Увидеть коренную породу сквозь деревья

Геолог Уильям Дитрих из Калифорнийского университета в Беркли был пионером в применении воздушного лидара (LIDAR) для картографирования горной местности, что позволяет «снять» растительный покров и увидеть рельеф земной поверхности. Однако этого было недостаточно, чтобы заглянуть под поверхность: определить глубину почвы, подстилающей выветрелой породы и глубоко залегающего коренного основания.

Дитрих и аспирант-геолог Даниэлла Ремпе предложили метод определения этих подповерхностных деталей без бурения. Этот подход потенциально может обеспечить более точное прогнозирование поверхностного стока, влаги, доступной растениям, оползней и их реакции на изменение климата. Методика, которая поможет улучшить климатические модели, учитывающие сегодня только почвенный слой, была опубликована на прошлой неделе в онлайн-версии журнала Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).

Основная сложность включения подземных вод в климатические модели, по словам Ремпе, заключается в определении толщины выветрелой коренной породы, которая может содержать большую часть воды на склонах холмов, особенно во время сухих калифорнийских лет. Их модель предполагает, что толщина выветрелой породы под склонами контролируется процессами снизу вверх, в отличие от текущей точки зрения, согласно которой выветривание коренной породы обусловлено водой сверху. Модель позволяет впервые просто, на основе теории дренажа грунтовых вод, прогнозировать эту толщину в различных ландшафтах.

Модель, разработанная в Калифорнийском университете, основана на многолетних исследованиях активно размываемых территорий, в основном в резервате Анджело в Береговом хребте Калифорнии и в аналогичном крутом лесистом районе около залива Кус в Орегоне. Результаты применимы к горным ландшафтам по всему миру, включая Аппалачи и Сьерра-Неваду в США.

Почва традиционно считается ключевым слоем ландшафта, но в последние годы геологи осознали, что часто более толстый слой выветрелой коренной породы под почвой играет большую роль для растений и водосбора. Корни проникают через почву в выветрелую породу, а исследования Ремпе и Дитриха показывают, что порода может удерживать воду гораздо дольше, чем почва. На участке Анджело почва может быть тоньше 60 см, а слой выветрелой породы — достигать 24 метров.

Дитрих и Ремпе предполагают, что толщина выветрелой породы определяется в первую очередь скоростью дренажа воды из твердой, но водонасыщенной коренной породы внизу. Эта вода может быть возрастом в сотни тысяч лет и движется чрезвычайно медленно. По мере тектонического поднятия породы вода дренируется с её верха, оставляя сухую породу, подверженную растрескиванию и химическому выветриванию. Однако дренаж происходит только если русла рек врезаются в породу. Для прогнозирования толщины выветрелого слоя их модели необходимы лишь скорость врезания русел и скорость дренажа коренной породы.

Это первый шаг к расчету толщины выветрелой породы в ландшафте — зоны, где существует динамика «влаги породы», которая, по мнению ученых, отсутствует в современных климатических моделях. Эта влага может использоваться деревьями и способствовать устойчивому базовому стоку в ручьях. Одно из предсказаний модели, согласующееся с наблюдениями, — утолщение слоя выветрелой породы по направлению к водораздельным хребтам.

Ученые надеются провести бурение на гребнях хребтов, чтобы измерить толщину выветрелой породы, проверить свою модель и подтвердить ключевую роль дренажа коренной породы в формировании толщины выветрелого слоя в холмистых и горных ландшафтах.