שיטפונות מיזולה

שיטפונות מיזולה (באנגלית: Missoula Floods, ידועים גם כשיטפונות ספוקיין (Spokane Floods) או כשיטפונות ברץ (Bretz Floods)) הם שיטפונות עצומים שזרמו מספר פעמים דרך מזרח מדינת וושינגטון ובמורד קניון הנהר קולומביה בשלהי עידן הקרח האחרון. אירועי השיטפונות הקרחוניים נחקרו החל משנות ה-20 של המאה ה-20. שיטפונות מרוצת הקרחון אלו התרחשו מדי תקופה כתוצאה מהתבקעות פתאומית של סכר הקרח על הנהר קלארק פורק (Clark Fork River) שיצר את האגם הקרחוני של מיזולה. לאחר כל התבקעות כזו זרמו מי האגם בעוצמה במורד נהר קלארק פורק ונהר הקולומביה, תוך הצפת מרבית מזרח וושינגטון ועמק וילאמט במערב אורגון. לאחר כל התבקעות היה סכר הקרח נוצר מחדש והאגם הקרחוני של מיזולה נוצר מחדש מאחוריו.
הגאולוגים מעריכים שבמהלך תקופת הפשרת הקרחונים שבאה בעקבות שיא תקופת הקרחונים האחרונה ארך מחזור של שיטפון והיווצרות מחדש בממוצע 55 שנים ושהשיטפונות התרחשו כמה פעמים בתקופה בת 2,000 שנים מלפני כ-15,000 שנים ועד לפני כ-13,000 שנים. ההידרולוג ג'ים אוקנור (Jim O'Connor) מהסקר הגאולוגי של ארצות הברית והמדען חרארד בניטו (Gerard Benito) מהמרכז הספרדי למדעי הסביבה מצאו עדויות ללפחות עשרים וחמישה שיטפונות עצומים. הספיקה של הגדול שבהם הייתה 10 מיליארד מטרים מעוקבים בשעה (2.7 מיליון מטרים מעוקבים בשנייה, 13 פעמים הספיקה של נהר האמזונאס). קיימות הערכות חליפיות לקצב הזרימה בשיא, של 17 מיליארד מטרים מעוקבים בשעה, ואפילו 60 מיליארד מטרים מעוקבים בשעה. מהירות הזרם המקסימלית הגיעה ל-36 מטרים בשנייה (130 קילומטרים בשעה).
מחקר יסודי של המשקעים משיטפונות מיזולה, הידועים באופן בלתי רשמי כ"תצורת הנפורד" (Hanford formation), בתוך אגן הניקוז של הקולומביה, תיעד נוכחות של משקעים משיטפונות מיזולה מהפליסטוקן התיכון והתחתון בתוך ערוצי אותלו (Othello Channels), קניון נהר הקולומביה, הרמות המחורצות, אגן קווינסי (Quincy Basin), אגן פאסקו (Pasco Basin) ועמק ואלה ואלה (Walla Walla Valley). בהתבסס על נוכחות של נארי (סוג של סלע משקע) בין השכבות של משקעי השיטפונות, תיארוך באמצעות מגנטוסטרטיגרפיה ולומינסנציה מעוררת אופטית (optically stimulated luminescence), ודייקים קלאסטיים חתוכים באי התאמה מעריכים ששיטפון מיזולה העתיק ביותר מהפליסטוקן התרחש לפני 1.5 מיליון שנים. בשל האופי המקוטע של משקעים קרחוניים עתיקים יותר בתוך תצורת הנפורד, שברובם נסחפו בשיטפונות מיזולה שבאו אחר כך, לא ניתן להעריך בביטחון כלשהו את המספר המדויק של שיטפונות מיזולה עתיקים יותר, הידועים בכינוי "השיטפונות הקטסטרופליים הקדמוניים" (Ancient Cataclysmic Floods), שהתרחשו בפליסטוקן.

הזיהוי של ברץ

הגאולוג ג' הרלן ברץ (J Harlen Bretz‏ 1981-1882) זיהה לראשונה בשנות ה-20 של המאה ה-20 עדויות לשיטפון קטסטרופלי אותו כינה "שיטפונות ספוקיין". הוא חקר את האזור שאתו כינה האדמות המצולקות המחורצות (Channeled Scablands) במזרח וושינגטון, את קניון הנהר קולומביה, ואת עמק וילאמט באורגון. בקיץ 1922, ובמשך שבע השנים אחר כך ערך ברץ מחקרי שדה ברמת קולומביה. הוא התעניין במיוחד בתבניות הסחיפה יוצאות הדופן באזור מאז 1910, אחרי שראה מפה טופוגרפית של המפלים היבשים. ברץ טבע את המונח "האדמות המצולקות המחורצות" ב-1923 בהתייחס לאזור סמוך לגרנד קולי, שבו סחיפה עזה חצבה דרך שכבות הבזלת. ברץ פרסם מאמר ב-1923, שבו טען שהאדמות המצולקות המחורצות במזרח וושינגטון נגרמו על ידי שיטפונות אדירים בעבר הרחוק.
ההשערה של ברץ, שנראתה כתוצר של קטסטרופיזם – זרם הגורס כי עיצוב הנוף נעשה על ידי אירועים קטסטרופליים, חד-פעמיים, אלימים ומהירים – עוררה התנגדות עזה בגלל האמונה השלטת בעקרון האחידות – הגורס כי אירועים גאולוגיים מתרחשים בתהליכים אחידים ואיטיים, והשערתו נדחתה על ידי רוב החוקרים במיוחד בשל היעדר הסבר למקורם של המים. החברה הגאולוגית של וושינגטון די. סי. הזמינה את ברץ הצעיר להציג את המחקר שפרסם קודם לכן בכנס ב-12 בינואר 1927 שבו הציגו גאולוגים אחרים תאוריות מתחרות. גאולוג נוסף במפגש, ג'וזף פארדיי (Joseph T. Pardee‏; 1960-1871), עבד יחד עם ברץ והציג עדות לקיומו של אגם קרחוני קדום שסייע לבסס את התאוריות של ברץ. ברץ הגן על השערותיו, ובמשך 40 שנים התנהל ויכוח חריף בנוגע לתהליכים שגרמו להיווצרות האדמות המצולקות המחורצות. הן פארדיי והן ברץ המשיכו במחקריהם במשך 30 השנים הבאות, כשהם אוספים ומנתחים עדויות שהובילו אותם לזהות את אגם מיזולה כמקור לשיטפונות ספוקיין והגורם ליצירת האדמות המצולקות המחורצות.
לאחר שפארדיי חקר את הקניון של הנהר פלאטהד (Flathead River), הוא העריך שעל מנת להזיז את גושי הסלע הגדולים ביותר נדרש שזרם מי השיטפון יהיה במהירות של לפחות 72 קילומטרים לשעה. הוא העריך שספיקת זרם המים הייתה 37 מיליארד מטרים מעוקבים בשעה. על פי ההערכות הייתה ספיקת השיטפון גדולה פי עשרה מספיקת כל נהרות העולם בימינו ביחד.
לכבודו של ברץ מכונים שיטפונות אלו גם בכינוי "שיטפונות ברץ".

השערת השיטפונות המרובים

ב-1980 העלה ר.ב. וואייט (R.B. Waitt) את השערת השיטפונות המרובים. ואייט טען לרצף של שיטפונות מרובים – 40 או יותר. ההצעה של ואייט הייתה מבוססת בעיקר על ניתוח של משקעי אגם קרחוני בערוץ ניינמייל (Ninemile Creek) ומשקעי השיטפון בקניון ברלינגיים (Burlingame Canyon). הנימוק המשכנע ביותר שלו היה שמשקעי שכבות משני שיטפונות רצופים נתגלו כשהם מופרדים על ידי שתי שכבות של אפר געשי (טפרה) כששכבת האפר התחלקה לשתי שכבות המופרדות בגרגירי אבק שעפו ברוח. שתי שכבות האפר שוכנות במרחק של עשר שכבות מתחת לחלקה העליון של תצורת טושה (Touchet Formation). שתי שכבות האפר מופרדות באמצעות שכבת טין שאיננה ממקור געשי בעובי בין סנטימטר ל-10 סנטימטרים. מקור הטפרה הוא בהתפרצויות געשיות מהר סנט הלנס הקרוב. מכיוון שיש כארבעים שכבות בעלות מאפיינים דומים בקניון ברלינגיים טען ואייט שכל אחד מייצגים אירוע שיטפון.

המחלוקת על מספר השיטפונות ומקורם

המחלוקות האם צורות הנוף של האדמות המצולקות החרוצות נוצרו על ידי מספר שיטפונות או על ידי שיטפון אחד ענק, והאם מקורם באגם הקרחוני של מיזולה או ממקור קנדי שלא זוהה נמשכו עד 1999. צוות הגאולוגים בראשות שואו סקר מחדש את השכבות בתצורת טושה והגיע למסקנה כי השכבות אינן מייצגות שיטפונות המופרדים בעשרות או אפילו מאות שנים ביניהן. במקום זאת, הם העלו הצעה שתהליך יצירת המשקעים באגן אגם הקרחוני של מיזולה הוא תוצאה של מרוצת קרחון אחת שהתנקז לאגם מיזולה מקולומביה הבריטית שמצפון. יתר על כן, הצוות של שואו (Shaw) העלה השערה שההצפה של האדמות המצולקות נבעה בחלקה ממאגר ענק תת-קרחוני שהתפשט על פני מרבית מרכז של קולומביה הבריטית, בייחוד בעמק המרכזי של הרי הרוקי, שהתרוקן בכמה נתיבים, כולל אחד שעבר דרך אגם מיזולה. ספיקת זרם מים זה אם התרחשה במקביל להתמוטטות סכר הקרח של אגם מיזולה, הייתה גדולה בהרבה מספיקה של מי האגם בלבד. מכאן הציעו שואו ועמיתיו את ההשערה שהשכבות הריתמיות של תצורת טושה הן תוצאה של פעימות או נחשולים, במסגרת שיטפון גדול אחד.
בשנת 2000 ביצע צוות בראשות קומצו (Komatsu) סימולציה של השיטפונות תוך שימוש במודל הידראולי תלת ממדי. הם ביססו את קצב הספיקה של האגם הקרחוני של מיזולה על הקצב המשוער לעמק ספוקיין-ערבת רתדרם (Spokane Valley–Rathdrum Prairie) שבמורד הזרם מהאגם הקרחוני של מיזולה, שבו כמה אומדנים קודמים שיערו שהספיקה המקסימלית הייתה 17 מיליון מטרים מעוקבים מים בשנייה וסך כל המים שנפלטו היה שווה לנפח המקסימלי המשוער של אגם מיזולה (2,184 קילומטרים מעוקבים). זרם המים בסימולציה שלהם היה מבוסס על הטופוגרפיה של ימינו תוך התעלמות מכוונת מהשפעות הסחיפה. הממצאים העיקריים שלהם היו שהעומק המחושב של עומק המים בכל אחד מהאזורים המוצפים למעט עמק ספוקיין-ערבת רתדרם היה נמוך ממה שהעדויות בשטח הראו. לדוגמה, עומק המים באזור המעבר של אגן פאסקו-פער ואלולה (Pasco Basin–Wallula Gap) על פי המודל שלהם היה אמור להיות 190 מטרים, משמעותית פחות מגובה השיטפון של 300-280 מטרים כפי שמראות העדויות בשטח לגבי הגובה המקסימלי אליו הגיעו מי השיטפון. הם הגיעו למסקנה ששיטפון שספיקתו מיליון מטרים מעוקבים בשנייה לא היה מסוגל לגרום לסימונים של גובה עליון של המים כפי שנתגלו בשטח בפועל.
בתגובה לניתוח של קומצו, העיר צוות ברשות אטווטר (Atwater) שיש עדויות מוצקות לכמה שיטפונות גדולים, הכוללות סדקי בוץ ומחילות של בעלי חיים בשכבות הנמוכות שהתמלאו במשקעים משיטפונות מאוחרים יותר. יותר מכך, נמצאה עדות לשיטפונות מרובים על פני תקופה של כמה מאות שנים במעלה הזרועות הצדדים של האגם הקרחוני של קולומביה. הם גם הצביעו על כך שהנקודה יציאת המים מאגם קולומביה השתנתה במשך השנים, במקור דרך רמת ווטרוויל (Waterville Plateau) לתוך ערוץ מוזס (Moses Coulee), אבל מאוחר יותר שכשהקרחון המכונה אוקנגון לוב (Okanagon lobe) חסם נתיב זה, התחתרות לעומק שיצרה את הגרנד קולי ונקודת היציאה של המים זזה למוצא נמוך הרבה יותר. הניתוח של קומצו אינו מעריך את ההשפעה של הסחיפה המשמעותית שאובחנה באגן זה במהלך השיטפון (או השיטפונות) – מכאן ההנחה שאפשר להכין מודל הידראולי תוך שימוש בטופוגרפיה של ימינו דורשת בחינה מחודשת – יש לצפות שקניונים צרים עתיקים במקומות כדוגמת פער ואלולה ודרך קניון קולומביה ייצרו התנגדות גדולה יותר לזרם ועקב כך שיטפונות עמוקים יותר.

ההבנה הנוכחיות

התיארוך של ההפרדה בין השכבות לשיטפונות סדרתיים כפי שהציע וייאט נתמכה על ידי מחקרים שנעשו אחר-כך באמצעות פלאומגנטיזם, שגילו מרווח בין 30 עד 40 שנים בין שתי שכבות האפר מהר סנט הלנס, ומכאן הפער המינימלי בין השיטפונות. משקעים סמוך לחוף על קרקעית האוקיינוס השקט בשפך הנהר קולומביה כוללים 120 מטרים של חומרים ששקעו במשך תקופה של כמה אלפי שנים המקבילה לתקופה של שיטפונות מרובים באדמות המצולקות כפי שנתגלו בשכבות טושה. בהתבסס על הזיהוי של וייאט לקיומם של 40 שיטפונות, חושבה התקופה הממוצעת בין שיטפון לשיטפון על 50 שנים.

היווצרות השיטפון

ככל שעומק המים באגם מיזולה גדל, כך הלחץ על תחתית סכר הקרח גבר במידה כזו שטמפרטורת הקפיאה של המים הייתה נמוכה מהטמפרטורה של הקרח שיצר את הסכר. עובדה זו אפשרה למים נוזלים לדלוף דרך סדקים זעירים שבסכר הקרח. במשך הזמן החיכוך מהמים הזורמים דרך סדקים אלו יצר מספיק חום שהמיס את דפנות הסדקים והרחיב אותם. דבר זה אפשר ליותר מים לזרום דרך הסדקים, תוך יצירת חום נוסף, והגדלת כמות המים העוברת בסדקים. לולאת ההיזון החוזר החלישה בסופו של דבר את סכר הקרח והוא התפרק לחלוטין. תהליך זה מכונה מרוצת קרחון, ואירועים רבים כאלו אירעו בהיסטוריה המתועדת.

אירועי השיטפון

כאשר המים התפרצו מקניון נהר הקולומביה, הם נעצרו ונסוגו לאחור באזור המכונה "המצרים" (narrows) סמוך לקלאמה, שבו רוחב ערוץ הנחל מצטמצם ל-1.5 קילומטרים. כמה אגמים זמניים התרוממו לגובה של 120 מטרים, והציפו את עמק וילאמט עד יוג'ין ומעבר לה. קרחונים הסיעו סלעים תועים והם ומבני סחיפה הם עדות לאירועים אלו. משקעים ששקעו בתחתית האגמים הזמניים תרמו לעושר החקלאי של עמקי וילאמט וקולומביה. קרקע שנישאה על ידי הקרחונים שכוסתה במשך מאות בשנים בחול שנישא ברוח (לס) פיזרה חוליות תלולות המשתפלות כלפי דרום בכל רחבי עמק קולומביה, תנאים אידיאליים לגידולי מטעים וכרמים.
לאחר ביצוע מחקרים ותוך כדי מחלוקות מאמינים הגאולוגים כיום שהיו 40 או יותר שיטפונות נפרדים, אם כי המקור המדויק של המים עדיין שרוי בוויכוח. ספיקת השיא של השיטפונות מוערכת בין 40 ל-60 מיליארד מטרים מעוקבים בשעה. המהירות המקסימלית הגיעה ל-26 מטרים בשנייה (130 קילומטרים בשעה). עד 1.9×10¹⁹ ג'ולים של אנרגיה פוטנציאלית השתחררו בכל שיטפון (מקביל ל-4,500 מגה-טון של TNT). ההשפעה המצטברת של השיטפונות הייתה לחפור 210 קילומטרים מעוקבים של אדמת לס, משקעים ובזלת מהאדמות המצולקות המחורצות של מזרח וושינגטון ולהסיע אותם במורד הזרם.