Drohnen erfassen neue Hinweise darauf, wie Wasser Gebirgszüge im Laufe der Zeit formt

Laut einem Team unter der Leitung von Wissenschaftlern der Penn State University haben Drohnen, die kilometerlange Flüsse im steilen, bergigen Gelände Zentraltaiwans entlangfliegen und die Gesteinseigenschaften kartieren, neue Hinweise darauf ergeben, wie Wasser dazu beiträgt, Berge im Laufe der geologischen Zeit zu formen.

Die Forscher fanden einen Zusammenhang zwischen der Größe der Felsbrocken in den Flüssen und der Steilheit der Flüsse. Der Link zeigt, wie Gesteinseigenschaften die Beziehung zwischen tief unter der Erde ablaufenden tektonischen Prozessen und der Formveränderung von Gebirgslandschaften beeinflussen können. Sie haben berichtet ihre Erkenntnisse In Wissenschaftliche Fortschritte.

„Im Laufe der Entwicklung eines Gebirgsgürtels sehen wir Unterschiede darin, wie sich Flüsse in den jüngeren und älteren Abschnitten in das Grundgestein einschneiden oder einschneiden“, sagte Julia Carr, Hauptautorin der Studie, die in diesem Bereich promovierte Geowissenschaften aus Penn State im Jahr 2022. „Das bedeutet, dass sich die Erosion an der Oberfläche verändert, wenn sich ein Gebirgsgürtel entwickelt.“

Wenn tektonische Platten kollidieren und Gebirgsketten bilden, werden Gesteine, die zuvor in der Erdkruste vergraben waren, in einem Prozess, der als Hebung bezeichnet wird, an die Oberfläche gedrückt. Die Temperatur und der Druck, denen diese Gesteine ​​ausgesetzt sind, führen zu Schwankungen der Gesteinseigenschaften – wie der Gesteinshärte oder dem Abstand und der Ausrichtung von Brüchen –, die sich dann darauf auswirken, wie leicht sie durch Elemente an der Oberfläche erodiert werden, sagten die Wissenschaftler.

In Taiwan fanden die Wissenschaftler heraus, dass der Hauptindikator für die Gesteinsfestigkeit der Berge die Größe der Felsbrocken in Flüssen war, die an Orten, an denen das Gestein tiefer in der Erdkruste vergraben war, größer und stärker waren. Und die Größe der Felsbrocken korrelierte mit der Steilheit der Flüsse, die stark genug sein müssen, um diese Felsbrocken flussabwärts zu bewegen, bevor sie den Berg erodieren, sagten die Wissenschaftler.

„Wenn die Felsbrocken in den Kanälen größer sind, muss der Fluss steiler werden, um mit der gleichen Geschwindigkeit erodieren zu können“, sagte Roman DiBiase, außerordentlicher Professor für Geowissenschaften an der Penn State und Mitautor der Studie. „Das liegt daran, dass das Sediment, das einen Flusskanal bedeckt, zur Erosion von Gestein ausweichen muss. Je größer die Felsbrocken im Kanal sind, desto steiler muss der Kanal sein, um sie zu bewegen.“

Modelle können erklären, wie sich Dinge wie Stürme und Überschwemmungen auf die Erosionsraten auswirken, aber es sei schwieriger, die Rolle der Gesteinsfestigkeit auf den Prozess zu berücksichtigen, sagten die Wissenschaftler.

„Die Bestimmung der Kontrollen über Flusseinschnitte in Gestein ist wichtig, um zu verstehen, wie sich Gebirgszüge im Laufe der geologischen Zeit entwickeln“, sagte DiBiase. „Aber einige Schlüsselparameter zum Testen von Flusseinschnittmodellen, wie etwa die Fließtiefe und die Sedimentbedeckung, sind in großen Maßstäben schwer zu messen.“

Um Daten zu sammeln, setzten die Forscher Drohnen ein, um Hindernissen wie gefährlichen Flussüberquerungen und Wasserfällen auszuweichen. Während dieser Untersuchungen sammelten die Wissenschaftler Hunderttausende Messungen der Flusskanalmorphologie und mehr als 22.000 Messungen von Felsbrocken entlang von etwa 18 Meilen Flüssen.

„Dort ist es wirklich beispiellos – etwas in dieser Größenordnung ist wirklich ungewöhnlich“, sagte Carr, der die Forschung an der Penn State leitete und jetzt Postdoktorand an der Simon Fraser University in British Columbia ist. „Es ist aufregend, in diesem Maßstab Untersuchungen durchführen zu können – es hilft uns, Muster zu erkennen, die wir sonst nie sehen würden. Wenn Sie einfach ins Feld gehen und die wenigen Stellen untersuchen würden, die Sie leicht erreichen könnten, würden Sie dieses Muster nicht beobachten.“

Taiwans zentrale Bergkette sei eine der steilsten Landschaften der Erde und weist eine der höchsten Erosionsraten aller Orte außerhalb vergletscherter oder vom Menschen beeinflusster Gebiete auf, sagte Carr. Darüber hinaus ist die tektonische Lage Taiwans gut bekannt und verfügt über systematische Versenkungstiefenmuster, die zur Bewertung des Zusammenhangs zwischen der Geschichte der Gesteine ​​unter der Oberfläche und ihrem aktuellen Zustand an der Oberfläche verwendet werden können.

„Es ist dieser großartige, einzigartige Ort, denn im Gegensatz zu Orten wie dem Himalaya oder den Alpen, wo es so viele komplexe tektonische Geschichten gibt, kann Taiwan eine relativ einfach zu untersuchende Landschaft sein, weil die gleichen Kollisionskräfte, die sie vor Millionen von Jahren geschaffen haben, auch heute noch aktiv sind.“ „, sagte Carr. „Und diese aus Taiwan gewonnenen Erkenntnisse können dazu beitragen, Erosionsmodelle zu entwickeln, die mit weniger Einschränkungen auf andere Gebirgsketten angewendet werden können.“

Aufgrund der Art und Weise, wie sich das Gebirge gebildet hat, sind jüngere Gesteine ​​im Süden und Westen zu finden, während ältere Gesteine, die tiefer – bis zu 24 Meilen unter der Erde – vergraben waren, weiter östlich und nördlich zu finden sind, sagten die Wissenschaftler.

In den jüngeren Abschnitten weisen Flüsse weniger, kleinere Felsbrocken auf, die weniger Fläche der Kanäle bedecken. Wenn man sich den älteren Abschnitten nähert, nehmen die Felsbrocken auf eine mittlere Größe von mehr als zwei Metern zu, sagten die Wissenschaftler.

Den Forschern zufolge liegen diese Felsbrocken nicht in den Flüssen und warten darauf, im Laufe der Zeit abgebaut zu werden. Stattdessen befanden sich die Felsbrocken in jedem der Flussabschnitte nahe der Grenze ihrer Beweglichkeit – was bedeutete, dass das Wasser fast stark genug war, um sie flussabwärts zu bewegen. Bei hohen Abflüssen nach Stürmen können diese Felsbrocken vollständig beweglich sein und dabei helfen, den Fluss einzuschneiden.

„Eine Möglichkeit, darüber nachzudenken, wie sich Flüsse langfristig einschneiden: Man muss in der Lage sein, Sedimente zu bewegen, und sobald man eine Schwelle überschreitet, kann man den Fluss einschneiden“, sagte Carr. „Wenn wir dies anwenden, bedeutet dies, dass dieses primäre Gesteinsstärkesignal, das die Felsbrockengröße steuert, Flusseinschnitte in die Landschaft setzt. Und das stimmt mit der lokalen Steilheit der Flüsse überein.“

Weitere Beiträge leisteten Donald Fisher, Professor für Geowissenschaften an der Penn State; En-Chao Yeh, außerordentlicher Professor an der National Taiwan Normal University; und Eric Kirby, Professor an der University of North Carolina in Chapel Hill.