«Геологическая история Йеллоустонского национального парка»

Формирование Йеллоустонской кальдеры

Мы подошли к тому моменту в геологической истории — началу четвертичного периода от 2 до 3 миллионов лет назад, — когда были созданы условия для запуска тех важнейших событий, которые завершились образованием Йеллоустонской кальдеры площадью 1000 квадратных миль и, в конечном итоге, привели к возникновению всемирно известных явлений горячих источников и гейзеров. Речь идет о некоторых из крупнейших взрывов на Земле, которым нет явных аналогов в записанной истории человечества. Однако в историческое время происходили несколько чрезвычайно взрывных извержений, таких как то, что случилось на необитаемом острове Кракатау между Явой и Суматрой в Ост-Индии во второй половине августа 1883 года. В течение нескольких дней этот остров сотрясала серия мощных взрывов. Затем, 27 августа, его разорвал взрыв, который был слышен даже в Австралии, на расстоянии около 3000 миль. Пылевые облака высотой 50 миль разносились ветром по всему земному шару, создавая красочные восходы и закаты во всех частях света в течение нескольких лет. Когда воздух вокруг Кракатау наконец очистился, выяснилось, что две трети острова, около 12 квадратных миль, обрушились и исчезли в море. Хотя извержение Кракатау привело к образованию кальдеры, которая составляет лишь малую часть размера кальдеры в Йеллоустоне, оно дает нам представление, помогающее понять то, что было обнаружено о великом вулканическом катаклизме в Йеллоустонском национальном парке, который был кратко описан в начале этого отчета.

КОНТУР ЙЕЛЛОУСТОНСКОЙ КАЛЬДЕРЫ, образованной в результате колоссального вулканического извержения 600 000 лет назад. Две овальные области — это резургентные купола, которые выгнули дно кальдеры над двойными магматическими камерами после извержения. Края резургентных куполов окружены зонами кольцевых разломов, которые простираются наружу к краю кальдеры. Многочисленные разломы в этих зонах обеспечили пути выхода, через которые лавы плато риолитов просачивались на поверхность и изливались по дну кальдеры. Сегодня эти зоны также обеспечивают подземные каналы для циркуляции горячей воды в Йеллоустонской термальной системе. Область, очерченная пунктирной линией, показывает меньшую и более молодую внутреннюю кальдеру, которую сейчас занимает залив Уэст-Тамб Йеллоустонского озера. (На основе информации, предоставленной Р. Л. Кристиансеном и Г. Р. Бланком-младшим; существование кальдеры в Йеллоустонском национальном парке было впервые признано Ф. Р. Бойдом в конце 1950-х годов.) (Рис. 22)

ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ КАРТА ЙЕЛЛОУСТОНСКОГО НАЦИОНАЛЬНОГО ПАРКА (ТАБЛИЦА 1)

Обобщено на основе детального картирования Р. Л. Кристиансена и Г. Р. Бланка-младшего (четвертичные вулканические породы); Г. У. Смидса и Г. Дж. Простки (вулканические породы Абсарока); Э. Т. Руппеля (осадочные и метаморфические породы, северная часть парка); и Дж. Д. Лава и У. Р. Кифера (осадочные породы, южная часть парка). Версия высокого разрешения

ПОЯСНЕНИЯ

CENOZOIC QUATERNARY Stream sand and gravel, glacial and landslide debris, hot-spring deposits, and lake beds Basalt flows Plateau Rhyolite Yellowstone Tuff and related lava flows TERTIARY Absaroka volcanic rocks Intrusive igneous rocks Tertiary formations Mesozoic formations Paleozoic formations Precambrian gneiss and schist Contact FAULT AND FOLD SYMBOLS Dotted where concealed beneath younger unfaulted rocks Reverse fault Sawteeth on side that moved up Normal fault Symbol on side that moved down Reverse fault, along which there was later normal-fault movement Anticlinal axis B B′ Line of cross section shown in figure 14 (D-D’ is figure 26)

Ближе к началу четвертичного периода глубоко внутри Земли под Йеллоустоном вновь накопилось огромное количество расплавленной породы. В этот раз, в отличие от вулканизма Абсарока, магма была насыщена высоко взрывоопасными материалами, что в конечном итоге вызвало два извержения, образовавших кальдеры: одно 2 000 000 лет назад, а другое 600 000 лет назад. Поскольку оба извержения затронули центральную часть парка, особенности, связанные с более древним извержением, были в значительной степени уничтожены активностью, связанной с более молодым. Таким образом, контур вулканической кальдеры, который мы видим сегодня в ландшафте Йеллоустона, — это в основном тот, который сформировался 600 000 лет назад (рис. 22). Последовательность событий, описанная на следующих страницах и проиллюстрированная схематически на рисунке 23, основана на исследованиях этого более позднего извержения; модель извержения 2 000 000-летней давности, вероятно, была аналогичной.

Извержение

Гигантский резервуар расплавленной породы, накопившийся под территорией парка, питал две крупные магматические камеры, которые поднялись на расстояние нескольких тысяч футов от поверхности. По мере роста давления вышележащая земля выгибалась, растягивалась и трескалась (рис. 23A). Небольшие количества лавы начали вытекать через трещины в некоторых местах, но в конечном итоге, в результате мощного всплеска быстрых, яростно взрывных извержений, сначала из одной камеры, а затем из другой, из недр Земли извергались горы горячей пемзы, пепла и обломков пород (рис. 23B). Плотные, клубящиеся массы изверженного материала распространялись по сельской местности в виде чрезвычайно быстро движущихся потоков пепла, увлекаемых горячими расширяющимися газами, заключенными внутри них. Большие количества пепла и пыли также выбрасывались высоко в воздух и рассеивались ветром. Тонкие слои переносимого по воздуху вулканического пепла из Йеллоустона сейчас обнаруживаются на большей части территории центральных и западных штатов США.

Потоки пепла (рис. 23B), проносясь по Йеллоустонской местности, сначала заполнили старые каньоны и долины, которые были вырезаны эрозией в вулканической толще Абсарока и более древних породах в плиоцене. В конечном итоге большая часть этого древнего ландшафта была погребена под пеплом. Однако некоторые из более крупных возвышенностей, такие как гора Уошберн и прилегающие хребты, а также пик Бансен, возвышались над уровнем проносящихся потоков пепла; поэтому обломки обтекали их, а не перекрывали (рис. 21). Наконец, остановившись, горячая пемза, пепел и частицы породы осели в виде обширных горизонтальных пластов (рис. 24). При остывании и кристаллизации частицы сваривались вместе, образуя серию компактных пород с составом риолита (рис. 15 и 25). Термин «туф потоков пепла» (также термин «сваренный туф») обычно используется для описания этих пород, которые сейчас составляют Йеллоустонский туф (рис. 5).

Обрушение

С внезапным удалением сотен кубических миль расплавленной породы из-под земли кровли двойных магматических камер обрушились. Огромные блоки породы упали внутрь над каждой из камер, и на земной поверхности в центральном Йеллоустоне образовался большой кратер, или кальдера (рис. 23C). Точная глубина, на которую обрушилась первоначальная поверхность, неизвестна, но она должна была составлять несколько тысяч футов. Оседание происходило главным образом вдоль крупных вертикальных или нормальных сбросов в зонах кольцевых разломов над краями магматических камер (рис. 22). Обильные, хотя и менее обширные, сбросы также сформировались за пределами собственно кальдеры, поскольку окружающие территории адаптировались к ошеломляющему воздействию взрывных извержений и последующего обрушения.

Поскольку Йеллоустонская кальдера сейчас частично погребена под мощными лавовыми потоками, вид кальдеры сегодня далеко не так впечатляющ, как он, должно быть, был сразу после ее формирования. Однако многие важные особенности особенно хорошо обнажены в окрестностях Каньон-Виллидж (рис. 26). Крутой южный склон близлежащего хребта Уошберн (рис. 4) отмечает северный край кальдеры, и сам хребет возвышается высоко, потому что он не был вовлечен в обрушение. Каньон-Виллидж, с другой стороны, находится на гораздо меньшей высоте внутри самой кальдеры. Площадки для отдыха на дороге чуть южнее перевала Данрейвен обеспечивают особенно прекрасные виды на северную часть кальдеры, а в ясный день можно увидеть гору Флэт и Красные горы, которые отмечают южный край кальдеры к югу от Йеллоустонского озера, на расстоянии 50 миль. Как и следовало ожидать, большая котловина, занятая Йеллоустонским озером, обязана своим существованием отчасти обрушению кальдеры. Южный край кальдеры пересекает центрально-южную часть озера вдоль рукава Флэт-Маунтин и северной оконечности Промонтори; восточный край примерно совпадает с восточным краем озера к северу от рукава Саут-Ист (рис. 27). Также заметные утесы к северу от реки Мэдисон возле Мэдисон-Джанкшен отмечают часть северного края кальдеры.

РАЗВИТИЕ КАЛЬДЕРЫ. Схематические диаграммы, показывающие идеализированные стадии развития Йеллоустонской кальдеры 600 000 лет назад. Масштабы, показанные на диаграмме A, примерно соответствуют размеру объектов в Йеллоустоне. Хотя на диаграммах изображена только одна магматическая камера, в Йеллоустонском извержении участвовали две камеры. (На основе информации, предоставленной Р. Л. Кристиансеном и Г. Р. Бланком-младшим.) (Рис. 23)

A, Крупная магматическая камера сформировалась глубоко внутри Земли, и расплавленная порода начала медленно прокладывать путь к поверхности. По мере продвижения вверх она выгибала вышележащие породы в широкий купол. Выгибание привело к образованию серии концентрических разломов, или зоны кольцевых разломов, вокруг вершины купола. Разломы простирались вниз к верхней части магматической камеры.

B, Кольцевые разломы в конечном итоге вскрыли магматическую камеру, верхняя часть которой содержала высокую долю растворенных газов. С внезапным сбросом давления колоссальные количества горячих газов и расплавленной породы были извергнуты почти мгновенно. Жидкость затвердевала в пемзу, пепел и пыль по мере выброса. Часть пыли и пепла была выброшена высоко в воздух и подхвачена ветром, но большая часть обломков перемещалась наружу по ландшафту в виде обширных потоков пепла, очень быстро покрывая тысячи квадратных миль.

C, Область, перекрывающая выброшенную часть магматической камеры, обрушилась, образовав гигантскую кальдеру. Обрушение происходило в основном вдоль сбросов, которые развились из разломов в зоне кольцевых разломов. Глубина обрушения, вероятно, составляла несколько тысяч футов.

D, Возобновившийся подъем расплавленной породы выгнул дно кальдеры над магматической камерой. Серия потоков риолитовой лавы излилась через разломы в окружающей зоне кольцевых разломов и распространилась по дну кальдеры.

ПЕРВОНАЧАЛЬНОЕ РАСПРОСТРАНЕНИЕ ЙЕЛЛОУСТОНСКОГО ТУФА (туфа потоков пепла), который покрывал большую часть Йеллоустонского национального парка около 600 000 лет назад. Туф был извергнут взрывным путем из зон кольцевых разломов Йеллоустонской кальдеры. Контур кальдеры показан пунктирной линией. (На основе информации, предоставленной Р. Л. Кристиансеном и Г. Р. Бланком-младшим.) (Рис. 24)

ЙЕЛЛОУСТОНСКИЙ ТУФ У ГОЛДЕН-ГЕЙТ. Породы состоят из слоистого туфа потоков пепла; высота утеса составляет около 200 футов. (Рис. 25)

На врезке B показаны типичные характеристики туфа в большинстве областей обнажений. Из светлых материалов более крупные массы представляют собой сжатые фрагменты пемзы, а более мелкие — пемзу, полевой шпат и кварц. Темные зерна — это главным образом магнетит и пироксен. Врезка A представляет собой крупнозернистый образец из Тафф-Клифф. Крупные фрагменты — это в основном кристаллизованная пемза, а светлая матрица состоит из очень мелких частиц вулканического пепла и пыли.

ГЕОЛОГИЧЕСКИЙ РАЗРЕЗ, показывающий обобщенные взаимоотношения вдоль северного края Йеллоустонской кальдеры в районе горы Уошберн — Каньон (линия разреза обозначена D-D′ на табл. 1). Кальдера осела вдоль сбросов в зоне кольцевых разломов, и плато риолитов (лавовые потоки) излились по дну кальдеры между 600 000 и 500 000 лет назад. Разломы пересекают центральное интрузивное магматическое ядро 50-миллионнолетнего (эоценового) вулкана Уошберн; северная половина вулкана сохранилась, но южная половина осела как часть кальдеры и сейчас погребена под лавовыми потоками. (На основе информации, предоставленной Г. Дж. Просткой и Р. Л. Кристиансеном.) (Рис. 26)

Grand Canyon Plateau Rhyolite (lava flows) Edge of caldera Intrusive igneous rocks of Washburn volcano Mount Washburn Absaroka volcanic breccias Излияние лавы

Последнее мощное извержение 600 000 лет назад, хотя и высвободило большую часть взрывной энергии газов, содержащихся в магме, не подавило всю потенциальную вулканическую активность в двойных камерах. Расплавленная порода снова поднялась в обеих, и через несколько сотен или тысяч лет вышележащее дно кальдеры выгнулось над двумя камерами. Один из этих заметных куполов находится возле Старого Служаки, а другой — к востоку от долины Хейдена (рис. 22 и 23D). Вскоре магма также нашла путь вверх через широкие зоны кольцевых разломов, окружающие кальдеру. Изливаясь довольно спокойно из многих отверстий (рис. 23D), лавы затопили дно кальдеры и начали заполнять все еще дымящуюся яму. Первые лавы появились вскоре после обрушения 600 000 лет назад, а последние — всего 60 000–75 000 лет назад. Потоки были ограничены главным образом собственно кальдерой, но местами они переливались через край, особенно в юго-западной части парка (рис. 28). Некоторые потоки также извергались вдоль разломов за пределами кальдеры, причем наиболее заметным потоком является очень знаменитый поток у Обсидиан-Клифф (рис. 29).

ЙЕЛЛОУСТОНСКОЕ ОЗЕРО. Вид на юго-восток через Йеллоустонское озеро в сторону западных предгорий и гребня хребта Абсарока. Хребет Абсарока является эрозионным остатком обширной толщи вулканических лав и брекчий (вулканические породы Абсарока), которые когда-то покрывали весь Йеллоустон; озеро занимает часть Йеллоустонской кальдеры. (Рис. 27)

Основным типом породы в лавовых потоках является риолит, сходный по составу со сваренными туфами, извергнутыми ранее, но отличающийся по другим важным характеристикам. Порода, например, демонстрирует сильную изогнутую слоистость как свидетельство того, что она текла как густая жидкость по земле (рис. 30). Грубая брекчированная текстура также является общей чертой, хорошо заметной в лавах вдоль дороги Файрхоул-Каньон (рис. 31). Местами некоторые части потоков остывали так быстро, что образовывалось мало кристаллов, и лава затвердевала главным образом в природное стекло (рис. 32).

РАДАРНОЕ ИЗОБРАЖЕНИЕ части юго-западного Йеллоустонского национального парка. Лопастные формы рельефа — это края лавового потока плато риолитов, который формирует плато Питчстоун (рис. 1). Низкие концентрические гребни, параллельные переднему краю потока, представляют собой гребни давления, образованные сморщиванием почти затвердевшей корки лавы вдоль края потока. (Изображение предоставлено Национальным управлением по аэронавтике и исследованию космического пространства.) (Рис. 28)

ОБСИДИАН-КЛИФФ, знаменитая «стеклянная гора» Джима Бриджера. Порода представляет собой риолитовую лаву, которая содержит высокую долю обсидиана, разновидности черного вулканического стекла. Обратите внимание на столбчатую отдельность вдоль сторон утеса, подобную той, что демонстрируют базальтовые потоки у Тауэра (рис. 33). Утес имеет высоту примерно 200 футов. (Рис. 29)

МОЩНЫЙ РИОЛИТОВЫЙ ЛАВОВЫЙ ПОТОК вдоль западного берега реки Файрхоул. (Рис. 30)

На врезке показана поверхность среза риолита, демонстрирующая поразительную полосчатость, которая возникает в результате течения вязкой расплавленной породы. Темные полосы — это главным образом концентрации вулканического стекла (а также некоторые пустоты), а светлые полосы — концентрации крошечных кристаллов полевого шпата и кварца.

БРЕКЧИРОВАННЫЕ РИОЛИТОВЫЕ ЛАВОВЫЕ ПОТОКИ вдоль дороги Файрхоул-Каньон. По мере того как лавовый поток движется наружу от центра извержения, вдоль его верхней поверхности и внешних краев из-за более низких температур в этих частях потока развивается охлажденная корка. Продолжающееся движение все еще расплавленной породы внутри потока заставляет эту корку разрушаться (брекчироваться) на угловатые блоки. Затем блоки перекатываются, пока вся масса окончательно не затвердеет. (Рис. 31)

ОБНАЖЕНИЕ СТЕКЛОВАТОЙ РИОЛИТОВОЙ ЛАВЫ вдоль дороги между Каньон-Виллидж и Норрис-Джанкшен. Заметные линии на поверхности породы очерчивают различные слои, образованные течением лавы. Кристаллы полевого шпата ориентированы параллельно направлению потока. (Рис. 32)

На врезке A темные части породы — это вулканическое стекло (врезка B показывает стекловатый излом), а светлые кристаллы — кварц (блочный) и полевой шпат (таблитчатый).

Врезка B.

Было выделено около 30 различных потоков. Объединенные в крупную единицу породы под названием «плато риолитов» (рис. 5), они покрывают более 1000 квадратных миль. Полого-холмистая поверхность плато центрального Йеллоустона, местами нарушенная скоплениями низких холмов и гряд, по сути, является ландшафтом, который характеризовал верхние поверхности лавовых потоков вскоре после того, как они остыли и затвердели. Между некоторыми соседними потоками сформировались естественные долины, и местами реки до сих пор следуют по этим готовым каналам. Риолит, как в лавовых потоках, так и в туфах потоков пепла, является безусловно преобладающим типом породы, видимым вдоль дорог парка.

Вместе с более распространенными риолитовыми потоками извергалось несколько базальтовых потоков, и в окрестностях Тауэр-Фолс они образуют одни из самых необычных единиц породы во всей территории парка (рис. 33). По мере остывания потоков трещины сокращения разбили базальт на серию вертикальных многогранных столбов; издалека они выглядят как сплошной ряд столбов ограды. Сейчас они покрыты более молодыми породами, но если бы можно было увидеть верхнюю плоскую поверхность базальтовых слоев, где торчат только концы столбов, узор был бы похож на тот, что виден в пчелиных сотах.

Во время извержений плато риолитов в центральном Йеллоустонском регионе произошло по крайней мере одно относительно небольшое событие, приведшее к образованию кальдеры. Эта «внутренняя» кальдера развилась где-то между 125 000 и 200 000 лет назад, образовав глубокую депрессию, ныне заполненную заливом Уэст-Тамб Йеллоустонского озера (рис. 22). Подобно главной Йеллоустонской кальдере, но в гораздо меньшем масштабе, она сформировалась как прямой результат взрывного извержения риолитовых потоков пепла и последующего обрушения овальной области шириной примерно 4 мили и длиной 6 миль. Уэст-Тамб почти такого же размера, как озеро Крейтер в Орегоне, которое занимает одну из самых известных кальдер в мире.

С излиянием последних лавовых потоков 60 000–75 000 лет назад силы четвертичного вулканизма окончательно утихли. Однако активность горячих источников и пара все еще остается ярким напоминанием о вулканическом прошлом Йеллоустона. Но кто может сказать даже сейчас, что мы являемся свидетелями финальной стадии вулканизма? Когда-нибудь, вполне возможно, может произойти еще один выброс расплавленной породы — только время, конечно, покажет.

ДВА УСТУПА БАЗАЛЬТА, эффектно обнаженные в восточной стене Гранд-Каньона Йеллоустона в месте под названием The Narrows возле Тауэр-Фолс. Светлые породы между базальтовыми потоками — это древний речной гравий, отложенный около 1,5 миллиона лет назад, когда русло реки Йеллоустон находилось восточнее и не было таким глубоким, как сегодня. Холм покрыт озерными отложениями, песком и гравием, отложенными, когда река Йеллоустон была перегорожена ледниковой плотиной ниже по течению (слева). Коричневые породы в основании утеса — это андезитовые брекчии Абсарока. (Рис. 33)

Выраженная столбчатая отдельность базальта видна с близкого расстояния у края дороги на противоположной (западной) стороне каньона. На врезке показан плотный характер черного базальта, который состоит из микроскопических кристаллов полевого шпата, пироксена, оливина и магнетита.

Финальное формирование ландшафта

Многочисленные эпизоды горообразования и вулканизма оставили свои неизгладимые и безошибочные следы на облике Йеллоустонской страны. Во второй половине третичного периода эрозия также начала оставлять свои глубокие следы. Но только в последние 100 000 лет или около того мощные внешние силы Земли — главным образом проточная вода и движущийся лед — получили практически полную свободу в формировании ландшафта парка. Тем не менее, за этот короткий промежуток времени они произвели глубокие изменения.

Оледенение

Гигантский валун докембрийского гнейса лежит среди деревьев рядом с дорогой, ведущей к Инспирейшн-Пойнт на северном краю Гранд-Каньона Йеллоустона (рис. 34). Этот валун размером примерно 24×20×18 футов и весом не менее 500 тонн представляет значительный интерес не столько из-за своего огромного размера, сколько из-за того, что он совершенно не на своем месте в нынешнем окружении. Валун покоится на риолитовых лавовых потоках четвертичного возраста, по крайней мере в 15 милях от ближайших обнажений древнего гнейса на севере и северо-востоке. Очевидно, что этот, казалось бы, неподвижный кусок породы был сдвинут или перенесен на большое расстояние каким-то очень мощным транспортирующим агентом, прежде чем был окончательно брошен. Естественная сила такой величины могла быть приложена только движущимся льдом; на самом деле, не требуется никаких других доказательств, кроме этого одного валуна, чтобы мы могли вне всяких сомнений заключить, что ледники когда-то существовали в Йеллоустоне. Существует, безусловно, много дополнительных доказательств того, что регион парка был широко оледенен. Отложения не на своем месте лежащих валунов (ледниковые эрратические валуны), подобные упомянутому выше, встречаются почти везде (рис. 35), а горы и высокие долины до сих пор несут яркие шрамы ледниковой обработки (рис. 36 и 37).

ГИГАНТСКИЙ ВАЛУН (ледниковый эрратический валун) из докембрийского гнейса возле Инспирейшн-Пойнт на северном краю Гранд-Каньона. Валун размером 24×20×18 футов и весом более 500 тонн был оставлен в этом месте ледниковым льдом; сейчас он покоится на гораздо более молодом плато риолитов. Расстояние, на которое валун был перенесен или сдвинут, составляло не менее 15 миль. (Рис. 34)

Основное требование для формирования ледников простое: зимой должно выпадать больше снега, чем тает летом. Если это условие сохраняется в течение достаточно долгого периода времени (измеряемого столетиями), снег уплотняется в лед, и обширные ледяные поля растут, пока, наконец, не начинают двигаться под собственным весом, тем самым становясь ледниками. Записи показывают, что средняя круглогодичная температура составляет 32°–33°F (0°–0,5°C) вдоль Йеллоустонского озера, 35°F (1,7°C) у Старого Служаки и 39°F (3,9°C) в Маммоте. Каждую зиму снег накапливается до глубины 5–10 футов на большей части территории парка. Если бы средние годовые температуры снизились на несколько градусов или ежегодные снегопады увеличились на фут или около того, любое из этих изменений могло бы, возможно, предвещать начало еще одного ледникового периода в Йеллоустонском регионе.

Йеллоустон был оледенен как минимум три раза. Эти оледенения, от самого древнего к самому молодому: до-булл-лейкское, Булл-Лейк и Пайндейл. Их точный возраст и продолжительность известны неточно, но оценки, основанные на нескольких радиометрических определениях, таковы: (1) самое древнее оледенение (до-булл-лейкское) началось более 300 000 лет назад и закончилось между 180 000 и 200 000 лет назад; (2) оледенение Булл-Лейк началось около 125 000 лет назад и закончилось более 45 000 лет назад; (3) оледенение Пайндейл началось около 25 000 лет назад и закончилось около 8 500 лет назад. До-булл-лейкское и Булл-Лейк известны только по разрозненным отложениям обломочного материала (ледниковые морены) и другим признакам, но распределение этих отложений указывает на то, что ледники были широко распространены по всему региону и происходили как между, так и во время извержений плато риолитов. Последствия ледников Пайндейл, с другой стороны, очевидны во многих частях парка, и история этого самого молодого ледникового цикла (описанная ниже) известна гораздо более детально, чем история двух более древних.

На ранних стадиях оледенения Пайндейл в высоком хребте Абсарока к юго-востоку от территории парка образовалось огромное ледяное поле. Ледник, питаемый этим ледяным полем, тек на север вниз по верхней долине Йеллоустона и в бассейн, ныне занятый Йеллоустонским озером. Примерно в то же время другое большое ледяное поле сформировалось в горах к северу от парка и направило длинные языки льда на юг в сторону нижних долин рек Йеллоустон и Ламар. Меньшие долинные ледники текли на запад из хребта Абсарока вдоль восточного края парка, а другие сформировались вдоль главных гребней и долин хребта Галлатин в северо-западной части парка. Таким образом, многие огромные массы льда с севера, востока и юго-востока сходились и встречались в парке. На этой стадии, вероятно, около 15 000 лет назад, только западный край парка и, возможно, несколько самых высоких пиков и гребней внутри парка оставались свободными от льда. Интересно отметить, что, хотя лед двигался через прародительский Гранд-Каньон Йеллоустона и погребал его, он не тек вниз и не выпахивал каньон (рис. 36). Если бы это произошло, каньон выглядел бы совсем иначе, чем сегодня (рис. 41).

ЛЕДНИКОВЫЙ ЛАНДШАФТ вдоль дороги к Северо-восточному входу. Валуны, многие из которых достигают 10 футов в поперечнике или более, были принесены в этот район льдом, текущим вниз по Сло-Крик из гор к северу от парка во время оледенения Пайндейл. По мере таяния ледников валуны оставались лежать в холмистых моренных отложениях. Неглубокие депрессии в неровном рельефе сейчас часто заполнены небольшими прудами. (Рис. 35)

В течение следующих 10 000 лет лед утолщался и распространялся на все большую часть территории парка. Масса, сосредоточенная над бассейном Йеллоустонского озера, выросла до глубины 3000 футов или более и доминировала над всей сценой; она сформировала широкую «гору» льда, которая стала настолько высокой, что вызвала выпадение еще большего количества снега на саму себя и была достаточно холодной, чтобы предотвратить таяние большей части этого снега. В конечном итоге ледники Пайндейл покрывали около 90 процентов Йеллоустона (рис. 38).

ПРОФИЛИ КАНЬОНОВ. Типичные профили каньона, вырезанного рекой (A), и каньона, высеченного ледником (B). Ледниковые цирки (C) показаны в верховьях и высоко на склоне оледенелой долины. (Рис. 36)

ЛЕДНИКОВЫЙ ЦИРК на восточном склоне пика Электрик, северный хребет Галлатин. Во время нескольких эпизодов оледенения эта крутостенная амфитеатрообразная долина была вырезана и заполнена льдом, который питал ледники, движущиеся вниз по склону вправо. Дно цирка сейчас покрыто мощным отложением каменного щебня, подстилаемым частично льдом, и вся масса все еще медленно движется вниз по склону как каменный ледник. Темная порода в правом нижнем углу является частью штока пика Электрик, состоящего из диорита (рис. 20) и других видов интрузивных магматических пород. Породы в стенах цирка — это главным образом меловые сланцы (светлого до умеренно темного цвета) с тонкими силлами магматической породы (очень темного цвета). (Косой аэрофотоснимок, вид на запад, предоставлен Уильямом Б. Холлом, Университет Айдахо.) (Рис. 37)

После своего максимального продвижения ледники Пайндейл начали таять, оставляя после себя обломочный материал, который они высекли из ландшафта и толкали или несли вместе с собой. Эти ледниковые морены сейчас встречаются во многих районах по всему парку. Местами ледниковый лед и (или) обломочный материал формировали естественные плотины поперек речных долин, тем самым создавая озера. Части долины Хейдена, например, содержат слои очень мелкого песка, илта и глины мощностью в несколько десятков футов (рис. 39), которые накопились вдоль дна большого озера. Это озеро сформировалось за ледниковой плотиной поперек реки Йеллоустон возле водопада Аппер-Фолс. Некоторые из ледниковых плотин прорывались и высвобождали воду катастрофически, вызывая гигантские наводнения; возникновение одного такого наводнения особенно заметно вдоль долины реки Йеллоустон возле Гардинера, Монтана.

Примерно 12 000 лет назад мощный ледяной щит Пайндейл полностью растаял из бассейна Йеллоустонского озера и большинства других районов парка, хотя долинные ледники продолжали существовать в горах примерно до 8 500 лет назад. Затем, после короткого периода полного исчезновения, небольшие ледяные поля сформировались снова в верховьях некоторых более высоких горных долин. Однако с момента таяния льда Пайндейл ни один из них не спускался в виде ледника в нижние участки долин. Несмотря на то, что несколько снежников сохраняются локально в течение лета (за исключением самых теплых лет), в настоящее время в парке нет ледников.

РАСПРОСТРАНЕНИЕ ЛЬДА в Йеллоустонском национальном парке во время максимального распространения ледников Пайндейл, вероятно, около 15 000 лет назад. Длинные стрелки указывают направление сильного течения льда; короткие стрелки показывают направление менее интенсивного течения льда. Темно-синяя область показывает основную ледяную массу, сосредоточенную над бассейном Йеллоустонского озера в юго-восточном углу парка. Многие из высоких пиков и гребней, таких как гора Уошберн, которые здесь показаны свободными от льда, были оледенены по крайней мере один раз за последние 250 000 лет. Были ли они покрыты ледниками Пайндейл, однако, остается нерешенным вопросом. (На основе информации, предоставленной Г. М. Ричмондом, К. Л. Пирсом и Г. А. Уолдропом.) (Рис. 38)

ГОРИЗОНТАЛЬНО ЛЕЖАЩИЕ ПЛАСТЫ мелкого песка, илта и глины возле устья Траут-Крик в долине Хейдена. Эти пласты были отложены в перегороженном ледником озере, которое покрывало часть долины Хейдена, когда ледники Пайндейл таяли. Высота берега реки составляет около 40 футов. (Рис. 39)

ВОДОПАДЫ в Йеллоустонском национальном парке. (Рис. 40)

A, Водопад Льюис-Фолс на реке Льюис. Водопад каскадом падает через крутой край риолитового лавового потока.

B, Водопад Аппер-Фолс на реке Йеллоустон. Кромка водопада отмечает контакт между плотным, устойчивым риолитовым лавовым потоком (который формирует массивный утес) и более легко разрушаемым риолитовым лавовым потоком, содержащим высокую долю вулканического стекла непосредственно ниже по течению, как показано на рисунке 42.

C, Водопад Гиббон-Фолс на реке Гиббон. Река падает через уступ, высеченный в Йеллоустонском туфе. Уступ впервые сформировался вдоль сбросов на северном краю Йеллоустонской кальдеры 600 000 лет назад, в точке, которая сейчас находится в ¼–½ мили ниже по течению. Продолжающаяся эрозия заставила водопад отступить на север к своему нынешнему положению.

D, Водопад Тауэр-Фолс на ручье Тауэр-Крик. Породы на кромке водопада и в вертикальном утесе под ним представляют собой грубые брекчии и конгломераты вулканических пород Абсарока. Русло Тауэр-Крик не было врезано достаточно быстро, чтобы поспевать за врезанием главного русла реки Йеллоустон, которое находится на небольшом расстоянии ниже по течению от основания водопада.

Проточная вода — каньоны и водопады

Йеллоустон, среди многих своих достоинств, является истоком крупных и могучих рек. Расположенный через Континентальный водораздел, парк питает две из самых обширных дренажных систем в стране — (1) систему реки Миссури (и, в конечном итоге, реки Миссисипи) на атлантической стороне, через реки Йеллоустон, Мэдисон и Галлатин, и (2) систему реки Колумбия на тихоокеанской стороне, через реку Снейк (рис. 1). Эти потоки питаются ежегодными осадками, которые в среднем составляют около 17 дюймов у Старого Служаки и Маммота, но значительно больше в горных хребтах.

Многие участки главных речных долин в Йеллоустоне широкие и имеют плоское дно. В них градиенты потоков варьируются от примерно 10 до 30 футов на милю, и в настоящее время эрозия практически не происходит (долина Хейдена — хороший пример, рис. 4). Но местами градиенты круче, а долины узкие и пересеченные. В некоторых местах эти потоки падают на 50 или даже 100 футов на милю, и быстро движущиеся воды вырезали глубокие V-образные ущелья (рис. 36).

Водопады, особенности, которыми Йеллоустон также по праву знаменит (рис. 40), обычно возникают из-за резких различий в твердости пород. Если поток течет по породам, которые более устойчивы к эрозии, чем породы непосредственно ниже по течению, то в этом месте поперек русла сформируется уступ или ступень, потому что менее устойчивые породы размываются быстрее. И по мере того как уступ становится выше, более мягкие породы ниже по течению будут размываться еще быстрее. Настоящий водопад — это тот, в котором есть свободное вертикальное падение воды. Если уступ или уступы образуют только грубую, крутую дорожку в русле, то термин «пороги» или «каскады» более уместен.

Существование многих водопадов в Йеллоустоне сегодня в значительной степени объясняется тем фактом, что из-за недавнего вулканизма и оледенения большая часть топографии региона очень молода с точки зрения геологического времени. Реки, даже некоторые из самых крупных, не имели достаточно времени, чтобы размыть все особенности, которые могут создавать водопады, каскады или пороги вдоль их русел. Это особенно верно вдоль краев лавовых потоков, где есть резкие перепады между вершинами потоков и более низкой землей за их пределами. Гранд-Каньон Йеллоустона и водопады Аппер-Фолс и Лоуэр-Фолс хорошо иллюстрируют эрозионную силу проточной воды.

Гранд-Каньон Йеллоустона

За исключением Старого Служаки, Гранд-Каньон Йеллоустона, вероятно, является самым известным, обсуждаемым и фотографируемым объектом в парке (рис. 41). Хотя он не такой глубокий или широкий, как некоторые другие великие каньоны Америки, его чистая пересеченность и красота захватывают дух. Здесь можно в полной мере оценить и понять уместность названия «Йеллоустон» (Желтый камень), ибо зритель сразу погружается в море желтых оттенков, пронизанных и окрашенных различными тонами красного и коричневого.

ГРАНД-КАНЬОН И ВОДОПАД ЛОУЭР-ФОЛС реки Йеллоустон, вид вверх по течению (на юго-запад) от Артистс-Пойнт на южном краю. Желтоватые породы, выстилающие стены каньона, — это мягкие, гидротермально измененные риолитовые лавы. Породы на кромке водопада состоят из менее измененных и, следовательно, более устойчивых риолитов. Водопад высотой 309 футов сформировался на контакте между твердыми и мягкими риолитовыми единицами. (Фотография предоставлена сержантом Джеймсом Э. Дженсеном, ВВС США.) (Рис. 41)

РАЗВИТИЕ ГРАНД-КАНЬОНА. Профили вдоль дна Гранд-Каньона Йеллоустона в том виде, в каком он выглядит сегодня (C), и в том, как он выглядел на двух более старых стадиях своего развития (A и B). Обратите внимание, в частности, на различные виды пород, через которые был прорезан каньон, и на то, как различия в породах повлияли на расположение двух водопадов. Диагональные линии обозначают неизмененный риолит; крупные точки — риолит с большим количеством вулканического стекла; мелкие точки — гидротермально измененный риолит; кружки и точки — вулканические породы Абсарока. (На основе информации, предоставленной Р. Л. Кристиансеном и Г. М. Ричмондом; вертикальный масштаб преувеличен примерно в 10 раз.) (Рис. 42)

C: As it appears today Yellowstone Lake Hayden Valley Grand Canyon of the Yellowstone Upper Falls Lower Falls Inspiration Point North edge of Yellowstone caldera Confluence of Lamar and Yellowstone Rivers B: A stage somewhat before 300,000 years ago Profile of Yellowstone River today A: A stage somewhat before 600,000 years ago Profile of Yellowstone River today

На первый взгляд каньон может показаться гигантской трещиной, которая внезапно открылась и в которую затем с головой устремилась река Йеллоустон через высокие водопады в своем юго-западном конце. Это, конечно, не то, как сформировался каньон. Тем не менее, очевидно, что определенные необычные условия заставили реку, после медленного извилистого пути через долину Хейдена с плоским дном на протяжении около 13 миль, прорезать крутое ущелье глубиной 1000–1500 футов и длиной 20 миль (рис. 42C). Полное объяснение должно основываться на всех многочисленных событиях, окружающих извержение Йеллоустонского туфа, обрушение Йеллоустонской кальдеры, излияние плато риолитов и различные эпизоды оледенения. Геологические исследования показывают, что все эти события происходили в то время, когда каньон прорезался, и что каждое из них сыграло важную роль в его развитии. Активность горячих источников и пара также была значительным фактором. Однако, несмотря на многие сложности, историю Гранд-Каньона можно разделить на несколько основных стадий, как указано ниже:

1. От более чем 2 000 000 лет назад до примерно 600 000 лет назад неглубокий каньон постепенно прорезался в вулканической последовательности Абсарока прародительской рекой Йеллоустон, которая эродировала вверх по течению от точки возле нынешнего слияния рек Йеллоустон и Ламар (рис. 33). Ко времени кульминационного вулканического извержения в центральном Йеллоустоне 600 000 лет назад верховье «старого» каньона, вероятно, было эродировано на юг почти до того места, где позже должен был сформироваться северный край Йеллоустонской кальдеры (рис. 42A). Эта точка сейчас находится примерно в 5 милях ниже водопада Лоуэр-Фолс.

2. Туфы потоков пепла, которые были извергнуты 600 000 лет назад, заполнили «старый» каньон, и река заново прорезала свое русло, главным образом вдоль своего прежнего курса.

3. Большое озеро сформировалось за (к югу от) северным краем кальдеры, причем перегораживание произошло отчасти из-за лавовых потоков плато риолитов, которые излились по дну кальдеры в этой области между 600 000 и 500 000 лет назад. В конечном итоге озеро поднялось и перелилось на север в верховье «старого» каньона, вызвав дополнительное врезание в том, что сейчас является нижним 15-мильным участком каньона.

4. По мере того как озеро опорожнялось, река начала эродировать вверх по течению в мощные риолитовые лавовые потоки в сторону нынешнего местоположения водопада Лоуэр-Фолс; процесс был очень похож на то, как обычный речной овраг эродирует вверх по склону холма. На стадии несколько более 300 000 лет назад верховье каньона, вероятно, лежало возле водопадов, и река прорезала русло глубиной 400–600 футов вдоль этого верхнего 5-мильного участка (рис. 42B).

5. Примерно 300 000 лет назад территория каньона была покрыта льдом во время до-булл-лейкского оледенения. Во время и после отступления этого льда отложения накапливались в озере, которое занимало верхние пределы каньона между нынешним местоположением водопада Аппер-Фолс и Инспирейшн-Пойнт. Впоследствии очень мало врезания было достигнуто до примерно 150 000–125 000 лет назад, когда каньон был эродирован почти до своей нынешней глубины.

6. Развитие каньона было дополнительно прервано продвижением и отступлением ледников во время оледенений Булл-Лейк и Пайндейл. Во время и после таяния ледников Пайндейл около 12 000 лет назад каньон достиг своей нынешней глубины, а его стены приобрели большую часть своей живописной эрозионной формы. Река Йеллоустон сейчас поддерживает довольно равномерный градиент (60–80 футов на милю) на протяжении всего 20-мильного ущелья, даже несмотря на то, что разные сегменты каньона были прорезаны в разное время и через разные виды пород (рис. 42C).

Впечатляющее эрозионное развитие в верхнем 5-мильном сегменте Гранд-Каньона, который является единственной частью, видимой большинством посетителей парка, за исключением самого нижнего конца возле Тауэр-Фолс (рис. 33), произошло в основном за последние 150 000–125 000 лет. Одна из причин такой высокой скорости эрозии проистекает из того факта, что эта часть каньона перекрывает одну из широких зон кольцевых разломов Йеллоустонской кальдеры (рис. 22). Зона разломов простирается на большую глубину, обеспечивая готовый путь для восходящего потока горячей воды и пара, поднимающихся в Йеллоустонской термальной системе, как описано в следующей главе. На протяжении многих тысяч лет восходящая перколяция горячих флюидов вызывала серьезные химические и физические изменения (известные как гидротермальное изменение) в риолитовых лавовых потоках. Одним из впечатляющих результатов изменения стало изменение нормального коричневого и серого цвета риолитов на ярко-желтые и другие красочные оттенки, которые сейчас видны в стенах каньона (а также во многих других местах по всему парку). Другим значительным результатом изменения стало ослабление пород; то есть измененные породы мягче и менее устойчивы к эрозии, чем неизмененные породы. Следовательно, река смогла эродировать эти более мягкие породы вверх по течению до водопада Лоуэр-Фолс с очень высокой скоростью.

Положение водопада Лоуэр-Фолс, как и следовало ожидать, совпадает с переходом от сильно измененного к менее измененному риолиту; разница в скоростях эрозии двух видов пород здесь самоочевидна (рис. 41 и 42C). Положение водопада Аппер-Фолс также тесно контролируется различиями в твердости пород. Риолиты на стороне выше по течению твердые и плотные, тогда как те, что ниже по течению, содержат высокую долю вулканического стекла, что заставляет их легче эродироваться (рис. 42C).

РАСПРОСТРАНЕННЫЕ ВИДЫ ТЕРМАЛЬНЫХ ОБЪЕКТОВ в Йеллоустонском национальном парке. (Рис. 43)

А, Горячие источники и террасы, окрашенные водорослями, в Мамонтовых горячих источниках.

Б, Извержение гейзера Касл в Верхнем гейзерном бассейне.

В, «Красящие горшки» Фаунтин в Нижнем гейзерном бассейне.

Г, Бассейн в Нижнем гейзерном бассейне.

Горячие источники и паровые явления

Хотя Йеллоустон геологически выдается во многих отношениях, огромное обилие, разнообразие и зрелищность его термальных (горячих и паровых) объектов, несомненно, были основными причинами того, что он был выделен как наш первый национальный парк (рис. 43). Необычная концентрация гейзеров, горячих источников, грязевых котлов и фумарол создает ту особую притягательную силу, которая на протяжении последнего столетия делала парк одной из главных природных достопримечательностей мира.

Подсчитать все отдельные термальные объекты в Йеллоустоне практически невозможно. Различные оценки варьируются от 2500 до 10 000, в зависимости от того, сколько мелких объектов включено в подсчет. Они разбросаны по многим регионам парка, но большинство из них сосредоточено в нескольких областях, называемых гейзерными бассейнами, где наблюдаются непрерывные проявления интенсивной термальной активности. (См. фронтиспис.) «Пар», который можно увидеть в термальных зонах, на самом деле представляет собой туман или капли воды, конденсирующиеся из пара; поэтому внешний вид отдельных гейзерных бассейнов во многом зависит от температуры воздуха и влажности. Например, в теплый сухой летний день активность может казаться очень слабой (рис. 44), за исключением тех мест, где извергаются отдельные гейзеры. Однако в холодные или очень влажные дни «паровые» шлейфы видны поднимающимися отовсюду.

Как работает термальная система

Важнейшим компонентом термальной активности является тепло. Тело погребенной расплавленной породы, подобное тому, которое вызывало вулканические извержения в Йеллоустоне еще 60 000–75 000 лет назад, остывает долгое время. В процессе остывания огромные количества тепла передаются путем теплопроводности в твердые породы, окружающие магматическую камеру (рис. 45). В конечном итоге весь регион становится намного горячее, чем невулканические области (рис. 46). Обычно температура горных пород повышается примерно на 1°F на каждые 100 футов глубины земной коры, но в термально активных зонах Йеллоустона скорость повышения температуры намного выше. Например, количество тепла, выделяемого Верхним гейзерным бассейном, в 800 раз превышает количество тепла, выделяемого нормальными (нетермальными) участками такого же размера. Этого избыточного тепла достаточно, чтобы растопить 1,5 тонны льда в секунду! И, вопреки распространенному мнению, подземные температуры заметно не снизились за 100 лет, в течение которых ведутся записи о термальной активности в парке. Фактически, геологические исследования показывают, что очень высокие тепловые потоки сохраняются по крайней мере последние 40 000 лет.

ГЕЙЗЕРНЫЙ БАССЕЙН НОРРИС, вид на север от музея Норрис. Это одна из самых активных термальных зон в Йеллоустоне, но фотография была сделана в теплый сухой летний день, когда издалека было видно мало активности горячих источников и пара. Облака капель воды (видимый «пар» в термальных зонах) обычно образуются только тогда, когда воздух прохладный и (или) влажный. Дно бассейна покрыто почти сплошным слоем отложений горячих источников. (Рис. 44)

ТЕПЛОВОЙ ПОТОК И ПОВЕРХНОСТНЫЕ ВОДЫ. Диаграмма, показывающая термальную систему согласно объяснению, что вода поверхностного происхождения циркулирует и нагревается на больших глубинах. (Основано на информации, предоставленной Д. Э. Уайтом, Л. Дж. П. Маффлером, Р. О. Фурнье и А. Х. Трусделлом.) (Рис. 45)

Water enters at ground surface and sinks in conduit formed by fault or fracture Surface (meteoric) water sinks to levels perhaps as much as 10,000 feet below ground. Heated far above its normal boiling point, it begins to rise toward the surface Descending cool surface water Permeable zone allows water to flow through it Cooling magma chamber Water begins to boil near ground surface because of greatly reduced pressures Rising hot water Hot spring or geyser

ИНФРАКРАСНОЕ ИЗОБРАЖЕНИЕ части Верхнего гейзерного бассейна. Инфракрасные приборы, чувствительные к теплу, способны обнаруживать «горячие» точки на ландшафте. Обратите особое внимание на четкое «изображение» гейзера Старый Служака. (Изображение предоставлено Национальным управлением по аэронавтике и исследованию космического пространства.) (Рис. 46)

Вторым, столь же важным компонентом термальной активности является вода. Многие тысячи галлонов выбрасываются горячими источниками и гейзерами в Йеллоустоне каждую минуту — откуда берется вся эта вода? Исследования показывают, что почти вся вода берет свое начало над землей в виде дождя или снега (метеорная вода; рис. 45) и что очень мало ее поступает из подстилающей магмы (магматическая вода).

Механизм нагрева воды, с другой стороны, является предметом некоторой неопределенности. До недавнего времени предполагалось, что нагрев происходит вблизи поверхности земли и вызывается горячими магматическими газами (в основном паром), поднимающимися из подстилающей магматической камеры. Однако глубокие скважины, пробуренные недавно во многих термальных зонах по всему миру (включая исследовательские скважины в Йеллоустоне), предлагают лучшее объяснение. Согласно этому объяснению, поверхностная вода проникает в подземные ходы (трещины и разломы) и циркулирует на больших глубинах — до 5000–10 000 футов в некоторых районах (рис. 45) — где нагревается значительно выше температуры кипения на поверхности. Исследовательские скважины в Йеллоустоне, например, продемонстрировали, что вода поверхностного происхождения существует на всех глубинах, по крайней мере до максимальной глубины бурения (1088 футов), и что вода достигает температуры не менее 465°F. Повышение температуры с глубиной вызывает соответствующее снижение веса (плотности) воды. Из-за этого горячая, «более легкая» вода начинает снова подниматься к поверхности земли, выталкиваемая вверх более холодной, «более тяжелой» приповерхностной водой, которая опускается, чтобы заполнить каналы. Так приводится в движение гигантский конвекционный поток, который непрерывно работает, снабжая термальные зоны очень горячей водой (рис. 45). Насколько глубоко циркулируют воды в Йеллоустоне, никто точно не знает; по предположениям, глубина составляет, вероятно, не менее 1 или 2 миль.

Влияние давления на температуру кипения воды также играет жизненно важную роль в термальной активности. В массе воды давление на поверхности — это давление, оказываемое весом воздуха над ней (атмосферное давление). Вода в таких условиях закипает при 212°F на уровне моря и при температуре около 199°F на высоте большинства гейзерных бассейнов в Йеллоустоне. Однако вода на глубине не только подвергается атмосферному давлению, но и несет дополнительный вес вышележащей воды. При таких дополнительных давлениях вода закипает только тогда, когда температура поднимается выше температуры кипения на поверхности. Например, в скважине глубиной 100 футов на уровне моря воду на дне пришлось бы нагреть до 288°F, прежде чем она закипит. Таким образом, следует, что в подземных «работах» горячих источников или гейзеров: (1) самая глубокая вода подвергается наибольшему давлению, и (2) эти более глубокие воды (в Йеллоустоне) должны быть нагреты значительно выше 199°F, прежде чем они действительно смогут начать кипеть. По той же логике, но в обратном порядке, если давление сбрасывается, что происходит по мере подъема воды к поверхности земли, «горячая, выше температуры кипения» вода начнет кипеть. Кипение будет довольно спокойным, если давление сбрасывается постепенно, как в большинстве горячих источников. Но если давление сбрасывается внезапно, кипение может стать настолько бурным, что большая часть воды взрывообразно превращается в пар, расширяясь в несколько сотен раз по сравнению со своим нормальным объемом. Это расширение обеспечивает необходимую энергию для извержений гейзеров.

Отложения горячих источников и водоросли

ХОЛМ ИЗ ГЕЙЗЕРИТА у гейзера Касл, Верхний гейзерный бассейн. Нижняя часть холма имеет четко выраженные слои, вероятно, отложенные обычными горячими источниками. Верхняя, неровная часть возникла в результате бурных извержений, характерных для гейзеров, и знаменует собой изменение местной активности горячих источников. (Рис. 47)

Почти все гейзеры и многие горячие источники образуют холмы или террасы из минеральных отложений; некоторые из них настолько необычны по форме, что им были даны описательные названия, такие как гейзер Касл (рис. 47). Эти отложения обычно состоят из множества очень тонких слоев породы. Каждый слой представляет собой корку или пленку породообразующего минерала, который изначально был растворен в горячей воде, когда она текла через подземные породы, а затем выпал в осадок, когда вода растекалась по окружающей поверхности земли.

ТЕРРАСЫ ИЗ ТРАВЕРТИНА у источников Опал, район Мамонтовых горячих источников. (Рис. 48)

Вид крупным планом показывает слоистую и пористую природу травертина.

Во всех основных термальных зонах парка, за исключением Мамонтовых горячих источников, большая часть отлагающегося материала — это синтер (разновидность, встречающаяся вокруг гейзеров, в народе называется гейзерит). Его основным компонентом является кремнезем (такой же, как в кварце и обычном оконном стекле). В Мамонтовых источниках отложение представляет собой травертин (рис. 48), который почти полностью состоит из карбоната кальция. Материал, отлагающийся в любом конкретном месте, обычно отражает преобладающий тип породы, через которую проходила горячая вода во время своего подземного путешествия. В Мамонтовых горячих источниках вода проходит через мощные пласты известняка (который является карбонатом кальция), но в других районах основным типом породы, через которую просачивается вода, является риолит — порода, богатая кремнеземом.

За столетия интенсивной деятельности слои синтера нарастили дно гейзерных бассейнов (рис. 44); эти отложения обычно имеют толщину менее 10 футов. В одной скважине в Мамонтовых источниках отложения травертина достигают глубины 250 футов. Мертвые деревья и другие виды растительности, чьи жизненные процессы были подавлены теплом, водой и осажденными минералами активности горячих источников, являются обычным зрелищем во многих местах (рис. 51).

И травертин, и синтер имеют цвет от белого до серого. Однако вокруг активных горячих источников террасы, которые постоянно находятся под водой, могут быть ярко окрашены (рис. 43 и 49), потому что они покрыты микроскопическими растениями, называемыми водорослями. Эти организмы, которые процветают в горячей воде при температуре до 170°F, имеют зеленый, желтый и коричневый цвета. Оксиды железа и марганца также способствуют окрашиванию в некоторых частях термальных зон. Однако нежный синий цвет многих бассейнов является результатом отражения света от стенок бассейна и прохождения его через глубокую прозрачную воду (рис. 43). Другие бассейны желтые, потому что содержат серу, или зеленые из-за комбинированного влияния желтой серы и «синей» воды.

ТЕРРАСЫ, ОКРАШЕННЫЕ ВОДОРОСЛЯМИ, вдоль западного берега реки Файрхол в бассейне Мидуэй. Водоросли — это микроскопические растения, которые обильно растут на камнях, покрытых горячей водой при температуре до 170°F. (Рис. 49)

Горячие источники и гейзеры

Горячие источники возникают там, где поднимающиеся горячие воды термальной системы выходят из отверстий питающих каналов на уровне земли (рис. 45). Подавляющее большинство из них выбрасывают воду и пар относительно ровно, без извержений, хотя они значительно различаются по своему поведению. В зависимости от давления, температуры воды, скорости подъема, подачи тепла, а также расположения и размера подземных ходов, некоторые горячие источники бурно кипят и испускают плотные облака пара, тогда как в других вода тихо поднимается с небольшим волнением от выходящего пара. Однако в некоторых горячих источниках подземные каналы слишком узкие или приток очень горячей воды и пара слишком велик, чтобы обеспечить ровный выброс; тогда возникают периодические извержения. Эти особые виды источников называются «гейзерами» (от исландского слова geysir, означающего «хлынуть» или «бушевать»). В Йеллоустонском национальном парке насчитывается не менее 200 гейзеров, из которых около 60 выбрасывают воду на высоту 10 футов и более; это больше, чем в любом другом регионе мира.

Как работает гейзер? Мы, конечно, не можем наблюдать внутреннее устройство гейзера, за исключением той части, которую видно, заглянув в его самый верхний «колодец». Более глубокие уровни непосредственно под «колодцем» можно в некоторой степени исследовать с помощью научных приборов, а исследовательское бурение в некоторых частях гейзерных бассейнов также дает много полезной информации. Имеющаяся информация позволяет предположить, что сантехническая система гейзера: (1) находится близко к поверхности земли, обычно не глубже нескольких сотен футов; (2) состоит из трубки, обычно почти вертикальной, которая соединяется с камерами, боковыми каналами или слоями пористой породы, где может храниться значительное количество воды; и (3) соединяется вниз через центральную трубку и боковые каналы с узкими каналами, которые поднимаются от глубокого источника воды основной термальной системы.

Рассматривая гейзерную систему, как описано выше, и применяя то, что известно о поведении воды и пара, мы можем понять, что вызывает естественное термальное извержение. На рисунке 50 схематично показана последовательность событий, которые, как считается, происходят во время типичного цикла извержения такого гейзера, как Старый Служака.

ГЕЙЗЕР В ДЕЙСТВИИ. Фотографии последовательных стадий извержения Старого Служаки иллюстрируют то, что, вероятно, происходит во время естественного извержения гейзера. Подземная сантехника показана схематично и не отражает каких-либо конкретных знаний о системе Старого Служаки. Направление потока воды показано стрелками. (Основано на информации, предоставленной Д. Э. Уайтом, Л. Дж. П. Маффлером, Р. О. Фурнье и А. Х. Трусделлом.) (Рис. 50)

Стадия 1 (Стадия восстановления или перезарядки). После извержения частично опорожненные трубки и камеры гейзера снова наполняются водой. Горячая вода поступает через питающий канал снизу, а более холодная вода просачивается из боковых каналов ближе к поверхности. Пузырьки пара (вместе с некоторыми другими газами, такими как углекислый газ и сероводород) начинают образовываться в восходящих потоках, поскольку снижение давления вызывает соответствующее снижение температуры кипения. Сначала пузырьки конденсируются в более холодной, приповерхностной воде, которая еще не достигла температуры кипения, но в конечном итоге вся вода нагревается настолько, что пузырьки больше не будут конденсироваться или «растворяться».