Леонид Серебрянный - Ледники в горах
Недостаточное знание закономерностей движения ледников часто приводило к неожиданным сюрпризам. В 1894 г. французский ученый М. Жанссан построил обсерваторию на вершине Монблана. Это было капитальное сооружение общим весом 187 т при площади основания 50 м2. М. Жанссан полагал, что фирн практически остается неподвижным, и потому не предпринял никаких специальных мер по укреплению здания. Спустя же четыре года смещения фирна оказались настолько значительными, что обсерватория сильно наклонилась, грозя обрушиться.
Скорость движения зависит от многих факторов, особенно от размеров ледников, количества осадков в области питания, рельефа ложа и др. Например, при одинаковой мощности льда скорость больше на крутых участках ложа. Правда, на очень быстро движущихся ледниках вертикальные скорости практически меняются мало, кроме узкой зоны у контакта с ложем.
Выше отмечалось, что на умеренных ледниках скорости движения льда гораздо выше, чем на холодных. Кроме того, существенны различия в скоростях движения между разными ледниками и между различными частями одного и того же ледника. Хотя фактической информации о движении ледников накоплено очень много, физическая природа этого процесса до сих пор является одной из наиболее дискуссионных и слабо разработанных проблем гляциологии.
Еще Л. Агассис и Ж. Шарпантье предполагали, что движение ледников связано с пластическим течением и скольжением. В качестве доказательств этих двух механизмов приводились результаты наблюдений как на самих ледниках, так и на недавно освободившихся от льда выступах коренных пород. Первый механизм обнаруживали в неравномерности скорости движения частиц ледника в одном и том же разрезе. На существование второго механизма указывали многочисленные штрихи, борозды и шрамы на породах, слагающих ледниковое ложе, а также результаты замеров движения льда у бортов ледника.
Хотя ледники сильно растрескиваются, преодолевая крупные неровности ложа, все же многочисленные потоки льда, спускающиеся вниз по долинам, повторяют их изгибы. Следовательно, лед, будучи твердым веществом, обладает способностью деформироваться.
Когда лед находится при температуре плавления, он достаточно рыхлый и кристаллы легко деформируются, особенно вдоль базисных плоскостей. Основным механизмом движения ледников является пластическое течение (на что обращал внимание еще французский ученый А. Бордье в 1773 г.), создаваемое весом самого льда. По реологическим свойствам лед не похож ни на вязкую жидкость, ни на хрупкий материал. Скорость деформации льда при определенной нагрузке сначала нарастает, а затем стабилизируется.
Выяснилось также, что лед не обладает постоянной вязкостью, а представляет собой лишь частично пластичное вещество, которое деформируется даже при медленном сползании под нагрузкой. Подобная пластичность льда хорошо заметна благодаря тому, что лед быстро приспосабливается к форме подстилающей поверхности. Это четко показали многочисленные наблюдения в туннелях. Впервые Дж. Мак-Колл для небольшого карового ледника Весле-Скаутбреен в Норвегии установил, что в базальных слоях отражается характер поверхности ригеля: приобретенные борозды прослеживаются на 50 м. При этом скорость движения достигает 3 м/год. Следовательно, борозды сохраняются в течение 15 лет. X. Карол изучал пластические деформации льда в гроте под ледником Обер-Гриндельвальд на глубине 50 м. Лед, прижатый к выступу ложа, двигался быстрее, и его связность ослаблялась. В. Тикстоун описал аналогичные пластичные нарушения под ледником Эстердальсисен в Северной Норвегии.
Чтобы разобраться в природе пластического течения, гляциологи проводят лабораторные исследования кристаллической структуры льда. Опыт Дж. Глена в поляризованном свете показал, что деформации кристаллов ледникового льда такие же, как у мягкой стали, нагретой до температуры 600° С. Не вдаваясь в подробное рассмотрение структуры льда, отметим, что она в целом напоминает структуру металла гексагональной сингонии. Плоскость слоя гексагональных колец называется базисной плоскостью кристалла. Выяснилось, что течение в кристаллах льда происходит вдоль плоскостей, параллельных основанию гексагонального кристалла льда. Такой вид деформаций, по мнению американского ученого Р. Флинта, легко воспроизвести, подснимая колоду карт. В данном случае плоскость скольжения карт будет аналогична базисной плоскости кристалла.
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.
