Річки виявилися складнішими за підручники: вчені з'ясували, що насправді руйнує скелі

Вчені з Університету Глазго отримали нові дані про один із фундаментальних геологічних процесів – те, як річки поступово руйнують гірські породи та змінюють ландшафти. Про це пише Phys.

Що насправді допомагає річкам руйнувати скелі?

Природною лабораторією для дослідження став острів Джура біля західного узбережжя Шотландії. Це віддалене місце, де проживає приблизно 250 людей, давно відоме завдяки виробництву віскі. Тепер місцеві річки допомогли геологам краще зрозуміти механізми річкової ерозії.

Дослідження показало, що швидкість руйнування русла залежить не лише від твердості породи, через яку протікає річка. Не менш важливим може бути матеріал, який вода переносить разом із течією. Тверді уламки гірських порід, рухаючись руслом, можуть діяти подібно до наждачного паперу. Вони дряпають і стирають поверхню м'якших порід, поступово прискорюючи їхнє руйнування.

Нові дані можуть допомогти геологам точніше реконструювати, як річки змінювали континенти в минулому. Крім того, краще розуміння процесів ерозії може бути важливим для прогнозування того, як зміна клімату впливатиме на ландшафти у майбутньому.

Водоспади стали природним годинником

Особливості геології Джури дозволили вченим фактично зазирнути в минуле річкових систем острова. Приблизно 13 600 років тому завершувався останній льодовиковий період. Величезні маси льоду, які раніше тиснули на поверхню острова, почали зникати, і земля поступово піднімалася після зменшення цього навантаження.

Цей процес спричинив зміни рівня моря навколо Джури. У місцях, де річки впадали в море, утворилися невеликі водоспади – так звані knickpoints, або різкі перепади в руслі.

Такі водоспади виявилися надзвичайно корисними для геологів. Вода поступово руйнує кам'яний край водоспаду. З часом він руйнується, а сам водоспад починає зміщуватися вгору за течією, тобто рухається проти напрямку потоку річки.

Швидкість такого переміщення дає дослідникам можливість оцінити, наскільки активно відбувалася ерозія протягом тисячоліть. Керівник дослідження доктор Адам Сміт зі Школи географічних і геологічних наук Університету Глазго пояснив, що зв'язок між твердістю породи та швидкістю її руйнування виявився складнішим, ніж може здатися.

Природно припустити, що тверді породи руйнуватимуться довше, ніж м'які. Однак попередні дослідження річок показали, що це не завжди так і що відмінності в міцності породи та донних наносів можуть призводити до непередбачуваної ерозії, – зазначив він.

За словами Сміта, острів Джура дав ученим рідкісну можливість детально дослідити роль матеріалів, які річки переносять своєю течією.

"Джура дала нам у цьому дослідженні фантастичну можливість вивчити роль осадових матеріалів, які переносять річки, у процесі ерозії", – додав дослідник.

Чому Джура стала ідеальним місцем для експерименту?

На острові існує незвичайне поєднання двох дуже різних типів гірських порід.

Частина річок Джури протікає через так званий кварцит Джури – одну з найтвердіших порід, які можна знайти на Землі. Інші річки спочатку проходять через цей твердий кварцит, а потім перетинають значно м'якші сланцеві породи групи Ісдейл.

Така природна структура дозволила створити своєрідний геологічний експеримент без необхідності штучно змінювати навколишнє середовище.

"Корінні річки Джури протікають над кварцитом Джури, однією з найтвердіших порід, які можна знайти будь-де на Землі, а також над значно м'якшою смугою сланцю, відомою як підгрупа Ісдейл. Деякі річки перетинають лише твердий кварцит, тоді як інші проходять через тверду породу, а потім через м'який сланець. Це створило природну можливість перевірити, чи справді тип породи змінює те, як річка викликає ерозію", – пояснив Адам Сміт.

Щоб отримати точні дані про міцність місцевих порід, команда вирушила на Джуру та провела масштабні вимірювання. Дослідники використали прилад під назвою молоток Шмідта. Він має пружинний механізм і дозволяє оцінити твердість поверхні за тим, наскільки сильно робоча частина відскакує після удару.

Чим твердіша порода, тим сильнішим буде відскок. Учені зробили 832 окремі вимірювання на 35 геологічних виходах уздовж єдиної дороги острова. Отримані результати показали, що кварцит приблизно втричі твердіший за місцевий сланець. На основі цих даних команда створила карту, яка відображала розподіл міцності гірських порід на Джурі.

Комп'ютерні моделі дали несподіваний результат. Після польових досліджень учені повернулися до лабораторій і використали отримані дані для створення трьох комп'ютерних моделей.

Кожна з них по-різному пояснювала, як водоспади та перепади русел могли змінюватися під впливом річкової течії після їхнього утворення тисячі років тому. Перша модель виходила з припущення, що тип породи взагалі не впливає на характер ерозії. Друга модель базувалася на більш очевидній гіпотезі – тверді породи завжди важче зруйнувати, ніж м'які.

Третя модель враховувала одразу два фактори: міцність самого річкового русла та твердість осадового матеріалу, який переносить вода. Після цього результати моделювання порівняли з реальним розташуванням водоспадів і перепадів русел на Джурі.

Саме тут дослідників чекав несподіваний результат.

Модель, яка просто припускала, що тверді породи руйнуються повільніше, не дала найкращих прогнозів. Ба більше, вона показала дещо гірший результат, ніж припущення про однакову швидкість ерозії на всій території.

Нас здивувало те, що просте призначення різної швидкості ерозії для твердих і м'яких порід не покращило прогнози. Насправді це спрацювало трохи гірше, ніж припущення, що швидкість ерозії всюди однакова, – розповів Сміт.

Найточнішою виявилася модель, яка враховувала різницю між твердістю матеріалу, що переносить річка, та породою, по якій він рухається.

"Наше моделювання показало, що різниця у твердості між осадовим матеріалом, який переносить річка, і корінною породою під ним справді має значення. У деяких випадках твердий матеріал, що рухається над м'якшою породою, може значно посилювати ерозію порівняно з тим, що ми могли б передбачити лише на основі міцності корінної породи", – зазначив учений.

Тверді камені можуть працювати як наждачний папір

Головний висновок дослідження полягає в тому, що річка руйнує ландшафт не лише силою води.

Разом із течією рухаються уламки каміння, пісок та інші осадові матеріали. Якщо ці частинки достатньо тверді, вони можуть активно стирати поверхню русла.

Уявити цей процес можна як природний наждачний папір. Тверді уламки, які несе вода, постійно контактують із поверхнею дна. Якщо під ними знаходиться м'якша порода, механічне стирання може суттєво прискорити її руйнування.

Водночас дослідники наголошують, що не варто перебільшувати роль твердості порід. На швидкість річкової ерозії найбільше впливають два головні фактори. Перший – кількість води, яка протікає річкою. Вона залежить від рівня опадів і площі території, з якої вода надходить до річкової системи.

Другий важливий фактор – крутість русла

Твердість порід і осадового матеріалу відіграє меншу роль, але, як показало дослідження, все одно може суттєво впливати на формування ландшафту.

Нові дані можуть змінити моделі розвитку ландшафтів. На рівні окремої невеликої річки різниця може здаватися незначною. Однак геологи часто створюють моделі, які охоплюють величезні території – десятки або навіть сотні кілометрів.

На таких масштабах навіть невелике покращення точності моделювання може бути важливим.

Сучасні моделі еволюції ландшафтів часто розглядають тверді та м'які породи як окремі великі блоки. При цьому вони можуть недостатньо враховувати змішування уламків різних порід, які переміщуються однією річковою системою.

Дослідження на Джурі показує, що цей процес може бути важливішим, ніж вважалося раніше. У міру розвитку обчислювальних технологій додаткові деталі про взаємодію води, осадових матеріалів і порід можуть бути включені до масштабніших моделей.

У перспективі це може допомогти створювати так звані цифрові двійники геологічних процесів Землі. За словами Адама Сміта, саме унікальний ландшафт Шотландії зробив таке дослідження можливим.

"Шотландія має довгу історію важливих внесків у геологію. У країні знаходяться одні з найстаріших порід Великої Британії, і деякі з перших знань про геологію з'явилися саме тут", – зазначив він.

Учений також підкреслив, що відкритий і суворий рельєф Джури дозволив провести дослідження так, як це було б складно зробити в інших регіонах Великої Британії.

"Суворий і відкритий рельєф Джури зробив це можливим так, як це не було б можливим в інших частинах Великої Британії, наприклад на півдні Англії, вкритому сільськогосподарськими угіддями. Це дослідження є ще одним прикладом того, як унікальний характер ландшафту країни допоміг нам створити нову науку", – підсумував Сміт.