Горы разрушаются быстрее всего там, где этого меньше всего ожидается

Фото из открытых источников

Ученые выяснили, почему некоторые пологие горные ландшафы подвергаются эрозии быстрее, чем крутые скалистые склоны, что выявило скрытые последствия для круговорота углерода на Земле. Результаты исследования опубликованы в журнале Science Advances.

С геологической точки зрения, каждый горный хребет находится в процессе разрушения. Реки сужают русла, склоны сбрасывают материал, горные породы выветриваются, превращаясь в почву и осадки, и в конечном итоге достигают моря. Геологи измеряют этот процесс — денудацию — уже несколько десятилетий, используя хитрый метод с применением космических лучей.

Когда высокоэнергетические частицы от взорвавшихся звёзд сталкиваются с кварцевыми зернами на поверхности, они создают редкий изотоп, бериллий-10, с известной скоростью.  Чем дольше зерно находится на открытом воздухе, тем больше ¹⁰Be оно накапливает. Измерьте это значение, и вы получите скорость эрозии.

Проблема в том, что этот метод всегда лучше работал на одних породах, чем на других. В граните, песчанике и других крупнозернистых породах зерна кварца крупные и их легко выделить. В сланцах — одной из самых распространенных осадочных пород на Земле, мягкой, мелкозернистой и широко распространенной в горных ландшафтах — кварц слишком мал и рассеян, чтобы его можно было чисто извлечь с помощью стандартных методов.

В результате сланцы часто не включались в измерения эрозии, что создавало существенный пробел в нашем понимании того, как меняются горные ландшафты.

Группа исследователей под руководством Эяля Мардера из Массачусетского университета в Амхерсте решила эту проблему. В своем исследовании они описывают новый метод извлечения ¹⁰Be из мелкозернистых осадочных пород. Исследователи применили этот метод к водосборному бассейну реки Ист-Ривер в горах Элк и Вест-Элк в штате Колорадо.

Это водосборный бассейн площадью 465 квадратных километров, где устойчивые магматические породы и меловые сланцы Манкос расположены бок о бок, подвергаясь воздействию одного и того же климата и тектонических сил.

«Эрозионная способность сланцев в три раза выше, чем у более твердых горных пород в бассейне реки Ист-Ривер», — сказал Мардер.

В исследуемых водосборных бассейнах сланцевая эрозия происходит со скоростью от 0,05 до 0,38 мм в год, при медианном значении 0,11 мм в год. В интрузивных магматических водосборных бассейнах эрозия происходит со скоростью от 0,03 до 0,07 мм в год.

Сама по себе эта разница неудивительна: геологи долгое время предполагали, что более слабые породы разрушаются быстрее. Измерения же показывают следствие этого контраста, проявившегося на протяжении миллионов лет.

Когда слабые и прочные породы расположены рядом друг с другом в ландшафте, их эрозия происходит не синхронно. Сланец опускается быстрее, сохраняя при этом сравнительно пологий, сглаженный рельеф.

Более твердые породы, адаптируясь медленнее, формируют более крутые склоны и более высокий рельеф. В результате самая быстрая эрозия в горном хребте происходит на округлых, менее рельефных сланцевых участках.

«Когда мы смотрим на ландшафты, мы видим лишь моментальный снимок», — сказал Мардер. И этот снимок вводит в заблуждение.

Крутой обрыв из твердого гранита выглядит как место, где происходит все самое интересное. А тихая сланцевая долина – это то место, где земля буквально исчезает.

Сланцы и магматические породы не только разнородны в процессе эрозии, но и оказывают противоположное воздействие на концентрацию CO2 в атмосфере. Интрузивные породы, такие как гранит и монцонит, подвергаются силикатному выветриванию — процессу, в ходе которого CO2 извлекается из атмосферы и связывается с растворенными карбонатами.

Сланцы, напротив, могут содержать пирит и органический углерод, выветривание которых может способствовать выделению CO2. В бассейне реки Ист-Ривер химическое выветривание составляет примерно от 10 до 70 процентов от общей скорости денудации.

Поскольку эрозия сланцев происходит в три раза быстрее, чем эрозия магматических пород, они вносят непропорционально большой вклад в выбросы CO2. Моделирование эволюции ландшафта, проведенное в данном исследовании, предполагает, что этот дисбаланс сохраняется на протяжении миллионов лет.

Модели показывают, что эрозия сланцев продолжается быстрее, чем эрозия более твердых пород в течение длительных периодов времени, поддерживая разницу в их вкладе в круговорот углерода.

Совокупные последствия выбросов CO2 значительны. «Если расширить масштабы нашей работы с гор Элк и Вест-Элк на все горные регионы мира, то точное определение темпов эрозии и их эквивалентного влияния на выбросы CO2 окажет существенное влияние на наши знания о глобальных биогеохимических циклах и изменении климата», — пояснил Мардер.

Результаты моделирования предсказывают, что за 2,6 миллиона лет непрерывной адаптации ландшафта водосборный бассейн может выбросить приблизительно 85 тераграммов CO2. Этот показатель потенциально может возрасти до 135 Тг, если повторяющиеся ледниковые топографические изменения приведут к повторяющимся циклам смены климатических зон.

Это приблизительные оценки, и они не учитывают CO2, выделяемый в результате окислительного выветривания ископаемого органического углерода в сланцах, что еще больше увеличило бы эти цифры.

Главный вывод исследования заключается в том, чего нельзя сказать только о топографии. Уклон, рельеф и крутизна русла — это стандартные показатели, которые геологи используют для оценки скорости эрозии и равновесия ландшафта.

Считается, что чем круче склон, тем быстрее происходит эрозия. Это предположение справедливо, когда тип породы однороден.

Там, где это не так, самая быстрая эрозия скрыта в наиболее пологом рельефе. Модели, игнорирующие литологические контрасты, будут систематически неверно интерпретировать как эрозию, так и поток углерода.

Новая методика ¹⁰Be для мелкозернистых отложений должна позволить исследователям заполнить эти пробелы в знаниях о других горных поясах со смешанным литологическим составом – Аппалачах, Альпах, Гималаях.

Там распространены сланцы и слабые осадочные толщи, и их вклад в эрозию и химическое выветривание изучен недостаточно. Правильный учет этого процесса важен для любого, кто пытается понять, как горы регулируют круговорот углерода в Земле на протяжении геологического времени.