Геологи объяснили редкий феномен каньона Лодор: почему река Грин-Ривер не обошла горы, а прорезала их

Хребет Юинта на западе США представляет из себя, наверное, один из самых труднообъяснимых процессов современной геологии. Этот горный массив высотой более 4000 метров расположен перпендикулярно основному направлению Скалистых гор. Но главная странность заключается не в его ориентации, а в поведении реки Грин-Ривер. Вместо того чтобы обойти высокий горный массив по естественному уклону, река пересекает его в самой высокой части, образовав каньон Лодор глубиной около 700 метров.

Такое явление не соответсвует базовым представлениям о распространении рек. Ведь они очень редко прорезают существующие горные хребты такой высоты. Обычно это происходит либо в том случае, если река существовала до появления гор, либо если рельеф претерпел резкие изменения уже после формирования речной системы. Исследование, опубликованное в журнале Journal of Geophysical Research: Earth Surface, определило, что в случае с хребтом Юинта и рекой Грин-Ривер сработал второй сценарий, запущенный процессами в верхних слоях мантии Земли.

Геологический конфликт возрастов

Основная проблема анализа хребта Юинта заключалась в несовпадении временных рамок. Горы сформировались в ходе Ларамийского орогенеза примерно 50 миллионов лет назад. После этого активные тектонические процессы в регионе прекратились. С точки зрения классической теории, за десятки миллионов лет горная система должна была подвергнуться эрозии и постепенно сгладиться.

Только вот геологические данные указывают на то, что Грин-Ривер начала прорезать хребет значительно позже — в период между 8 и 1,5 миллионами лет назад. Это означает, что спустя 40 миллионов лет относительного спокойствия горный массив снова начал расти или речная система подверглась мощному внешнему воздействию. Чтобы понять причины этого события, группа ученых под руководством Адама Смита из Университета Глазго применила метод двумерной топографической инверсии.

Анализ реликтового ландшафта

Исследователи изучили геометрию речных сетей, дренирующих хребет. Они обнаружили в верховьях рек так называемую реликтовый топографию — фрагменты древнего ландшафта, которые сохранились в малоизмененном виде на больших высотах. Характер этих участков указывает на то, что в прошлом они находились значительно ниже относительно уровня моря.

Математическое моделирование показало, что за последние несколько миллионов лет центральная часть хребта поднялась примерно на 400-450 метров. Этот подъем был локальным и радиальным: максимальные значения зафиксированы в центре массива, а к его краям интенсивность поднятия снижалась. Характер этого движения исключает влияние глобальных климатических изменений или крупномасштабных движений тектонических плит. Причина подъема должна была находиться непосредственно под хребтом, в литосфере Земли.

Физика литосферной неустойчивости

Объяснением этого феномена стал процесс, известный как литосферная неустойчивость, или литосферная капля. Земная кора и жесткая верхняя часть мантии под горными хребтами часто имеют утолщение, которое называют корнем гор. В определенных условиях этот корень становится плотнее и тяжелее окружающих его слоев мантии (астеносферы).

Из-за разности плотностей возникает гравитационная нестабильность. Тяжелое холодное вещество литосферного корня начинает постепенно деформироваться и проседать вниз. Этот процесс протекает в два этапа, каждый из которых важен в случае с Грин-Ривер.

На первом этапе, когда тяжелый литосферный блок только начинает тянуться вниз, он, сохраняя связь с земной корой, тянет ее за собой. Это вызывает локальное опускание поверхности (субсиденцию). Именно в этот период хребет Юинта стал ниже, что позволило реке Грин-Ривер сменить русло и перелиться через горы, объединившись с бассейном реки Колорадо. Это событие в геологии называют интеграцией речных систем.

На втором этапе происходит окончательный разрыв связи. Плотный блок вещества отделяется от литосферы и начинает свободное погружение в мантию. Как только этот груз исчезает, литосфера, стремясь к равновесию, начинает быстро подниматься вверх. Этот процесс называется изостатическим отскоком.

Подтверждение данными сейсмологии

Для проверки этой теории ученые использовали данные сейсмической томографии. Просвечивание недр сейсмическими волнами выявило под хребтом Юинта аномальный объект. На глубине около 200 километров находится плотное холодное тело диаметром от 50 до 100 километров. Это и есть та самая литосферная капля, которая уже отделилась от коры и погружается в более глубокие слои мантии.

Применив закон Стокса, описывающий движение тел в вязкой жидкости, исследователи рассчитали скорость погружения этой массы. Полученные данные позволили определить время отрыва капли — примерно 2,3-4,7 миллиона лет назад. Это полностью совпадает с периодом резкого подъема гор и врезания реки Грин-Ривер, установленным в ходе анализа речного ландшафта.

Гидрологические и биологические последствия

Когда литосферная капля оторвалась и хребет начал подниматься, Грин-Ривер уже текла через него. Подъем поверхности вынудил реку врезаться в твердые породы с высокой скоростью, чтобы сохранить русло. Итогом этого процесса стал глубокий каньон.

Последствия этого глубинного процесса повлияли и на континент. Слияние Грин-Ривер и Колорадо изменило положение континентального водораздела Северной Америки. До этого события значительная часть водных ресурсов распределялась иначе, а реки, текущие к Тихому и Атлантическому океанам, разделялись по иным границам.

Важно обратить внимание и на биологический аспект события. Соединение двух изолированных водных бассейнов привело к смешиванию их экосистем. Виды рыб, которые развивались независимо в течение миллионов лет, получили возможность мигрировать. Это событие определило современный состав ихтиофауны в западных штатах США, создав уникальные условия для биоразнообразия региона.

Вывод

Процесс литосферного проседания и последующего отделения масс вещества мантии способен полностью менять гидрологические системы даже в тектонически стабильных регионах. Рельеф внутри континентов может формироваться не только горизонтальными движениями тектонических плит, но и вертикальными процессами, происходящими глубоко в мантии. Так, событие в мантии Земли напрямую определило биологическую эволюцию и географию региона.

Источник: Journal of Geophysical Research: Earth Surface