Почему склон долины ступенчатый?

Когда уровень в водохранилище сбрасывают рывками, на бетонной стенке остаются горизонтальные полосы — отметки, на которых вода держалась дольше всего перед очередным сбросом.

1. полосы на бетоне: отметки прежних уровней
2. то же на склоне долины — за десятки и сотни тысяч лет

Склон, на котором вы стоите, — край долины Волги. Здесь, на высоком правом берегу, он обрывается к воде без ступеней. А на пологом левом берегу, в 7–15 км отсюда, лежат такие же следы, только намного крупнее: ровные площадки на разных высотах, вытянутые вдоль реки. Современное русло проходит ниже всех площадок.

Каждая площадка когда-то была дном реки или её поймой. Потом река опустилась ниже, а прежняя поверхность осталась на старой высоте. Чем выше площадка, тем она древнее. Эти ровные ступени называются речными террасами.

Верхняя терраса над Волгой поднята на несколько десятков метров над рекой — самые древние и высокие площадки в долинах Волги и Камы доходили до 75–95 м над меженным урезом¹. Это лестница, в которой каждая ступень — отдельная эпоха, а весь склон — летопись сотен тысяч лет.

Дальше: Как это работает →

1. верхняя терраса — самая древняя
2. средняя
3. нижняя
4. русло сегодня

Почему река держится на одной высоте?

Главная характеристика реки на длинном участке — её продольный уклон: на сколько метров вода опускается на каждый километр пути. У равнинной реки это сантиметры на километр, у горной — метры на километр.

Уклон не случаен. Если он слишком крут, поток несётся быстро и подмывает дно — река углубляет русло, и уклон уменьшается. Если слишком пологий, скорость падает, наносы выпадают на дно — русло поднимается, и уклон растёт. Со временем уклон выходит на ту величину, при которой эрозия и накопление наносов уравновешивают друг друга. Дальше река переносит наносы и не меняет своей высоты — она лишь медленно расширяет пойму вбок. Такое состояние называют продольным профилем равновесия.

У этой равновесной кривой есть нижняя точка — уровень, ниже которого река углубляться уже не может. Этот уровень называется базисом эрозии. Обычно базис — это уровень моря или озера, в которое впадает река. Базис смещается при тектоническом поднятии суши и при изменении климата; когда он сдвигается, прежний профиль перестаёт быть равновесным, и река начинает перестраивать русло.

Что происходит, когда базис понижается?

Прежний уклон оказывается избыточным. Река начинает врезаться в собственное дно и постепенно опускает русло к новому положению равновесия. Прежняя пойма остаётся на старой высоте, уже отделённая от потока.

Такие приподнятые остатки бывших пойм называются речными террасами. Серия террас на склоне — запись нескольких понижений базиса подряд: ровная площадка отвечает периоду покоя, уступ между площадками — этапу врезания.

Отсюда ответ на главный вопрос. Склон выходит лестницей, а не ровным скатом, именно потому, что базис понижается рывками: за каждым быстрым врезанием идёт долгий покой, и за этот покой река успевает выработать новую плоскую площадку. Понижался бы базис плавно — река шла бы за ним сплошным углублением, и склон оказался бы просто наклонным, без ступеней.

Насколько быстро врезается река

Высоту ступени задаёт глубина одного врезания, а скорость, с которой река прошла этот путь вниз, легко оценить. Если терраса поднята на высоту $H$ над современным руслом, а врезание заняло время $T$, средняя скорость врезания равна

$$ v = \frac{H}{T} $$

модель

Подставим волжскую террасу округлёнными значениями: $H \approx 100$ м (порядок высоты древних террас Волги), $T \approx 1\,000\,000$ лет (возраст самых древних и высоких из них¹). Тогда

$$ v = \frac{100\ \text{м}}{1\,000\,000\ \text{лет}} \approx 0{,}1\ \text{мм/год} $$

оценка порядка

Это десятая доля миллиметра в год — толщина человеческого волоса. И ровно того же порядка, что скорость, с которой тектонические силы поднимают древние платформы. Совпадение наводит на мысль, что главный двигатель врезания на Русской равнине — именно медленный подъём коры; почему это лишь догадка, а не доказательство, разберём на следующем уровне.

Тот же механизм в овраге

В овраге всё разыгрывается по той же схеме, только в сжатом времени. После распашки и разрушения дернового покрова базис эрозии для местного ручья резко падает. За несколько десятилетий в верховье оврага вырастают маленькие ступеньки — та же лестница террас, в миниатюре. Большой реке на перестройку русла требуются тысячи лет; оврагу — десятилетия.

Где этот рельеф работает

На высоких речных террасах часто стоят старые города: Саратов, Нижний Новгород, Ярославль. Терраса выше паводкового уровня и при этом близка к реке — главной транспортной артерии прошлого. Опоры крупных мостов через большие реки уходят сквозь рыхлые аллювиальные слои террас вниз, к коренным породам: это самое надёжное основание.

Дальше: Глубже →

Что записано в лестнице

Раз ступени появляются только при рывках базиса, склон долины становится прямой записью этих рывков. Число площадок отвечает числу крупных перестроек базиса. Высота каждого уступа — амплитуде отдельного понижения. Ширина площадки — длительности покоя между понижениями: чем дольше река стояла на одном уровне, тем шире пойму она успела сточить вбок. Поэтому по одному поперечному разрезу долины читается вся последовательность событий — как по годовым кольцам на спиле.

Есть и обратная сторона такой записи. Каждое новое врезание частично срезает прежние площадки, и нижние ступени затирают следы верхних. Самые древние, верхние террасы сохраняются хуже всего — потому их датировки и оказываются самыми спорными.

Что значит скорость в одну десятую миллиметра

Оценка $v \approx 0{,}1$ мм/год из предыдущего уровня выглядит ничтожной, но именно её малость и содержательна. Это тот же порядок, что у скорости, с которой тектонические силы поднимают древние платформы вроде Русской. Совпадение двух независимо измеренных величин — врезания реки и подъёма коры — косвенно говорит, что у них общий источник: река режет вниз не сама по себе, а потому, что суша под ней медленно растёт. Но «тот же порядок» — это не доказательство: климат менял сток той же реки и тоже мог двигать врезание. Поэтому совпадение скоростей принимают как довод в пользу тектоники, а не как окончательный приговор.

Как определяют возраст террас

Возраст устанавливают несколькими независимыми методами; согласие результатов считается главным критерием надёжности.

Метод датировки	По чему работает	Предел
Радиоуглеродный	органика: дерево, кости, уголь	до 50 тыс. лет
OSL-люминесценция	минералы зёрен осадка	до сотен тыс. лет
Корреляция с океаном	морские осадки, изотопная шкала	сотни тыс. — млн лет

Радиоуглеродный анализ. Работает по органическим остаткам — древесине, костям, углю — в речных отложениях. Применим для возрастов до 50 тысяч лет.

Оптически стимулированная люминесценция. Минералы в отложениях под действием природной радиоактивности постепенно накапливают сигнал, а солнечный свет полностью обнуляет его. Лабораторное измерение даёт время, прошедшее с момента, когда минерал в последний раз был на поверхности под солнцем и затем оказался похороненным под наносами. Та же физика лежит в основе термолюминесцентного датирования керамики в археологии: там сигнал обнуляется обжигом, а измеряется тысячелетия спустя.

Корреляция с океаном. Местные террасы сопоставляются с глобальной шкалой колебаний уровня океана, восстановленной по морским осадкам.

Морские террасы

На побережьях работает тот же механизм. В последний ледниковый максимум уровень океана стоял примерно на 125 метров ниже нынешнего¹, а в межледниковья поднимался обратно. Эти циклы повторяются с периодом около 100 тысяч лет — следствие медленных изменений орбиты и наклона земной оси (циклы Миланковича). Каждый крупный подъём оставлял на берегу ровную полосу — морскую террасу, а там, где суша вдобавок медленно поднималась, такие полосы выстраивались в лестницу из нескольких уровней². Принцип подстройки рельефа к меняющемуся базису одинаков для речной террасы, морской террасы и верховья оврага; различаются только источник изменений и характерное время процесса.

Что остаётся неясным

В каждой долине история террас складывается из двух наложенных причин. Первая — климат: он меняет объём стока и количество наносов и действует синхронно на больших территориях. Вторая — тектоника: медленные движения коры поднимают или опускают участки суши локально.

На масштабе континента эти вклады разделимы — климатический сигнал общий, тектонический локально-региональный. Но в одной долине, особенно для древних верхних террас, чьи возрасты лежат за пределом радиоуглеродного метода, расцепить вклады бывает крайне трудно. Одну и ту же лестницу можно реконструировать и как след смен климата, и как след тектонического поднятия. Поэтому реконструкции древнейших террас обычно даются с диапазоном возможных интерпретаций.