Капля, изменившая реку: как тектонические процессы заставили реку течь через горы

Геологи, возможно, наконец раскрыли давнюю загадку, связанную с крупнейшим притоком реки Колорадо, который, судя по всему, изначально формировался, бросая вызов гравитации и текая вверх по склону.

Река Грин-Ривер берёт начало в Вайоминге и соединяется с рекой Колорадо в Национальном парке Каньонлендс в Юте. Около 8 миллионов лет назад Грин-Ривер проложила свой путь через Уинта-Маунтинс — горный хребет высотой 4000 метров на северо-востоке Юты и северо-западе Колорадо, — вместо того чтобы обогнуть его. Но в новом исследовании учёные утверждают, что это было бы невозможно без механизма, который «опустил» горы.

«Это такой странный путь, — сказал ведущий автор исследования Адам Смит, специалист по численному моделированию из Университета Глазго в Великобритании, в интервью Live Science. — Мы знаем из датировок и других данных, что горный хребет сформировался 50 миллионов лет назад, а река течёт по этому руслу только последние 8 миллионов лет, а возможно, и всего 2 миллиона».

Грин-Ривер протекает через Каньон Лодор, где она прорезала ущелье со стенами высотой 700 метров. Ранее существовали две конкурирующие теории, пытавшиеся объяснить, почему река пошла именно этим путём, но ни одна из них не была особенно убедительной, отметил Смит.

Одна гипотеза предполагает, что река Ямпа к югу от хребта Уинта прорвалась на север через горы и создала канал для Грин-Ривер. Для этого потребовалась бы колоссальная сила, которую река Ямпа вряд ли могла произвести, поскольку она не особенно велика. «Если бы это было правдоподобно, то мы бы видели гигантские каньоны, прорезающие все горные хребты, но это не так», — сказал Смит.

Другая теория гласит, что осадочные породы накопились и временно подняли уровень Грин-Ривер так, что она перелилась через Уинтас и прорезала в них путь, но имеющиеся доказательства также не поддерживают эту версию. «Толщина отложений, которые здесь находят, не соответствует высоте Каньона Лодор», — пояснил Смит.

Вместо этого авторы нового исследования предполагают, что хребет Уинта просел до такой степени, что Грин-Ривер смогла перетечь через него. Исследователи выдвигают гипотезу, что явление, называемое «литосферной каплей», потянуло горы вниз, после чего эффект отскока заставил ландшафт снова подняться, что и привело к топографии, которую мы видим сегодня.

Литосферные капли — это области высокой плотности, которые могут формироваться непосредственно под горами, на границе земной коры и верхней части мантии — слоя планеты между корой и внешним ядром. Вес гор увеличивает давление в основании коры, формируя такие минералы, как гранат, которые тяжелее пород мантии. В конечном итоге эти минералы образуют каплю, которая отрывается от основания коры, увлекая горы вниз и уменьшая их высоту на поверхности Земли.

Когда литосферная капля наконец отрывается и погружается в мантию, она запускает эффект отскока (изостатического поднятия). Концепция этих капель относительно нова, но их следы были обнаружены в нескольких местах, включая Анды. «Они могут происходить везде, где сформировался горный хребет, и в любое время», — сказал Смит.

Характерным признаком литосферного проседания является концентрическая картина поднятия на поверхности Земли. Смит и его коллеги смоделировали геологические процессы в хребте Уинта на основе необычных профилей местных рек и обнаружили такую картину.

Исследователи также проанализировали сейсмотомографические изображения — трёхмерные карты недр Земли, созданные с помощью сейсмических волн, — из предыдущего исследования. Они обнаружили каплевидную структуру на глубине 200 километров в мантии под Уинтас, очень похожую на старую литосферную каплю, что является веским доказательством этого механизма, заявил Смит.

Затем исследователи использовали наблюдаемые глубину и размер капли, чтобы рассчитать, когда она оторвалась от основания хребта Уинта. Они выяснили, что это, вероятно, произошло от 2 до 5 миллионов лет назад, что совпадает с предсказаниями модели о времени отскока гор и соответствует оценкам того периода, когда Грин-Ривер впервые прорвалась через хребет.

Капля настолько опустила горы, что они стали «путём наименьшего сопротивления», сказал Смит. Как только Грин-Ривер начала течь через Уинтас, она продолжала углублять своё русло, создавая такие структуры, как Каньон Лодор, добавил он.

Другие эксперты, не участвовавшие в исследовании, предположили, что это объяснение может окончательно решить давнюю загадку.

Митчелл Макмиллан, исследователь-геолог из Технологического института Джорджии, заявил, что литосферное проседание является правдоподобным объяснением того, почему Грин-Ривер течёт именно так.

«Самая захватывающая сторона этого исследования — использование подсказок с поверхности Земли для понимания процессов в мантии и их влияния на горные пояса, — написал Макмиллан. — Окажется ли в конечном итоге гипотеза о «капле» верной в данном случае или нет, это исследование является ценным примером такого подхода».

Это открытие не только проливает свет на историю конкретного ландшафта, но и предлагает новый мощный инструмент для интерпретации геологической истории других регионов мира. Возможно, многие другие «аномалии» в расположении рек — например, знаменитые водопадные ущелья или неожиданные повороты крупных речных систем — могут быть объяснены аналогичными процессами глубинной тектоники, которые лишь косвенно и с большой задержкой проявляются на поверхности.

Работа Смита и его коллег подчёркивает глубокую и динамичную связь между процессами в земной коре, мантии и формированием привычного нам рельефа, демонстрируя, что даже самая могучая река может быть следствием невидимых драм, разыгрывающихся на сотни километров ниже.

В будущем сочетание численного моделирования, сейсмической томографии и полевых геоморфологических наблюдений может помочь расшифровать множество других «невозможных» ландшафтов, переписывая наши представления о том, как взаимодействуют силы, строящие и разрушающие горы.