Store kampesten hjælper med at forme enorme kløfter, finder forskere

Enhver, der nyder whitewater rafting på steder som Colorado-floden, skylder en taknemmelig gæld til de enorme kampesten, der skaber den skummende bølgegang kendt som strømfald, og ny forskning ser ud til at kaste mere lys over, hvordan disse store klipper hjælper med at forme de tårnhøje kløfter omkring dem.

Charles M. Shobe og Rachel C. Glade, geologi kandidatstuderende ved University of Colorado Boulder, argumentere i en artikel, der for nylig er offentliggjort online i det prestigefyldte tidsskrift Geologi – og planlagt til udgivelse på tryk i juli 2019 – de samme stenede monolitter spiller en stor rolle i den geologiske udvikling af sådanne kløfter over store tidsrum – måske endda mere end selve kanalerne.

"Vores resultater tyder på, at den eksisterende, Kanaldrevne modeller til canyonudvikling kan være alt for simple, selv når kløfter udvikler sig under en konstant ydre påvirkning, " de skriver.

"Folk har været interesseret i flodkløfter i lang tid, hvordan de styrer landskabet og erosion, " siger Glade, hvis forskning fokuserer på kløftvæggenes geomorfologi og som afsluttede sin ph.d. sidste måned. "Men der er ikke megen forståelse for, hvordan de fungerer fysisk."

Papiret er medforfattet af parrets fakultetsrådgivere, Den fremtrædende professor i geologi Robert Anderson og professor i geologi Greg Tucker.

Shobe og Glade skabte en computermodel for at forstå det komplekse, to-vejs samspil mellem kampesten og bjergskråninger på flodbunden for at bestemme forløbet af kløftens udvikling.

Floder, der flyder gennem "bløde" geologiske formationer, har tendens til at være brede og flade, som Mississippi eller South Platte. Men floder, der flyder over "resistente klippeformationer" - dem med hård "caprock" i de øverste lag - har en tendens til at danne smalle kløfter med stejle øvre bakker. Fra et fugleperspektiv, canyon rande - klipperne markerer canyon kanten - danner en klokkeform, når canyon udvides nedstrøms.

I første omgang, erosion vil føre sediment nedstrøms, til sidst løsne store blokke, der tumler ned i floden nedenfor. I første omgang, tilstedeværelsen af ​​sådanne blokke har en tendens til at bremse erosionsprocessen, hvilket igen gør bjergskråninger mindre stejle.

"Du kan se, at jo større blokkene er, jo mere udtalt er kløftens klokkeform, "Glade siger." De store blokke bremser en kløns evne til at erodere over tid og spiller en vigtig rolle i ændringen af ​​canyonform. "

Imidlertid, Shobe og Glades model viste, at snarere end blot at bremse processen, tilstedeværelsen af ​​store kampesten i kanalen skabte en feedback-loop med stejle bjergskråninger, hvilket resulterer i en oscillerende erosionshastighed og udvikling af kløfter.

"Dette samspil mellem kanal og bakkeskråninger resulterer i meget varierende langsigtede erosionshastigheder, " de skriver.

"Forudsigelsen er, hvis iboende træk ved klippelag styrer den endelige form, så brækker stenen sig i større stykker" - generelt set, jo hårdere sten, jo større blokken er - "jo mere klokkeformet kløften ender, og jo mere uforudsigelig vil erosionsdynamikken være, " siger Shobe.

Dette forår, parret fik mulighed for at feltteste modellens forudsigelser, høflighed af et tilskud fra Geological Society of America. De rejste til det nordlige New Mexico, hvor de brugte en drone til at fotografere canyonvægge og kampesten i Rio Grande, og er nu i gang med at lave et 3-D kort over det undersøgte område.

De tester en af ​​deres hovedmodelforudsigelser:"Størrelsen af ​​kampestenene svarer til stejlheden af ​​canyonvæggene, "Glade siger." Hvis der er en bunke store kampesten, de stejlere vægge skal være. "

Modellen tillader bevægelse af blokke nedstrøms på tidspunkter med højere flow, men forskerne fandt erosionsmærker i marken, der indikerer, at kampesten har været kilet fast i lang tid.

"Mens de helt sikkert kan bevæge sig i store oversvømmelser, når de er store nok, de kan sidde der i hundreder til tusinder af år, "Siger Shobe. "Det er derfor, størrelsen af ​​kampesten er så vigtig for at forme floder."

Shobe og Glade skriver, at disse "kanal-bakkeskråninger" er betydelige nok til at opveje andre faktorer, såsom hastigheden af ​​geologisk løft, "der sætter spørgsmålstegn ved landskabernes evne til at optage tektoniske og klimatiske signaler eller til at nå en stabil tilstand i løbet af denne tid.

Bedre forståelse af, hvordan kløfter med resistente klippeformationer dannes, har implikationer ud over geologi, siger Shobe.

"Erosionen og nedbrydningen af ​​sten er tæt forbundet med klimaets cyklus og CO-balancen ₂ i jordens atmosfære. De hastigheder, hvormed sten eroderes, og sediment transporteres, er knyttet til klimacyklussen såvel som den langsigtede udvikling af biodiversitet, " han siger.

Det er ualmindeligt, at to ph.d. kandidater til at publicere banebrydende ny forskning i et prestigefyldt tidsskrift.

"Vi er rigtig glade, "Siger Shobe. "Dette samarbejde viser, at to kandidatstuderende kan finde sammen og finde på noget nyt og unikt, mens de lærer at samarbejde som videnskabsmænd i den tidlige karriere."