Хотя механизм выпахивания еще до конца не раскрыт, по-видимому, самую важную роль в нем играют перепады давления из-за толчкообразного характера движения ледников. Это приводит к плавлению льда на выступах ложа. Образующаяся водная пленка проникает в трещины подстилающих пород, где снова замерзает, и породы разрушаются.
В пользу такого механизма свидетельствуют натурные наблюдения в глубоких ледниковых туннелях в Альпах. Измеренные скорости движения и температуры базальных слоев льда, как выяснил X. Карол, оказались вполне достаточными для того, чтобы на выступах ложа чередовались процессы таяния и замерзания льда. В нашей стране к процессам подледникового выветривания привлек внимание видный мерзлотовед А. И. Попов.
Реальность криогенной подготовки пород ложа для экзарации подтверждается аналитическим изучением моренного мелкозема. Так, на субполярных ледниках Шпицбергена и Тянь-Шаня, у которых в основании, по всей вероятности, часто проявляются фазовые переходы воды, глины и алеврита в мореносодержащем льду действительно больше, чем в умеренных ледниках Кавказа, где, по теоретическим предположениям, условия для подледникового выветривания менее благоприятны.
Непосредственными орудиями выпахивания служат крупные валуны, контактирующие с ложем ледников. В этом мы убедились на леднике Семенова, расположенном в верховьях реки Сарыджаз на Тянь-Шане. Нам удалось обследовать подледниковый грот протяженностью около 300 м. Во многих местах было заметно, как крупные окатанные валуны из мореносодержащего льда налегают на отщепленные мало сдвинутые угловатые блоки коренных пород.
Все три процесса — абразия, выпахивание и подледниковое выветривание — протекают одновременно и тесно связаны между собой. В результате каждый из них вносит свой вклад в формирование общего облика мореносодержащего льда: выпахивание обогащает его крупными камнями, а абразия и выветривание — мелкоземом.
В пользу экзарационной деятельности ледников свидетельствует петрографический анализ крупных обломков пород, извлеченных из мореносодержащего льда, в частности находка кварцевых дацитов в материале донной морены ледника Дыхсу на Кавказе. По данным академика Д. С. Белянкина, эта порода вообще не встречается на склонах, обрамляющих ледник. Остается предположить, что под ледником скрыта дацитовая дайка.
Петрографический и минералогический анализы могут быть привлечены и для выяснения положения участков ложа, наиболее сильно разрушаемых ледниками. Такой подход особенно эффективен, когда ледники пересекают геологические структуры разного состава. В результате специальных исследований на нескольких крупных долинных ледниках Кавказа, Тянь-Шаня и Шпицбергена выяснилось, что зона наибольшей экзарации располагается в районе кинематической границы питания. Кроме того, на сложнодолинных ледниках дополнительные очаги экзарации возникают на участках слияния ледников-притоков. Следовательно, не вызывает сомнения тот факт, что ложе ледника наиболее интенсивно разрушается именно там, где максимальные скорости движения и мощность льда.
Итак, зная вещественный состав морен, можно реконструировать многие важные гляциологические показатели.
Рис. 9. Петрографический состав крупнообломочного материала морен ледника Норденшельда на Шпицбергене
Породы формации Гекла-Хук (докембрий—ордовик): а — биотитовые граниты, кварц-биотитовые ксенолиты, лампрофиры, порфириты, биотитовые мигматиты и другие породы интрузивного комплекса; б — кварциты и кварцевые сланцы; в — амфиболиты; г — гранатовые слюдяные сланцы. Осадочные породы палеозоя: д — песчаники и алевролиты нижнего карбона; е — гипсоносные и карбонатные породы среднего карбона; ж — циатофилловые известняки верхнего карбона — нижней перми; з — морены
В качестве иллюстрации перспективности литологического исследования морен в гляциологических целях приведем некоторые данные по леднику Норденшельда на Шпицбергене (рис. 9). Эта сложная ледниковая система состоит из двух основных потоков льда: северный, более мощный, течет из центра ледникового плато Ломоносова; южный, менее активный, начинается из периферической юго-западной части плато. В настоящее время ледник разрушает ядро крупной гранитной интрузии, целиком скрытой подо льдом, но тем не менее предопределяющей динамику ледника, включая прежде всего размещение отдельных его потоков.
Сильно расчлененный ледником рельеф кровли гранитной интрузии отчетливо выражен на радиоэхограммах, полученных группой советских геофизиков под руководством Ю. Я. Мачерета. Наибольшая экзарация ложа происходит в полосе, пересекающей нунатаки Флемингфьеллет, Терьерфьеллет и Ферьерфьеллет.
Изучение состава конечных морен, удаленных на несколько километров от конца ледника, показало, что во время их формирования динамика ледника была существенно иной. Тогда ледник преимущественно разрушал осадочные породы палеозоя, слагающие ложе к западу от границы гранитной интрузии. Таким образом, в целом по мере сокращения размеров ледника Норденшельда кинематическая граница питания мигрировала вверх по леднику, о чем можно судить по последовательному смещению зоны максимальной экзарации в сторону ледникового плато Ломоносова.
Приведем еще один пример реконструкции динамики горного ледника на Центральном Кавказе. Палеогляциологические исследования в долине реки Черек Безенгийский позволили установить, что около 5 тыс. лет назад Безенгийский ледник был на 10 км больше современного и формировал комплекс конечных морен беккямской стадии.
В то время активно преобразовывался участок долины, сложенный лейкократовыми гранитами, биотитовыми и гранатовыми сланцами и гнейсами. По мере сокращения длины ледника зона максимальной экзарации последовательно смещалась вверх по долине, и при накоплении морен юанахчирской (около 3 тыс. лет назад) и наратлинской стадий (700—800 лет назад) переуглублялась зона биотитовых и частично лейкократовых гранитов. При формировании самых молодых морен (XIX — начало XX в.) наибольшей экзарации подвергался участок трога, сложенный плагиогранитами; он располагался несколько выше современного конца ледника. В настоящее время мореносодержащий лед наполнен обломками кварцевых диоритов и гранодиоритов, интрузии которых находятся в 5—8 км выше конца ледника.
Обломочный материал, образующийся в результате разрушения ложа за счет перечисленных выше механизмов, ассимилируется нижними горизонтами льда. На данном этапе, по-видимому, большое значение приобретает дифференцированное скольжение ледяных пластин по плоскостям внутренних сколов. По этим плоскостям способны перемещаться и очень крупные глыбы. Подсчитано, что ледники могут захватывать с ложа камни размером до 20 м в поперечнике. Плоскости сколов обычно имеют наклон от ложа вверх, по направлению движения ледника.
Р. Голдтвейт, проводивший структурные исследования льда на леднике Барно, установил, что плоскости скола образуют с ложем углы от 10 до 36°. Согласно его расчетам обломочный материал поступает по плоскостям с участка ложа, удаленного на 400 м от края ледника, где мощность льда составляет 60 м. В Гренландии плоскости сколов, обогащенные камнями, были зафиксированы на расстоянии 275 м от входа в глубокий туннель.
Механизм внедрения обломков в базальные части ледников, скорее всего, связан с их включением в лед при замерзании режеляционной пленки воды. Иногда по плоскостям сколов в ледники затягиваются целые пачки подстилающих мерзлых слоистых осадков — песков, алевритов, глин. Об одном из таких случаев сообщает Л. С. Троицкий, обнаруживший в основании ледника Валлокра на Шпицбергене в мореносодержащем льде пласт суглинков мощностью до 2 м, набитый раковинами морских моллюсков. Пласт был пронизан тонкими ледяными прослойками — шлирами, характерными для мерзлых грунтов. Можно предположить, что в данном случае плоскость скола была заложена не по кровле примороженных к леднику суглинков, а по одному из их внутренних ледяных шлиров, совпадающему с напластованием осадков. Конечно, конкретные механизмы поступления минеральной составляющей в основание ледников раскрыты еще не до конца. Но тем не менее ясно, что именно здесь кроется одна из узловых проблем динамической гляциологии. В этом отношении весьма перспективно структурное изучение мореносодержащего льда.
