Геологические аспекты океанологии прибрежных вод

Волны и течения в прибрежной части океана формируют очертания края континента. В свою очередь форма береговой линии оказывает сильное воздействие на волновой режим у берега и прибрежные течения. Вначале мы рассмотрим процесс рефракции волн, в ходе которого рельеф прибрежной части морского дна создает особую картину распределения волновой энергии вдоль берега. После этого опишем явление литорального переноса пляжных песков вдоль береговой линии, затем — питаемый волновой энергией процесс перемещения песков на берег и обратно, меняющий в зависимости от времен года общий вид и текстуру пляжа. И наконец, понятие о бюджете песков и осадков, поступающих на определенный участок побережья и выносимых с него, объединит все эти геологические процессы в теорию «динамических ячеек» транспортировки прибрежного песка.

Рефракция волн. Ранее мы описали уменьшение скорости поверхностной волны при ее движении к пляжу над поднимающимся дном. Теперь взглянем на этот процесс в его проявлении по площади, чтобы увидеть его геологические аспекты.

На рис. 18.8 показан длинный прямой отрезок береговой линии, вблизи которого изолинии глубин прибрежных вод также прямолинейны и параллельны берегу.

Предположим, что цуг поверхностных волн с параллельными гребнями подходит к прямой береговой линии под углом а, как это показано на рисунке. Приближаясь к берегу, линия гребней «загибается», так что когда волны в конце концов входят в прибойную зону, их гребни становятся почти параллельными пляжу. Это явление называется рефракцией волн. Рефракция происходит потому, что передняя часть волнового гребня, первая «чувствующая» трение о дно при глубине, скажем, 20 м, вынуждена снизить свою скорость, тогда как более удаленная от берега часть того же гребня продолжает приближаться к пляжу с нормальной скоростью. Каждая линия гребней искривляется таким образом, что при подходе к пляжу все они становятся почти параллельными береговой линии. Наблюдатель, видящий, как волны разбиваются у пляжа, редко может сказать, по какому направлению двигался цуг волн перед входом в прибрежную зону.

В однородном цуге набегающих волн энергия распределяется вдоль прямолинейного берега равномерно. Чтобы проиллюстрировать это, мы строим на рис. 18.8 пару «лучевых траекторий», отстоящих друг от друга на расстояние, разделяющее последовательные гребни в открытом море (x — х). Энергия, запасенная между соседними лучами, должна сохраняться и при подходе цуга волн к берегу. Эта энергия выделяется на берегу между точками х' — х'. Тщательное измерение покажет, что расстояние x' — х' немного превышает х — x', причем тем больше, чем больше угол прихода волн. Ясно, что величина энергии, рассеивающейся на каждом соседнем отрезке пляжа длиной х' - x', будет одной и той же, так как все части цуга воли преломляются одинаково.

Однако если береговая линия не прямолинейна, энергия разрушения волн будет концентрироваться у выступов суши и рассеиваться в заливах. Отрезок х‘ — х' у берегового выступа на рис. 18.8 гораздо короче, чем соответствующий ему отрезок х - х в открытом море. Это означает, что плотность волновой энергии возрастает у мыса пропорционально отношению (x - х)/(х' - х') — величине, большей единицы. Если же пара лучей пересекает береговую линию в заливе, расстояние x' — х' оказывается гораздо большим, чем исходный отрезок х — х, а значит, плотность энергии, принесенной в пределы залива, резко уменьшается.

Если выступы суши размываются быстро из-за того, что около них концентрируется энергия, а  и заливы либо размываются слабо, либо заполняются песчаными отложениями, то в результате при достаточно большой продолжительности этих процессов должны формироваться прямые береговые линии. В действительности же берега не прямолинейны, а скорее представляют собой чередование скалистых мысов и выступов суши с обширными заливами и бухтами, которые часто сочетаются с прибрежными низменными долинами и устьями рек (рис. 18.9).

В итоге мы приходим к выводу, что, несмотря на концентрацию волновой энергии, выступающие участки суши размываются медленно и эрозия отрезков береговой линии, заключенных между такими выступами, стабилизирована. А если баланс эрозии и осадконакопления устойчив, мы могли бы исследовать, сколько осадков поступает на каждый отрезок побережья и сколько с него сносится.

Бюджет прибрежных осадков: понятие о прибрежных «ячейках». Каковы источники песков, поступающих в прибрежную область? Ясно, что во все времена главным источником были реки. Дополнительный нерегулярный источник — размыв береговых уступов, особенно заметный в зонах опускания континентальных структур.

Когда исследователи прибрежной зоны получили более многочисленные и надежные данные о движении прибрежных осадков, стало ясно, что бюджет накопления и размыва не может быть сбалансирован на произвольно выбранном отрезке береговой линии. Вместо этого специалисты выделили в строении берега хорошо выраженные «ячейки», в которых происходит движение осадочного материала (рис. 18.9): реки приносят этот материал, под действием волн он медленно перемещается вдоль побережья, а границами ячейки служат либо скалистые выступы суши, либо подводные каньоны. В этой ячеистой системе, где происходит поступление, перемещение и отложение осадков, конечным местом осадконакопления должно быть дно соседней глубоководной океанической впадины; исключение составляют отложения в дельтах рек, где непрерывное поступление материала в прибрежный сектор приводит местами к опусканию поверхности (рис. 18.9).

Перенос реками. В табл. 18.1 перечислены некоторые крупные реки, несущие большие массы взвешенного материала. Такие же данные требуются при подсчете баланса осадочного материала для конкретных участков побережья: учитывается вынос всех рек — больших и малых.

Эрозия береговых уступов. Размыв береговых уступов включается в схему развития прибрежных ячеек (рис. 18.9), так как тектоническое поднятие района или повышение уровня моря может привести к тому, что прежняя береговая линия подвергнется новой волновой эрозии (см. также рис. 5.9).

Литоральный перенос. В примере, иллюстрирующем рефракцию волн, предполагалось, что берег прямолинеен, а рельеф дна прибрежной зоны однороден. Хотя и неявно, в этом примере предполагалось также, что наклон самого шельфа весьма невелик, так что процесс преломления осуществляется в точном соответствии с теорией и все набегающие волны подходят к прибойной зоне параллельно пляжу. Однако реальная береговая линия устроена не столь идеально: дно мелеет слишком резко, и преломление волн происходит не столь идеально правильно. Поэтому волны подходят к зоне прибоя под косым углом (рис. 18.10).

Поскольку частицы воды на гребне разбивающейся волны движутся в направлении, перпендикулярном линии гребня, результирующий заплеск воды на поверхность пляжа происходит под небольшим углом к этой поверхности. Однако заметим, что откат, т. е. обратный поток воды, заброшенной прибоем, идет прямо вниз по склону пляжа. Набрав скорость, откат снова перемещает песок, выброшенный в фазе заплеска волн, но теперь уже вниз по пляжу. При каждом волновом цикле происходит небольшое суммарное перемещение песка в направлении, параллельном берегу. Оно называется литоральным переносом (или литоральным дрейфом). Чем острее угол подхода волн в прибойную зону, тем интенсивнее литоральный перенос.

Литоральный перенос может менять свое направление с изменением времени года, если меняется направление подхода к берегу преобладающих цугов, но, как правило, имеет место некоторое результирующее перемещение песков в течение годового цикла. Песок пляжей Орегона и Северной Калифорнии испытывает общий литоральный перенос в южном направлении.

На разных участках одного и того же побережья может происходить литоральный дрейф в различных направлениях, как это показано на рис. 18.11 для одного из участков побережья Нью-Джерси.

Возможно, что тот волновой режим, который способствует северо-западному переносу вдоль побережья в северной части шт. Нью-Джерси, производит также и юго-западный перенос песков вдоль берега Лонг-Айленда, поскольку эти два отрезка береговой линии по-разному ориентированы к одним и тем же цугам набегающих волн.

Полезно сравнить объемы литорального переноса, представленного на рис. 18.11, с количеством взвешенного осадочного материала, выносимого большими реками (табл. 18.1). Оценки переноса песков для пляжей Нью-Джерси колеблются от 115 до 365 тыс. м3/год. Принимая среднюю плотность песчаных зерен равной 3 г/см3, мы получим, что соответствующие значения массы составляют от 350 тыс. до чуть более 1 млн. т в год. В отличие от этого масса материала, выносимого самыми крупными реками, гораздо больше: например, Гангом — больше 1 млрд, т/год. Из этого сравнения читатель может сделать вывод, что только часть материала, поступающего в прибрежные воды, участвует реально в литоральном дрейфе. Остальная часть может откладываться далеко от берега и, таким образом, оказывается вне досягаемости волн. Относительно тонкие частицы остаются во взвешенном состоянии более долгое время, а затем также осаждаются на дно во внешней части шельфа (см. также рис. 5.9).

Роль подводных каньонов в прибрежной ячейке. Вспомним сказанное в гл. 5 о том, что подводные каньоны, прорезающие континентальный склон и шельф материковых окраин, — это важнейший путь перемещения береговых осадков из окраинной области на абиссальные равнины. Известны по меньшей мере два механизма, посредством которых осуществляется этот перенос материала вниз по склону. Ученые из Океанографического института Скриппса в ходе погружений в подводный каньон Сан-Лукас видели настоящие «пескопады» — непрерывные потоки песка, обрушивающиеся в каньон (рис. 18.12).

В этом процессе песок постоянно уходит из прибрежной ячейки. Другой механизм — накопление осадочного материала и периодический его вынос турбидными потоками.

Роль выступов суши. Не все прибрежные ячейки теряют пасок и осадки через подводные каньоны. Скалистый выступ берега, или мыс, — естественное препятствие на пути непрерывного литорального переноса пляжных песков (рис. 18.9). Когда поток материала наталкивается на выступ суши и пытается обогнуть его, он утрачивает свои основные свойства на глубокой воде, в результате чего песок осаждается на шельфе, причем обычно так далеко, что больше никогда уже не возвращается в прибрежную ячейку. Таким образом, выступы суши — другая (помимо подводных каньонов) естественная граница распространения единичной прибрежной ячейки вдоль берега. Осаждающийся на внешнем шельфе материал может в конце концов быть вынесен через подводный каньон в океанический бассейн: этот материал накапливается и на самом континентальном склоне, периодически сползая с него.

Циклическое перемещение песка на берег и в море. Пляжные пески могут выноситься в море зимой и возвращаться следующим летом. Зимние штормовые волны, как правило, обладают большей энергией, чем летние. Когда зимой волна разбивается у пляжа, то как накат ее, так и откат бывают очень мощными. Пляжи, выглядевшие такими устойчивыми в летние месяцы, подвергаются теперь более турбулентному воздействию сильных накатов и откатов волн, поэтому большее количество песка вовлекается в движение вверх-вниз по пляжу. Конечный результат этого процесса — сезонное перемещение песка с поверхности пляжа на береговые бары, расположенные в нескольких сотнях метров от берега (рис. 18.13, а) и ориентированные параллельно берегу.

Летом волны менее мощные. И масса воды, выбрасываемой на берег, и величина турбулентной энергии, которую приносят заплески волн, меньше, чем зимой. Песок, захватываемый волнами при входе в прибойную зону, оседает из накатывающихся волн. Вода самого прибойного потока просачивается через пористые пески пляжа и возвращается к уровню моря, а содержащийся в ней песчаный материал отфильтровывается и откладывается на поверхности пляжа (рис. 18.13, б). Так летом пляжи восстанавливают прежний вид.

Взаимосвязь между переносом песка вверх-вниз по склону пляжа и вдоль литорали. Теперь рассмотрим сезонные перемещения песка вверх-вниз по склону пляжа с точки зрения их связи с процессом литорального переноса. В любое время года песок передвигается через прибойную зону между пляжем и береговым баром; попадая в прибойную зону, песок вовлекается также в процесс переноса вдоль берега, преобладающий в данное время. Если существует какой-то результирующий перенос вдоль литорали, то по крайней мере часть песка постоянно смещается по берегу. В типичной прибрежной ячейке движение песка вдоль берега происходит более или менее непрерывно и направлено от речных источников материала к стокам — каньонам; на каждый отдельный участок пляжа будет поступать столько же нового песка, сколько с него уйдет, так что сезонное перемещение вверх-вниз по склону также будет непрерывным (хотя и с разным размером зерен). Но если поступление песка в данную ячейку прерывается, например в случае, если осадочный материал задерживается выше по течению реки плотиной гидроэлектростанции или противопаводковыми дамбами, местный пляж будет терять песок в каждом цикле поперечного (вверх-вниз) переноса, что скажется в уменьшении количества материала, переносимого вдоль литорали.

Если река выносит большие массы осадочного материала, который откладывается в прибрежной зоне, а величина приливов сравнительно невелика, но ветровые волны очень сильны, вдольбереговой дрейф создает особые постройки, называемые барьерными островами или береговыми барами (рис. 18.14).

Прекрасным примером служит остров Падре — очень длинный береговой бар у побережья Техаса; это узкая низкая песчаная гряда, протягивающаяся параллельно берегу на сотни километров. Между этим барьерным островом и береговыми маршами лежит почти сплошная лагуна, ширина которой меняется от нескольких сотен метров до нескольких километров. Лагуна соединяется с открытым морем отдельными узкими проходами в самом острове. Положение и конфигурация барьерных островов непрерывно меняются по мере того, как песок откладывается на одном конце или краю и удаляется с другого. Если береговой бар занял устойчивое положение, то на нем часто образуются дюны или же он покрывается солончаковой растительностью.

Песчаные косы — это такие же скопления песков, но они непосредственно отходят от выступов суши и отделяют от моря внутреннюю часть эстуария или лагуны (рис. 18.14). Как правило, косы растут в направлении литорального дрейфа пляжных песков.

Сближение переносимых песчаных масс и образование дюн. Когда в результате эрозии в береговой линии возникает бухта, то угол подхода набегающего цуга волн может оказаться таким, что по обе стороны бухты перенос песка вдоль берега будет происходить в направлении основного массива суши. Обе массы перемещаемого материала столкнутся на наиболее удаленном от моря участке бухты. После этого либо береговая линия будет отходить в сторону моря, оставляя в тылу песчаные дюны, либо господствующие ветры станут перемещать часть песка дальше на сушу в виде подвижных дюн. В обоих случаях образование дюн представляет собой захват материала прибрежной ячейкой.