Общая Геология 2

Движение воды в реках контролируется 3-мя факторами: 1) градиентом уклона русла; 2) расходом водного потока; 3) формой русла. Понятно, что чем больше уклон русла, тем быстрее течение реки.

Градиент может колебаться от 8-10 см на 1 км до десятком метров на 1 км в горных речках.

Расход воды определяется объемом потока в единицу времени, на единицу площади, обычно м3/с ( Q = Vср S ). Скорость реки увеличивается, когда возрастает расход воды, хотя градиент не изменяется. Большие реки имеют огромный расход воды, например, в Амазонке 150000 м3/с, а в Миссисипи только 17500 м3/с. В горных реках расход воды летом составляет 100-200 м3/с, тогда как зимой он падает до 10-20 м3/с.

Форма русла контролирует трение воды о коренные породы, по которым течет река. Вблизи берегов и дна течение медленнее, чем в осевой части реки, которая называется стрежень (рис. 6.2.1). Неровное, с выступами русло реки замедляет течение и оно становится турбулентным, хотя и в равнинных реках оно редко бывает

Рис. 6.2.1. Максимальные скорости течения воды в реке в плане, в разрезе. 1 – стрежень, точками показано сечение реки с максимальной скоростью течения. 1-1’; 2-2’; 3-3’ – линии поперечных профилей через реку

ламинарным. Нередко в текущей воде возникают завихрения, водовороты, которые охватывают всю толщу воды и не остаются постоянными, т.к. характер дна со временем изменяется.

Процессы эрозии (размыва) и аккумуляции (накопления осадков) в реке зависят от ее энергии или живой силы реки, т.е. способности реки производить работу за счет массы воды и скорости течения. Если живая сила реки (К) больше, чем взвешенные частицы в воде (L), т.к. К>L, то преобладает эрозионная деятельность; если К<L, то происходит

аккумуляция материала, который переносит река. В случае, когда К =L, то наступает равновесие между эрозией и аккумуляцией.

Речная эрозия и ее способы. Эрозионная деятельность реки осуществляется различными способами. Врезание реки происходит, главным образом, при помощи осадков, которые воздействуют на коренные породы ложа реки как абразивный материал, но сама вода не обладает абразивными свойствами. Абразионная мощность реки, несущей песок и гальку, изменяется пропорционально квадрату скорости ее течения Мабр. = V2, где V – скорость течения. Т.к. водный поток влечет по дну материал разной крупности, то последний окатывается, приобретая округлую форму. Гидравлическое воздействие воды связано сее ударным воздействием на рыхлый материл. Растворяющее действие воды на породы ложа реки связано с наличием в воде угольной и органических кислот, которыми она насыщается, проходя в истоках через заболоченные, застойные участки. Такие воды извлекают из пород ионы Na+,Ca+2, K.+ Особенно быстро растворяются карбонатные породы, примерно 5 млрд. тонн ежегодно.

Эродирующее действие реки сказывается в пределах дна, это – донная эрозия, а по берегам реки осуществляется боковая эрозия, сильно зависящая от характера извилистости русла.

Перенос материала в реках осуществляется разными способами: 1- перенос ионов, образовавшихся за счет растворения; 2

– перенос частиц при скорости потока в 2-3 см/с, взвешенных в толще воды. Обычно это тонкий песчанистый, алевритовый и глинистый материалы, концентрирующийся в толще воды вблизи дна, Рис. 6.2.2. Транспортировка материала

в реке (А). Гальки и обломки перекатываются по дну, плоские гальки перемещаются волочением. Песчинки перемещаются прыжками -сальтацией. В верхней части воды самые тонкие частицы взвешены; Поведение взвешенной частицы в речной воде (Б)

Более крупные частицы – разнозернистый песок, мелкая и крупная гальки переносятся либо путем сальтации, т.е. прыжками, либо перекатыванием по дну (скорость 15-25 см/с), либо путем скольжения по дну наиболее крупных обломков и галек при скорости более 1

м/с (рис. 6.2.2, а).

Обломки, попавшие в реку, постепенно уменьшаются в размерах и теряют свой вес, перемещаясь вниз по реке. Способность реки переносить материал усиливается тем, что обломки и частицы теряют в воде до 40% своего веса. Весь материал, перемещаемый как волочением по дну, так и во взвешенном состоянии в воде, называется твердым стоком реки, который в горных реках намного превышает твердый сток в равнинных реках. Вес любой частицы, находящейся в воде пропорционален ее объему или кубу ее диаметра. Сопротивление частицы осаждению – это функция площади ее поверхности. Скорость осаждения частицы регулируется ее размером, разностью плотности частицы и воды, вязкости жидкости и силой тяжести (закон Стокса) (рис. 6.2.2,б). Во время паводков происходит усиление переноса материала в реке. Перенос материала от истока к устью реки сопровождается его сортировкой и абразивным истиранием (рис. 6.2.3).

Аккумуляция (отложение) материала в реках происходит в самом русле, по берегам реки во время половодья и в устьевой части реки, где образуется конус выноса или дельта ( по греческой букве ∆ - дельта). Весь обломочный материал, откладываемый реками называется аллювием (лат. Аллювио – намыв, нанос). Впервые он был выделен в 1823 г. английским геологом У.Баклендом, а в России введен В.В.Докучаевым в 1878 г.

Гидрологический режим рек обуславливает формирование аллювия равнинных и горных рек.

Рис. 6.2.3. Зависимость грубости аллювия, его переноса, размыва и отложения от скорости течения реки

Аллювий равнинных рек подразделяется на русловой, пойменный и старичный. Русловой аллювий накапливается в обстановке непрерывно меняющегося русла,

вода в котором характеризуется максимальной энергией и поэтому аллювий обладает наибольшей грубостью материала – от разнозернистых песков, до гравия и крупных галек. Формирование руслового аллювия в реке, имеющей изгибы – меандры (от р. Меандр в западной Анатолии, в Турции) подчиняется сложной циркуляции воды в поперечном и продольном сечениях реки (рис.6.2.4). Стрежень, т.е. максимально быстрое течение, приближено в вогнутому, приглубому берегу и, соответственно, отдалено от отмелого противоположного берега. В поперечном разрезе реки на изогнутых и прямолинейных участках наблюдается многоячеистая вторичная циркуляция. Поэтому у вогнутого, приглубого берега, там, где располагается стрежень или плёс формируется наиболее грубый аллювий. А на выпуклом, отмелом берегу, образуется

прирусловая отмель или побочень, сложенная хорошо сортированными мелко- и тонко зернистыми песками, ограниченная прирусловым валом, располагающимся ближе к руслу. В случае отступания русла, более молодые части прируслового аллювия накладываются друг на друга, образуя серию прирусловых валов.

На спрямленных участках реки, между изгибами образуются мелководные перекаты, река дробится на несколько рукавов, между которыми располагаются островки и аллювий характеризуется разнозернистостью и быстрой изменчивостью.

Рис. 6.2.4. Развитие меандры и перехват реки с образованием старицы. На отмелом берегу накапливается аллювий, а обрывистый берег все время подмывается: 1 – река; 2 – отмелый берег; 3 - приглубый берег; 4 - старица

По мере развития равнинной реки ее извилины– меандры, становятся выраженными все резче, образуя раздувы и пережимы. При этом приглубые берега эродируются, а на отмелых наращивается отмель. Наконец, наступает момент, когда два пережима соединяются между собой и происходит перехват реки, русло которой спрямляется, а бывшая меандра отделяется от нового русла и образует старицу (старая часть реки), обычно узкой серповидной формы, в которой развит своеобразный аллювий,

состоящий из проточной, озерной и болотной частей (рис. 6.2.5). Первая, нижняя часть состоит из чередования песков, супесей и глин, т.к. во время половодий старицы могут заливаться водой. Вторая, более молодая часть, сложена слоистыми глинами, илами, накапливавшимися во время озерной стадии развития старицы. И, наконец, верхний горизонт, как правило сложен уже торфом, когда произошло заболачивание старицы и ее отмирание. Меандрирующая река может снова перекрыть русловым аллювием старичный и тогда последний переходит в погребенное состояние.

Рис. 6.2.5. Север Тунгусской синеклизы. Меандрирующая река и старицы

Ежегодные паводки перекрывают наиболее низкие прирусловые отмели, называемые поймой, а особенно мощное половодье – еще более высокие участки низкой долины – высокую пойму. Пойменный аллювий, состоящий из тонкого материала, взвешенного в полой воде – тонких песков, суглинков, глин, чаще всего не превышает в мощности 1-2 м и перекрывает русловой грубый аллювий. Пойма, покрытая заливными лугами, очень важная в сельскохозяйственном отношении часть долины реки. На поймах всегда растут сочные, высокие травы – это пастбища и угодья для сенокоса. Нередкое стремление осушить, распахать пойму всегда приводило к ее гибели.

Аллювий горных рек отличается от равнинного аллювия своей грубостью, плохой сортированностью, наличием горизонтов пролювия из грязекаменнных – селевых потоков.

Реки начинаются обычно в высокогорной части у концов ледников, где имеют крутой уклон русла, а далее переходят в горную часть, располагаясь в троговых долинах. Там уклон русла уже меньше. Вырвавшись , наконец, из гор, реки текут по равнине – предгорной зоне, где рельеф уже слабо расчленен, течение воды замедлено, хотя все еще быстрое. Соответственно этим частям долин горных рек меняется и аллювий, от грубого, не сортированного, плохо окатанного, содержащего крупные валуны и глыбы, до сравнительно тонкого, песчаного и мелкогалечного пойменно – руслового аллювия. Основная роль в формировании горного аллювия принадлежит новейшей тектонике и климату, которые определяют характер уклона русла, расход воды, скорость течения, гидродинамику потока и, особенно, турбулентно-вихревой характер течения. Горные потоки обладают большой эродирующей силой и переносят много обломочного материала, до 50-60 кг/м3, тогда как в равнинных реках он не достигает и 0,5 –1 кг/м3.

Динамические фазы аллювиальной аккумуляции, выделенные Е.В.Шанцером, В.В.Ламакиным и И.П.Карташевым , позволили связать характер аллювия с фазами развития рек.

Инстративный или выстилающий аллювий характерен для ранних стадий развития реки, когда она врезается в горные породы и характеризуется наибольшей грубостью и плохой сортировкой. Такой аллювий располагается только в русле реки.

Субстративный или подстилающий аллювий связан с расширением боковой эрозией речной долины. Этот аллювий менее грубый и он перекрывает выстилающий аллювиальный горизонт.

Констративный или настилающий аллювий характерен для участков реки, испытывающих тектоническое опускание и, вследствие этого, накопление аллювиальных отложений в условиях замедленного стока и постоянно мигрирующего русла. При этом русловые, пойменные и старичные фации перекрываются более молодыми фациями. Горизонты аллювия как бы настилаются один на другой и перекрывают друг друга

(рис.6.2.5).

И наконец, перстартивный или перестилаемый аллювий связан с хорошо разработанными, зрелыми долинами, для которых характерен очень пологий уклон и сильно развито меандрирование с боковой эрозией. Перстаривный аллювий обычно хорошо сортирован, обладает наклонной слоистостью и знаменует собой определенный этап в развитии речной долины, когда несущая способность реки уравновешивается объемом поступающего в нее обломочного материала и переносимого в виде взвеси в воде.

Следует подчеркнуть, что перечисленные выше динамические типы аалювия могут неоднократно сменять друг друга на протяжении речной долины в связи с меняющимися гидродинамическими условиями.

Рис. 6.2.6. А. Схема разреза аллювия равнинной реки в перстративную фазу аккумуляции (по Е.В.Шанцеру): А – русло и прирусловая отмель; В – пойма; В1 - В3 – разновозрастные участки поймы, образовавшиеся за три последовательные стадии развития меандров (стрелки под рисунком – соответствующие этим стадиям направления смещения русла); b1 - b3 – стадии накопления пойменного аллювия; Н – горизонт полых вод; h – горизонт межени; М – нормальная мощность аллювия; I, II, III – русловой аллювий: 1 – гравий и галька, 2 - пески, 3 – прослои заиления; 4 – старичный аллювий; 5,6,7 – пойменный аллювий (последовательные стадии накопления). Б. Схема констративной фазы аллювиальной аккумуляции ( по Е.В.Шанцеру): 1 – аллювий русловой, 2 – старичный, 3 – пойменный; 4 – отложения вторичных водоемов поймы; 5 – общее направление миграции русла; горизонты: Н – полых вод, h – межени в русле; h1, h2 – межени в старицах; М – нормальная мощность аллювия; Мs – общая мощность аллювия

6.3. Устьевые части рек, дельты, эстуарии.

Крупные реки впадают в моря и океаны, более мелкие – в озера и крупные реки. То место, где русло нижнего течения реки выходит к морю, образуется самостоятельный в ландшафтном и геологическом отношении район, называемый дельтой ( по сходству в плане с буквой ∆ - греческого алфавита) (рис. 6.3.1). Дельты характеризуются плоским, низменным рельефом, часто наличием многочисленных рукавов, ответвляющихся

(фуркирующих) от главного русла реки, образуя веерообразную структуру. Содержащаяся в речной воде взвесь обломочного материала и русловой аллювий выпадают в осадок, при потере рекой живой силы.

Рис. 6.3.1. Дельта Волги. Штриховкой показаны районы дельты, осушенные в связи с понижением уровня Каспийского моря

Во внешней части дельты все время происходит взаимодействие морских и континентальных обстановок, а также различающихся по составу морской и речной воды. За краем континентальной части дельты, там, где начинается взморье – располагается авандельта (передовая дельта), а еще дальше в открытое море – продельта, накопление осадков в которой идет только за счет выпадения взвешенных частиц (рис. 6.3.2). Для того, чтобы дельта сформировалась, необходим сток доннных и взвешенных частиц и медленное, но непрерывное тектоническое опускание района. Если река не разделяется на рукава, то сток главного русла вызывает размыв дна (приустьевая яма), а мористее – возникновение бара или осередка. В дельтах течение рек часто замедляется из-за приливов и ветровых нагонов. Морская соленая вода, как более плотная и тяжелая в придонной части реки проникает в виде клина вверх по течению и отделяет более легкую речную воду от дна, из которой начинается выпадение взвешенных частиц. Этому выпадению способствует процесс флокуляции – слипания мелких частиц в более крупные, что происходит под влиянием морской воды. Но основная масса наносов откладывается в пределах авандельты и, т.н. свала глубин, т.е. четко выраженного уступа. Наносы

скатываются с этого уступа и наращивают его. Поэтому дельта все время продвигается мористее, нередко образуя огромные подводные конуса, как например, у Ганга, Инда и др. крупных рек. При этом в осадках формируется наклонная слоистость, когда чередуются более грубые и тонкие слои, обусловленные сезонным стоком. В пределах продельты формируются тонкие илистые осадки, иногда отделенные от авандельты.

Рис. 6.3.2. Основные черты морфологии дельты на поперечном разрезе. Вертикальный масштаб сильно увеличен ( по R.K.Matthews, 1974)

Жизнь дельты тесно связана с объемом водного материала, поведением базиса эрозии и тектоническими движениями. Разветвленная и сложная дельта Волги во время понижения уровня Каспийского моря на 1 м 45 см в 1927-1940 гг. прирастала на 370 м ежегодно, сокращалось количество водотоков, к дельте причленялись участки осушенного морского дна.

Нередко дельты меняют свое положение (рис. 6.3.3). Так за последние 6000 лет. Р. Миссисипи сформировала 7 различных каналов стока и, соответственно, 7 различных дельт. Точно также в устье Енисея, за последние 7000 лет образовалось 4 отдельные дельты.

ис. 6.3.3. Схема эволюции дельты Сулака в XIX и XX вв

Эстуарии представляют собой узкие заливы, располагающиеся на месте впадения рек в море. Возникают они там, где происходят нисходящие тектонические движения, приливы и отливы и где взаимодействуют морские и континентальные обстановки осадконакопления (рис. 6.3.4). Море подтапливает устьевую часть реки, проникая далеко в сушу, а волна прилива проникает вверх по течению реки на десятки километров, как например, в р. Пенжина, впадающей в Охотское море. Наносы, которые приносятся рекой, размываются вдольбереговыми течениями и поэтому дельта в таких речных устьях не образуется. Эстуарии хорошо выражены в устьях Темзы, Эльбы, Сены, Пенжины и др. Если морские воды в отсутствие приливов и отливов затапливают приустьевую часть речной долины, то возникают лиманы, например, Бугский, Днестровский, Днепровский на Черном море.

Собственно дельта на современных морских окраинах может возникнуть в двух случаях: либо реки несут огромное количество наносов, например, более 100 млн. т/год в реках Янцзы, Хуанхэ, Миссисипи, Ганг, Брахмапутра, Меконг, Ориноко, либо преобладание

Рис. 6.3.4. Схематические блок-диаграммы эстуариев. Наверху – частично перемешанный эстуарий (тип В) Северного полушария: А – вид сбоку; Б – вид со стороны суши; В – резко стратифицированный эстуарий (тип А) ( по J.R.Schubel, D.W.Pritchard, 1972)

восходящих тектонических движений, которые компенсируют эффект эвстатического поднятия уровня моря. Если морские побережья в новейшее время испытывают отрицательные тектонические движения, то образуются протяженные от 200 до 1000 км морские заливы, вдающиеся, ингрессирующие в сушу губы: Обская, Енисейская, Колымская, печорская и др. Дельты занимают около 9% из общей протяженности