Ледники в горах - Серебрянный Леонид Рувимович
При очень больших напряжениях реология льда меняется — скорость деформации увеличивается. Естественно, деформация поликристаллического льда существенно отличается от деформации единичного кристалла. В целом пластическое течение льда сводится к сумме деформаций мгновенных скольжений вдоль базисных плоскостей миллиардов ледяных кристаллов. Кроме того, большое значение имеет движение самих кристаллов, сопровождающееся процессами рекристаллизации. Способность поликристаллического льда деформироваться зависит от ориентировки индивидуальных кристаллов относительно приложенного направления. Согласно структурным исследованиям кристаллы льда, как правило, ориентируются по направлению движения ледников и постепенно увеличиваются в размерах за счет менее удачно ориентированных соседей. Нарастание структурной упорядоченности кристаллов — характерный признак пластического течения льда.
Эксперименты по изучению деформаций льда показали, что в момент приложения напряжения лед мгновенно упруго деформируется на некоторую величину. Впоследствии начинается длительная деформация льда, при которой скорость практически не меняется. Заметим, что лед деформируется даже при очень низких напряжениях.
При сдвиге по базисной плоскости скорость деформации устанавливается на уровне, который пропорционален n-й степени напряжения. Сопоставляя величины сдвиговых напряжений со скоростью деформации, Дж. Глен установил, что эта степенная зависимость имеет вид ε = kτn, где ε — скорость деформации; τ — напряжение сдвига; k и n — коэффициенты. Первый из коэффициентов зависит от температуры, второй обычно равен 2,5 или 3, но может возрастать при очень больших напряжениях.
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 τb. Следовательно, τb = ρgh 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.
