Л Е К Ц И Я 10

Тема 5. Экзогенные процессы

План лекции:

1. Геологическая деятельность наземных вод.

2. Динамика водных потоков.

3. Эрозионные процессы.

4. Речные террасы.

5. Гравитационные явления. Оползни, сели.

Г еологическая деятельность текучих наземных вод

Под текучими водами понимают всю воду, стекающую по поверхности суши, начиная от мелких струек, возникающих во время дождей и таяния снега, до самых крупных рек, подобных Волге, Амуру, Амазонке. Текучие воды являются самым мощным из всех экзогенных факторов, преобразующих поверхность материков. Разрушая горные породы и перенося продукты их разрушения в виде гальки, песка, глины и растворённых веществ, текучие воды способны в течение миллионов лет срезать даже самые высокие хребты и сравнять их с прилегающими равнинами. В то же время вынесенные ими в моря и океаны продукты разрушения горных пород служат главным материалом, из которого возникают мощные толщи осадков.

Все реки земного шара выносят за год в море в растворённом и механически взвешенном состоянии около 17,5 млн. тонн вещества, полученного за счёт разрушения суши. Это равносильно общему понижению её поверхности со средней скоростью около 0,09 мм в год или 9 см в тысячелетие. Всю разрушительную работу текучих вод в целом называют эрозией (от лат. "разъедание"). Выделяются две формы её проявления, принципиально отличающиеся друг от друга по своим результатам. Первая из них - размыв (линейный размыв). Это разрушительная работа русловых водных потоков, то есть временных или постоянных ручьёв и рек. Все они стремятся врезать своё русло в поверхность Земли в виде более-менее глубокой рытвины, промоины, оврага. Совсем иной формой проявления разрушительной работы воды является смыв (площадной смыв, абляция). Под смывом понимают работу воды, стекающей по склонам во время дождей или таяния снегов. Этот временный склоновый сток выражается либо в виде сплошной тонкой пелены воды, двигающейся по пологому скату, либо в виде густой сети мелких струек, каждая из которых является как бы миниатюрным ручейком. Под влиянием площадного смыва происходит выполаживание и сглаживание склонов, общее выравнивание поверхности суши, уменьшение её вертикального расчленения. Иными словами, площадной смыв приводит к прямо противоположным результатам по сравнению с линейным размывом. Реки и ручьи, производящие линейную эрозию, и мелкие струйки склонового стока, осуществляющие площадной смыв, создают совершенно различные по составу и строению отложения, играющие неодинаковую роль в общем комплексе континентальных осадков.

Динамика и режим русловых водных потоков.

Если скорость воды ничтожно мала (0,1-0,7 см/сек), движение её в русле является ламинарным, струи воды параллельны длинной оси русла. Практически же даже равнинные реки и ручьи обладают гораздо большими скоростями течения (0,5-2,5 м/сек). Движение воды будет турбулентным или вихревым. При этом в толще воды возникают завихрения, которые и являются основной причиной размыва дна и стенок русла, переноса по течению размытых частиц. Разрушительная сила потока прямо зависит от средней скорости течения и степени турбулентности. Работа рек и ручьёв зависит и от их многоводности, т.е. массы воды, протекающей через сечение русла в единицу времени (расход потока). Расход воды в реках меняется по сезонам года. Различают паводок, когда расход потока возрастает против средней величины, и межень, когда расход минимален. В межень русло не целиком затоплено водой. Во время паводка уровень воды поднимается, и русло заполняется в большей его части или целиком. Особенно сильный паводок, сопровождающийся разливом, называется половодьем. Характер

43

изменения расхода воды в течение года, особенности паводков, степень обмеления реки и т.д. - всё это носит название гидрологического режима. Он различен для разных рек и определяется климатом, количеством осадков и другими факторами. Активную разрушительную и созидательную работу реки производят главным образом во время паводков.

Эрозионные долины.

Все водные потоки размывают своё ложе и врезаются в поверхность Земли, создавая эрозионные борозды. В зависимости от размера водного потока эти борозды могут иметь самую различную величину. Крупные реки разрабатывают большие речные долины, глубина которых достигает сотен и даже тысяч метров, а ширина иногда десятков километров. Небольшие ручьи и временные потоки создают различного рода овраги. Совсем маленькие струи воды образуют на поверхности Земли лишь незначительные промоины глубиной в доли метра и немногие метры.

Все эти формы рельефа, хотя и отличаются друг от друга размерами, близки по происхождению и могут быть объединены общим термином - эрозионные долины.

Величина водного потока и размер его эрозионной долины зависят от той площади, с которой он собирает воду, или иначе от размера его водосбора. Последний неуклонно увеличивается от истоков к устью любого водного потока. Крупные реки имеют водосборы или речные бассейны площадью миллионы квадратных километров, образующие в плане сложно ветвящуюся речную систему. Этой гидрографической сети соответствует эрозионная сеть, или система долин внутри того же речного бассейна.

Общая характеристика работы водного потока.

Любой водный поток, движущийся по земной поверхности, производит работу, заключающуюся в разрушении горных пород, переносе и переотложении продуктов их разрушения. Живая сила движущейся воды в нижней части склона гораздо больше, чем в верхней. Поэтому в нижней части склона вода начинает рыть себе русло, имеющее форму рытвины с крутыми бортами. Эта рытвина со временем распространяется вверх по склону, пока не достигнет его вершины (попятная эрозия). В результате может возникнуть целая сеть разветвлённых оврагов, промоин или речных долин. Точка у подножия склона, от которой начинается размывание оврага (долины) и ниже которой не распространяется углубление рытвины, называется базисом эрозии данного оврага (долины). Рост долины идёт против течения потока от устья (базиса эрозии) к верховью, т.е. регрессивно, попятно. По мере роста продольный профиль днища долины по направлению к устью постепенно выполаживается, оставаясь крутым к вершине. Происходит это потому, что энергия потока и производимая им работа определяются массой воды и скоростью течения, т.е. уклоном русла. Как только в нижнем участке долины (откуда началось её развитие) уклон русла станет достаточно пологим, углубление долины прекращается, и энергия потока будет направлена на расширение долины и на вынос рыхлого материала, поступающего с вершины и со склонов. Здесь образуется конус выноса. Углубление и рост долины теоретически будут продолжаться до тех пор, пока на всём её протяжении уклон русла потока не будет соответствовать протекающей по руслу массе воды. Как только эти величины придут в равновесие, эрозионная работа потока прекратится. Подобный идеальный профиль получил название профиля равновесия. Он имеет форму правильной вогнутой кривой параболического типа, которая становится касательной к горизонту в нижней части и круто поднимается в верховье. Таков механизм формирования продольного профиля долины любого размера, от оврага до больших рек, но там он менее нагляден из-за больших площадей и длительных промежутков времени. Донная (глубинная) эрозия речных долин в горных областях протекает наиболее интенсивно, т.к. эти реки имеют крутые продольные уклоны и быстрое течение. Долины их глубиной в сотни метров, или даже до 1-2 км имеют узкое дно, почти целиком занятое руслом, и обычно очень крутые склоны (40-60^о). Форма поперечного сечения таких долин напоминает латинскую букву V, почему они и называются V-образные. Это как бы овраги, увеличенные во много раз. Такие долины принято называть морфологически молодыми. Наряду с ними встречаются и ещё более узкие ущелья -

44

каньоны - с почти вертикальными или ступенчатыми склонами. Мировой известностью пользуется Большой Каньон на реке Колорадо. Он врезан местами на глубину 2 км.

Если долина врезается в неоднородную по составу толщу горных пород, кривая её продольного профиля равновесия будет не плавной, а ступенчатой. В местах выхода плотных, трудно размываемых пород глубинная эрозия замедляется, а продольные уклоны возрастают, течение становится быстрым и бурным. Возникают пороги. Если пласты особо тверды, то перепад может приобрести форму почти вертикальной стенки, с которой поток будет низвергаться прямо вниз в виде водопада.

Боковая эрозия и развитие поперечного профиля долин.

По мере выработки кривой продольного профиля и приближения её к равновесной форме донная эрозия всё более ослабевает. Начинает сказываться другая форма разрушительной работы потока - боковая эрозия, заключающаяся в подмыве основания склонов долины. Боковая эрозия приводит к расширению долины и возникновению у неё плоского дна. Её поперечный профиль из V-образного постепенно преобразуется в плоскодонный или ящикообразный. Эту стадию развития долины называют стадией морфологической зрелости.

В результате боковой эрозии происходит образование и развитие излучин или меандров (от древнегреческого названия небольшой очень извилистой речки в Малой Азии - Меандр). Извилистость русла является свойством, неизбежным почти для всякой сравнительно медленно текущей реки. Медленный поток как бы "чувствует" любое препятствие и стремится его обойти. Его течение начинает отклоняться в сторону. Линия максимальных скоростей, т.е. динамическая ось, или стрежень потока, в прямолинейном русле расположенный по его середине, приближается теперь к одному из берегов. Течение подмывает и обрушивает этот берег и, отразившись от него, отклоняется в противоположную сторону. Таким образом, один берег русла подмывается, а второй, наоборот, наращивается. Образование изгиба русла в одном месте неизбежно влечёт за собой возникновение целой серии сопряжённых с ним изгибов ниже по течению, т.к. стрежень будет последовательно отражаться то от одного, то от другого берега. Возникший изгиб русла в дальнейшем растёт, увеличивается в высоту, его вогнутый берег подмывается во время каждого половодья, а выпуклый берег наращивается путём отложения гальки и песка. Рост излучины продолжается до тех пор, пока её шейка на станет столь узкой, что во время паводка воды могут её прорвать и вновь спрямить русло. Постепенно входы в брошенную излучину закроются и она превратится в замкнутое озеро - старицу. На новом русле одновременно начинается образование и рост новых излучин. Процесс смещения меандров вниз по течению играет основную роль в формировании плоского дна долины на всём её протяжении.

Кроме образования меандров есть и другие причины, вызывающие боковую эрозию. Среди них наиболее существенной является так называемый "закон Бэра": крупные реки в северном полушарии всегда стремятся подмыть свой правый берег, а в южном - левый. Первоначально русский академик К.М.Бэр сформулировал этот закон только по отношению к рекам меридионального направления, у которых правый берег подмывается на большом протяжении и поэтому круче левого. К.М.Бэр объяснял это влиянием инерции смещения воды вследствие вращения земного шара. Однако сейчас рассуждения Бэра представляются не совсем правильными, поскольку вода по инерции может двигаться очень недолго. Выявленная Бэром закономерность в действительности является выражением более общего закона движения тел на поверхности вращающейся сферы. При этом возникает поворотное или кориолисово ускорение, горизонтальная составляющая которого всегда направлена в северном полушарии вправо по отношению к направлению движения, в южном - влево, независимо от направления течения реки. Это ускорение вызывает для северного полушария тем большее отклонение течения вправо, чем шире река и поэтому заметно отражается на ходе боковой эрозии.

45

Образование аллювия и пролювия.

Аллювий - это отложения, образуемые водами, текущими вдоль ложбины стока постоянно или временно и откладываемые на дне этой ложбины.

Дно долины на зрелой стадии развития не целиком занято руслом потока. В хорошо разработанных, широких долинах оно составляет лишь ничтожную часть ширины дна долины. Остальная его часть представляет пойму, называемую ещё пойменной, луговой или заливнойтеррасой. Это более-менее плоская поверхность, целиком или частично заливаемая речными водами во время половодий и возвышающаяся над руслом на различную высоту. Пойма почти целиком сложена аллювиальными отложениями.

Аллювий, откладываемый в русле реки, называется русловым аллювием. В медленно текущих реках он состоит из чистых песков, хорошо промытых от глинистых и пылеватых частиц, с подчинённым количеством грубого гравийного и галечного материала. В различных частях русла условия отложения аллювия неодинаковы. В каждой реке закономерно чередуются более глубокие участки - плёсы и более мелкие - перекаты. Во время разливов на русловой аллювий оседает и тонкопесчаный или глинистый осадок, возникающий из взвешенного в воде материала (в виде мути). Он называется наилок и накапливается на поверхности поймы, образуя слой супесчано­суглинистого состава, называемый пойменным аллювием. Имеется кроме этого ещё старичный аллювий, отлагающийся на дне стариц. Он состоит из тёмных, богатых органическим веществом илов суглинистого и супесчаного состава в виде линз среди русловых и пойменных отложений.

Рис. 1 Схема геологического строения долины реки

1 - русловые отложения (галечники, щебень, валуны); 2 - пойменные отложения (супеси, суглинки, глины); 3 - старинные (глины, илы, торф)

Принципиально иначе происходит накопление аллювия в быстрых потоках горных рек. Огромные скорости (10-12 м/сек) создают на дне условия, часто препятствующие отложению даже галечникового и валунного материала. Песок и глина могут быть задержаны лишь в местах возникновения завальных плотин или в горных проточных озёрах, а иначе выносятся за пределы горной страны. Поэтому аллювий горных рек состоит только из русловых отложений, сложенных галечниками и валунами.

Речные надпойменные террасы.

Эпохи относительно быстрых поднятий и опусканий земной коры оказывают влияние на режим рек. При этом значительно изменяются уклоны профиля рек, могут возникать пороги и водопады (особенно в горах), резко возрастает глубинная эрозия водных потоков, расчленение поверхности. На месте плоскодонных хорошо разработанных долин появляются молодые эрозионные врезы V-образного типа. Происходит "омоложение" речной долины. Река вновь начинает вырабатывать продольный профиль применительно к новым соотношениям с базисом эрозии. По мере замедления тектонических движений продольный профиль реки будет приближаться к кривой равновесия, усилятся боковая эрозия и аккумуляция. В результате сформируется новая пойма на более низком гипсометрическом уровне. Прежняя пойма останется у коренного склона долины в виде площадки, сочленённой с новой поймой уступом и уже не

46

заливаемой полыми водами. Подобный цикл может повторяться несколько раз. Так вследствие неравномерного хода тектонических движений земной коры в речных долинах образуется лестница террас, возвышающихся друг над другом и представляющих собой остатки прежних пойм. Они называются надпойменными террасами. Образуется новый морфологический тип долин - террасированные долины, особенно развитые на равнинных реках. Циклы выработки новой поймы называются циклами эрозии.

Самые верхние террасы - наиболее древние. Нумерация террас идёт снизу вверх. У каждой террасы различают следующие элементы: террасовидную площадку, тыловой шов, бровку террасы, уступ террасы. Цикл эрозии - от уступа террасы до площадки нижележащей террасы.

В основании аллювиальных отложений всегда расположен цоколь, сложенный коренными горными породами, в который врезана долина. В зависимости от высотного положения цоколя и мощности аллювия выделяют три типа террас:

1. Эрозионные или скульптурные (террасы размыва) - почти все элементы сложены коренными породами, аллювий залегает лишь местами в виде галечников. Такое строение свидетельствует об изменении режима реки (связанном с усилением тектонических движений) на ранней стадии её развития, когда преобладали процессы глубинной эрозии и аллювий накапливался в небольших количествах.

2. Аккумулятивные. Площадки и уступы в них полностью сложены аллювиальными отложениями, цоколь никогда не обнажается. Такое строение указывает, что река прошла весь цикл развития от глубинного врезания до формирования поймы с мощным аллювием, которая впоследствии была прорезана и оставлена в виде террасы.

3. Цокольные или смешанные, эрозионно-аккумулятивные террасы - в нижней части уступа выходит на поверхность цоколь, а верхняя часть уступа и площадка слагаются аллювием.

Типы речных устьев.

Дельты.Впадая в моря или озёра, реки выносят в них массу обломочного материала, который распределяется в зависимости от величины обломков - тонкие выносятся дальше в море, более грубые осаждаются у самого устья в связи с резким падением скорости течения. Если материала много, то за его счёт растёт подводный конус выноса. Выступая из воды, он образует плоско покатую низменную равнину, выдающуюся в море в виде выступа более-менее треугольной формы, или дельты, в пределах которой река дробится на многочисленные рукава, протоки. На образование дельты влияет не только гидрологический режим реки, но и гидрологический режим моря и тектонический режим земной коры. Накоплению дельты способствуют: отсутствие сильных морских течений, отсутствие в районе устья приливно-отливных течений, небольшая глубина моря.

В качестве разновидности аллювия выделен самостоятельный генетический тип континентальных отложений - пролювий - отложения конусов выноса, т.е. материал, вынесенный потоком горной долины на предгорную низменность, или оврага на пойму. Особенно большие конусы выноса бывают в предгорных низменностях, куда реки выносят из гор огромные массы обломочного материала. В основном они сложены галечником, к периферии - более мелким материалом. В полупустынных и пустынных областях, где реки, выходя из гор, могут полностью иссякнуть, конусы выноса особенно велики и представлены всеми разновидностями материала, вплоть до лёссовидного по периферии. Конусы соседних долин могут сливаться и образовывать предгорный пролювиальный шлейф, простирающийся у основания гор поперёк русел.

Аналогичное строение имеют делювиальные отложения, накапливающиеся у основания склона в результате работы небольших струй, стекающих с него. Делювий, в отличие от пролювия, даёт скатертевидные шлейфы, одевающие нижние части склонов. Делювий образуется в равнинных областях с влажным климатом, пролювий - в горных областях и прилегающих к ним низменностях с полупустынным и пустынным климатом.

47

Гравитационные явления.

Это перемещение горных пород под влиянием силы тяжести. Продукты выветривания, скапливаясь, начинают перемещаться вниз по склону. Рыхлая порода, движущаяся по склону, образует делювий, а накапливающаяся у подножия склона в виде шлейфа - коллювий. Большую роль в формировании некоторых видов гравитационных накоплений играют подземные воды.

Гравитационные явления разделяются на следующие категории: 1) собственно гравитационные; 2) гравитационно-аквальные; 3) аквально-гравитационные; 4) гравитационно-субаквальные.

Собственно гравитационные явления обусловлены полностью действием силы тяжести и происходят в горах, имеющих обрывистые склоны. Масса породы отрывается по трещинам, заранее подготовленным физическим выветриванием, землетрясением или другими факторами. Иногда бывает достаточно выстрела или громкого крика. Обломки летят вниз, дробясь и разрушаясь. Возникает обвал. У подножия склонов образуются осыпи. Обвалы подготавливаются длительное время, а совершаются мгновенно и нередко вызывают значительные катастрофы. К этой категории относятся и снежные лавины. Здесь обрушивающаяся масса состоит из снега.

Гравитационно-аквальные явления наиболее широко распространены. К ним относятся оползни различных типов, при которых отделившаяся по трещинам масса пород скользит по склону, а не падает, как при обвале. Первичная структура породы при этом не нарушается. В оползнях, как и обвалах, различают стенку отрыва, т.е. тот участок склона, откуда произошло смещение, путь оползня и оползневое тело. Чаще всего оползневое тело ограничено сверху ровной или бугристой площадкой - оползневой террасой. Оползневое тело обычно движется по глинистой породе, служащей водоупором и смоченной водой. Если оползающий склон покрыт лесом, деревья на разных блоках наклоняются ("пьяный лес"). Оползни распространены очень широко в горных и равнинных областях, где есть чередование различных пород с глинистыми породами. Борьба с оползнями заключается в укреплении склонов деревьями, кустами, кольями, В нижней части склонов создаются упорные стенки. Поверхностные воды в оползневом районе отводятся по желобам, подземные воды перехватываются канавами, пускаются по трубам.

Аквально-гравитационные явления. Основную роль в них играет вода. Различают оползневые потоки, оплывины и сели. Вода пропитывает горные породы, нарушая связи между отдельными частями их и даже отдельными зёрнами. Породы при этом разжижаются и начинают скользить или даже стекать по склону. Так образуются оползневые потоки, обычно вытянутые вдоль какой - либо долины. В этом случае основная масса вещества теряет свою первоначальную структуру и после высыхания представляет собой скопление отдельных комков земли, среди которых местами сохраняются мелкие оползневые тела в первоначальной структурой. Крайнюю форму аквально- гравитационных явлений составляют сели и селевые потоки.

Сели - бурные горные грязекаменные потоки, насыщенные массой глинистых и песчаных частиц, щебнем, глыбами.Материал мелевого потока скапливается в нижней части долины или у подножия склона в виде шлейфообразного конуса выноса. Селевые потоки образуются чаще всего после сильных дождей или таяния снега в условиях континентального климата. Выносы селевых потоков могут заполнять межгорные впадины, образуя многометровые толщи рыхлых грубообломочных отложений. Сели широко распространены на Кавказе, в Крыму и особенно в горах Средней Азии, где вызывают серьёзные бедствия (уничтожение оз. Иссык близ Алма-Аты и др.). Борьба с селями сводится, во-первых, к выявлению скопившихся в высокогорье водяных масс и своевременному опорожнению этих резервуаров путём мелких направленных взрывов. Во- вторых, в долине по пути следования селя расставляют металлические и бетонные "ловушки", призванные задержать большую часть крупных обломков потока и смягчить его разрушительную силу. Уникальной в мировой практике защитной мерой является сооружение в г. Алма-Ате специальной противоселевой плотины в урочище Медео по долине реч. Мал. Алмаатинки в 1966­67 годах. В 1973 году плотина задержала крупный селевой поток и была впоследствии надстроена, достигнув высоты 150 м.

48

Вопросы для самопроверки по теме 5.

1. Что изучает динамическая геология?

2. Какова направленность экзо- и эндогенных процессов?

3. В каких условиях проявляется физическое выветривание?

4. Типы химического выветривания?

5. Что такое латеритная кора выветривания?

6. Как ветер воздействует на горные породы?

7. Назовите примеры эоловых отложений?

8. Чем отличаются по воздействию на породы линейная эрозия и площадной смыв?

9. Что такое базис эрозии?

10. Как образуются меандры?

11. Виды аллювия, их особенности?

12. Какие вы знаете виды устьев?

13. Как образуются речные надпойменные террасы?

14. Гравитационные явления и связанные с ними отложения ?.

15. Что такое сель?

49