Геологическая деятельность поверхностных текучих вод

Глава 6. ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ  ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ ПОВЕРХНОСТНЫХ ТЕКУЧИХ  ВОД 

Под текучими водами понимаются все воды поверхностного стока на суше от струй, возникающих  при выпадении дождя и таяния снега, до самых крупных рек. Все  воды, стекающие по поверхности Земли, производят различного вида работу. Чем  больше масса воды и скорость течения, тем наибольший эффект ее деятельности. Хорошо известно, что поверхностная  текучая вода - один из важнейших  факторов денудации суши и преобразования лика Земли. 

Как и в других экзогенных процессах, в деятельности текучих вод могут быть выделены три составляющие: 1) разрушение, 2) перенос  и 3) отложение, или аккумуляция, переносимого материала на путях переноса. По характеру и результатам деятельности можно выделить три вида поверхностного стока вод: плоскостной безрусловой склоновый сток; сток временных русловых потоков; сток постоянных водотоков - рек.

Рис. 6.1. Схема образования  делювия 

6.1. ПЛОСКОСТНОЙ СКЛОНОВЫЙ  СТОК  

В периоды выпадения  дождей и таяния снега вода стекает  по склонам в виде сплошной тонкой пелены или густой сети отдельных  струек. Они захватывают главным  образом мелкоземистый материал, слагающий склоны, переносят его вниз. У подошвы течение воды замедляется, и переносимый материал откладывается как непосредственно у подножья, так и в прилегающей части склона (рис. 6.1). Такие отложения, образованные склоновым стоком, называются делювиальными отложениями или делювием (лат. "делюо" - смываю). Наиболее характерны довольно протяженные делювиальные шлейфы в пределах равнинных рек степных районов умеренного пояса. 

Делювиальные шлейфы в этих условиях обычно сложены суглинками и лишь местами в основании  встречается песчаный материал. Наибольшая мощность делювия (до 15-20 м) наблюдается  у основания склона, а вверх  по склону она постепенно уменьшается. Продолжающийся процесс плоскостного смыва и образование делювия  постепенно приводят к выполаживанию склонов. В высоких горах типичных делювиальных шлейфов нет в связи с широким развитием гравитационных процессов на склонах. В этих условиях формируются смешанные коллювиально-делювиальные образования.  
 

6.2. ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ  ВРЕМЕННЫХ РУСЛОВЫХ ПОТОКОВ 

Среди временных  русловых потоков выделяются временные  потоки оврагов и временные горные потоки. Начало оврагообразования связано в большинстве случаев со склонами долин рек. Если в пределах склона или его бровки имеются различные естественные или искусственные неровности, понижения, то при выпадении дождя или таянии снега в них происходит слияние отдельных стекающих струй воды, которые разрушают указанные части склона и на их месте образуются различные промоины, рытвины. Так начинается на склонах процесс размыва, или эрозии (лат. "эродо" - размываю). Фактически это первая зародышевая стадия развития оврага. В последующем в таких рытвинах периодически концентрируется еще большее количество воды, и они начинают расти в глубину, ширину, вниз и вверх по склону. Дно такого оврага отличается неровностью. По мере дальнейшего углубления (увеличение донной эрозии) профиль оврага постепенно выравнивается, его устье достигает основания, куда впадает поток. Уровень реки или какого-либо бассейна, куда входит овраг, называется базисом эрозии. В вершине оврага, выдвинувшейся за бровку склона в пределы водораздельного плато, образуется перепад. В результате возникающие водотоки обрушиваются в вершину оврага водопадом или образуют здесь стремнины с быстрым течением, завихрениями. Это способствует интенсивной эрозии в пределах перепада и постепенному продвижению вершины оврага все дальше в глубь водораздельного плато. Такой процесс роста вверх по течению потока называется регрессивной (лат. "регрессус" - движение назад) или попятной эрозией.

Рис. 6.2. Типы оврагов 
 

По мере продвижения  вершины растущего оврага в глубь водораздельного плато на его склонах образуются промоины или рытвины, которые также превращаются в овраги. Такие ответвления, или отвержки, от главного оврага растут попятно, следуя по течению сливающихся струй воды, и по мере развития они также ветвятся. В результате возникает сложная ветвящаяся овражная система, расчленяющая местами не только склоны, но и обширные водораздельные пространства (рис. 6.2). 

Наиболее глубокая и разветвленная сеть оврагов  образуется в районах развития легко  размываемых горных пород - лёссовидных  суглинков, песков, алевролитов, глин. Пример тому Средне-Русская возвышенность, представляющая эрозионно-денудационную плоскую равнину, расчлененную густой сетью оврагов. Аналогичное овражное расчленение отмечается на Приволжской, Волыно-Подольской возвышенностях и возвышенностях Белоруссии, где, по данным Б.Н. Гурского, овражно-балочный рельеф занимает 20-30% площади плодородных земель. К сожалению, следует отметить, что оврагообразованию способствуют не только природные факторы, но и необдуманная деятельность человека (вырубка леса, распахивание, заложение грунтовых дорог и канав в направлении вниз по склону и др.). 

Для борьбы с оврагами применяются различные методы, направленные на предотвращение попятной эрозии и  укрепление склонов. 

Аккумулятивная деятельность временных водотоков проявляется  в низовьях оврага и особенно при его выходе в долину реки или в другие водоемы, где местами образуется конус выноса, сложенный различным несортированным обломочным материалом местных пород. На развитии сложной системы оврагов сказываются новейшие тектонические движения (поднятие водоразделов или опускание базиса эрозии).  

В результате могут  происходить оживление эрозионной работы, формирование молодых врезов (оврагов) в древние и накопление более молодых отложений в  конусах выноса (см. рис. 6.2). Местами в областях лесостепи и степи наблюдаются оврагоподобные формы с расширенным дном и мягкими пологими склонами, покрытыми плащом делювия и в ряде случаев растительностью. Такие формы называют балками.

Рис. 6.3. Канал стока  и конус выноса временного горного  потока 
 

6.3. ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ  РЕК 

Мощные водные потоки рек, расчленяющие огромные пространства суши, производят значительную эрозионную, переносную и аккумулятивную деятельность. Это наиболее динамические системы, преобразующие рельеф. Интенсивность  работы рек определяется их живой  силой, т. е. кинетической энергией, равной mv2/2, где m - масса воды; v - скорость течения. Последняя зависит от уклона продольного профиля и определяется по формуле Шези: v = с, где с - коэффициент, зависящий от шероховатости русла; R - гидравлический радиус, равный отношению площади живого сечения водотока к смоченному периметру; i - уклон.  

Под уклоном понимается величина перепада высот, деленная на расстояние по горизонтали, на котором  наблюдается этот перепад.  

На интенсивности  процессов в речных долинах сказывается  турбулентный характер течения, когда  молекулы воды движутся беспорядочно или по перекрещивающимся траекториям, наблюдаются различные завихрения, вызывающие перемешивание всей массы  воды от дна до ее поверхности. Наибольшие скорости наблюдаются в приповерхностной части потока на стрежне, меньше у  берегов и в придонной части, где поток испытывает трение о  породы, слагающие русло. Вдоль реки скорость течения также меняется, что связано с наличием перекатов  и плёсов, нарушающих равномерность  уклона. 

В зависимости от характера и интенсивности питания  изменяются режим рек, количество и  уровень воды, а также скорость ее течения. В соответствии с изменением уровня воды в реке говорят о высоком  горизонте, соответствующем половодью, и низком меженном горизонте, или  межени, наступающей после спада  половодья. Помимо этого, в реках  наблюдаются периодические паводки, соответствующие кратковременному повышению уровня воды от затяжных дождей. 

Речная эрозия. Выделяют два типа эрозии:  

1) донная, или глубинная, направленная на врезание речного потока в глубину;  

2) боковая, ведущая  к подмыву берегов и в целом  к расширению долины.

Рис. 6.4. Выработка  продольного профиля равновесия реки на различных стадиях регрессивной эрозии 
 

Соотношение донной и боковой эрозии изменяется на разных стадиях развития долины реки. В  начальных стадиях развития реки преобладает донная эрозия, которая  стремится выработать профиль равновесия применительно к базису эрозии - уровню бассейна, куда она впадает. Базис эрозии определяет развитие всей речной системы - главной реки с ее притоками разных порядков. Первоначальный профиль, на котором закладывается  река, обычно характеризуется различными неровностями, созданными до образования  долины. Такие неровности могут быть обусловлены различными факторами: наличием выходов в русле реки неоднородных по устойчивости горных пород (литологический фактор); озера  на пути движения реки (климатический  фактор); структурные формы - различные  складки, разрывы, их сочетание (тектонический  фактор) и другие формы. В процессе регрессивной эрозии река, углубляя свое русло, стремится преодолеть различные  неровности, которые со временем сглаживаются, и постепенно вырабатывается более плавная (вогнутая) кривая, или профиль равновесия реки (рис. 6.4). Считается, что этот выровненный профиль соответствует на каждом отрезке долины динамическому равновесию при данных гидрологических условиях и постоянном базисе эрозии.

Рис. 6.5. Канадская  часть Ниагарского водопада и  отступание его (по С. К. Гильберту) 
 

Анализ развития речных долин, как в равнинных, так  и в горных областях показывает, что в выработке профиля равновесия реки играют большую роль не только главный базис эрозии, но и местные, или локальные, базисы, к которым  относятся различные уступы, или  пороги. На месте порога, или уступа, возникают водопады, которые размывают  дно уступа, а с другой стороны  подмывают его основание вследствие возникающих водоворотов. В результате уступ разрушается и отступает (рис. 6.5). Так, например, суммарное отступание известного Ниагарского водопада, низвергающегося  с высоты около 50 м, с 1875 г. составило  около 12 км, что соответствует приблизительно скорости отступания около 1,0-1,2 м/год. Такой уступ с водопадом является локальным (местным) базисом эрозии.  

Часть реки, расположенная  выше уступа, будет развиваться регрессивно  применительно к нему, а ниже расположенная часть реки - к главному базису эрозии. Только после уничтожения уступа развитие профиля долины будет контролироваться главным базисом эрозии. Такими же местными базисами могут быть озера, расположенные в депрессиях первичного рельефа. До тех пор, пока это озеро не будет спущено или заполнено осадками, верхняя часть реки будет развиваться применительно к озеру. Таким образом, продольный профиль реки превращается в единый только по мере выравнивания кривой продольных уклонов местных базисов эрозии. 

По мере выработки  продольного профиля, приближающегося  к стадии динамического равновесия, закономерно изменяется и форма  поперечного профиля долины. На ранних стадиях ее развития, при значительном преобладании глубинной эрозии реки вырабатываются крутостенные узкие долины, дно которых почти целиком занято руслом потока. Поперечный профиль долины представляет или каньон с почти вертикальными, иногда ступенчатыми склонами и ступенчатым продольным профилем дна, или имеет V-образную форму (по сходству с латинской буквой v) с покатыми склонами. Эта первая стадия развития реки называется стадией морфологической молодости. Такие формы особенно хорошо выражены в пределах молодых горных сооружений (Альпы, Кавказ и др.) и высоких плоскогорий, где глубина речных долин достигает сотен метров, а местами 1 - 2 км. 

Боковая эрозия. По мере выработки профиля равновесия и  уменьшения уклонов русла донная эрозия постепенно ослабевает и все  больше начинает сказываться боковая  эрозия, направленная на подмыв берегов  и расширение долины. Это особенно проявляется в периоды половодий, когда скорость и степень турбулентности движения потока резко увеличиваются, особенно в стрежневой части, что  вызывает поперечную циркуляцию. Возникающие  вихревые движения воды в придонном  слое способствуют активному размыву  дна в стрежневой части русла, и часть донных наносов выносится  к берегу. Накопление наносов приводит к искажению формы поперечного  сечения русла, нарушается прямолинейность  потока, в результате чего стрежень потока смещается к одному из берегов. Начинается усиленный подмыв одного берега и накопление наносов на другом, что вызывает образование изгиба реки. Такие первичные изгибы, постепенно развиваясь, превращаются в излучины, играющие большую роль в формировании речных долин. 

Временные горные потоки развиваются несколько отлично  от оврагов. Их верховья расположены  в верхней части горных склонов  и представлены системой сходящихся рытвин и промоин, образующих вместе водосборный бассейн. Ниже по склону вода движется в едином русле. Этот участок горного потока называется каналом стока. В периоды сильных  дождей и интенсивного таяния снега  временные горные потоки движутся с  большой скоростью и захватывают  значительное количество различного обломочного  материала, который способствует интенсификации эрозионной деятельности. При выходе на предгорную равнину скорость движения уменьшается, горные потоки ветвятся на многочисленные рукава, в результате чего весь принесенный обломочный материал откладывается. Так образуется конус выноса временного горного потока в виде полукруга, поверхность которого имеет наклон от горного склона в сторону предгорной равнины (рис. 6.3). В конусах выноса временных горных потоков местами наблюдаются дифференциация принесенного материала и зональность его распространения. В относительно крутой вершинной части конуса остается более крупный обломочный материал, который ниже может сменяться песками, супесями, а в краевой части - тонкими пылеватыми лёссовидными отложениями. Но такая последовательность отложений в конусах выноса часто нарушается, что связано с различными величинами периодически возникающих потоков и размерностью переносимого материала. Поэтому в вертикальном разрезе отложений конусов выноса местами имеет место переслаивание мелко- и крупнообломочного несортированного, слабо скатанного материала. Отложения конусов выноса временных горных потоков были впервые выделены А.П. Павловым в особый генетический тип континентальных отложений и названы пролювием (лат. "пролюо" - промываю). Конуса выносов, сливаясь друг с другом, образуют местами широкие подгорные волнистые шлейфы. 

В аридных областях ряд постоянных водных потоков, стекающих  с гор, разливаются на пустынных  предгорных равнинах и образуют значительные по протяженности конуса выноса - "сухие  дельты", в которых наблюдается  постепенная смена крупнообломочного  руслового материала в вершинной  зоне песчаным и супесчано-суглинистым ниже. Во фронтальной же, или периферической, части, где периодически возникают разливы полых вод таких рек, образуются временные водоемы, накапливаются осадки застойно-водного типа - озерные осадки, наземные болотно-солончаковые и др. 

В некоторых горных долинах периодически возникают  мощные грязекаменные потоки, несущиеся  с большой скоростью и обладающие огромной разрушительной силой. Они  содержат до 70-80% обломочного материала  от их общего объема. Грязекаменные  потоки, возникающие при быстром  таянии снега и льда или при  сильных ливнях, называют селями в  Средней Азии и на Кавказе, мурами - в Альпах. Нередко они носят катастрофический разрушительный характер.