29). Кроме того, снежные лавины, сходящие с таких весьма крутых стенок, могут быстро заполнить ранклюфт снегом и обеспечить его эффективную теплоизоляцию с поверхности, предотвращая воздействие мороза. То же самое относится и к очень влажным регионам, где поверх ранклюфтов могут образовываться толстые снежные перемычки. Различная эффективность эрозии задних стенок и ледникового плакинга может быть представлена вариациями в формах ледниковых цирков и в степени покрытия краевых частей ледника каменистыми осыпями.

Рис. 29. Очень крутые стенки ледникового цирка на горе Логан – самой высокой вершине Канады (5956 м), на которой всегда мороз [8, 14]

Независимо от соотношения между эрозией задней стенки и базальной эрозией ложа ледника в цирке, продуктом оледенения являются упомянутые выше пояса чрезмерно крутых стенок вокруг ледниковых цирков – шрундлайны. После снижения уровня или исчезновения ледника эти пояса демонстрируют большую скорость эрозии и высокую активность камнепадов (во много раз выше, чем для других участков тех же скальных склонов).

-

В следующей части будет рассказано о процессах, связанных с дегляциацией, а также о «ледяных фартуках» на скальных склонах

Список литературы, использованной авторами публикации [5], можно посмотреть в конце их статьи по адресу: researchgate.net/publication/353592255.

ИСТОЧНИКИ

1. abratsev.ru/hydrosphere/lednik2.html#:~:text.
2. bstudy.net/953952/estestvoznanie/lednikovaya_eroziya_vidy.
3. deru.abcdef.wiki/wiki/Randkluft.
4. en.wikipedia.org/wiki/Bergschrund.
5. Kenner R., Arenson L.U., Gramiger L. Mass movement processes related to permafrost and glaciation // ResearchGate. January 2021. DOI: 10.1016/B978-0-12-818234-5.00112-7. URL: researchgate.net/publication/353592255.
6. Kenner R., Arenson L.U., Gramiger L. Mass movement processes related to permafrost and glaciation // Treatise on Geomorphology (2d edition, ed. by J.F. Shroder). Elsevier, 2022. Vol. 5. P. 283–303. DOI: 10.1016/B978-0-12-818234-5.00112-7. URL: sciencedirect.com/science/article/pii/B9780128182345001127?via%3Dihub.
7. meteorologiaenred.com/ru/circo-glaciar.html.
8. og-mgri.ru/data/documents/07_Ekzogennyy-relef-kontinetov-Glyacialnyy-relef.pdf.
9. peakfinder.ru/term/view/5_rantklyuft.
10. pixabay.com/ru/photos/ледник-лед-снег-аляска-пейзаж-220090/.
11. planetmountain.com/en/photos/huge-rockfall-on-tour-ronde-mont-blanc/32024?s=2.
12. risk.ru/blog/15812.
13. ru.wikipedia.org/wiki/Бергшрунд.
14. ru.wikipedia.org/wiki/Логан_(гора).
15. ru.wikipedia.org/wiki/Ранклюфт.
16. wiki.web.ru/wiki/Ледниковый_цирк.
17. xn--80aegcaa6cbngm5a6c1ci.xn--p1ai/prodvizhenie-rezultatov-researchgate/.
18. youtube.com/watch?app=desktop&v=XqteyuSZlRM.
19. youtube.com/watch?v=9d3xzxpLDm4.