Un valle glaciale a tunnel, o semplicemente valle a tunnel (in inglese tunnel valley), è una valle a U, lunga e larga, originariamente scavata sotto il ghiacciaio nei pressi del margine delle piattaforme glaciali continentali, come quella che adesso ricopre l'Antartide e che precedentemente ricopriva porzioni di tutti i continenti durante le passate glaciazioni.
Importanza
Le valli a tunnel svolgono un ruolo utile nell'identificazione delle aree ricche di petrolio in Arabia e Nordafrica, laddove i materiali dell'Ordoviciano superiore e/o Siluriano inferiore contengono uno strato di argillite nera ricca di carbone, di circa 20 metri di spessore. Approssimativamente il 30% del petrolio al mondo si trova in questi depositi di argillite. Sebbene la loro origine sia ancora in fase di studio, si è stabilito comunque che l'argillite regolarmente copre i sedimenti glaciali e glacio-marini depositati ~445 milioni di anni BP dalla glaciazione hirnantiana. L'argillite è stata collegata all'arricchimento glaciale dei nutrienti dell'acqua di disgelo dell'ambiente marino a bassa profondità. Di conseguenza la presenza di valli a tunnel in queste zone è un indicatore della presenza di petrolio.
La valli a tunnel rappresentano una frazione sostanziale di tutto il drenaggio dell'acqua di fusione proveniente dai ghiacciai. Questa influenza il flusso del ghiacciaio, fondamentale per capire la durata dei periodi glaciali-interglaciali, aiutando a identificarne la ciclicità, specialmente nelle ricerche paleo-ambientali.
Le valli a tunnel sono in genere erose dentro la roccia in posto e riempite con detriti glaciali di varie dimensioni. Questa conformazione le rende eccellenti nel catturare e immagazzinare l'acqua. Perciò esse svolgono un ruolo importante come falde acquifere in buona parte dell'Europa settentrionale, Canada e Stati Uniti. Esempi di falde acquifere nord americane sono quelle della Morena di Oak Ridges, della Spokane Valley-Rathdrum Prairie, di Mahomet, il Saginaw Lobe Aquifer e il Corning Aquifer.
Caratteristiche Sepolte, aperte e parzialmente riempite
Si possono osservare valli a tunnel aperte e sepolte (parzialmente o totalmente). Se sepolte, esse possono essere in parte o del tutto riempite con depositi glaciali o altri detriti. La valle può essere incisa nella roccia in posto, sabbia, silt o argilla.
Dimensioni Le valli variano per quanto riguarda la profondità e l'ampiezza del canale; in Danimarca, ad esempio, vi sono valli ampie 0,5-4 km e profonde 50-350 m. Lungo il loro corso, variano altresì per profondità/altitudine, mostrando in alcuni tratti una sovraescavazione; le sezioni sovraescavate incidono il substrato roccioso e normalmente sono molto più profonde sia delle sezioni a monte che di quelle a valle. Hanno fianchi ripidi che sono frequentemente asimmetrici.
Nelle valli a tunnel vi sono spesso singoli segmenti relativamente rettilinei, che corrono paralleli e indipendenti gli uni rispetto agli altri. Durante il loro percorso le valli possono presentare periodiche interruzioni: in alcune di queste si può riscontrare una zona elevata di esker, che indica che il canale attraversava un tratto ghiacciato. Le sezioni a pendenza inferiore hanno tipicamente una lunghezza di 5-30 km; in alcuni casi le sezioni formano uno schema più grande, con un canale interrotto composto da file di depressioni che possono estendersi per 70-100 km.
Struttura La porzione a monte, ossia la sezione più lontana all'interno del ghiacciaio, è costituita da un sistema ramificato che forma una rete, simile ai modelli anastomosici del tratto superiore di un fiume (in contrasto ai modelli dendritici). Tipicamente, le valli a tunnel hanno l'area con la sezione trasversale maggiore al centro e terminano in una distanza relativamente breve in conoidi di depositi glaciali ai bordi del ghiaccio.
Si vede che le valli a tunnel attraversano il gradiente regionale: di conseguenza, possono essere tagliate trasversalmente da reticoli di corsi d'acqua formati in tempi moderni. In un esempio, gli affluenti del fiume Kalamazoo intersecano quasi ad angolo retto il canale di un tunnel sepolto, riempito di ghiaccio e detriti. Spesso terminano in una morena di ritiro glaciale. Le valli a tunnel di glaciazioni successive possono intersecarsi l'un l'altra.“Principles of glacier mechanics”; Roger LeB. Hooke; 2nd Edition; 2005; Cambridge
Le valli a tunnel corrono frequentemente lungo percorsi grosso modo paralleli. Le regioni nelle quali si originano e che percorrono presentano chiari segni di erosione mediante abrasione e possono mostrare striature e rocce montonate. All'estremità terminale si trovano forme deposizionali come morene terminali e conoidi di dilavamento glaciale. Nel Michigan si è osservato che i canali delle valli a tunnel divergono leggermente con una spaziatura media tra di essi di 6 km ed una deviazione standard of 2,7 km.
I canali delle valli a tunnel spesso iniziano e si interrompono bruscamente. Hanno profili longitudinali convessi e spesso sono occupate da laghi allungati di corsi d'acqua sottoadattati. Frequentemente si riscontrano segni di deposizioni successive come gli esker.
Evidenza dei meccanismi di erosione L'evidenza suggerisce che l'erosione nelle valli a tunnel sia principalmente il risultato del flusso di acqua, ovvero dell'acqua di disgelo, in base all'ipotesi del drenaggio episodico causato dai ripetuti jökulhlaup, scatenatisi dai laghi e riserve (idriche) immagazzinati subglacialmente; esempi di tali movimenti sono stati osservati in Antartide. Sebbene vi siano prove di erosione glaciale sotto forma di striature nella roccia in posto, queste sono state riscontrate soltanto nelle valli più grandi e si ipotizza che abbiano svolto un ruolo secondario.
La disposizione subglaciale di tunnel/canali vallivi è prevalentemente orientata parallela alle linee di flusso glaciale ed essi essenzialmente si estendono da zone con ghiaccio più spesso verso zone glaciali più sottili. Possono mostrare gradienti inversi, ottenuti quando l'acqua di disgelo pressurizzata fluisce su ostacoli quali creste o colline, situate lungo il letto del ghiacciaio.
Le valli a tunnel possono formarsi sotto un grande spessore di ghiaccio. Esempi sono stati osservati sul fondo del Lago Superiore e negli oceani al largo dell'Antartide. Il corso di una valle a tunnel in genere corre dalla parte più spessa del ghiacciaio fino al suo termine; ne risulta che il ghiacciaio pressurizza l'acqua in modo che essa scorra in salita verso i suoi margini.
Formazione di canali/valli a tunnel
Sebbene vi sia accordo sul ruolo dell'acqua di disgelo nella generazione della valle a tunnel, sono ancora al vaglio molte teorie al riguardo: Teoria dello stato stazionario - Boulton e Hindmarsh propongono la teoria dello stato stazionario, suggerendo che le valli a tunnel formino sedimenti non consolidati quando l'acqua di disgelo fluisce sotto pressione attraverso un condotto subglaciale inizialmente stretto. Con la rimozione progressiva dei sedimenti, causata dall'acqua di disgelo, il ghiaccio si deforma sotto il suo proprio peso dentro la cavità, creando così una valle a tunnel attraverso un meccanismo di feedback positivo. L'erosione apportata dallo jökulhlaup - Piotrowski ipotizza che i ghiacciai possano, in qualche caso, essere basati sul freddo; vale a dire che, a contatto con il suolo gelato (permafrost), essi si ghiacciano. L'acqua di fusione si forma dietro questo termine di ghiaccio gelato fino a che essa non genera pressione sufficiente a sollevare il ghiaccio rompendone il legame, con un rilascio catastrofico di acqua di disgelo, come si osserva nello jökulhlaup islandese. In conseguenza di questo jökulhlaup viene a formarsi una valle a tunnel. Erosione del ghiacciaio - Wingfield propone che le valli a tunnel si formino gradualmente, con la testa della valle tagliata progressivamente verso la sorgente del ghiacciaio durante la deglaciazione.Wingfield R., The origin of major incisions within the Pleistocene deposits of the North Sea (1990) Marine Geology, 91 (1-2), pp. 31-52.
Sono state osservate esplosioni periodiche di acqua tra i laghi subglaciali sotto la calotta polare antartica orientale. I dati satellitari hanno registrato una "scarica" subglaciale di 2 km3, che ha percorso ~260 km in un lasso di tempo inferiore a un anno. Quando il flusso decresce, il peso del ghiaccio chiude il tunnel, sigillando nuovamente il lago. Il flusso d'acqua viene a modellarsi in modo soddisfacente incanalandosi nel ghiaccio e nei sedimenti. Il modello analitico mostra che, su alcune regioni, la geometria del substrato roccioso-ghiaccio comprende sezioni che sarebbero congelate, bloccandone il flusso, a meno che l'erosione del substrato sedimentario non sia il mezzo attraverso il quale venga a formarsi un canale che ne sostenga il deflusso. Perciò, combinando questi dati e l'analisi con le osservazioni dello jökulhlaup islandese, vi è evidenza sperimentale in merito alla plausibilità di alcune ipotesi dello jökulhlaup con caratteristiche del modello di stato stazionario.
Caratteristiche comuni delle teorie della valle a tunnel
L'idea del flusso di acqua di disgelo subglaciale è comune a tutte le teorie; perciò una chiave per capire la formazione del canale sta nella comprensione del flusso d'acqua subglaciale, la quale può essere prodotta sulla superficie del ghiacciaio (supraglacialmente), sotto di esso (basalmente), o in entrambi i modi. L'acqua di fusione può quindi scorrere sia supraglacialmente, che basalmente e i segni del suo flusso differiscono a seconda della zona di passaggio. In tutti gli ambienti di superficie, il flusso supraglaciale è simile a quello di un corso d'acqua, ovvero: l'acqua fluisce dalle zone più elevate a quelle più basse sotto l'influenza della gravità. Il flusso basale invece mostra significative differenze, dato che l'acqua, prodotta dalla fusione alla base o portata giù dalla superficie a causa della forza di gravità, si accumula alla base del ghiacciaio in laghetti e laghi in una sacca coperta da centinaia di metri di ghiaccio. Se non vi è nessun percorso di drenaggio in superficie, l'acqua che fonde dalla superficie fluirà verso il basso e si accumulerà nelle fenditure del ghiaccio, mentre l'acqua proveniente dalla fusione basale si accumulerà sotto il ghiacciaio; la sorgente formerà un lago subglaciale. La testa idraulica dell'acqua accumulata in un lago basale aumenterà, in quanto viene drenata attraverso il ghiaccio fino a che la pressione non aumenta abbastanza, da sviluppare un percorso attraverso il ghiaccio o al di sopra di esso.
Teoria dello stato stazionario
Le sorgenti di acqua e i suoi percorsi di drenaggio attraverso e al di sotto dei ghiacciai temperati e sub-polari sono ragionevolmente ben compresi e forniscono una base per capire le valli a tunnel. Per questi ghiacciai, l'acqua supraglaciale si muove a fiumi su tutta la superficie del ghiacciaio fino a quando non scende in una sua fessura verticale (mulino). Da qui si unisce all'acqua subglaciale, formatasi per mezzo del calore geotermico; parte dell'acqua fluisce dentro le falde acquifere sottostanti al ghiacciaio. L'acqua subglaciale in eccesso, che non può defluire attraverso i sedimenti o il substrato roccioso impermeabile allo stesso modo delle acque sotterranee, si muove attraverso canali erosi dentro lo strato di sedimenti sotto il ghiacciaio (chiamati canali di NyeI canali più piccoli, noti come canali di Nye, devono il loro nome al fisico britannico John Nye.), o verso l'alto attraverso canali all'interno del ghiacciaio (chiamati canali di Rothlisberger), defluendo alla fine oltre i suoi margini. Semplificando, la valle a tunnel può essere considerata una versione su scala maggiore di questi fenomeni.