Билейские основы современной науки
Шрифт:
Эти процессы образования отложений представляют большой интерес и для геологов, и для гидротехников. Большинство процессов, изучаемых геологией, так или иначе связаны с водой, однако процессы осаждения занимают среди них наиболее важное место, поскольку большая часть земной суши представлена осадками либо в свободном, несвязанном виде, либо соединенными в осадочные породы. Следовательно, для того чтобы понять и объяснить геологические процессы и явления, ученый-геолог должен хорошо представлять себе механизм образования отложений.
Для инженера-гидротехника знание этих процессов необходимо с более практической стороны.
Поэтому гидротехники в течение второй половины нашего века занимались интенсивными лабораторными и аналитическими исследованиями процессов осаждения. Эти явления чрезвычайно сложны, однако многое в них уже понятно, а многое будет понято в ближайшее время.
Очевидно, что даже те 29% земной поверхности, которые сегодня занимает суша, в прошлом были покрыты водой, а большинство горных пород на поверхности Земли первоначально образовались в результате осаждения твердых частиц, переносившихся водными потоками. Горные породы обычно подразделяют на вулканические, метаморфические и осадочные, причем последние образовывались, как правило, в результате осаждения твердых частиц, принесенных водой из некоторого источника. Примечательно, что большинство гор на поверхности суши образованы осадочными породами. «По объему на Земле осадочных пород примерно в десять раз меньше, чем вулканических, образующих земную кору; однако когда речь заходит о породах, выходящих на земную поверхность, то нужно отметить, что осадочные породы покрывают примерно три четверти суши». [150]
Кроме того, в основании многих вулканических пород, образующих земную поверхность, лежат осадочные породы, по которым в свое время текла застывающая вулканическая лава, извергнутая через жерла вулканов или разломы в земной коре. Многие метаморфические горные породы также образовались из осадочных (к примеру, мрамор образуется из известняка в результате процессов метаморфизма).
Очевидно, что вода, некогда покрывавшая поверхность Земли, сыграла важнейшую роль при образовании как самих горных пород, так и рельефа суши. Вопрос состоит лишь в том, были эти процессы медленными или быстрыми, а также в том, были они прерывистыми или непрерывными. Именно в этом и состоит традиционный спор между эволюционным униформизмом и библейским креационизмом.
Если взять для примера процесс образования отложений, включающий в себя эрозию, перенос и осаждение частиц (что наиболее важно для обсуждения данного вопроса), то он может идти как очень медленно, так и чрезвычайно быстро. Скорость его зависит от многих переменных. Вот далеко неполный их перечень:
1. Гидравлические характеристики: уклон, форма и размеры сечения русла; количество воды, протекающей через сечение в единицу времени; рельеф дна и стенок русла; постоянство параметров потока; температура воды и т.п.
2. Топографические факторы: форма и размеры бассейна, уклон и рельеф местности; тип почвы и покрывающей ее растительности, разветвленность сети притоков, характеристики бассейна грунтовых
3. Метеорологические факторы: частота и интенсивность ливней, направление движения воздушных масс, продолжительность дождей.
4. Литологические факторы: размер, форма, однородность, удельная плотность и химический состав переносимых водой частиц.
Сюда можно добавить еще целый ряд важных факторов, однако даже этот перечень показывает, насколько тщетны попытки, определив некую среднюю скорость осаждения, распространять ее затем на период в сотни миллионов лет в прошлое для того, чтобы объяснить существование огромных напластований осадочного происхождения в земной коре! Непонятно, почему гипотеза о быстром (или катастрофическом) образовании этих напластований не может служить объяснением с тем же успехом, что и теория о медленном осаждении твердых частиц на протяжении миллионов лет, тем более что обе они полностью согласуются с постулатом о неизменности законов природы.
Может показаться, что, изучив свойства осадочной породы, можно логическим путем определить: а) характер местности, где данная порода подверглась эрозии; б) параметры и характер водного потока, осуществившего ее перенос; в) характер и размеры того бассейна, где она в конце концов выпала в осадок. Однако в действительности, учитывая приведенный выше огромный перечень переменных, способных повлиять на эти процессы, сделать сколько-нибудь достоверные выводы на этот счет обычно оказывается невозможным.
Для определения скорости переноса твердых частиц было проведено огромное число опытов на моделях и меньшее - естественных условиях. Было выведено множество эмпирических формул, причем некоторые из них оказались весьма полезными при решении ряда инженерных задач. Вот как выглядит одна из наиболее простых [151]:
Здесь G, - количество твердой породы, которое переносится водой через каждое поперечное сечение русла, в фунтах в секунду; W - ширина русла; V - скорость потока в футах в секунду; n - коэффициент шероховатости, определяющий степень гидравлического сопротивления, которое оказывают потоку жидкости дно и стенки русла. D - глубина русла, и d - диаметр твердых частиц, выраженные в футах. Влияние температуры учитывается введением коэффициента кинематической вязкости воды k. Для приближенных расчетов можно принять k и n равными соответственно 0,00001 фут/с и 0,035, хотя они могут изменяться в довольно широких пределах.
Эта формула справедлива только для случая однородного русла при условии постоянства скорости течения и в том случае, если твердые частицы представлены в основном песчинками одинакового размера. Даже при соблюдении всех этих условий ответ будет весьма приблизительным. Во многих формулах делается попытка разделить частицы, постоянно взвешенные в воде, частицы, скачкообразно перемещающиеся по дну и стенкам, и частицы, постоянно находящиеся на дне. Следует учитывать, что в зависимости от скорости течения, а также других факторов форма песчаных наносов на дне может изменяться, меняя таким образом коэффициент шероховатости и другие характеристики потока.