Песчаник Торридон на северо-западе Шотландии хранит шесть километров речных отложений докембрийских времен. Но какие геологические события смогли оставить свой след, который исследователи смогли бы найти 1 миллиард лет спустя?
Любопытно, что это не были большие наводнения или резкое изменение русла - в основном просто регулярное ползание песчаных дюн по дну реки. Фактически, всего за несколько месяцев.
Эта заурядность речных отложений или речных пластов ставила геологов в тупик на протяжении большей части века. Учитывая, как мало сохранилось истории реки, исследователи находят странным, что преобладают записи обыденных вещей, а не свидетельства самых экстремальных событий. Новое исследование, опубликованное в журнале Geophysical Research Letters, раскрывает процессы, которые могут, наконец, объяснить эту загадку.
Исследование под руководством Вамси Ганти, доцента геоморфологии Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, затрагивает один из самых продолжительных споров в области геологии: катастрофизм против униформизма. Иными словами, на геологическую летопись больше влияют крупные, нечастые события или небольшие, но частые события.
Когда дело доходит до речных отложений, у катастрофизма есть довольно интуитивный аргумент. «Если вероятность сохранения какого-либо события мала, то то, что сохраняется, должно быть чем-то особенным», - пояснил Ганти. Однако ученые считают, что это просто неправда, хотя сохраняется менее 0,0001% прошедшего времени.
«Вот почему мы называем это странной ординарностью речных слоев, - сказал Ганти, - потому что странно, что сохраняемые события настолько заурядны, хотя сохранение времени столь необычайно».
Морфология реки имеет тенденцию к самоорганизации в иерархию уровней, которая, по мнению Ганти и его коллег, была ключом к пониманию этой странной обыденности. Рябь и дюны перемещаются по дну рек за минуты и часы. Движение песчаных отмелей происходит в течение месяцев и лет, в то время как реки извиваются и выходят из берегов в течение многих лет и столетий. В самом крайнем случае, изменения уровня моря могут ускорить эрозию или способствовать образованию отложений на протяжении тысячелетий.
К счастью, ученые понимают, как каждое из этих явлений проявляется в стратиграфической летописи на основе современных наблюдений. Оказывается, эти особенности различаются по размеру от ряби высотой в дюйм до эрозии, вызванной уровнем моря, которая может размывать сотни метров отложений.
Ганти и его коллеги построили вероятностную модель для проверки своей гипотезы. Они обнаружили, что если все речные процессы происходят в одном масштабе, сохраняются только самые экстремальные явления. Однако, как только они ввели иерархию, осадок от обычных процессов начал заполнять эрозию, вызванную явлениями на уровень выше.
Загадка раскрыта. «Пока у вас есть иерархическая организация динамики рек, ваши слои будут обычными», - сказал Ганти.
Ученые знали об этих различных иерархических уровнях в морфологии рек уже довольно давно, но до сих пор никто не связывал их напрямую с обыкновенностью речных пластов, объяснил Ганти. До этих результатов седиментологи были немного похожи на ранних биологов, которые знали о таксономии - видах, родах, семействах и т. д. - но не понимали теории эволюции, объясняющей динамику, связывающую их.
События на одном уровне могут накапливать отложения - в этом случае они сохраняются - или они могут размывать отложения, которые затем заполняются обычными событиями на уровень ниже. Таким образом, хотя некоторые экстремальные явления сохранились, в стратиграфической летописи доминируют обычные явления.
Ганти также понял, что относительные временные рамки, в течение которых развиваются уровни, определяют то, что сохраняется. Возьмем, к примеру, относительную скорость миграции рек по сравнению с отрывом или частоту выхода реки из берегов. «Если ваша миграция происходит быстро, а отрыв нечасто, вы продолжаете перерабатывать свои депозиты», - объяснил Ганти. Эти системы, как правило, сохраняют только самые экстремальные отметки русла. «Однако, когда у вас есть разрыв, вы больше не можете перерабатывать это месторождение, потому что вы прыгнули в новое место».
С этим пониманием ученые теперь могут использовать слои для сравнения того, насколько быстро развивался каждый уровень, когда река была действительно активной. На самом деле, результаты подтверждают выводы предыдущего исследования Ганти, в котором он продемонстрировал, что докембрийские реки могли быть похожи на однорусловые извилистые реки, которые мы знаем сегодня..
Ученые долгое время сомневались в этом, поскольку в стратиграфической летописи не сохранилось никаких доказательств. Многие утверждали, что таким рекам понадобились бы растения для защиты своих берегов, а наземным растениям еще предстояло развиться. Но вместо того, чтобы не было миграции, по правде говоря, вполне вероятно, что эти реки извивались так часто, что их пласты продолжали стираться. Действительно, другие ученые обнаружили, что реки в ландшафтах без растительности мигрируют в 10 раз быстрее, чем реки с растительностью.
Выводы Ганти также имеют последствия для современного мира, где изменение климата и повышение уровня моря меняют поведение крупных речных систем. Чтобы понять наше будущее, многие ученые изучают отложения рек во время палеоцен-эоценового термического максимума, когда средняя температура резко подскочила на 5-8 градусов по Цельсию, что сравнимо с современным изменением климата. Факты свидетельствуют о том, что тогда реки были более подвижными, и теперь у нас есть инструменты, чтобы определить, почему.
«Мы знаем, что поступление наносов в реки меняется из-за антропогенных изменений. Но чего мы не знаем, так это того, по какой траектории мы направим реки в долгосрочной перспективе», - сказал Ганти.
"Мы собираемся просто увеличить темпы миграции? Мы собираемся сделать отрывы более частыми? Эта разница имеет значение, потому что она определяет историю наводнений и то, куда вы будете развиваться в ближайшие десятилетия и столетия."