Ny model løser mysterium om ældgamle bjerge

Forskere har længe undret sig over, at nogle af verdens største og ældste bjergkæder ufortrødent tårner sig op over landskabet millioner af år efter, at de ifølge de eksisterende teorier burde være slidt ned til grunden. En ny model udviklet af forskere fra Aarhus Universitet giver en forklaring.

27.06.2013 | Mette Helm

Når floder eroderer bjerge, er det ikke vandet alene, der er ansvarlig for nedbrydningen. Sedimentet i vandet har en afgørende betydning. Det fremgår af en ny model udviklet af forskere fra Aarhus Universitet. Billedet her viser bjergfloden Manaraga in Yugyd Va National Park, som ligger i Uralbjergene; en 2.500 km. lang bjergkæde i det vestlige Rusland og samtidig en af verdens ældste. (Foto: Istockphoto / FokinOl)

For flere hundrede millioner af år siden – længe før noget menneske satte fod på denne jord, endda før dinosaurerne gjorde krav på deres plads i evolutionen – rejste nogle af jordklodens mest markante klippemassiver sig op fra undergrunden som følge af kontinentalpladernes sammenstød.
 
Siden da har vind og vejr, gletchere og floder gjort deres bedste for at slide bjergene ned igen, og det har længe været et mysterium for forskerne, at bjergkæder som Uralbjergene i Rusland, Kaledoniderne i Norge og Appalacherne i USA har overlevet naturens slitage. Ifølge de eksisterende teorier burde de nemlig for længst være nedbrudt. 
 
Men nu har to forskere fra Aarhus Universitet på baggrund af studier af flodernes rolle i nedbrydningen af bjergene fundet en mulig forklaring på bjergkædernes uventet lange levetid. De to forskere, David Lundbek Egholm og Mads Faurschou Knudsen, har sammen med en australsk kollega brugt computersimuleringer til at studere samspillet mellem nedbrydningsprocesser i floderne og på de omkringliggende bjergsider. Resultaterne er netop publiceret i det anerkendte videnskabelige tidsskrift Nature.
 
”Hidtil har man antaget, at flodernes evne til at nedbryde bjerge afhænger af den energi, der er i flodernes vand – altså hvor meget vand der er, og hvor hurtigt det strømmer. Det kaldes for stream power. Og når man regner på det, så kan de her bjergkæder simpelthen ikke stå i flere hundrede millioner år. De burde være slidt ned til grunden efter blot 20 millioner år. Forklaringen er, at det ikke er vandet alene, der slider bjergene ned, men i høj grad også det sediment, der er i vandet. Vores computersimuleringer er de første, som tager højde for sedimentets indvirkning på erosionen i floderne, og det giver en naturlig forklaring på, hvorfor nogle bjergkæder kan bestå over flere hundrede millioner år,” forklarer Mads Faurschou Knudsen.
 
Nedbrydningseffekten af en flod uden småsten, grus og sand er altså det rene vand sammenlignet med den virkning, sedimentet har, når det hopper hen over flodlejet. Alligevel tillader en model, der tager højde for sedimentets påvirkning, en markant længere levetid for bjergene.
 
”Ifølge stream power-teorien bliver bjergene nedbrudt i en langsom, jævn proces. Når sedimentet bliver skrevet ind i ligningen, bliver regnestykket mere komplekst. Flodernes erosionsevne afhænger nemlig af, hvor meget sediment de geologiske processer i området sender ned i floderne. Når der er meget sediment, går erosionen relativt hurtigt. Til gengæld er der nogle meget lange perioder, hvor bjergene får lov at stå stort set urørte, fordi der ikke er nok sediment til stede i vandet til at nedbryde de hårde bjergarter,” siger David Egholm Lundbek.
 
Sediment fungerer som sandpapir
 
Den nye model tegner et markant anderledes billede af dynamikken i bjergkædernes livscyklus end den hidtidige stream power-teori og viser, at bjergene nedbrydes langsommere, jo ældre de bliver.
 
”Bjergene opstår, når kontinentalpladerne støder sammen og skubber materiale op fra undergrunden. Så længe der er tektonisk aktivitet, bliver der hele tiden skubbet nyt materiale op, som kompenserer for den naturlige slitage, bjergene er udsat for. Men på et tidspunkt ophører den tektoniske aktivitet, og så begynder nedbrydningen for alvor. I starten er bjergsiderne meget stejle. Det resulterer i mange stenskred, hvilket fylder floderne med sten og sediment. Det gør floderne effektive til at høvle yderligere materiale af skrænterne. Men efterhånden bliver bjergsiderne slidt så meget, at deres hældning kommer ned under det kritiske niveau, og så falder frekvensen af stenskred. Dermed får floderne mindre materiale at arbejde med, og det gør, at deres erosionsrate falder,” fortæller David Lundbek Egholm.
 
Sedimentet i floderne fungerer nærmest som sandpapir, idet flodens sand og grus hopper hen ad bunden og sliber yderligere materiale af bjerget. Men når indholdet af sediment i vandet falder, bliver der ikke høvlet så mange fragmenter af flodlejet. Det skaber en nedadgående spiral, som bremser nedbrydningen af bjergene.
 
Modellen bygger på fysikteori
 
Modellen er blevet til med inspiration hentet fra fysikkens verden, og et af de grundlæggende principper bag modellen kaldes for saltation.
 
”Når småsten bliver hvirvlet op i vandet og transporteret et stykke vej for derefter at falde ned på bunden igen, taler man om saltation. Fysikken har nogle teorier for, hvor langt de her småsten kan hoppe hen ad bunden, og hvor meget energi de overfører til underlaget under sammenstødene. Det har vi udnyttet og sagt: ”Okay, her har vi noget fysik, som vi kan tage udgangspunkt i. Hvordan laver vi så en computermodel, der kan simulere de her fysiske processer over millioner af år?” Så vores udfordring har været at integrere fysikkens teorier i en geologisk model, der tager højde for den tidslige udvikling,” fortæller David Egholm Lundbek.
 
Effekten af saltationen afhænger både af, hvor meget vand der er i floden, hvor hurtigt vandet bevæger sig, hvor stejlt underlaget er, hvilken bjergart der er tale om, og hvilken sammensætning sedimentet har. Jo grovere og tungere småstenene i sedimentet er, jo mere skade forvolder de på flodbredden. Og når David Lundbek Egholm og Mads Faurschou Knudsen integrerer disse parametre i deres model og tester den på de ældgamle bjergkæder, hvis lange levetid i årevis har givet forskerne grå hår, kan de se, at den holder vand.
 
”På Sri Lanka har vi nogle meget gamle bjerge, som er fyldt med brusende floder. Ifølge den gamle stream power-teori burde erosionen her gå stærkt, fordi der er så meget energi i vandet. Men målinger viser, at erosionen her er langsom, og vi kan jo også se med vores egne øjne, at bjergene står der endnu. Det paradoks kan vores model forklare,” siger Mads Faurschou Knudsen.
 
Forskningsprojektet er støttet af Det Frie Forskningsråd, Carlsbergfondet og Villum Fonden. 
 
Læs mere
 Lifespan of mountain ranges scaled by feedbacks between landsliding and erosion by rivers i Nature, DOI:10.1038/nature12218.
 
Kontakt
 David Lundbek Egholm, Institut for Geoscience, Aarhus Universitet, tlf.: 87 15 64 37 / 23 35 18 31, mail: david@geo.au.dk

Forskning, Alle grupper, Alle AU-enheder, Science and Technology, Miljø, klima og energi, Natur og teknologi