Реконструированный в Курайской впадине циклональный круговорот воды, имевший почти 10-километровый радиус, вместе с основным, продольным палеотечением мог бы служить зеркальной моделью современной циркуляции Арктического бассейна.
Гигантские знаки ряби течения, развитые в верхних истоках Енисея, позволяют наметить дилювиальную палеогляциогидрологию этой территории. Как видно из палеогляциологической схемы М.Г. Гросвальда, поля гигантской ряби расположены повсеместно по берегам Ка-Хема - Улуг-Хема. Образование этой ряби М.Г. Гросвальд связывает с катастрофическими прорывами Дархатского ледниково-подпрудного озера во время распада последнего оледенения.
Дархатская межгорная впадина ограничена с запада, севера и востока горными хребтами с абсолютными высотами около 3000 м, а на юге отделена от бассейна Мурэна водораздельной грядой с отметками около 2000 при высоте днища котловины - 1570 м. Абсолютная отметка уреза р. Кызыл-Хема у выхода из котловины - 1543 м. А.И. Спиркин, много работавший в бассейне Дархатской котловины, доказал неоднократное возникновение в котловине плотинных озер. Большинство плотин Дархатского озера были вулканического происхождения, следы последнего же озера указывают на его ледниково-подпрудный генезис. С выводами А.И. Спиркина согласились М.Г. Гросвальд и Н.В. Лукина.
Максимальная площадь Дархатского ледниково-подпрудного озера, восстановленная по гипсометрии озерных террас, составляла в последнюю ледниковую эпоху около 2600 км2, а объем воды превышал 250 км3. На основании сравнения величин испарения и средних годовых сумм атмосферных осадков в бассейне Дархатской впадины и современном речном бассейне, М.Г. Гросвальд делает вывод о том, что время, необходимое для заполнения озерной ванны до отметки 1720 м, составляло около 100 лет. После этого озеро прорывалось.
Этот сценарий очень похож на реконструированную поздневюрмскую историю алтайских ледниково-подпрудных озер. Даже порядок величин скорости заполнения межгорных впадин талыми водами одинаков - около ста лет. Можно предполагать, что этот порядок справедлив и для других ледниково-подпрудных озер Центральной Азии, если иметь в виду сходные климатические условия их питания и режима.
Систематические дилювиальные потоки из Дархатской впадины создали каньоны-кули в истоках Енисея, а также гигантские знаки ряби течения рр. Кызыл-Хема и Ка-Хема - Улуг-Хема. Кроме этого, согласно нашим наблюдениям, именно в результате работы дилювиальных потоков днища многих тувинских котловин почти полностью лишены обломочного рыхлого чехла. Обширный участок долины Енисея в районе Кызыла-Шагонара имеет лишенные рыхлых отложений склоны, и часто вычищенные от рыхлых осадков верхние террасовые цокольные уровни. Отложения гигантской ряби района Кызыла залегают, вероятно, на среднечетвертичном цоколе, который повсеместно обнажается рекой.
Как отмечалось, четвертичная гляциогидрология Саяно-Тувинского нагорья изучена лишь в самых общих чертах благодаря, в первую очередь, трудам М.Г. Гросвальда. Представляется удивительным пробелом то, что известная более двадцати лет тувинская гигантская рябь специально никем не изучалась, хотя даже по описанным местонахождениям можно судить о том, что по представительности она ничем не уступает алтайской и американской. Более того, если исходить из общей палеогляциологической ситуации территории нагорья и прилегающих прибайкальских регионов, ледниково-подпрудные озера существовали здесь повсеместно, и гигантская рябь течения может быть обнаружена во многих долинах. Нужно лишь представлять, что именно необходимо искать.
Расчеты гидравлических параметров дилювиальных потоков по морфометрии и вещественному составу гигантских знаков ряби и по топографии каналов стока
Первые определения расходов дилювиальных потоков позднечетвертичного североамериканского озера Миссула для различных участков производились по известной в гидрологии формуле Шези. Полученные результаты были грандиозны: от 2 до 10 млн. м3/с. Тем не менее, неопределенность коэффициента шероховатости русла приводила к значительным неточностям, а сами результаты казались многим сомнительными. Позднее В.Р. Бейкер на основании статистического анализа большого количества натурных данных вывел эмпирические зависимости между размерами гряд ряби течения и глубиной и скоростью потоков, в руслах которых эти гряды формировались:
Н = 0.923V 0.455; B = 37.8V 0.348 и B = 8.24D 0.87,
где Н - средняя высота волны ряби, В-средняя длина волны, D - глубина потока над полем ряби и V - средняя скорость течения воды.
В.Р. Бейкер определил и диапазон условий, в пределах которых справедливы эти взаимоотношения: глубина потока от 12 до 152 м, средняя скорость течения 9 - 18 м/с, крупность частиц, слагающих паводковые дюны - от гравия до валунов диаметров до 1.5 м и некоторые другие. Согласно зависимостям В.Р. Бейкера, для участка гигантской ряби Платово-Подгорное на 12 - 14-метровой левобережной террасе р. Катунь в предгорьях Алтая были получены средние скорости потока около 16 м/с, глубины потока около 60 м и расходы воды, с учетом современной морфологии долины, не менее 600 000 м3/с. Эти цифры несколько превышают ранее опубликованные в связи с уточнением морфометрии грядового рельефа методом крупномасштабной топографической съемки.
Участок Платово-Подгорное находится почти в 300 км от возможных мест прорыва. Поток здесь распластывался, его глубины и скорости падали. В горах скорости и глубины фладстримов были гораздо больше. Для поля дилювиальных дюн и антидюн на участке рр. Малый Яломан - Иня в Центральном Алтае, согласно зависимостям В.Р. Бейкера, были получены глубины потока более 400 м и скорости - около 30 м/с, а расходы, соответственно, - более 1 млн. м3/с. Полученные величины, как видим, не удовлетворяют условиям, для которых справедливы формулы В.Р. Бейкера, и требуют иных, независимых, подтверждений.
По расчетам П.Э. Карлинга, автора первых специальных работ по флювиальной геоморфологии и седиментологии грядового дилювиального рельефа на Алтае, обычные расходы дилювиальных потоков над местами образования ряби в Горном Алтае к моменту стабилизации фладстримов варьировали в интервале от 2?104 м3/с до 5?104 м3/с с максимумом на пике паводка в 750 000 м3/с. Максимальные глубины потока достигали 50 метров. Эти данные основаны на результатах компьютерной обработки множественных гранулометрических проб и крупномасштабной топографической съемки, произведенной на участках Платово - Подгорное, Малый Яломан - Иня и на полях развития рельефа гигантской ряби в Курайской впадине.
Недавно П.Э. Карлинг совместно с американскими планетологами обнаружил и предварительно проанализировал первое для Марса поле гигантских знаков ряби течения в системе каналов Атабска на Плато Цербера. Анализ марсианской гигантской ряби основывался на сравнении последней с курайской рябью на Алтае. В плане дилювиальные дюны и антидюны Атабаска напоминают барханоиды. Высота волны колеблется около 3,5 м при максимуме в около 5 м; длина волны достигает 130 м. Такая рябь, полагают авторы, откладывалась в русле потока с числом Фруда от 0, 5 до 0, 84 и с расходами около 2 106 м3/ с.
Как видим, расчеты П.Э. Карлинга не противоречат данным, полученным по формулам В.Р. Бейкера, хотя сам ход экспериментальных и аналитических работ, несомненно, более сложен. Следует еще раз подчеркнуть, что гидравлические параметры дилювиальных потоков над полями гигантских знаков ряби, в особенности - в зонах обратных течений, не отражают максимальные характеристики потока на стрежне, где скорости и глубины воды были гораздо больше.
Для оценки расходов дилювиальных потоков при прорывах приледниковых озер часто применяют эмпирические формулы Дж. Клейга и У. Мэтьюза, Дж. Бегета и Дж. Коста, в которых предполагается прямая связь между объемами сброшенных озер и расходами йокульлаупов на створах прорыва ледниковых плотин:
Qmax = 0.0075 V 0.667;
Qmax = 0.0065 V 0.69;
Qmax = 0.0113 V 0.06,
где Qmax - максимальные расходы йокульлаупов, а V - объем озера. Согласно этим формулам, плейстоценовая система Чуйско-Курайских ледниково-подпрудных озер продуцировала йокульлаупы с расходами от 4 до 9 ? 105 м3/с.
В настоящее время предпочтение отдается формуле, как более точной. В основе этой модели лежит уравнение регрессии, выведенное по результатам наблюдений десяти прорывов современных ледниково-подпрудных озер. Недостаток этой модели для целей четвертичной гляциогидрологии заключается в том, что: 1) она не учитывает топографию каналов прорыва и уже на некотором удалении от озерной ванны вниз по долине стока сильно занижает значение расходов воды; 2) зависимость выведена эмпирическим путем для современных приледниковых озер, размеры которых по крайней мере на два порядка меньше четвертичных. Тем не менее, при невозможности прямых измерений в дилювиальных потоках, я исхожу из того, что перечисленные зависимости представляют сходимые результаты, и на них можно ориентироваться при отсутствии альтернативных методов палеогидравлических расчетов.
По материалам полевых и картографических работ Алтайской российско-американской экспедиции 1991 г. были выполнены вычисления расходов дилювиальных потоков при прорыве всей Чуйско-Курайской системы четвертичных ледниково-продпрудных озер. В гидрологических расчетах профилей водной поверхности использовалась компьютерная программа НЕС-2. Ход вычислений основывался на решении уравнения удельной энергии, выведенного из уравнения Бернулли для установившегося, плавно изменяющегося течения. Основанием для вычислений были 17 поперечных профилей через долину р. Чуи, выбранных на участке длиной около 18 км приблизительно между «Золотаревской будкой» и пос. Чибит по «новой долине Чуи». Детальные геометрические данные канала стока по семи профилям были получены из топографических карт масштаба 1: 25 000.
Вычисленный нами максимальный расход для Чуйско-Курайского йокульлаупа оказался равен 18 ? 106 м3/с. Эта оценка превышает таковую для максимального расхода дилювиального потока из озера Миссула, который был оценен в 17 ? 106 м3/с. Сравнение расходов центрально-азиатских и североамериканских гляциальных суперпаводков представляется вполне корректным, так как для обоих регионов задача решалась по единой методике, а в полевых экспериментах участвовали одни и те же специалисты.
Материалы детальных полевых работ немецких исследователей в целом подтверждают наши данные. При своих вычислениях эти специалисты приняли объем Чуйско-Курайской озерной системы всего в 607 км3 и исходили при этом из абсолютных отметок береговых линий Чуйского и Курайского ледниково-подпрудных озер в 2100 м. Я оценил высоту озерных террас в 2200 м. Эта оценка производилась по привязке точек береговых линий на аэрофотоснимках и соответствующих точек на крупномасштабных картах. При этом суммарный объем воды должен был достигать не менее 1000 км3. Максимальные же объемы рассчитывались, как сказано, в первую очередь по абсолютным отметкам спиллвеев. Тем не менее, и при минимальных объемах озер Ю. Хергет с коллегами получили очень представительные результаты.
Они проанализировали 85-километровый участок долины р. Чуи до устья. Основанием для вычислений были 244 поперечных профиля, снятые с крупномасштабной топографической карты и с помощью GPS-системы на местности. Высоты поверхностей потоков принимались исходя из отметок береговых дилювиальных валов. Для обработки результатов была использована программа HEC-RAC - Hydrologic Engineering Center of the US Army Corps of Engineers - River Analysis System. По всем профилям были получены расходы потоков в интервале 8 106 м3/с - 12 106 м3/с. Глубины потоков варьировали от 280 до 400 м, а средние скорости течения на разных створах были 9 - 37 м/с. Число Фруда колебалось в соответствие с энергией потока от 0, 20 до 0, 85. Пик гидрографа стока на субкритическом участке показал расход воды в 20,5 106м3/с при скорости 72 м/с, что превышает и данные наших расчетов для Чуйско-Курайской системы озер, и данные для оз. Миссула.
Наличие потоков с такими расходами, предполагающими катастрофический прорыв, разламывание ледниковых плотин, не препятствует сценарию множественных фладстримов с расходами порядка 1 млн. м3/с, и связанных с повторяющимися заполнениями и опорожнениями ледниково-подпрудных озер. Более того, такие регулярные, «заурядные», потоки, которые все же были очень велики, могли оказывать на земную поверхность более сильное влияние благодаря не столько своей мощности, сколько систематичности, чем супермощные, феноменальные, но единичные йокульлаупы.
Высокие расходы и скорости суперпотоков определяли их способность производить огромную эрозионную и транспортирующую работу. Это следует из известных эмпирических формул, согласно которым твердый сток и интенсивность эрозии пропорциональны квадрату расхода русловых потоков и кубу их скорости. Строение скэбленда показывает, что геологическая работа, совершенная катастрофическими гляциальными суперпотоками, производилась поразительно быстро. Расчеты подтверждают, что для прохождения всего объема воды из Чуйско-Курайских озер через проанализированный участок потребовалось бы, на пике гидрографа, исходя из приведенных выше цифр, всего около 10 минут. Ю. Хергет получил величину продолжительности суперпаводка в долине р. Чуи в 2-3 дня.
Такие потоки имели чрезвычайно высокие напряжения сдвига ложа, описываемые в виде:
? = ? DS;
? = ? QS/W = ? V,
где ? - напряжение сдвига ложа; ? - удельный вес воды; S - уклон русла; Q - расход; V - средняя скорость течения воды; W - ширина потока. Комбинация этих факторов дает колоссальное давление на единицу площади ложа.
Согласно формулам и, при кульминациях фладстримов глубины дилювиальных потоков превышали 400 м, скорости варьировали от 20 до 45 м/с, а у Ю. Хергета - 72 м/с. Напряжения сдвига ложа составляли от 5000 н/м2 до 20000 н/м2, а мощность потока равнялась, соответственно, от 105 до 106 вт/м2.
А.Н. Костриков выполнил гидродинамическое моделирование для сверхмощных потоков, прорывавшихся из-под гигантского Арктического ледника. В качестве основы для разработки модели он использовал представления М.Г. Гросвальда о происхождении грядово-ложбинного комплекса Северной Евразии. Результаты моделирования представляют интерес и для понимания физической характеристики потопов, которые испытали в конце плейстоцена долины Горного Алтая, Тувы и территории Channeled Scabland в Северной Америке.
А.К. Костриков пишет, что при таких скоростях жидкость течет, практически не испытывая трения о ложе, двигаясь на кавитационной подушке из газовых пузырьков, возникающих вследствие уменьшения давления в жидкости ниже давления парообразования при обтекании неоднородностей подстилающей поверхности. На отдельных участках жидкость может представлять собой сложную смесь воды, льда, кавитационных пузырьков и взвеси, поднятой с подстилающей поверхности. При таких больших скоростях возможно и плавное уменьшение средней плотности «жидкости» с высотой вследствие образования волн, всплесков, пены и водной пыли. Таким образом, заключает А.Н. Костриков, поток мог не иметь «свободной поверхности» в традиционном понимании.
В лаборатории палеогидрологического и гидроклиматического анализа Аризонского университета было установлено, что для формирования главных черт рельефа изрезанных земель Колумбийского базальтового плато в Северной Америке при расходе паводка из озера Миссула в 17 млн. м3/с потребовалось не более 3 часов. Для совершения адекватной работы такой реке, как Миссисипи в ее половодном режиме, потребовалось бы, по крайней мере, 30 тысяч лет. Сравнение энергии четвертичных дилювиальных потоков Центральной Азии с потенциальной работой, например, Оби дадут результаты никак не менее впечатляющие.
Заключение
Современные реконструкции ледниковой палеогидрологии Алтая и Тувы начались с открытия и изучения рельефа и географии гигантских знаков ряби. Если другие формы скэбленда, особенно - в горах, могут иметь неоднозначную генетическую интерпретацию, то в совокупности с гигантской рябью они дают однозначный путь к реконструкциям: были крупные оледенения и были крупные ледниково-подпрудные озера. Были систематические и грандиозные их прорывы, в результате которых за часы-дни-недели кардинально менялась исходная топография. Гигантские знаки ряби течения, таким образом, - исключительное доказательство катастрофических прорывов ледниково-подпрудных озер и / или взрывного таяния криосферы.
Открытие и крупномасштабное картографирование новых местонахождений полей гигантских знаков ряби течения и других дилювиальных образований предоставит исследователю новый научный и методологический инструмент для реконструкции известной сегодня лишь в общих чертах грандиозной системы перигляциальных палеостоков всей Центральной и Северной Азии.
На территориях, где установлено четвертичное оледенение и приледниковые водоемы, должны быть обнаружены гигантские знаки ряби течения. На территориях, где обнаружены гигантские знаки ряби течения, должны быть обнаружены и следы четвертичных оледенений и ледниково-подпрудных озер.
Согласно реестру Американской геологической службы, позднечетвертичные алтайские дилювиальные потоки, открытые и реконструированные в первую очередь по гигантским знакам ряби течения, по своим гидравлическим характеристикам занимают первое место в мире, североамериканские миссульские - второе, и тувинские - третье.
Литература
1. Арнольд В.И. Теория катастроф. - М.: Наука, 1990. №2. 128 с.
2. Атлас снежно-ледовых ресурсов мира. - М.: РАН, 1997. Т.2. Кн. 2. 392 с.
3. Барышников Г.Я. Развитие рельефа переходных зон горных стран в кайнозое. - Томск: Томский ун-т, 1992. 182 с.
4. Барышников Г.Я., Платонова С.Г., В.П. Чичагов. Геоморфология гор и предгорий // Геоморфология, 2003. №1. С. 108-109.
5. Борисов Б.А., Минина Е.А. Ледниковые отложения Алтае-Саянской горной области. - Хронология плейстоцена и климатическая стратиграфия. Л.: Наука, 1973 С. 240-251.
6. Борисов Б.А., Минина Е.А. О гипотезе катастрофических гляциальных паводков на территории Алтае-Саянской области в свете геолого-геоморфологических данных // Всероссийское совещание «Главнейшие итоги в изучении четвертичного периода и основные направления исследований в ХХI веке». СПб, 1998. С. 90-91.
7. Бутвиловский В.В. О следах катастрофических сбросов ледниково-подпрудных озер Восточного Алтая // Эволюция речных систем Алтайского края и вопросы практики. - Барнаул, 1982. С. 12-17.
