История Земли - Ричард Флинт

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

С точки зрения человека скорость движения, составляющая 2 5 сантиметра за 10 лет, представляется небольшой. Но в рамках геологического времени этой скорости достаточно, чтобы поддерживать в активном состоянии круговорот вещества пород При этой скорости (25 сантиметров за 100 лет) данный объем рыхлого грунта переместится с вершины к подножию горного склона длиной 1,6 километров приблизительно за 630 000 лет. Но Северная Америка существует как область, где преобладает суша, по крайней мере в тысячу раз дольше по сравнению с этим временем, а может быть и еще дольше. Таким образом, если мы представим себе, что склоновые процессы действуют на каждом склоне каждого континента, то нас поражает, насколько велик общий объем осадков, поступающих со склонов в реки хотя бы в течение одного года.

Рыхлый чехол продуктов выветривания покрывает 3/4 общей площади суши; поэтому, несмотря на его малую толщину и преимущественно небольшую скорость движения, объем материала, перемещаемого склоновыми процессами, огромен. Точной цифры никто не знает, но можно предполагать, что объем склонового материала, поступающего ежегодно в реки, достигает несколько сотен кубических километров. Находящиеся в движении или перемещенные и отложенные продукты выветривания горных пород по определению являются отложениями, вне зависимости от того, какие процессы их перемещают или переместили. Однако большая часть отложений на суше переносится водотоками.

Водотоки

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).

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.

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

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 находятся 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.

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.

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

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. Такрг 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.