Najprostsza odpowiedź brzmi: Wielki Kanion wyrzeźbiła rzeka Kolorado.
Tylko że kiedy spojrzeć na jego rozmiary, pojawia się kilka dodatkowych pytań.
Rzeka przepływająca przez Wielki Kanion ma średnio około 90 metrów szerokości. Sam kanion ma średnio około 16 kilometrów szerokości, miejscami prawie 29 kilometrów, a od krawędzi do rzeki dzieli nas przeciętnie około 1,6 kilometra w pionie. Ciągnie się przy tym przez mniej więcej 447 kilometrów.
Jak więc rzeka szeroka na kilkadziesiąt metrów uczestniczy w tworzeniu doliny szerokiej na kilkanaście kilometrów? Co właściwie oznacza stwierdzenie, że „rzeka wyrzeźbiła kanion”? Czy woda po prostu ściera skałę? Co dzieje się później z całym usuniętym materiałem? I skąd wzięła się wystarczająca różnica wysokości, żeby Kolorado mogło wciąć się ponad kilometr w głąb terenu?
Żeby odpowiedzieć na te pytania, trzeba rozdzielić kilka procesów, które w prostym zdaniu o erozji zostają wrzucone do jednego worka.
Co właściwie przecinała rzeka?
Zanim przejdziemy do samej rzeki, warto wiedzieć, z czego zbudowany jest teren, w który zaczęła się wcinać.
Najstarsze skały odsłonięte w głębi Wielkiego Kanionu mają około 1,8 miliarda lat. To głównie skały metamorficzne i magmowe tworzące jego krystaliczne podłoże. Znacznie wyżej znajdują się młodsze skały osadowe. Kaibab Formation, tworząca dużą część dzisiejszej krawędzi kanionu, ma około 270 milionów lat.
Nie ma w tym nic zagadkowego. Kanion musiał oczywiście powstać w skałach, które już wcześniej istniały. Ważniejsze jest to, co te skały mówią o miejscu, przez które później przepłynęło Kolorado.
Nie powstawały bowiem w jednym środowisku.
Około 508 milionów lat temu piaski dzisiejszej formacji Tapeats osadzały się między innymi na piaszczystych wybrzeżach i w korytach rzecznych. Późniejsze osady Bright Angel powstawały na mulistym dnie morskim, a Muav w tropikalnym morzu. Około 340 milionów lat temu w ciepłym, płytkim morzu powstawały wapienie Redwall.
Jeszcze później środowisko ponownie stało się lądowe. Hermit Formation zachowała ślady rzek i terenów podmokłych w suchym klimacie, a Coconino Sandstone powstał z piasku niesionego przez wiatr przez rozległe pola wydm.
W skałach Coconino zachowały się nawet tropy zwierząt chodzących po tych wydmach. Kości niekoniecznie przetrwały, ale ślady stóp tak. Można z nich odczytywać kierunek ruchu, długość kroku, a czasem sposób poruszania się zwierzęcia.
Dzisiejsza sucha Arizona była więc w różnych okresach dnem morza, wybrzeżem, równiną rzeczną, terenem podmokłym i pustynią.
Dopiero znacznie później erozja Wielkiego Kanionu odsłoniła ten zapis w postaci widocznego dzisiaj przekroju.
W tej książce brakuje większości stron
Warstwy Wielkiego Kanionu wyglądają jak wyjątkowo dobrze zachowane archiwum. I rzeczywiście nim są, ale z zastrzeżeniem: ogromnych fragmentów archiwum w ogóle nie ma.
Geolodzy nazywają takie przerwy niezgodnościami, czyli powierzchniami oddzielającymi skały, pomiędzy których powstaniem minęło dużo czasu, ale osady z tego okresu nie zachowały się. Czasem nic się wtedy w danym miejscu nie odkładało. Czasem skały powstały, a później zostały całkowicie zerodowane.
W Wielkim Kanionie znajduje się szczególnie wyraźny przykład takich przerw, znany jako Great Unconformity. W zależności od miejsca i tego, które powierzchnie niezgodności rozpatrujemy, w zapisie może brakować setek milionów lat.
W jednym z dobrze widocznych kontaktów skały mające około 510 milionów lat leżą nad podłożem liczącym około 1,75 miliarda lat. Pomiędzy nimi lokalnie może więc brakować zapisu obejmującego ponad miliard lat historii.
National Park Service zwraca uwagę na jeszcze jedną konsekwencję: mimo ogromnej liczby warstw widocznych w kanionie więcej czasu geologicznego jest w tym profilu niezapisane niż zachowane.
Ściany Wielkiego Kanionu nie są więc równą kroniką, w której każda warstwa odpowiada kolejnemu rozdziałowi. Czasem pomiędzy dwiema sąsiednimi skałami brakuje setek milionów lat.
Z dna morza na wysokość dwóch kilometrów
Samo nagromadzenie warstw nie stworzyłoby Wielkiego Kanionu. Potrzebny był jeszcze jeden składnik: wysokość.
Kaibab Formation, która znajduje się dziś na szczycie dużej części kanionu, powstawała w środowisku płytkiego morza. Obecnie te skały znajdują się miejscami ponad 2 kilometry nad poziomem morza.
Cały region został podniesiony jako część Płaskowyżu Kolorado.
W prostym opisie można powiedzieć, że główne etapy wypiętrzania rozpoczęły się dziesiątki milionów lat temu. Problem w tym, że im dokładniej geolodzy badają Płaskowyż Kolorado, tym mniej przypomina to pojedyncze wydarzenie.
Współczesne badania wskazują raczej na kilka etapów wypiętrzania związanych z procesami tektonicznymi zachodzącymi zarówno w skorupie, jak i głębiej w płaszczu Ziemi. Szczegóły, w tym udział subdukcji dawnej płyty Farallon, zmian w litosferze i późniejszych ruchów płaszcza, nadal są przedmiotem badań.
Dla historii kanionu najważniejszy jest rezultat: rozległy obszar skał znalazł się wysoko nad poziomem morza.
A to zwiększyło potencjał rzek do wcinania się w podłoże.
Ale skoro płaskowyż już istniał, skąd wzięła się rzeka?
Tu pojawia się trudniejsza część historii.
Można sobie wyobrazić rzekę płynącą po równinie. Teren bardzo powoli się podnosi, a rzeka równie powoli wcina się w skałę, dzięki czemu pozostaje mniej więcej w tym samym miejscu. Taki mechanizm rzeczywiście istnieje i bywa używany w prostych wyjaśnieniach powstawania kanionów.
Historia Kolorado nie daje się jednak sprowadzić wyłącznie do takiego scenariusza.
Górne i dolne odcinki dzisiejszej rzeki prawdopodobnie nie zawsze tworzyły jeden system. Istniały wcześniejsze rzeki, doliny i kaniony. Dopiero około 5-6 milionów lat temu doszło do integracji systemu rzecznego, dzięki której woda z Płaskowyżu Kolorado uzyskała połączenie z obszarem Zatoki Kalifornijskiej.
Było to istotne również z powodu tzw. poziomu bazowego. To najniższy poziom, do którego rzeka może efektywnie wcinać swoje koryto. Połączenie wysoko położonego systemu rzecznego z dużo niżej położonym ujściem zwiększyło różnicę wysokości, którą rzeka mogła wykorzystać.
Kolorado zaczęło intensywnie wcinać się w wyniesiony płaskowyż.
Czy Wielki Kanion ma więc 5-6 milionów lat?
To zależy, co dokładnie rozumiemy przez „Wielki Kanion”.
Istnieją mocne dowody, że współczesny, przepływowy system Kolorado został połączony około 5-6 milionów lat temu. Osady rzeczne oraz ich relacje ze skałami wulkanicznymi pozwalają geologom ograniczyć czas, w którym rzeka zaczęła przepływać przez cały region.
Przez długi czas można więc było mówić po prostu: Wielki Kanion ma około 5-6 milionów lat.
Później zaczęły pojawiać się wyniki sugerujące, że niektóre jego fragmenty mogą być znacznie starsze.
W 2012 roku Rebecca Flowers i Kenneth Farley opublikowali wyniki badań termochronologicznych apatytu. Termochronologia pozwala odtwarzać historię temperatury skały, a pośrednio ustalać, kiedy została ona wydobyta z większej głębokości ku powierzchni przez erozję. Ich dane sugerowały, że część zachodniego kanionu mogła zostać wycięta niemal do współczesnej głębokości już około 70 milionów lat temu.
Brzmiało to jak radykalne postarzenie Wielkiego Kanionu.
Kolejne badania doprowadziły jednak do bardziej złożonego obrazu. W 2014 roku zespół Karla Karlstroma przeanalizował różne segmenty kanionu. Wyniki wskazywały, że niektóre wcześniejsze paleokaniony rzeczywiście mogą być stare. Jeden z badanych odcinków miał historię sięgającą około 70-50 milionów lat, inny 25-15 milionów. Jednocześnie Marble Canyon oraz najbardziej zachodni segment zostały wycięte dopiero w ciągu ostatnich około 5-6 milionów lat.
Dlatego określenie wieku Wielkiego Kanionu jedną liczbą jest mylące.
Dzisiejszy system powstał około 5-6 milionów lat temu, kiedy Kolorado połączyło wcześniejsze elementy sieci rzecznej. Część trasy mogła jednak wykorzystywać doliny i paleokaniony istniejące znacznie wcześniej.
Jak właściwie woda tnie skałę?
Pozostaje najbardziej fizyczne pytanie.
Jeśli postawimy kawałek twardej skały pod kranem, nie otrzymamy miniaturowego Wielkiego Kanionu.
Sama woda jest tylko częścią maszyny.
Podczas dużych przepływów Kolorado może transportować piasek, żwir, kamienie i głazy. Materiał uderzający w odsłonięte skalne dno może je ścierać i kruszyć. Większe fragmenty wykorzystują istniejące spękania, a gwałtowny przepływ pomaga odrywać poluzowane kawałki.
Popularne porównanie rzeki do papieru ściernego ma więc sens, ale jest niepełne.
W badaniach erozji skalnych koryt mówi się o dwóch przeciwstawnych efektach transportowanego osadu. Ziarna i kamienie są narzędziami erozji, ponieważ uderzają w skałę. Jeśli jednak osadu jest za dużo, przykrywa dno i zaczyna je chronić. Naukowcy określają te dwa zjawiska jako tools effect i cover effect.
Maksymalna erozja nie musi więc występować wtedy, gdy rzeka niesie najwięcej materiału. Osad może jednocześnie pomagać rzece niszczyć skalne dno i chronić je przed dalszym niszczeniem.
Do tego większość pracy nie odbywa się spokojnie i równomiernie każdego dnia. Szczególne znaczenie mają wysokie przepływy i powodzie, kiedy rzeka zyskuje energię wystarczającą do przemieszczania znacznie większych fragmentów skał.
Dlatego zdanie „Kolorado drąży kanion od milionów lat” nie oznacza milionów lat jednostajnego szlifowania.
To ogromna liczba okresów o różnej intensywności, przerywanych zdarzeniami, podczas których w krótkim czasie może zostać wykonana nieproporcjonalnie duża część pracy.
140 metrów na milion lat
Próby obliczenia tempa wcinania Kolorado dają różne wyniki zależnie od miejsca, badanego okresu i zastosowanej metody.
Jedno z badań wschodniego Wielkiego Kanionu oszacowało długoterminowe tempo wcinania skalnego koryta na około 140 metrów na milion lat. Inne analizy wskazują w tej części systemu wartości około 170-230 metrów na milion lat.
140 metrów na milion lat to średnio 0,14 milimetra rocznie.
Nie oznacza to jednak, że rzeka co roku usuwa równą warstwę skały o takiej grubości. Przez długi czas w konkretnym miejscu może nie wydarzyć się prawie nic, a później powódź, obryw albo przesunięcie dużych głazów może wykonać pracę odpowiadającą wielu spokojnym latom.
Takie wartości mają sens przede wszystkim jako średnie obejmujące bardzo długie okresy.
Rzeka zrobiła głębokość. Ale kto zrobił szerokość?
To prowadzi z powrotem do pytania z początku.
Kolorado ma średnio około 90 metrów szerokości. Kanion miejscami prawie 29 kilometrów.
Rzeka nie musiała przesuwać się z jednego brzegu kanionu na drugi i wyskrobywać całej tej przestrzeni.
Jej główną rolą było wcinanie głównego koryta oraz usuwanie materiału dostarczanego z otoczenia. Rozszerzaniem kanionu zajmował się cały system procesów działających na jego zboczach.
Woda deszczowa spływała bocznymi dolinami. Powstawały i pogłębiały się dopływy. Skały pękały pod wpływem wietrzenia. Bloki odrywały się od klifów. Materiał osuwał się w dół pod wpływem grawitacji. Gwałtowne ulewy uruchamiały potoki gruzowe zdolne przenosić głazy.
USGS badał takie zdarzenia w setkach dopływów Kolorado. Potoki gruzowe dostarczają do głównego koryta materiał od iłu po ogromne głazy. Nagromadzenia takich głazów przy ujściach bocznych kanionów odpowiadają za wiele progów i bystrzy na Kolorado.
Główna rzeka odbiera część materiału ze ścian i bocznych kanionów i transportuje go dalej.
W ten sposób wąskie koryto Kolorado jest centralną częścią systemu erozyjnego obejmującego obszar wielokrotnie szerszy od samej rzeki.
Dlaczego ściany wyglądają jak schody?
Wielki Kanion nie ma jednej gładkiej ściany biegnącej od krawędzi do rzeki. Zamiast tego widać pionowe urwiska przechodzące w łagodniejsze zbocza, potem kolejne klify, półki i następne stoki.
To przede wszystkim skutek różnic pomiędzy skałami.
Odporne piaskowce i wapienie długo utrzymują strome ściany. Słabsze łupki i mułowce łatwiej się rozpadają i tworzą łagodniejsze zbocza. Coconino Sandstone i Redwall Limestone należą do warstw tworzących szczególnie wyraźne klify.
Do tego dochodzi wzajemna zależność warstw.
Jeśli twardsza skała leży na mniej odpornej warstwie, erozja może szybciej usuwać materiał znajdujący się niżej. Górna warstwa przez pewien czas tworzy wystający klif, aż w końcu traci podparcie i fragment odpada.
Potem proces zaczyna się ponownie.
Tak ściana stopniowo się cofa.
Gdzie podziała się cała skała?
Skoro kanion ma objętość liczoną w bilionach metrów sześciennych, gdzie jest materiał, który kiedyś znajdował się w tej przestrzeni?
Część minerałów ulegała chemicznemu wietrzeniu. Ogromna ilość materiału została jednak rozkruszona na bloki, kamienie, żwir, piasek, muł i drobniejsze cząstki. Materiał ze ścian trafiał do bocznych dolin, potem do Kolorado, a rzeka stopniowo transportowała go w dół systemu.
Nie każdy głaz odbywał oczywiście całą podróż. Duże fragmenty mogły tkwić przez długi czas w jednym miejscu, rozpadać się, być przesuwane podczas kolejnych powodzi i stopniowo zmniejszać rozmiar.
Rzeka nie tylko niszczyła więc skałę na swoim dnie. Była również częścią systemu usuwającego materiał dostarczany z całego kanionu.
Bez tego gruz gromadziłby się na zboczach i w korycie, utrudniając dalszą erozję.
W pewnym momencie rzekę zatkała lawa
W zachodniej części kanionu znajduje się pole wulkaniczne Uinkaret. W ciągu ostatnich kilkuset tysięcy lat lawa wielokrotnie spływała ze zboczy do kanionu i przegradzała Kolorado.
Powstawały naturalne zapory.
Starsze interpretacje przedstawiały niektóre z nich jako ogromne i trwałe konstrukcje, ale szczegóły ich liczby, wysokości i długości istnienia były później korygowane. Sam fakt wielokrotnego blokowania rzeki przez lawę jest jednak dobrze udokumentowany.
USGS podaje, że intensywna aktywność wulkaniczna rozpoczęła się w tym regionie około 600 tysięcy lat temu, a potoki lawowe wielokrotnie wpadały do Wielkiego Kanionu i tamowały Kolorado.
Rzeka ostatecznie odzyskiwała drogę.
Woda gromadząca się za zaporą mogła ją przelewać i niszczyć, a pozostałości law były później dalej erodowane.
Wulkaniczne tamy są dobrym przykładem tego, że rozwój Wielkiego Kanionu nie był procesem przebiegającym ze stałą prędkością. Na długotrwałą erozję nakładały się powodzie, potoki gruzowe, obrywy i epizody wulkaniczne.
Człowiek zmienił warunki
Od 1963 roku Kolorado w Wielkim Kanionie nie zachowuje się już tak jak przez większość swojej wcześniejszej historii.
Powodem jest Glen Canyon Dam, położona powyżej parku.
Zapora zatrzymuje nie tylko wodę. Zatrzymuje również osad.
Badania USGS wskazują, że po jej zbudowaniu dopływ piasku do Kolorado w Wielkim Kanionie spadł o ponad 90 procent. Zniknął też dawny naturalny rytm dużych wiosennych wezbrań, które regularnie przemieszczały ogromne ilości materiału.
Nie oznacza to jednak po prostu, że rzeka „przestała erodować”.
Zmniejszenie ilości osadu jednocześnie odbiera rzece część materiału mogącego ścierać skałę i odsłania powierzchnie, które wcześniej mogły być przykryte piaskiem. Zmieniła się też częstotliwość dużych przepływów.
Najlepiej widoczne skutki dotyczą piaszczystych łach i brzegów. Z tego powodu przeprowadza się kontrolowane wysokie przepływy. Ich zadaniem jest wykorzystanie piasku dostarczanego poniżej zapory przez dopływy i przeniesienie go na łachy rzeczne.
Eksperymenty pokazują, że takie sztuczne powodzie potrafią odbudowywać część piaszczystych struktur, choć później część materiału ponownie ulega erozji.
Wielki Kanion nadal nie jest skończony
Ściany nadal się osuwają. Boczne potoki nadal transportują gruz. Skały nadal pękają i wietrzeją. Kolorado nadal przenosi osad, choć jego naturalny rytm został mocno zmieniony przez zaporę.
Kanion nadal będzie się zmieniał.
Obecnie pogłębianie zachodzi wolniej niż w niektórych wcześniejszych etapach. Rzeka dotarła w wielu miejscach do bardzo odpornych skał krystalicznych, a wraz z obniżaniem koryta zmienia się również gradient i energia dostępna do dalszego wcinania.
Jednocześnie erozja ścian i bocznych dolin może działać dalej, dlatego kanion może z czasem przede wszystkim stawać się szerszy.
Nie ma przy tym możliwości wcinania się w dół bez końca. Rzeki są ograniczone poziomem bazowym, ostatecznie związanym z poziomem morza.
Więc jak powstał Wielki Kanion?
Zdanie „Wielki Kanion wyrzeźbiła rzeka Kolorado” jest poprawne, jeśli potraktujemy je jako bardzo duży skrót.
Najpierw przez ogromny odcinek historii Ziemi powstawały skały, przez które później przebiegł kanion. Morza zalewały region i wycofywały się. Istniały wybrzeża, rzeki, tereny podmokłe i pustynie. Część powstałych wtedy skał została później całkowicie usunięta.
Następnie procesy tektoniczne podniosły Płaskowyż Kolorado na dużą wysokość.
Jeszcze później wcześniejsze systemy rzeczne zostały połączone w rzekę przypominającą współczesne Kolorado. Około 5-6 milionów lat temu powstał zintegrowany system odpływu prowadzący przez region ku Zatoce Kalifornijskiej. Rzeka zaczęła wcinać się w wyniesiony płaskowyż, częściowo wykorzystując starsze doliny i paleokaniony.
Kolorado pogłębiało główne koryto i usuwało materiał. Dopływy rozcinały boki. Deszcz, wietrzenie i grawitacja rozmontowywały ściany. Potoki gruzowe dostarczały do rzeki kolejne partie skał. Twardsze warstwy pozostawały w formie klifów, słabsze cofały się, tworząc stoki i półki. Na ten długotrwały proces nakładały się powodzie, osuwiska, obrywy, a nawet epizody, podczas których lawa przegradzała Kolorado.
Rzeka była więc centralnym elementem powstawania Wielkiego Kanionu, ale nie jedynym wykonawcą całej pracy. Dzisiejszy krajobraz jest wynikiem działania systemu, w którym znaczenie miały wysokość terenu, sieć rzeczna, właściwości skał, wietrzenie, grawitacja, klimat i czas.
Źródła i dalsza lektura
- National Park Service, „Geology of Grand Canyon” – przekrojowe omówienie geologii, erozji i historii Kolorado.
- National Park Service, „Telling Time at Grand Canyon” – aktualne zestawienie wieku skał i historii geologicznej kanionu.
- National Park Service, „Layered Paleozoic Rocks” – warstwy skalne i środowiska, w których powstawały.
- National Park Service, „Missing Time at Grand Canyon National Park” – niezgodności i luki w zapisie geologicznym.
- Karlstrom i in., „Formation of the Grand Canyon 5 to 6 million years ago through integration of older palaeocanyons”, Nature Geoscience, 2014 – badanie dotyczące integracji współczesnego kanionu ze starszymi paleokanionami.
- Flowers i Farley, „Apatite 4He/3He and (U-Th)/He Evidence for an Ancient Grand Canyon”, Science, 2012 – badanie stojące za hipotezą znacznie starszych fragmentów kanionu.
- U.S. Geological Survey, materiały dotyczące Uinkaret Volcanic Field – wulkanizm i lawy przegradzające Kolorado.
- U.S. Geological Survey, badania transportu osadów i kontrolowanych wysokich przepływów poniżej Glen Canyon Dam.
