Подземная система Гранд-Каньона: как она поддерживает жизнь

Каждый год миллионы людей, посещающих национальный парк Гранд-Каньон, останавливаются у одной из его водораздаточных станций. Они идут в сильную жару, пополняют запасы и обливаются водой, чтобы избежать обезвоживания и теплового удара.

Вся эта вода поступает из единственного источника — Ревущих источников (Roaring Springs). Это пещерный ключ на Северном крае. Хотя туристы могут услышать и увидеть источник с тропы Норт-Кайбаб, прямой тропы к нему не существует. Подземная система Гранд-Каньона снабжает водой не только гостей парка, но также растения, животных и целые экосистемы. Более того, с каждым годом регион становится жарче и суше. Вот почему защита этого жизненно важного источника выходит на первый план.

Исследователи из Школы информатики, вычислительных систем и киберсистем Университета Северной Аризоны (NAU) работают над тем, чтобы лучше понять механизм работы «Ревущих источников» и других пещерных ключей. Благодаря новому гранту от национального парка команда расширит усилия по картированию этих водных систем. Кроме того, учёные выяснят, как таяние снега связано с источниками. Как пояснил Блейз ЛаСала, аспирант в области экоинформатики: «Понимание того, где вода уходит под землю, критически важно для инфраструктуры, животных, растений и всей экосистемы, которая зависит от этих источников. Они словно оазисы». Первые результаты проекта недавно опубликованы в журнале Scientific Reports.

Картирование скрытых пещер Гранд-Каньона

Большинство людей никогда не войдут в пещеры, питающие источники Гранд-Каньона. Они закрыты для публики. К тому же они часто расположены далеко от проложенных маршрутов. Следовательно, большая часть знаний учёных об этих пещерах получена благодаря специализированным картографическим проектам.

Для своего диссертационного исследования ЛаСала работал с профессором Темууленом «Теки» Санки, экспертом по дистанционному зондированию. Вместе они создали детальные карты нескольких пещерных систем. Используя мобильный лидар-сканер, команда получила высокоточные трёхмерные модели. Эти модели запечатлели стены, потолки, переходы и залы пещер с удивительной детализацией. За 45 дней исследователи, волонтёры и сотрудники парка задокументировали более 10 километров подземных ходов и комнат.

Профессор Санки признаётся: «Я понятия не имел, насколько эти пещеры велики и протяжённы. Нам удалось создать очень качественные 3D-карты. С точки зрения дистанционного зондирования это уникально и ново. Пещеры Гранд-Каньона никогда раньше не были так откартографированы в 3D».

Эта работа потребовала огромных логистических усилий. Члены команды несли рюкзаки весом до 25 килограммов, включая лидарное оборудование. Им приходилось добираться до удалённых входов в пещеры, путь к которым занимал до двух дней. Попав внутрь, они лазали, спускались на верёвках, ползали и даже проплывали через затопленные участки — всё это для фиксации форм и узоров трещин в породе. Подробнее о методах лидарного картирования вы можете прочитать в нашей отдельной статье.

Эти детали очень ценны. Дело в том, что формирование пещер подчиняется узнаваемым геологическим процессам. Расположение ходов, трещин и отверстий может показать, как вода движется через разные слои горных пород под каньоном.

Путь снега к Ревущим источникам

Самое простое объяснение происхождения воды — это поверхностные осадки. В первую очередь — таяние снега на плато Кайбаб. Однако более сложный вопрос: как именно вода путешествует под землёй, прежде чем выйти на поверхность у источников вроде «Ревущих источников».

Эти пещерные ключи находятся внутри известняковых формаций Редволл и Муав. Между этими источниками и поверхностью лежат несколько других слоёв горных пород. Предыдущие эксперименты с красителями, проведённые парком, показали, что вода может двигаться под землёй удивительно быстро. Например, Эйб Спрингер, профессор Школы наук о Земле и устойчивого развития NAU и соавтор проекта, участвовал в таких исследованиях с красителями. В некоторых тестах краситель, залитый в воронки на плато, прошёл около 20 километров и появился в источниках всего за неделю.

Тем не менее точный маршрут движения воды в недрах остаётся неясным. Трещины, разломы, проницаемость пород и подземные пути — всё это влияет на её путешествие. Профессор Санки объясняет: «Диссертационная работа заключалась в установлении геологической связи между тем, что мы видим на поверхности, и тем, что происходит на глубине сотен или тысяч футов». Аспирант ЛаСала добавляет: «Подземная система Гранд-Каньона похожа на чёрный ящик. Мы видим, что входит и что выходит, но очень трудно измерить то, что происходит внутри. Теперь, когда мы знаем, какие там есть структуры, мы можем начать связывать эти данные с изменениями источников с течением времени».

Качество воды и риски загрязнения

Знание этих подземных маршрутов важно не только из научного любопытства. Оно имеет и практическое значение для качества воды, а также для безопасности людей. Крупнейшие источники Гранд-Каньона питаются карстовыми системами. Профессор Санки сравнивает их со «швейцарским сыром» из-за множества дыр, каналов и отверстий в породе. Вода может быстро перемещаться по этим путям. Как следствие, естественная фильтрация почти не происходит.

Это значит, что загрязнители тоже могут путешествовать очень быстро. Сток из зон лесных пожаров или бактерии вроде кишечной палочки могут попасть в воронки, связанные с пещерой «Ревущие источники». Оттуда они достигнут системы водоснабжения. Если заражение будет обнаружено, сотрудники парка могут временно отключить насосы до решения проблемы. Идентифицируя точки входа воды и отслеживая её перемещение, исследователи помогают менеджерам парка находить источники загрязнения. Это снижает риск будущих сбоев. Читайте также: как карстовые системы влияют на качество питьевой воды.

Новое исследование снега и карстовых воронок

Следующий этап проекта начнётся в начале 2026 года. Используя аэросъёмку с лидаром и спутниковые наблюдения, собранные за несколько десятилетий, ЛаСала и Санки планируют составить карту карстовых воронок на обеих сторонах Гранд-Каньона. Параллельно они изучат закономерности накопления и таяния снега за последние 40 лет.

Большая часть предстоящей работы будет сосредоточена на поверхностных особенностях. Впрочем, исследователи не теряют интереса к изучению недавно открытых пещер, если представится возможность. Их цель — лучше понять геологические процессы, влияющие на образование воронок, исчезновение ручьёв и подземное движение воды. Учёные сравнят структуры, наблюдаемые на поверхности, с теми, что зафиксированы внутри пещер. Полученные результаты также помогут спланировать будущие эксперименты с красителями.

Снег — особенно важный объект внимания. В Аризоне уровень снежного покрова снижается с течением времени. Регион Гранд-Каньона следует тому же тренду. Проект создаст обширный архив экологических данных. Эти данные можно будет объединить с лидаром и другими изображениями для улучшения понимания водных систем по всему региону.

Почему эти выводы важны за пределами Аризоны

Хотя исследование напрямую приносит пользу национальному парку Гранд-Каньон, его значение выходит далеко за пределы северной Аризоны. Более миллиарда человек во всём мире зависят от воды карстовых источников. Изучение того, как вода движется через эти сложные подземные системы, может помочь в управлении водными ресурсами в глобальном масштабе. Более того, результаты могут оказаться ценными для индейских племён, которые живут в парке или рядом с ним.

ЛаСала с воодушевлением говорит: «Захватывающе находить структуры, которые подтверждают гипотезы, выдвинутые более 50 лет назад. Сейчас у нас есть все эти удивительные данные. Мы пытаемся объединить их с другими данными, чтобы найти полезные вещи. Есть так много мест, которые могли бы выиграть от такого анализа».

Как пожар Dragon Bravo влияет на исследование

Исследователи ожидают, что пожар Dragon Bravo* повлияет на будущие наблюдения. Однако они рассматривают это как ещё один фактор, который нужно включить в работу, а не как помеху, меняющую общую задачу. На вопрос о том, как огонь может повлиять на проект, оба учёных признали, что неожиданные события в научных исследованиях — обычное дело. Профессор Санки заметил: «Это новый поворот в нашем исследовании». Последствия пожара для плато Кайбаб, скорее всего, изменят некоторые экологические условия, которые мониторит команда. По мере продолжения проекта эти изменения будут включены в анализ. Коллектив планирует помогать парку любыми возможными способами в понимании последствий пожара. Узнайте подробнее о влиянии лесных пожаров на водные ресурсы.

• Пожар Dragon Bravo — это крупный природный пожар (мегапожар), который произошел летом и осенью 2025 года на Северном краю Гранд-Каньона в штате Аризона, США

По материалам www.sciencedaily.com