Для инженера-гидротехника знание этих процессов необходимо с более практической стороны. При проектировании гидравлических систем и сооружений ему приходится решать проблемы заиления каналов, водоемов и гаваней, устойчивости строений по берегам рек, эрозии плодородных земель, размывания берегов и изменения русла рек с аллювиальными отложениями, а также множество других важных проблем - и все это требует значительных материальных затрат.

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 вод.

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.

Разумеется, проблема осложняется, если какой-то из вышеперечисленных факторов не является постоянным. Если скорость течения, поперечное сечение русла или его шероховатость изменяются или если частицы по размеру отличаются друг от друга, произвести точные вычисления оказывается практически невозможным, хотя определить, какой процесс - размывание или образование наносов - будет преобладать, все же удается.

Вычисления еще более усложняются, когда в исследуемой системе отсутствует равновесие, то есть когда осадочный материал не просто переносится водой, а постоянно подвергается эрозии или осаждению. Таким образом, ясно, что даже в сегодняшних условиях практически невозможно количественно описать процессы осадкообразования и рассчитать их скорости.

Однако вышеприведенная формула приводит к одному весьма важному соображению: как только изменяется любой из параметров (например, скорость течения), сразу же изменяется скорость выпадания в осадок твердых частиц. При этом шедший процесс образования определенного пласта будет прерван и начнется формирование следующего. То есть в любой породе, представляющей из себя последовательность пластов, каждый пласт соответствует непрерывному процессу, шедшему с постоянной скоростью, а значит, и при неизменных параметрах. В реальных условиях такое постоянство параметров может сохраняться в течение всего лишь нескольких минут или часов, после чего одна из переменных обязательно меняется. В результате каждый слой осадочных пород формируется за период времени продолжительностью от нескольких минут до нескольких часов. Поскольку смежные слои осадочных пород параллельны друг другу и сходны по составу и строению, это со всей определенностью свидетельствует, что процесс образования отложений был непрерывным, а также что вся формация образовалась от силы за несколько дней.