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 = 0.923V0.455; B = 37.8V0.348 и B = 8.24D0.87,
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. Дляобработкирезультатовбылаиспользованапрограмма 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: