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 рисунке 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 α, 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.

Изменение цуга набегающих волн в зависимости от формы береговой линии

Рисунок 18.8. Изменение цуга набегающих волн в зависимости от формы береговой линии. Когда изобаты дна в береговой зоне пря­молинейны и однородны, гребни волн отклоняются от первона­чального направления также одинаково и плотность волновой энер­гии равномерно распределяется вдоль берега. У выступов берега плотность волновой энергии сильно возрастает, так как рефракция, связанная с батиметрией дна, приводит к конвергенции волн и сло­жению их энергии. Особенности подводного рельефа бухт и зали­вов, наоборот, вызывают такую рефракцию волн, которая приво­дит к дивергенции (расхождению) гребней волн и значительному уменьшению плотности энергии у пляжа.

  В однородном цуге набегающих волн энергия распреде­ляется вдоль прямолинейного берега равномерно. Чтобы проиллюстрировать это, мы строим на рисунке 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 х' — 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' — х', будет одной и той же, так как все части цуга волн 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 рисунке 18.8 гораздо короче, чем соответствующий ему отрезок х — x в открытом море. Это означает, что плотность волновой энергии возрастает у мыса пропорцио­нально отношению (x - x)/(x' - х') — величине, большей единицы. Если же пара лучей пересекает береговую линию в заливе, расстояние х' — 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 бухты 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 (рисунок 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.

Ячеистая структура механизма перемещения осадочного материала вдоль береговой линии в зоне литорали

 Рисунок 18.9. Ячеистая структура механизма перемещения осадочного материала вдоль береговой линии в зоне литорали. Приведен ти­пичный отрезок береговой линии, состоящий из выступов суши и низменных участков между ними; в низменностях обычно находятся реки.

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 (рисунок 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 (рисунок 18.9)

  Перенос рекамиВ таблице 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 (рисунок 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 рисунок 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 (рисунок 18.10).

Особенности литорального переноса песка вдоль береговой линии в зависимости от угла подхода к пляжу цугов набегающих волн

Рисунок 18.10. Особенности литорального переноса песка вдоль бере­говой линии в зависимости от угла подхода к пляжу цугов набегаю­щих волн. Когда волна входит в прибойную зону под некоторым углом а, угол сопровождающего ее заплеска остается тем же и она сдвигает песок вдоль поверхности пляжа. Однако обратный откат происходит под воздействием силы тяжести, и песок при возвраще­нии попадает прямо в море. В результате каждая волна способству­ет перемещению (пусть небольшому) песка вдоль берега.

  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 рисунке 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.

Объемы (тыс. м3/год) переноса песков на разных участках Атлантического побережья США

Рисунок 18.11. Объемы (тыс. м3/год) переноса песков на разных участках Атлантического побережья США. У берегов центральной части шт. Нью-Джерси песок перемещается в противоположных направлениях: севернее песок переносится к устью эстуария реки Гудзон, южнее — к входу в залив Делавэр.

  Полезно сравнить объемы литорального переноса, пред­ставленного на рисунке 18.11, с количеством взвешенного осадочного материала, выносимого большими реками (таблица 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 рисунок 5.9).