Неліктен тастар дөңгелек?

Табиғат тірі ағзалардың қатысуынсыз немесе ерекше физикалық процестерсіз мінсіз геометриялық пішіндерді сирек жасайды. Соған қарамастан өзен жағасында немесе теңіз жағалауында серуендеген кез келген адам беті тегіс әрі дөңгеленген тастарды байқайды. Кейде олар арнайы өңделгендей әсер қалдырады. Шын мәнінде бұл әсер алдамшы — оларды ешбір шебер жылтыратпаған. Сондықтан қатты тастың осындай мінсіз пішінге қалай ие болатыны туралы ойлану қызық. Әрбір дөңгеленген тас мыңдаған немесе миллиондаған жылдарға созылған қозғалыстардың, соқтығыстардың және біртіндеп қажалудың нәтижесін сақтайды. Мұндай тастарды қалыптастыратын процестер әртүрлі, ғылыми тұрғыдан жақсы зерттелген және қарапайым бақылаушы үшін таңғаларлық болып көрінеді.

Механикалық қажалу: дөңгелектенудің негізгі себебі

Дөңгелек пішіннің пайда болуының ең кең таралған жолы — басқа жыныс сынықтарымен қайта-қайта соқтығысу нәтижесінде болатын физикалық қажалу. Өзендер мен теңіз жағалауларында кездесетін көптеген тегіс тастар дәл осы механизмнің нәтижесі.

Қажалу процесі ғалымдар зертханалық тәжірибелерде де, табиғи ортада да анықтаған бірнеше заңдылыққа бағынады.

1. Алдымен өткір шығыңқы жерлер мен бұрыштар қажалады, өйткені соққы кезінде ең үлкен қысым дәл соларға түседі. Сондықтан бұрышты жыныс сынығы салыстырмалы түрде тез тегістеліп, ағынға ыңғайлы пішінге ие болады. Математикалық тұрғыдан бұл процесс инженерлік бөлшектердің тозу модельдеріне ұқсас теңдеулер арқылы сипатталады.
2. Тас судың ағынымен неғұрлым ұзақ тасымалданса, соғұрлым дөңгелене түседі. Пиреней тауларындағы өзендерде жүргізілген зерттеулерге сәйкес, малтатастар әрбір 100 километр тасымалданған сайын өз массасының шамамен 40 пайызын жоғалтады. Сонымен бірге олардың пішіні шарға жақындай түседі, бірақ толық мінсіз дөңгелек пішінге жету өте сирек болады.
3. Дөңгелену жылдамдығы жыныстың қаттылығына байланысты. Жұмсақ әктастар мен құмтастар қатты граниттерге немесе кварциттерге қарағанда әлдеқайда тез дөңгеленеді. Сондықтан бір жағалауда бір уақытта өте тегіс әктас малтатастарын да, әлі де бұрышты кремний сынықтарын да кездестіруге болады.
4. Бөлшектердің өлшемі де процестің жылдамдығына әсер етеді. Үлкен сынықтар қатты соққыларға жиі ұшырайды және тезірек дөңгеленеді. Ал ұсақ құм түйірлері өз өлшеміне қатысты баяу қажалады. Сол себепті теңіз малтатастары жақсы дөңгеленген болса, өзен құмында ұзақ жол жүрсе де бұрышты түйірлер сақталып қалады.

Қажалу — бір сәтте болатын процесс емес. Ол миллиондаған жеке соқтығыстардың нәтижесі. Әрбір соқтығысудан өте аз ғана материал кетеді. Осы сансыз микросоққылардың жиынтық әсері бізге табиғи әрі қалыпты болып көрінетін дөңгеленген тастарды қалыптастырады.

Судың рөлі: өзендер, теңіз және толқындар

Су — планета бетінде тас материалын тасымалдайтын және тегістейтін негізгі күштердің бірі. Егер су ағындары үздіксіз қозғалыста болмаса, жыныс сынықтарының көпшілігі бұрышты күйінде қала берер еді.

Өзен ортасы мен теңіз жағалауы тастардың дөңгеленуі үшін әртүрлі жағдай жасайды.

• өзендерде сынықтар ағыс бойымен түбінде домалап, бір-бірімен және өзен табанымен соқтығысады;
• теңіз жағасында толқындардың қайталама қозғалысы тастарды жағалауда қайта-қайта алға және артқа жылжытады;
• дауыл толқындары малтатастардың үлкен қабаттарын көтеріп, қайтадан қатты күшпен түсіреді, бұл олардың бір-біріне үйкелуін күшейтеді;
• суасты ағындары жыныс сынықтарын түбімен ұзақ қашықтықтарға жылжыта алады;
• еңісі тік теңіз жағалауларында малтатастар тегіс жағалауларға қарағанда жақсы дөңгеленеді, өйткені толқындардың кері ағысы күшті болады.

Теңіз толқындарының әсерінің классикалық мысалы — Англиядағы ұзындығы шамамен 29 километр болатын әйгілі Chesil Beach жағажайы. Ондағы малтатастар өлшемі бойынша таңғаларлық дәлдікпен сұрыпталған: батыс бөлігінде ұсақ, ал шығыс бөлігінде ірі тастар орналасқан. Бұл су қозғалысының материалды массасы мен пішініне қарай қалай бөліп шығаратынын айқын көрсетеді.

Шөлдердегі жел қажалуы

Дөңгеленген пішіндер тек судың әсерінен ғана пайда болмайды. Құрғақ аймақтарда жел де тас материалын өңдеудің тиімді агенті бола алады. Алайда оның әсерінен пайда болатын пішіндер өзен немесе теңіз малтатастарынан сәл өзгеше болады.

Жел арқылы болатын қажалу — эолдық абразия — судың әсерінен болатын тасымалданудан өзгеше жүреді. Ауа ағынымен ұшқан құм түйірлері табиғи тегістегіш сияқты әрекет етіп, кедергілердің бетін біртіндеп жылтыратады. Бұл механизм шөл тастарына тегіс әрі жұмыр пішін береді, бірақ көбінесе тастың төменгі бөлігін ғана өңдейді, өйткені құм түйірлерінің негізгі бөлігі сол деңгейде қозғалады.

Осындай өңдеудің нәтижесінде ерекше тастар пайда болады. Олар вентифакттар деп аталады. Олардың бетінде жел бағытын көрсететін ерекше қырлар мен ойықтар байқалады. Гоби және Сахара шөлдерінде мұндай тастар көп кездеседі. Оларды зерттеу арқылы ғалымдар өткен дәуірлердегі климат пен жел бағыттарын анықтай алады.

Химиялық үгілу және оның дөңгеленудегі рөлі

Механикалық қажалу — дөңгелек пішіннің жалғыз себебі емес. Жыныс пен қоршаған орта арасындағы химиялық реакциялар да тастардың тегістелуіне әсер етеді.

Химиялық үгілу бір мезгілде сыртынан да, ішінен де әсер етеді. Кейбір минералдар ериді, ал басқалары өзгеріссіз қалады. Тастың бұрышты бөліктері сумен және қышқылдармен үлкенірек жанасу бетіне ие болғандықтан, олар тегіс бөліктерге қарағанда тезірек ериді. Соның нәтижесінде механикалық әсер болмаса да өткір бұрыштар біртіндеп тегістеледі.

Химиялық дөңгелену әсіресе екі жағдайда айқын байқалады.

• тропикалық климатта граниттердің үгілуі кезінде. Мұнда ылғал мен жылу дала шпатының ыдырауын жылдамдатады, ал нәтижесінде төзімді минералдардан тұратын дөңгелек ядролар қалады;
• әктастардың қышқыл жаңбырлар мен топырақ сулары әсерінен еруі кезінде, бұл кезде ерекше карсттық дөңгеленген тастар қалыптасады.

Африка мен Азияның көптеген тропикалық аймақтарында кездесетін үлкен дөңгелек гранит тастары дәл осы химиялық үгілу процесінің нәтижесі. Бұл процесс миллиондаған жылдарға созылады және жер бетінің астында басталады.

Мұздықтардың әсері: тастарды мұз өңдеген кезде

Мұздықтар да жыныстарға дөңгелек пішін беретін күшті табиғи факторлардың бірі. Қозғалып жатқан мұз үлкен күшке ие және ұстап алған материалды жүздеген километрге дейін тасымалдай алады.

Мұздықтардың әсер ету механизмі өзен немесе теңіз қажалуынан ерекшеленеді. Жыныс сынықтары мұздықтың түбіне қатып қалады да, оның қозғалысымен бірге негізгі жыныстың үстімен сүйреледі. Мұздың үлкен қысымы мен қозғалысы ерекше тастардың пайда болуына әкеледі. Олар кейде тегіс беттері мен сызық тәрізді іздері бар валундар түрінде кездеседі.

Мұздық валундарының бірнеше ерекшелігі бар.

• олар жиі жергілікті геологияға жатпайтын жыныстардан тұрады, бұл олардың алыс жерден тасымалданғанын көрсетеді;
• олардың бетінде мұздық қозғалысының бағытын көрсететін параллель сызықтар болады;
• мұндай тастардың пішіні көбіне асимметриялы: бір жағы тегістелген, ал екінші жағы кедір-бұдыр болып қалады;
• олардың өлшемі кішкентай тастардан бастап мыңдаған тонна салмаққа жететін алып валундарға дейін өзгеруі мүмкін.

Канададағы Альберта провинциясындағы әйгілі Big Rock атты кварцит валуны — мұздық тасымалының айқын мысалы. Оның салмағы шамамен 15 000 тонна және ол шамамен 10 000 жыл бұрын Жартасты таулардан мұздық арқылы әкелінген.

Дөңгеленудің математикасы: неге пішін шарға ұмтылады

Тастардың дөңгелену процесінің артында нақты математикалық заңдылық жатыр. Бұл заңдылық табиғаттың неліктен шарға ұқсас пішінге ұмтылатынын түсіндіреді.

Венгриялық математик Габор Домокош және оның әріптестері 2010-жылдары малтатастардың қажалу кезінде пішінінің қалай өзгеретінін сипаттайтын математикалық модель жасады. Бұл модельге сәйкес кез келген үш өлшемді бұрышты объект біркелкі тозу кезінде біртіндеп шарға ұқсас пішінге жақындайды. Себебі шар — бетінің барлық нүктелері орталықтан бірдей қашықтықта орналасқан жалғыз геометриялық пішін.

Тәжірибелік бақылаулар бұл теорияны растайды.

1. Өзен малтатастары бастауынан сағасына қарай қозғалған сайын шарға жақындай түседі. Әлемнің әртүрлі өзендерінде жүргізілген зерттеулер тас сынықтарының дөңгелену дәрежесі олардың тасымалдану қашықтығына байланысты артатынын көрсетті.
2. Тастардың пішіні олардың қалыптасқан ортасы туралы ақпарат береді. Толқын әсеріндегі жағажай тастары тыныш өзен иірімдеріндегі сынықтарға қарағанда әлдеқайда дөңгелек болады, өйткені соқтығысулардың жиілігі мен күші әлдеқайда жоғары.
3. Табиғатта толық мінсіз шарлар өте сирек кездеседі. Көптеген дөңгеленген тастар эллипсоид немесе жалпақ диск тәрізді болады. Себебі табиғи ортада қажалу ешқашан толық біркелкі болмайды.
4. Пішіннің шарға жақындау жылдамдығы біртіндеп баяулайды. Бұл мінсіз пішінге жетудің соңғы кезеңдері алғашқы кезеңдерге қарағанда әлдеқайда көп уақыт пен тасымалдану қашықтығын қажет ететінін білдіреді.

Конкрециялар: туғаннан дөңгелек тастар

Барлық дөңгелек тастар қажалу нәтижесінде пайда болмайды. Геологияда бастапқыдан-ақ дөңгелек болып қалыптасатын ерекше құрылымдар бар.

Конкрециялар шөгінді жыныстарда белгілі бір ядроның айналасында пайда болады. Бұл ядро органикалық қалдық, минерал түйіршігі немесе газ көпіршігі болуы мүмкін. Жыныс кеуектеріндегі суда еріген минералдар осы орталықтың айналасына қабат-қабат болып шөгіп, біртіндеп шар тәрізді құрылым түзеді.

Конкрециялар әртүрлі өлшемде және құрамда кездеседі.

• сазды тақтатастардағы пирит конкрециялары кейде апельсин көлеміне жетіп, сыртынан алтын түсті шарларға ұқсайды;
• құмтастардағы темірлі конкрециялар диаметрі бір метрге дейін жетуі мүмкін, мысалы Жаңа Зеландия жағалауындағы әйгілі Моераки тастары;
• әктастардағы кальцит конкрециялары кейде зеңбірек ядроларының үйіндісіне ұқсайтын құрылымдар түзеді;
• Марста Opportunity марсоходы тапқан ұсақ гематит шарлары да дәл осындай процестердің басқа планеталарда да жүретінін көрсетеді.

Моераки тастары — табиғи конкрециялардың ең әсерлі мысалдарының бірі. Диаметрі екі метрге дейін жететін бұл үлкен сұр шарлар жағалауда жатқан алып тастар сияқты көрінеді. Олар шамамен төрт миллион жыл бұрын теңіз түбінде қалыптасып, кейін жағалау эрозиясы нәтижесінде ашылған.

Дөңгелек тастар — табиғаттың кездейсоқ құбылысы емес. Олар физикалық және химиялық процестердің заңды нәтижесі. Әрбір тегіс тас өзінің тарихын сақтайды: қандай жыныстан пайда болғанын, қай ортада өңделгенін және қандай қашықтыққа тасымалданғанын көрсетеді. Сынық жыныстардың пішінін зерттейтін ғылымдар — петрология мен седиментология — осы белгілер арқылы ежелгі ландшафтар мен климат жағдайларын қалпына келтіруге мүмкіндік береді. Қарапайым тасқа мұқият қарасаңыз, ол адамзат тарихынан әлдеқайда ұзаққа созылған геологиялық өткеннің үнсіз куәгері екені байқалады.