Леонид Серебрянный - Ледники в горах

Чтобы объяснить характер распределения скоростей движения льда в ледниках, специалисты изучали различные идеализированные модели ледников. Обычно рассматривались прямоугольные блоки льда, лежавшие на шероховатой поверхности с углом наклона α, и вычислялись напряжения, необходимые для поддержания их механического равновесия [Патерсон, 1984]. Чаще всего в моделях лед выступает как идеально пластичное вещество. Поэтому если допустить, что плита толщиной k не скользит по поверхности, то все ее движение происходит только за счет внутренних деформаций, вызванных собственной силой тяжести. Компонента силы тяжести ρg sin α, где ρ — плотность льда, g — ускорение силы тяжести, должна уравновешиваться касательным напряжением τ b. Следовательно, τ b= ρ gh sin α.

Из этой формулы можно сделать несколько важных выводов. Во-первых, становится понятным, почему при увеличении уклонов поверхности толщина ледников уменьшается, а скорость движения льда возрастает. Во-вторых, получают объяснение данные бурения ледников об уменьшении скорости движения льда с глубиной. Действительно, если рассматривать движение льда как ламинарное (линии тока параллельны плоскости плиты), скорость льда достигает максимального значения у поверхности плиты и будет уменьшаться по направлению к ложу по параболическому закону. Кроме того, моделирование с допущением о ламинарности движения льда в ледниках показало, что касательное напряжение на ложе определяется углом наклона поверхности самого ледника. Значит, ледники вынуждены течь в направлении максимального уклона своей поверхности и способны преодолевать крупные неровности и даже двигаться «в гору», т. е. вверх по уклону ложа.

Дж. Най проанализировал более сложную модель движения ледника с учетом неровностей ложа. Он показал, что в местах, где уклон ложа уменьшается, мощность льда увеличивается, его течение становится сжимающим, скорость движения ледника уменьшается. На крутых участках устанавливается течение растяжения с высокими скоростями, а мощность льда уменьшается. Именно в этих условиях образуются трещины.

Большинство из нас знают лед только как хрупкое кристаллическое тело, поскольку мы привыкли видеть его в небольших количествах. В ледниках, где мощность льда измеряется многими десятками и сотнями метров, нижние слои льда, находящиеся под нагрузкой, приобретают пластические свойства, верхние же их части сохраняют хрупкость. В этой закономерности не раз приходилось убеждаться при прокладке туннелей сквозь ледники: нижние части туннелей через некоторое время смыкались и их приходилось периодически расширять.

В любом леднике, как и в земной коре, можно различить две зоны: нижнюю, более пластичную, и верхнюю, более жесткую, подверженную образованию разрывов и трещин. Верхний хрупкий лед, вероятно, не обладает мобильностью, а вовлекается в поступательное движение льдом более глубоких горизонтов.

На основе представлений о пластическом течении льда можно объяснить многие закономерности движения ледников. Этот процесс неоднократно моделировался на различных пластичных материалах. Известный русский геолог, профессор Петербургского университета А. А. Иностранцев еще в конце XIX в. создал такую модель ледника. Из гипса была приготовлена горка с несколькими цирками и расходящимися от них тщательно пронивелированными долинами. Наполнив цирки кусочками обычного сапожного вара, удалось обнаружить, что через несколько дней они слежались в плотную массу, которая растекалась потоками по долинам. Причем и здесь, как в настоящем леднике, осевые части двигались быстрее, чем края. Переходя к крутым участкам долин, вар двигался некоторое время с прежней скоростью и, наоборот, на пологих участках сначала сохранял повышенную скорость.

Моделирование пластического движения льда имеет важное научно-теоретическое значение, поскольку в тектонике ледников можно усмотреть определенную аналогию с процессами, происходящими в недрах Земли. Многие тектонические структуры, наблюдаемые в толщах горных пород, встречаются также в стенках трещин, туннелей и гротов на ледниках. Соответственно структурно-гляциологические исследования помогают выяснить, как образуются складки, сбросы, сдвиги и другие деформации горных пород.

Пластическое течение является единственным только в истоках ледников. Несовершенство текучести льда, отличающее его от текучести жидкостей, порождает движение нового типа — глыбовое скольжение по ложу, которое вследствие малой прочности льда переходит в скольжение серии пластин по внутренним плоскостям разрывов. Такие внутренние сколы часто образуются по контакту хрупкого и пластичного льда. На круто наклоненных ледниковых языках может произойти отслоение крупных масс хрупкого льда. Ледяные обвалы иногда сопровождаются катастрофическими выбросами льда. Во многих горно-ледниковых районах подобные бедствия не раз приводили к исчезновению подо льдом целых селений.

На участках ледников с преобладающим течением сжатия внутренние сколы ориентированы тангенциально вверх от ложа, совпадая с направлением движения ледника. На участках, где преобладает течение растяжения, сколы, наоборот, направлены к ложу противоположно направлению движения ледника.

Заметим, что впервые на этот важный тип движения указывал О. Соссюр в 1760 г. Все три механизма существуют в леднике одновременно, но относительная роль каждого из них в разных частях ледников и на разных ледниках меняется.

Многочисленные искусственные туннели, пробитые через толщу ледников в последние годы, позволили провести. непрерывные наблюдения за донным скольжением. Основная роль здесь принадлежит двум процессам. Первый — способность придонных слоев льда обтекать мелкие неровности ложа. Второй — лед, находящийся при температуре плавления, тает под влиянием избыточного давления, а образующаяся водная пленка выполняет роль смазки, обеспечивающей скольжение ледника. Сходный процесс облегчает скольжение на коньках и даже на лыжах.

В ходе донного скольжения выступы на ложе протаивают сквозь лед. После прохождения льда через эти выступы давление снижается и часть растаявшего льда снова замерзает. Этот процесс называется режеляционным льдообразованием. Он поддерживается тем, что скрытая теплота плавления частично переносится через сам выступ на сторону, обращенную вверх по течению, где и происходит дополнительное таяние. Другим механизмом, стимулирующим скольжение ледников, является усиление пластического течения около крупных выступов ложа. По современным представлениям, природа донного скольжения связана с периодическим чередованием процессов таяния—замерзания в условиях меняющегося давления. В пользу правомочности этих взглядов свидетельствует толчкообразный характер движения льда в ледниках. С позиций скольжения ледников легко объясняется процесс донного таяния льда. Скорость донного скольжения варьирует в широких пределах, составляя от 0 до 90% поверхностной скорости льда. При расчетах скорость донного скольжения принимают за 50% от точно измеренной поверхностной скорости движения льда. Отмеченный выше механизм надежно установлен лишь для умеренных и субполярных ледников. По холодным ледникам, у которых основание приморожено к ложу, конкретная информация пока отсутствует.