Туннельные долины: формирование, распространение и значение.

Введение

Ледниковая географическая особенность

Туннельная долина – это U-образная долина, первоначально образованная под ледниковым льдом вблизи края континентальных ледяных щитов, таких как тот, что сейчас покрывает Антарктиду, и ранее покрывавший части всех континентов в прошлые ледниковые эпохи. Они могут достигать в ширину и в глубину. Туннельные долины формировались в результате подледниковой эрозии, вызванной водой, и служили подледниковыми дренажными путями, по которым отводились большие объемы талой воды. Их поперечные сечения часто демонстрируют крутые склоны, напоминающие стены фьордов. В настоящее время они проявляются в виде сухих долин, озер, глубоководных впадин и областей, заполненных осадочными отложениями. Если они заполнены отложениями, то их нижние слои состоят преимущественно из ледниковых, гляциофлювиальных или гляциолакустных отложений, дополненных верхними слоями отложений умеренного климата. Они встречаются в районах, ранее покрытых ледниковыми щитами, включая Африку, Азию, Северную Америку, Европу, Австралию, а также в Северном море, Атлантическом океане и водах вблизи Антарктиды. В технической литературе туннельные долины упоминаются под различными названиями, такими как туннельные каналы, подледниковые долины, ледниковые пути, змеевидные извилины и линейные разломы.

Значение

В Арабии и Северной Африке тоннельные долины играют важную роль в выявлении нефтеносных районов. Материалы верхнего ордовика – нижнего силура содержат слой черного сланца, обогащенного углеродом, толщиной около [указать единицу измерения, если она есть в контексте]. Примерно 30% мировых запасов нефти сосредоточено в этих сланцевых отложениях. Хотя происхождение этих отложений все еще изучается, установлено, что сланцы регулярно перекрывают ледниковые и ледниково-морские отложения, сформировавшиеся около 445 миллионов лет назад в период гирнантийского оледенения. Образование сланцев связывают с обогащением питательными веществами мелководной морской среды талой ледниковой водой. Таким образом, наличие тоннельных долин служит индикатором присутствия нефти в этих областях. Тоннельные долины составляют существенную часть всей сети стока талой воды от ледников. Стоки талой воды влияют на движение ледникового льда, что важно для понимания продолжительности ледниковых и межледниковых периодов и помогает выявить ледниковую цикличность – задачу, имеющую большое значение для палеоэкологических исследований. Тоннельные долины обычно вырезаны в скальном основании и заполнены ледниковым детритом различного размера. Такая структура делает их отличными накопителями и резервуарами воды. Следовательно, они играют важную роль в качестве водоносных горизонтов на большей части территории Северной Европы, Канады и Соединенных Штатов. Примеры включают Oak Ridges Moraine Aquifer, Spokane Valley Rathdrum Prairie Aquifer, Mahomet Aquifer, Saginaw Lobe Aquifer и Corning Aquifer.

Зарытые, открытые и частично заполненные

Туннельные долины наблюдаются как открытые долины, так и как частично или полностью погребенные долины. Если они погребены, они могут быть частично или полностью заполнены ледниковым флювиальным материалом или другим обломочным материалом. Долины могут быть врезаны в коренные породы, песок, ил или глину.

Размеры

Они различаются по глубине и ширине русла; датские примеры варьируются от широких и от глубоких. Они различаются по глубине вдоль своего течения, демонстрируя углубление; углубленные участки врезаются в скальное основание и обычно значительно глубже, чем выше- или нижерасположенные участки той же туннельной долины. У них крутые склоны, которые часто асимметричны. Они часто заканчиваются у рецессионной морены. Туннельные долины, сформированные в результате последовательных оледенений, могут пересекаться. Туннельные долины часто проходят вдоль примерно параллельных направлений. Они берут начало и проходят через регионы, содержащие явные свидетельства ледниковой эрозии посредством абразии и могут демонстрировать стриации и рош-мутонне. У их конечного участка встречаются отложения, такие как конечные морены и веерные отложения. Русло туннельной долины часто начинается или обрывается внезапно. Они имеют выпуклые продольные профили. Они часто заняты вытянутыми озерами и ручьями недостаточного размера. Они часто демонстрируют признаки последующих отложений, таких как эскеры. Эрозия, вызванная йёкюльхляупами – Пиотровски утверждает, что ледниковые щиты в некоторых случаях могут быть холодно-основными; то есть они контактируют с землей, которая промерзла (вечная мерзлота), и примораживаются к ней. Талая вода накапливается за этим замерзшим ледяным краем, пока не создаст достаточного давления, чтобы поднять лед и разорвать связь, что приводит к катастрофическому высвобождению талой воды, как это наблюдается при исландских йёкюльхляупах. В результате этого йёкюльхляупа формируется туннельная долина. Периодические выбросы подледниковой воды наблюдались при перемещении подледниковой воды между подледниковыми озерами под Восточно-Антарктическим ледниковым щитом. Спутниковые данные зафиксировали общий объем подледникового стока, равный, прошедший за период менее года. По мере ослабления потока вес льда закрыл туннель и снова запечатал озеро. Моделирование потока воды удовлетворительно проводилось с учетом каналов в льду и отложениях. Аналитическая модель показывает, что в некоторых регионах геометрия ледникового основания включала участки, которые могли бы промерзнуть, блокируя поток, если бы не эрозия осадочного субстрата, создающая канал и поддерживающая сброс. Таким образом, объединив эти данные и анализ с наблюдениями исландских йёкюльхляупов, имеются экспериментальные доказательства того, что какая-то форма гипотезы йёкюльхляупов с элементами модели стационарного состояния верна.

They vary in channel depth and width; Danish examples run from wide and from deep. They vary in depth along their course, exhibiting overdeepening; overdeepened sections cut into bedrock and typically are significantly deeper than either upstream or downstream sections of the same tunnel valley. They have steep sides which are frequently asymmetric. They frequently terminate at a recessional moraine. Tunnel valleys from successive glaciations may crosscut one another. Tunnel valleys frequently run along roughly parallel courses. They originate in and run through regions which include clear evidence of glacial erosion through abrasion and may exhibit striations and roche moutonnée. Depositional forms such as terminal moraines and outwash fans are found at their terminal end. Tunnel valley channels often start or stop abruptly. They have convex up longitudinal profiles. They are often occupied by elongated lakes of underfit streams. They frequently show signs of subsequent depositions such as eskers. Jökulhlaup driven erosion – Piotrowski argues that ice sheets may, in some instances, be cold based; that is they contact land that is frozen (permafrost) and they freeze to the permafrost. Meltwater builds up behind this frozen ice terminus until it generates sufficient pressure to lift the ice and break the bond, with a catastrophic meltwater release such as is seen with the Icelandic jökulhlaup. As a consequence of this jökulhlaup a tunnel valley is formed. Periodic outbursts of subglacial water have been observed moving subglacial water between subglacial lakes beneath the East Antarctic Ice Sheet. Satellite data recorded a subglacial discharge totaling traveling ~ over a period of less than a year. As the flow subsided, the weight of ice closed the tunnel and sealed the lake again. The water flow was modeled satisfactorily with channeling in ice and in sediment. The analytic model shows that over some regions, the ice bedrock geometry included sections which would have frozen, blocking off flow, unless erosion of the sedimentary substrate was the means of creating a channel and sustaining the discharge. Hence, combining this data and analysis with Icelandic jökulhlaup observations, there is experimental evidence that some form of the jökulhlaup hypothesis with features of the steady state model is correct.

Общие черты теорий туннельной долины

Поток подледниковой талой воды является общим для всех теорий; следовательно, ключ к пониманию образования каналов – это понимание потока подледниковой талой воды. Талая вода может образовываться на поверхности ледника (надледниково), под ледником (в основании) или и там, и там. Поток талой воды может происходить как надледниково, так и в основании; признаки надледникового и базального потока различаются в зависимости от зоны прохождения. Надледниковый поток аналогичен речному потоку в любой наземной среде – вода течет из более высоких областей в более низкие под воздействием силы тяжести. Базальный поток демонстрирует значительные различия. В базальном потоке вода, образующаяся при таянии в основании или стекающая вниз с поверхности под действием силы тяжести, собирается в основании ледника в прудах и озерах в кармане, перекрытом сотнями метров льда. Если нет поверхностного дренажного пути, вода от поверхностного таяния будет стекать вниз и собираться в трещинах в льду, а вода от базального таяния – под ледником; любой из источников сформирует подледниковое озеро. Гидравлический напор воды, собранной в базальном озере, будет возрастать по мере стекания воды сквозь лед, пока давление не станет достаточно высоким, чтобы либо проложить путь сквозь лед, либо поднять лед над ним, либо через каналы вверх в ледниковый лед (называемые каналами Ротлисбергера), в конечном итоге выходя на ледниковый край. На самом простом уровне туннельная долина может рассматриваться как версия этих явлений в большем масштабе. Туннельные долины или туннельные каналы образуются потоками талой воды под ледниковым льдом. Туннельные долины часто засыпаны или частично засыпаны накоплением осадка в периоды продвижения и отступления льда. Хотя это привлекательно, поскольку масштабирует образование каналов Най, наблюдаемое в отложениях, слабость теории стационарного состояния заключается в том, что она требует, чтобы туннельные долины вымывались в рыхлых отложениях, в которых талая вода первоначально пробивается через изначально узкий подледниковый канал. С прогрессивной эрозией отложений талой водой лед деформируется под собственным весом в полость, создавая все более крупную туннельную долину. Однако теория стационарного состояния, по-видимому, не учитывает эрозию в скальное основание, которая была широко зафиксирована. По мере накопления воды дополнительный лед поднимается, пока не образуется путь для сброса. Если нет предварительно существующего канала, вода первоначально высвобождается в виде широкого фронтального джокульхлапа, который может иметь фронт потока шириной в десятки километров, расходясь тонким фронтом. По мере продолжения потока он имеет тенденцию разрушать лежащие в основе материалы и налегающий лед, создавая канал, даже когда сниженное давление позволяет большей части ледникового льда осесть обратно на основную поверхность, перекрывая широкий фронтальный сброс и направляя поток. Направление канала определяется в первую очередь толщиной налегающего льда и, во вторую очередь, градиентом земной поверхности, и может наблюдаться «движение вверх по склону», поскольку давление льда заставляет воду в области меньшей ледяной покровности, пока она не выйдет на ледниковый фронт. Таким образом, конфигурация различных туннельных долин, сформированных в результате конкретного оледенения, обеспечивает общее картирование толщины ледника во время образования туннельных долин, особенно если первоначальный рельеф поверхности под ледником был ограничен. Обломки, найденные в туннелях и у устья туннелей, как правило, представляют собой крупный камень и валуны – это свидетельствует о высоких скоростях потока и чрезвычайно эрозионной среде. Эта эрозионная среда согласуется с созданием туннелей глубоких и широких, как это наблюдалось в Антарктиде. Туннельные долины могут оставаться открытыми, частично заполненными или заполненными в зависимости от отступления ледника. Заполненная конфигурация важна, поскольку заполненные туннельные долины становятся отличными резервуарами для воды (водоносными горизонтами) или нефти. Это происходит потому, что относительно крупнозернистые песчаники расположены на дне долины и по краям долины, поскольку более крупные осадочные отложения легче оседают и накапливаются преимущественно в текущей воде, характерной для стадий заполнения туннельной долины.

Subglacial meltwater flow is common to all theories; hence a key to understanding channel formation is an understanding of subglacial meltwater flow. Meltwater may be produced on the glacier surface (supraglacially), below the glacier (basally) or both. Meltwater may flow either supraglacially or basally as well; the signatures of supraglacial and basal water flow differ with the passage zone. Supraglacial flow is similar to stream flow in all surface environments – water flows from higher areas to lower areas under the influence of gravity. Basal flow exhibits significant differences. In basal flow the water, either produced by melting at the base or drawn downward from the surface by gravity, collects at the base of the glacier in ponds and lakes in a pocket overlain by hundreds of meters of ice. If there is no surface drainage path, water from surface melting will flow downward and collect in crevices in the ice, while water from basal melting will collect under the glacier; either source will form a subglacial lake. The hydraulic head of the water collected in a basal lake will increase as water drains through the ice until the pressure grows high enough to either develop a path through the ice or to float the ice above it.) or through channels upward into the glacial ice (called Rothlisberger channels), eventually flowing out at the ice margin. On the simplest level, the tunnel valley can be considered a larger scale version of these phenomena. Tunnel valleys or tunnel channels are produced by meltwater flows beneath glacial ice. Tunnel valleys are often buried or partially buried by sediment accumulation during periods of ice advance and retreat. Although attractive since it scales up the Nye channel formation which has been observed in sediments, a weakness of the steady state theory is that it requires that tunnel valleys be excavated in unconsolidated sediment, in which meltwater is initially forced through an initially narrow subglacial conduit. With progressive sediment erosion by the meltwater, ice deforms under its own weight into the cavity to creating an ever larger tunnel valley. However the steady state theory appears not to account for erosion into bedrock, which has been extensively observed. As water collects, additional ice is lifted until a release path is created. If no preexisting channel is present, the water is initially released in a broad front jökulhlaup which can have a flow front that is tens of kilometers wide, spreading out in a thin front. As the flow continues, it tends to erode the underlying materials and the overlying ice, creating a channel even as the reduced pressure allows most of the glacial ice to settle back to the underlying surface, sealing off the broad front release and channelizing the flow. The direction of the channel is defined primarily by the overlying ice thickness and secondarily by the gradient of the underlying earth, and may be observed to “run uphill” as the pressure of the ice forces the water to areas of lower ice coverage until it emerges at a glacial face. Hence the configuration of the various tunnel valleys formed by a specific glaciation provide a general mapping of the glacier thickness when the tunnel valleys were formed, particularly if the original surface relief under the glacier was limited. The debris found in tunnels and at the mouth of tunnels tends to be coarse rocks and boulders – this is indicative of high flow velocities and an extremely erosive environment. This erosive environment is consistent with creation of tunnels over deep and wide, as have been observed in the Antarctic. Tunnel valleys may remain open, partially filled or filled, as a function of the glacial recession. The filled configuration is significant because filled tunnel valleys become excellent reservoirs for either water (aquifer) or for oil. This results since relatively coarse grained sandstones are located on the valley floors and valley margins and valley floor because the coarser grained sediments settle out more easily and accumulate preferentially in the flowing water common to the tunnel valley fill stages.

Географическое распространение

На каждом континенте обнаружены туннельные долины, образованные ледниками.

Африка

Туннельные долины, связанные с поздним ордовикским оледенением, наблюдаются в странах Северной Африки, включая Ливию. Эти крупномасштабные каналы, заполненные песчаными телами (туннельные долины), являются заметной осадочной особенностью ледниковых отложений на древнем северном крае Гондваны. Они достигают глубины и ширины. Туннельные долины врезаются в коренную породу и могут прослеживаться на протяжении. В одном из примеров, в Мавритании, в Западной Сахаре, поздние ордовикские силикакластические ледниковые образования 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 несколько сотен метров. Реконструкции показывают, что эти структуры располагались в приледниковых областях; поперечные сечения долин сопоставимы с теми, которые подтверждено образовались в результате ледниковой активности, долины заканчиваются аллювиальными веерами, аналогичными тем, что характерны для туннельных долин, а их заполнение является послеледниковым, типичным для туннельных долин. В южной Африке система туннельных долин пермокарбонового возраста была обнаружена в северной провинции Кейп, Южная Африка.

Антарктида

В настоящее время под антарктическим льдом наблюдается активное формирование туннельных долин.

Европа

Туннельные долины и связанные с ними ледниковые воздействия были выявлены в России, Беларуси, Украине, Польше, Германии, Северной Франции, Нидерландах, Бельгии, Великобритании, Финляндии, Швеции, Дании и Норвегии. Они были детально изучены в Дании, северной Германии и северной Польше, где мощный ледниковый покров Вейхселя и более ранних оледенений, стекая с гор Скандинавии, начал подниматься по североевропейскому склону, обусловленный высотой зоны аккумуляции льда в Скандинавии. Их расположение указывает направление движения льда во время их формирования. Они широко распространены в Соединенном Королевстве, в частности, в графстве Чешир. Они также встречаются под Северным морем. Примеры озер, образовавшихся в туннельных долинах, включают озеро Руппинер-Зе (Ruppiner See, расположенное в районе Остпригниц-Руппин, Бранденбург), Вербеллинзее и Швиелохзее – все в Германии.

Северная Америка

Озеро Оканаган — большое, глубокое озеро, вытянутое в долине Оканаган в Британской Колумбии, образовавшееся в туннельной долине, сформированной оканаганским ледником Кордилерского ледникового щита. Озеро имеет длину, ширину от и площадь поверхности . В Северном Айдахо и Монтане имеются свидетельства образования туннельных долин под пёрселльским и флэтхедским ледниками Кордилерского ледникового щита. Туннельные долины в юго-восточной Альберте образуют взаимосвязанную, анабрахирующую сеть, включающую реки Сейдж-Крик, Лост-Ривер и Милк-Ривер, и в основном дренируются в юго-восточном направлении. [[Файл:Lake Superior bathymetry map, deepest point, trenches 2. png|thumb|Карта батиметрии озера Верхнее, самая глубокая точка, траншеи 2.png]] Примеры туннельных долин в Миннесоте включают водопад Ривер-Уоррен и несколько долин, расположенных глубоко под моренным отложением ледников, которые их создали, но которые можно проследить во многих местах по цепи озер в Миннеаполисе, а также по озерам и сухим долинам в Сент-Поле. Озера Каварта в Онтарио сформировались в позднем висконсинском ледниковом периоде. Талая вода с Ниагарского уступа протекала через туннельные долины под ледником, расширяясь и образуя проход с запада на восток между основным ледниковым щитом Лорентида и массой льда в бассейне озера Онтарио. Каньон Седар-Крик — это туннельная долина, расположенная в округе Аллен, штат Индиана. Это очень прямой, узкий каньон глубиной около , содержащий часть нижнего участка реки Седар-Крик, крупнейшего притока реки Сент-Джозеф. В Лаврентийском канале у восточного побережья Канады было обнаружено множество туннельных долин, образовавшихся из затопленной долины реки Святого Лаврентия, которая также имеет ледниковое происхождение. Сейсмические профили заполнения туннельных долин указывают на их различный возраст, при этом самые молодые датируются периодом, непосредственно последовавшим за поздним ледниковым максимумом. Они образовались в результате эрозии подледниковыми водами, пересекающими восточный шельф Новой Шотландии. Они берут начало в Лаврентийском канале к югу от пролива Кабо. Кроме того, сейсмические профили показывают глубоко погребенные постмиоценовые каналы, некоторые из которых находятся ниже современного уровня моря, пересекающие восточную часть внешнего Лаврентийского канала, которые также предварительно идентифицированы как туннельные долины. Сейсмические профили также отобразили крупные туннельные долины на банках Банкере и Сейбл-Айленд.

Okanagan Lake is a large, deep ribbon lake in the Okanagan Valley of British Columbia which formed in a tunnel valley from the Okanogan lobe of the Cordilleran Ice Sheet. The lake is long, between wide, and has a surface area of Northern Idaho and Montana show evidence of tunnel valley formation under the Purcell lobe and the Flathead Lobe of the Cordilleran Ice Sheet. Tunnel valleys in southeast Alberta form an interconnected, anabranching network comprising Sage Creek, the Lost River and the Milk River and generally drain southeast. [[File:Lake Superior bathymetry map, deepest point, trenches 2. png|thumb|Eastern part of Lake Superior bathymetric map. Examples of bedrock tunnel valleys in Minnesota include River Warren Falls and several valleys which lie deep beneath till deposited by the glaciers which created them, but can be traced in many places by the Chain of Lakes in Minneapolis and lakes and dry valleys in St. Paul. The Kawartha lakes of Ontario formed in the Late Wisconsinan glacial period. Ice melt from the Niagara Escarpment flowed through tunnel valleys beneath the ice expanded to form a west to east passage between the main Laurentide Ice Sheet and a mass of ice in the Lake Ontario basin. Cedar Creek Canyon is a tunnel valley located in Allen County, Indiana. It is a very straight, narrow gorge about deep that contains part of the lower segment of Cedar Creek, the largest tributary of the St. Joseph River. In the Laurentian Channel offshore eastern Canada, numerous tunnel valleys have been identified originating from the submerged valley of the St. Lawrence River, which is also of glacial origin. Seismic reflection profiles of the fill of tunnel valleys suggest that they are of various ages, with the youngest dating from shortly after the Late Glacial Maximum. They result from erosion by sub glacial water crossing the eastern Scotian Shelf off Nova Scotia. They originate from the Laurentian Channel south of the Cabot Strait. Additionally, seismic profiles show deeply buried post Miocene channels, some of which lie below modern sea level, cutting across the eastern part of the outer Laurentian Channel which have also tentatively been determined to be tunnel valleys. Seismic profiles have also mapped large tunnel valleys on Banquereau Bank and Sable Island Bank.

Южная Америка

Ледник Перито-Морено расположен в южной части Южного Патагонского ледникового поля и впадает в озеро Аргентино. Он разделяет озеро Аргентино на канал Лос-Темпанос и пролив Рико, перегораживая канал и образуя ледяную плотину. Озеро Аргентино периодически прорывается в результате мощных наводнений, при этом сток первоначально происходит через туннель, за которым следует обрушение свода и формирование открытого русла.