База знаний

Изменения расхода водотоков. Подготовленная выветриванием и перемещаемая вниз по склону склоновыми процессами масса рыхлого материала рано или поздно достигает водотока, где она начинает двигаться совершенно иначе. Чтобы понять, что при этом происходит, мы должны более внимательно исследовать, что же именно заставляет водоток непрерывно двигаться. Прежде всего посмотрим на искусственный водоток, текущий в сточной канаве или трубе, отводящей дождевые воды и различные отходы с шоссе, улиц или из зданий. В промежутках между дождями во многих канавах сток прекращается, потому что бетонные стенки изолируют их от грунта и грунтовая вода в них не попадает. Не таковы природные водотоки. За исключением пустынь и других засушливых территорий, водотоки продолжают течь повсюду в любую погоду. Их объем постоянно меняется, но течение не прекращается, потому что они постоянно питаются водой, впитывающейся в грунт вокруг них и просачивающейся в русло. Большая часть грунтов, как скальных, так и рыхлых, проницаема для воды, то есть вода может в них просачиваться и медленно перемещаться, используя мельчайшие поры, соединенные между собой. При каждом дожде грунт поглощает воду, и после медленного подземного путешествия, долгого или краткого, эта грунтовая вода просачивается в ближайший водоток (рис. 10, левая часть), вне зависимости от того, выпадает в это время дождь или нет. Таким образом вода, заключенная в грунте, регулирует течение водотока, питая его по всей длине в промежутках между дождями. Это позволяет водотоку действовать как транспортирующий агент постоянно, а не только во время дождей. Наносы попадают в водоток способом, во многом схожим со способом поступления грунтовых вод. Медленное смещение грунта и другие склоновые процессы питают водоток наносами по всей его длине (рис. 10, правая часть).

Рис. 10. В водоток поступает вода (в ходе круговорота воды) и наносы (в процессе круговорота пород). Слева показано движение только воды, справа – только продуктов выветривания. В действительности оба процесса происходят на обоих бортах долины.

Перенос отложений. Как только частицы породы попадают в водоток, они начинают двигаться гораздо быстрее, чем тогда, когда они медленно смещались по склону долины. Но в водотоке их движение менее устойчиво. Несмотря на питание грунтовыми водами, объем водотока колеблется по сезонам и даже в зависимости от погоды. Дожди вызывают паводки, а во время засухи водоток уменьшается в размерах.

Текущая вода, изобилующая завихрениями и водоворотами, перемещает наносы в соответствии с размерами, формой и весом частиц. «Грубые» частицы (песчаные зерна и более крупные обломки) движутся не так, как «тонкие» (частицы ила и глины). Крупные частицы, которые вообще могут двигаться, перекатываются, скользят или перемещаются «скачками» по ложу потока, а мельчайшие частицы ила и глины, взвешенные в воде, несутся над ними, будучи увлекаемы вихрями и водоворотами, и лишь редко касаются дна. Только быстрые реки имеют достаточную силу, чтобы двигать крупную гальку и валуны. Большинство этих рек находится в горах и стекает с крутых склонов; но даже из таких рек многие могут перемещать крупные валуны только при катастрофических паводках, когда расход воды и скорость течения возрастают во много раз.

Фото 6. Один из путей снабжения водотока наносами. Водоток во время паводка подмывает песчаный откос на одном из берегов.

Когда паводок спадает, скорость течения уменьшается и все большая часть наносов в русле частица за частицей перестает передвигаться, причем самые крупные (и самые тяжелые) частицы останавливаются раньше всех. Более мелкие частицы отлагаются поверх тех, которые уже прекратили двигаться раньше. Этот процесс продолжается, и русло заполняется наносами до тех пор, пока убывает скорость. При этом отлагающиеся частицы оказываются отсортированными по размерам и весу в соответствии с убывающей силой водотока. Наиболее крупные обломки осаждаются в русле, а более мелкие выносятся вниз по течению. Сортировка является результатом «промывки» в текучей среде – в воде или в воздухе. Склоновые процессы, в которых жидкая среда почти не участвует, не производят сортировки рыхлого материала. Таким образом, сортировка представляет собой очень существенную часть медленного преобразования рыхлых продуктов выветривания, лежащих на склонах, в идеальную осадочную породу. Сортировку производят не только водотоки. Столь же эффективно сортируют осадки и другие виды водных, а также и воздушных течений.

Рис. 11. По всей обширной площади бассейна Миссисипи происходит перемещение наносов вниз по склонам в водотоки. Отлагаясь у устья главной реки, эти наносы создают в Мексиканском заливе дельту. Надводная часть дельты заходит далеко вверх по течению реки, но подводная часть (см. стрелки) по объему еще больше.

Осадки, отложенные потоком, могут снова вовлекаться в движение при следующем паводке, переноситься дальше вниз по течению и снова подвергаться сортировке при отложении. Каждая их частица снова и снова подвергается этому процессу, пока не достигнет места своего окончательного отложения, соответствующего данной части круговорота пород.

Независимо от размера зерен, отложения водных потоков на суше носят название аллювия.

Водоток не только производит сортировку наносов. Как и морской прибой на пляже, он окатывает обломки. Следуя вниз по течению водотока, от истоков к устью, и изучая галечник, слагающий его ложе и берега, иногда можно проследить, что вниз по течению галька в среднем становится более мелкой и лучше окатанной. Исследуя размер зерен и степень окатанности в некоторых древних слоях осадочных пород, отложенных водотоками, мы можем, пользуясь принципом актуализма, до некоторой степени представить себе сушу, по которой протекает этот поток, и получить представление о дальности переноса отложений. Таким образом, восстанавливаются существенные элементы природных условий прошлого.

Внимательное исследование аллювиальных отложений вдоль русла водотока, где они хорошо видны, показывает, что накопление наносов в русле происходит с большей изменчивостью, чем мы могли предполагать. Хотя в целом то, что наносы измельчаются по направлению к устью, справедливо, однако, некоторые, а может быть, и все изученные нами отложения состоят из слоев различной крупности, срезающих один другой и не обнаруживающих закономерного изменения в каком-либо направлении. В общем, это отражает повторяющиеся изменения объема и скорости водотока, вызывающие изменения диаметра частиц, отлагающихся в любой точке вдоль водотока. Такие изменения могут быть сезонными, суточными или нерегулярными, но все они сказываются на процессе осадконакопления. Более того, само ложе любого водотока нестабильно. Мы видели, что при спаде паводка на нем происходит отложение наносов. Но когда паводок начинается, объем и скорость водотока возрастают, и наносы, которые до этого находились в покое, начинают перемещаться по поверхности ложа или подхватываются и уносятся потоком. Иначе говоря, поверхность ложа потока эродируется. Это чередование эрозии с отложением наносов оставляет след на аллювии.

Большая часть аллювия в долинах водотоков представляет собой временное образование. Наносы временами перестают откладываться, но постоянно перемещаются вниз по течению. В конце концов большая часть их достигает моря. Эти соотношения можно видеть на рисунке 13.

Рис. 13. С течением времени кривая профиля водотока выполаживается, последовательно занимая положения 1, 2, 3, 4 и т.д. Положение устья реки на уровне моря при этом почти не меняется. В момент времени, соответствующий положению профиля 5, весь материал горных пород, показанных на рисунке более редкой штриховкой, уже снесен эрозией, и сохранились только породы, показанные частой штриховкой. В море более редкой штриховкой показаны осадки, накопившиеся к моменту формирования профиля 5. Их объем должен быть равен объему горных пород, подвергшихся размыву на суше (изображение схематическое).

Профиль потока. Если мы нанесем на график профиль любого водотока от истока до устья, то независимо от его размера мы обнаружим, что он представляет собой кривую, обращенную выпуклостью книзу. Конечно, на нем есть неровности, вызванные выходами более «твердых» или более «мягких» пород, которые размываются с различной скоростью (рис. 12), а также подвижками земной коры, но нормальная форма кривой вогнутая (но известны и другие формы кривых продольного профиля реки. – Прим. ред.). Профили молодых водотоков представляют крутопадающие кривые, а длительно существующие водотоки (при прочих равных условиях) имеют более пологие профили. Этим подтверждается справедливость нашего утверждения о том, что в ходе истории водотока или системы водотоков их профили выполаживаются.

Рисунок 13 показывает этот процесс непрерывных изменений; на нем видно, что в любой момент количество наносов, которое транспортируется этой системой до моря и отлагается там, соответствует количеству продуктов размыва, удаленных с суши. На рисунке также видно, что накапливающиеся осадки становятся все моложе к верхним горизонтам, а профили потока становятся моложе по направлению к днищу долины, как показывают два ряда цифр, означающих относительное время. На рисунке схематически нанесено также положение вершин холмов, поднимавшихся над долиной во время, соответствующее профилю 1. По мере того как главный водоток врезается, врезаются и его притоки, а склоновые процессы снижают холмы на междуречьях. Вся поверхность снижается, а склоны выполаживаются. Если этот процесс продолжается достаточно долго, поверхность может быть снижена до уровня моря и достичь такого состояния, которое характеризуется низкими пологосклонными холмами и широкими долинами с очень пологим профилем. Такая поверхность представляет собой пенеплен. Этот термин, означающий «почти равнина», преувеличивает сглаженность поверхности. Обычно пенеплены пологохолмисты, подобно рассмотренному ниже примеру.

Рис. 12. Один из видов местных неровностей в продольном профиле водотока. В этом случае выход твердого и трудноразмываемого слоя песчаника среди менее устойчивых к размыву аргиллитов задерживает врезание и создает уступ, на котором образуется водопад. Примером служит Ниагарский водопад.

Пенеплены. Хотя пенеплены занимают очень обширную площадь, они относительно легко разрушаются. Когда при поднятии земной коры уклоны увеличиваются и начинается новый цикл эрозии, пенеплен подвергается разрушению и в конце концов оказывается уничтоженным. Но если участок коры, поверхность которого представляет собой пенеплен, прогибается, то вероятно, что по крайней мере часть пенеплена будет погребена под более молодыми отложениями и тем самым предохранится от эрозии до тех пор, пока снова не будет выведена на поверхность.

Рис. 14. Погребенный пенеплен у восточного побережья США (изображение схематическое).

Погребенный таким образом пенеплен подстилает слой отложений мелового возраста на большей части Атлантического побережья Соединенных Штатов (рис. 14). По направлению в глубь суши, где перекрывавшие его слои снесены, древний пенеплен выходит на поверхность и лишь незначительно изменен возобновившейся эрозией. Ближе к морю он все еще остается погребенным, но его можно обнаружить на глубине буровыми скважинами и геофизическими исследованиями. Относительные превышения (расстояние по вертикали между вершинами холмов и днищами долин) местами превосходят 120 метров, но обычно гораздо меньше. Как можно было ожидать, холмы образованы плотными, менее размываемыми породами, в то время как понижения сформировались на участках выходов более слабого, легко размываемого материала.

Последовательность исторических событий, создавших изображенные на рисунке 14 условия, представляется следующей:

1. Формирование пенеплена деятельностью водотоков и склоновыми процессами, продолжительность действия которых, возможно, достигала 100 миллионов лет.
2. Наклон этого участка коры к юго-востоку, вызвавший погружение части пенеплена под уровень моря. Отложение мощной толщи морских осадков мелового возраста.
3. Дальнейший прогиб поверхности, способствовавший отложению морских кайнозойских осадков поверх меловых пластов.
4. Поднятие суши, вызвавшее выход из-под уровня моря морских отложений в прибрежном районе, увеличение крутизны склонов, эрозионный размыв морских отложений и таким образом «откапывание» пенеплена. В настоящее время наклон пенеплена в сторону моря имеет порядок десятка метров на километр.

Все эти события могут быть реконструированы при внимательном изучении рисунка 14. Подобная интерпретация представляет собой один из главных путей восстановления истории Земли по горным породам.