Ученые из Университета Глазго получили новые данные об одном из фундаментальных геологических процессов – о том, как реки постепенно разрушают горные породы и изменяют ландшафты. Об этом пишет Phys.
Что на самом деле помогает рекам разрушать скалы?
Естественной лабораторией для исследования стал остров Джура у западного побережья Шотландии. Это отдаленное место, где проживает около 250 человек, давно известно благодаря производству виски. Теперь местные реки помогли геологам лучше понять механизмы речной эрозии.
Исследование показало, что скорость разрушения русла зависит не только от твердости породы, через которую протекает река. Не менее важным может быть материал, который вода переносит вместе с течением. Твердые обломки горных пород, двигаясь по руслу, могут действовать подобно наждачной бумаге. Они царапают и стирают поверхность более мягких пород, постепенно ускоряя их разрушение.
Новые данные могут помочь геологам точнее реконструировать, как реки изменяли континенты в прошлом. Кроме того, лучшее понимание процессов эрозии может быть важным для прогнозирования того, как изменение климата будет влиять на ландшафты в будущем.
Водопады стали природными часами
Особенности геологии Джуры позволили ученым фактически заглянуть в прошлое речных систем острова. Примерно 13 600 лет назад заканчивался последний ледниковый период. Огромные массы льда, ранее давившие на поверхность острова, начали исчезать, и земля постепенно поднималась по мере уменьшения этой нагрузки.
Этот процесс повлек за собой изменения уровня моря вокруг Джуры. В местах, где реки впадали в море, образовались небольшие водопады – так называемые knickpoints, или резкие перепады в русле.
Такие водопады оказались чрезвычайно полезными для геологов. Вода постепенно разрушает каменный край водопада. Со временем он разрушается, а сам водопад начинает смещаться вверх по течению, то есть движется против направления течения реки.
Скорость такого перемещения позволяет исследователям оценить, насколько активно происходила эрозия на протяжении тысячелетий. Руководитель исследования доктор Адам Смит из Школы географических и геологических наук Университета Глазго пояснил, что связь между твердостью породы и скоростью ее разрушения оказалась сложнее, чем может показаться.
Естественно предположить, что твердые породы разрушаются дольше, чем мягкие. Однако предыдущие исследования рек показали, что это не всегда так и что различия в прочности породы и донных отложений могут приводить к непредсказуемой эрозии, – отметил он.
По словам Смита, остров Джура предоставил ученым редкую возможность подробно изучить роль материалов, которые реки переносят своим течением.
"Джура дала нам в этом исследовании фантастическую возможность изучить роль осадочных материалов, переносимых реками, в процессе эрозии", – добавил исследователь.
Почему Джура стала идеальным местом для эксперимента?
На острове наблюдается необычное сочетание двух очень разных типов горных пород.
Часть рек Джуры протекает через так называемый кварцит Джуры – одну из самых твердых пород, которые можно найти на Земле. Другие реки сначала проходят через этот твердый кварцит, а затем пересекают значительно более мягкие сланцевые породы группы Исдейл.
Такая природная структура позволила создать своеобразный геологический эксперимент без необходимости искусственно изменять окружающую среду.
"Коренные реки Джуры протекают над кварцитом Джуры, одной из самых твердых пород, которые можно найти где угодно на Земле, а также над значительно более мягкой полосой сланца, известной как подгруппа Исдейл. Некоторые реки пересекают только твердый кварцит, тогда как другие проходят через твердую породу, а затем через мягкий сланец. Это создало естественную возможность проверить, действительно ли тип породы влияет на то, как река вызывает эрозию", – пояснил Адам Смит.
Чтобы получить точные данные о прочности местных пород, команда отправилась в Джуру и провела масштабные измерения. Исследователи использовали прибор под названием молоток Шмидта. Он имеет пружинный механизм и позволяет оценить твердость поверхности по тому, насколько сильно рабочая часть отскакивает после удара.
Чем тверже порода, тем сильнее будет отскок. Ученые провели 832 отдельных измерения на 35 геологических выходах вдоль единственной дороги острова. Полученные результаты показали, что кварцит примерно в три раза тверже местного сланца. На основе этих данных команда создала карту, отражающую распределение прочности горных пород на Джуре.
Компьютерные модели дали неожиданный результат. После полевых исследований ученые вернулись в лаборатории и использовали полученные данные для создания трех компьютерных моделей.
Каждая из них по-разному объясняла, как водопады и перепады русел могли изменяться под воздействием речного течения после их образования тысячи лет назад. Первая модель исходила из предположения, что тип породы вообще не влияет на характер эрозии. Вторая модель основывалась на более очевидной гипотезе – твердые породы всегда сложнее разрушить, чем мягкие.
Третья модель учитывала сразу два фактора: прочность самого речного русла и твердость осадочного материала, который переносит вода. После этого результаты моделирования сравнили с реальным расположением водопадов и перепадов русел на Джуре.
Именно здесь исследователей ждал неожиданный результат.
Модель, которая просто предполагала, что твердые породы разрушаются медленнее, не дала наилучших прогнозов. Более того, она показала несколько худший результат, чем предположение об одинаковой скорости эрозии на всей территории.
Нас удивило то, что простое назначение различной скорости эрозии для твердых и мягких пород не улучшило прогнозы. На самом деле это сработало чуть хуже, чем предположение, что скорость эрозии везде одинакова, – рассказал Смит.
Наиболее точной оказалась модель, учитывающая разницу между твердостью материала, переносимого рекой, и породой, по которой он движется.
"Наше моделирование показало, что разница в твердости между осадочным материалом, переносимым рекой, и коренной породой под ним действительно имеет значение. В некоторых случаях твердый материал, движущийся над более мягкой породой, может значительно усиливать эрозию по сравнению с тем, что мы могли бы предсказать, исходя только из прочности коренной породы", – отметил ученый.
Твердые камни могут действовать как наждачная бумага
Главный вывод исследования заключается в том, что река разрушает ландшафт не только силой воды.
Вместе с течением движутся обломки камней, песок и другие осадочные материалы. Если эти частицы достаточно твердые, они могут активно стирать поверхность русла.
Представить этот процесс можно как природную наждачную бумагу. Твердые обломки, которые несет вода, постоянно соприкасаются с поверхностью дна. Если под ними находится более мягкая порода, механическое истирание может существенно ускорить ее разрушение.
В то же время исследователи подчеркивают, что не стоит преувеличивать роль твердости пород. На скорость речной эрозии больше всего влияют два основных фактора. Первый – количество воды, протекающей по реке. Оно зависит от уровня осадков и площади территории, с которой вода поступает в речную систему.
Второй важный фактор – крутизна русла
Твердость пород и осадочного материала играет меньшую роль, но, как показало исследование, все равно может существенно влиять на формирование ландшафта.
Новые данные могут изменить модели развития ландшафтов. На уровне отдельной небольшой реки разница может казаться незначительной. Однако геологи часто создают модели, охватывающие огромные территории – десятки или даже сотни километров.
В таких масштабах даже небольшое повышение точности моделирования может иметь большое значение.
Современные модели эволюции ландшафтов часто рассматривают твердые и мягкие породы как отдельные большие блоки. При этом они могут недостаточно учитывать смешивание обломков разных пород, перемещающихся в рамках одной речной системы.
Исследование на Джуре показывает, что этот процесс может быть важнее, чем считалось ранее. По мере развития вычислительных технологий дополнительные детали о взаимодействии воды, осадочных материалов и пород могут быть включены в более масштабные модели.
В перспективе это может помочь создавать так называемые цифровые двойники геологических процессов Земли. По словам Адама Смита, именно уникальный ландшафт Шотландии сделал такое исследование возможным.
"Шотландия имеет долгую историю важных вкладов в геологию. В стране находятся одни из самых древних пород Великобритании, и некоторые из первых знаний о геологии появились именно здесь", – отметил он.
Ученый также подчеркнул, что открытый и суровый рельеф Джуры позволил провести исследование так, как это было бы сложно сделать в других регионах Великобритании.
"Суровый и открытый рельеф Джуры сделал это возможным так, как это было бы невозможно в других частях Великобритании, например на юге Англии, покрытом сельскохозяйственными угодьями. Это исследование является еще одним примером того, как уникальный характер ландшафта страны помог нам создать новую науку", – подытожил Смит.