Лекция 11. Склоновые (гравитационные) геологические процессы

Процессы выветривания приводят к существенной дезинтеграции горных пород. На них с момента образования начинают воздействовать различные физические силы, которые способствуют удалению их с места образования и перемещению в пониженные участки. В пределах последних начинают формироваться своеобразные гравитационные осадки, впоследствии превращающиеся в процессе диагенеза в осадочные породы.

Гравитационный перенос, или перемещение обломков горных пород, происходит под действием силы тяжести из возвышенных мест в пониженные. Ввиду того, что данные процессы очень часто наблюдаются на склонах, они иногда носят название склоновых процессов.

Скорость перемещения обломков пород по склону зависит от размеров блока, его массы и крутизны склона. На крутом склоне перенос будет происходить до тех пор, пока не сформируется пологий склон, по которому движение обломков затрудняется.

Особенности гравитационного переноса и осадконакопления

При гравитационном переносе материал может перемещаться разными способами: падение, скатывание и скольжение отдельных обломков по крутым склонам. Может происходить и простое соскальзывание по склону больших масс рыхлых пород, причем деформация внутри этих масс будет невелика. Перемещение может носить характер пластического течения или течения полужидкой массы, в результате этого форма и внутреннее строение первичного материала могут изменяться в самых различных пределах. Довольно часто на одном и том же склоне все выше перечисленные процессы чередуются во времени.

Следовательно, суть гравитационных процессов заключается в разрушении горных пород, которое происходит главным образом в верхней части склона, перемещении разрушенного материала вниз по склону и накоплении массы горных пород в пониженных частях склона или у его подножия. Горные породы, участвующие в гравитационных процессах, образуют отложения, которые называются. Коллювиальные отложения состоят из разнообразных по составу и размеру обломков пород: глыб, щебня, песков, алевритов, глин. Для них характерны плохая сортированность материала, неясно выраженная слоистость и очень изменчивая мощность. В редких случаях коллювиальные образования могут быть сцементированы. Особенно это касается древних по возрасту толщ.

Гравитационные процессы могут совершаться с разной скоростью. Одни происходят очень быстро, мгновенно, например обвалы и камнепады, а другие протекают медленно. Последние именуются крипом. Большую роль в гравитационных процессах кроме гравитации играют подземные и поверхностные воды. Насыщая рыхлые образования, они способствуют их скольжению по склону в виде вязких или жидких потоков. Под землей они выщелачивают и вымывают отдельные минералы, создают пустоты и ослабляют связь между толщами нижележащих пород с вышележащими.

Таким образом, в гравитационных процессах и в формировании коллювиальных отложений принимают участие сила тяжести (собственно гравитационный фактор) и вода в разных своих формах (аквальный фактор).

Существует несколько классификаций склоновых процессов. По одной из них выделяются три главные категории гравитационного переноса, которые зависят от скорости переноса и механизма перемещения:

1. Медленное течение блоков. Ему может подвергнуться блок почвы, коренных пород, осыпи, каменные потоки (курумники), солифлюкция.

2. Быстрое течение - течение грунта, грязевые потоки, обвалы и оползни.

3. Скольжение, обваливание, в том числе камнепады. В этом случае за счет скольжения и обвала перемещаются обломки и глыбы, оползни-обвалы и снежные лавины.

Гравитационные процессы разделяют на четыре категории: 1) собственно гравитационные; 2) водно-гравитационные; 3) гравитационно-водные; 4) подводно-гравитационные.

Медленное течение. Этот процесс оплывания почвы имеет место практически на всех склонах. Он проявляется в наклоне изгородей, телеграфных столбов, разрушении и смещении подпорных стенок, искривлении стволов деревьев. Оползание почвы отклоняет деревья вниз по склону ("пьяный" лес). Может нарушиться линейность шоссейного и железнодорожного полотна. При этом процессе довольно часто скольжение почвы может происходить под дерном, в целом не нарушая его сплошного покрова. Но в том случае если на дерне находятся валуны, то по мере движения они будут скатываться к подножию склона. Скорость такого скольжения довольно мала. Она обнаруживается только по прошествии некоторого времени. Это зависит от температурных градиентов, обилия атмосферных осадков, угла склона и типа почвы. На залесенных склонах переплетенные корни деревьев замедляют перемещение, а иногда и вовсе прекращают медленное оползание.

В теплом и влажном климате, особенно если поверхность склона глинистая, начинающее медленное скольжение усиливается тем обстоятельством, что во время сухих сезонов глинистая поверхность склона высыхает и сильно растрескивается. Проникающая в трещины вода быстро заполняет влагой подпочвенные слои и заставляет склон медленно стекать вниз.

Медленно может перемещаться и блок коренных пород. Это случается тогда, когда данный монолит или блок коренных пород находится на склоне, но его сцепление с нижележащими породами каким-то образом нарушено. По образовавшимся между монолитом и коренными породами трещинам начинает циркулировать вода. По прошествии некоторого времени между монолитом и коренными породами постепенно увеличивается просвет. Монолит перекашивается в соответствии с углом склона. В дальнейшем такой монолит в зависимости от насыщенности поверхности водой может медленно перемещаться вниз по склону.

Медленное течение свойственно и осыпям. Они возникают вследствие медленного перемещения скопившихся на склонах и у подошвы возвышенностей продуктов выветривания. Такие рыхлые осадки носят название коллювиальных. Осыпи, сползающие по склонам различной крутизны, имеют разную сорость. Они состоят из различных по размерам обломков неправильной формы, которые образовались от разрушенных скальных пород под влиянием различных агентов выветривания.

В областях с сильными колебаниями температур скорости движения осыпей больше, чем в районах, где суточные перепады температур малы. Самое быстрое перемещение характерно для холодных районов.

В том случае, когда осыпи состоят из очень крупных обломков, их называют курумниками или каменными потоками. Огромные массы каменных глыб в выработанной долине медленно движутся вниз исключительно из-за слабого сцепления с подстилающими породами.

Солифлюкция - медленное пластично-вязкое течение на склонах почв и увлажненных рыхлых масс дисперсных отложений. Особенно часто это явление происходит в тех регионах, где грунт промерзает на значительную глубину. В теплое время года оттаявшая часть грунта начинает сползать по нижележащему мерзлому материалу. Солифлюкция наиболее эффективно развивается в горных районах выше уровня развития древесной растительности и в областях развития многолетнемерзлых грунтов.

Быстрое течение. Оно наблюдается при большой крутизне склона и значительной насыщенности рыхлого материала водой

Если блок породы оторвался в верхней части склона, то, скатываясь вниз, он своим весом и возникшим ускорением ударяется о поверхность склона. Ударяясь, блок раскалывается и в месте удара отбивает куски скальной коренной породы. После удара обвалившийся блок распадается на множество осколков. Они или осыпаются по склону, создавая осыпь, или при значительной крутизне склона образуют камнепад.

Наиболее простой формой быстрого течения являются грунтовые потоки. По своей природе грунтовые потоки являются оползнями, но в отличие от настоящих оползней, когда происходит отрыв оползня в его верхней части от грунта, грунтовое течение осуществляется медленно. Такие перемещения грунта могут длиться многие месяцы и даже годы.

Сели, или грязекаменные потоки, по своей природе похожи на солифлюкцию, но перемещаются быстрее. Нередко сели для своего движения используют русла и долины ранее существовавших водотоков.

Лахары хотя и похожи на сели, но отличаются от них своим происхождением. Они возникают на склонах вулканов, которые покрыты слоем пепла, во время сильных грозовых ливней.

Обваливание. Ярким примером гравитационного движения являлся перемещение обломков горных пород в форме обваливания (камнепада). Два условия необходимы для того чтобы совершился обвал и возник камнепад: 1) потеря обломком породы сцепления с массивом горных пород, слагающим склон; 2) значительный уклон склона. Для того чтобы обломок мог удержать свое положение на склоне, необходимо, чтобы его крутизна не превышала 45°. Этот угол называется углом естественного откоса сыпучих тел. Собственно гравитационные процессы разделяются три группы: провальные, обвальные, которые характеризуются быстрым перемещением обломочного материала, и медленные именуемые крипом.

Обвалы. Подобные гравитационные явления развиваются на крутых склонах и обрывах. Недалеко от кромки обрыва и параллельно ему закладывается серия трещин. Под воздействием физического выветривания (при замерзании воды, действии корневой системы астении) трещины расширяются. Лишенный сцепления с коренными породами массивный блок слегка наклоняется в сторону склона и под действием силы тяжести начинает отрываться от материнской породы. Теряя сцепление и под действием собственного веса блок теряет равновесие и опрокидывается на поверхность склона. От удара о поверхность склона породы, составляющие блок начинают дробиться и на склоне из его обломков возникает обвальный коллювий. Обваливание происходит многократно, и этот процесс считается многофазовым.

По своим размерам обвалы бывают разными - объемом от нескольких миллионов до 3-5 млрд м3. Причинами возникновения крупных обвалов могут служить землетрясения. Так, на Памире в 1911 г. обвалилась горная порода массой в 8 млрд т. Она обрушилась в долину р. Мургаб и перегородила ее. Возникла плотина высотой 600 м. За плотиной образовалось крупнейшее горное озеро - Сарезское. Точно такое же происхождение имеет озеро Рица в горах Абхазии.

К гравитационным явлениям этой группы также относятся камнепады, когда происходит отрыв и перемещение отдельных камней, и осыпи - перемещение по склону щебня, гравия и мелких обломков горных пород.

Крип. Как отмечалось выше, это медленное перемещение дезинтегрированных рыхлых отложений как вниз по склонам возвышенностей (склоновый крип), так и в глубь земли (глубинный крип) в форме просадок.

Крип обусловлен многократным уплотнением и разуплотнением рыхлых пластичных пород на глубине. Это происходит вследствие таяния и замерзания воды (криогенный крип), выщелачивания отдельных минералов, оттока подземных вод в связи с откачками или, наоборот, ее притока, откачкой нефти и газа (антропогенный крип). В результате медленного перемещения грунта на поверхности возникают плоские блюдцеобразные котловины, склоны лишаются растительного покрова и оголяются, а у подножия скапливаются коллювиальные отложения.

Водно-гравитационные процессы. К этой категории относятся такие широко распространенные перемещения блоков рыхлых пород да склонах, которые известны под названием оползней. В оползневых перемещениях могут участвовать как крупные блоки (блоковые оползни), так и отдельные глыбы (глыбовые оползни). Ввиду того что в составе оползней принимают участие как твердые плотные горные породы, так и рыхлые образования, в оползнях могут сохраниться первичные, характерные для данных пород, структурно-текстурные особенности. Оползневый процесс может охватить весь склон или его часть, склоны долины или какую-то ее часть, которые в совокупности образуют оползневой район.

В верхней части оползневого района располагаются стенки отзыва оползневых тел (они представляют собой вогнутые стенки), выровненный склон - ложе оползней, где и находится поверхность скольжения.

Ложе оползня представляет собой поверхность, занимающую часть склона, по которому движется оползень. От крутизны ложа зависит интенсивность перемещения оползня. Оползень начинает двигаться на склоне крутизной 5°.

Оползневое тело ограничено сверху ровной или бугристой площадкой, наклоненной внутрь склона, и обрывистым бугристым уклоном во фронтальной части, обращенной в направлении движения оползня. Когда оползневое тело спускается вдоль оврага, оно имеет вытянутую языкообразную форму. Чаще всего оползень движется по глинистым насыщенным водой породам. Этот водоупорный горизонт во время дождей сильно смачивается водой. Она нарушает существовавшее сцепление между ложем и вышележащими породами и тем самым способствует развитию оползневых процессов.

Скорость перемещения оползневых тел по сравнению с обвальными невысокая. Широко распространены оползни в Крыму. В течение года они способны переместиться на 100 м. Выделяются сезонные фазы, которые различаются между собой скоростями перемещения оползней.

Размер, а следовательно, и объем оползневых тел бывают различны, а иногда просто огромны. Известен случай, когда на склоне Кавказских гор, в Дагестане сполз на 2 км горный массив объемом более 200 млн м3. Крупные оползневые тела и блоки имеются в Крыму и в окрестностях г. Одессы.

В течение последних столетий произошло много разрушительных оползней. В 1855 г. масса обломочного материала длиной 1 км, шириной 300 м и высотой 200 м спустилась по долине р. Тибр (Италия). Оползневое тело перегородило долину реки, и одна из деревень оказалась затопленной 15-метровым слоем воды. Разрушительный оползень произошел в 1903 г. в Канаде в провинции Альберта. Вся фронтальная часть горы объемом 30 млн м3 оторвалась и понеслась вниз. Достигнув подножия, ее выбросило на противоположный склон долины до высоты 120 м. В длину этот оползень достигал 4 км. Весь процесс сползания длился менее 2 мин.

Оползни оказывают отрицательный геоэкологический эффект. Они наносят вред – уничтожают пахотные земли, сады, пашни, разрушают жилые и промышленные здания, мосты, транспортные магистрали. В г. Саратове в 1884 г. в результате оползня на берегу Волги было разрушено 300 домов. Большой ущерб наносят оползни хозяйству приморских городов и населенным пунктам, расположенным в долинах рек и на склонах возвышенностей и гор.

Гравитационно-водные процессы. В эту категорию входят гравитационные явления, главным фактором гравитационного перемещения которых является вода. Причем существенная роль принадлежит не только поверхностным, но и подземным (грунтовым) водам. Во время действия этого процесса ранее дезинтегрированная горная порода перемещается не в результате гравитационного сползания или обрушения, а способом сплывания или в форме потока. К этой категории относятся оползневые потоки, оплывины, селевые грязекаменные потоки, лахары (грязекаменные потоки вулканогенных пород). Наиболее интенсивно данный процесс происходит в весенне-летний и осенний сезоны во время таяния снегов или сильных дождей. Вода пропитывает рыхлые образования, нарушает сцепления между зернами породы. Породы разжижаются и начинают стекать вниз по склону. Так возникают оползневые потоки, которые перемещаются вдоль долины реки или ручья.

В результате обильного насыщения водой основная масса вещества теряет свою первоначальную структуру и превращается в кашеобразную массу. В воде во взвешенном состоянии находятся глинистые частицы и погруженные обломки различного размера. Вследствие этого поверхность оползневого потока становится бугристой, в нем местами сохраняются мелкие оползневые тела и отдельные комки глинистого вещества с погруженными в него мелкими зернами песка. Оползневое тело имеет сильно вытянутую эллипсоидальную форму. За внешнее сходство с долинным горным ледником такие тела называют глетчерным оползнем. При выходе из долины, когда внешнее пространство расширяется, такой оползень также расширяется, располагаясь веерообразно.

Оплывинами называют мелкие грязевые потоки, которые находятся недалеко от места своего возникновения. Они развиваются на поверхности достаточно плотных водоупорных пород. Оплывание склона всегда происходит постепенно и причиной его возникновения служит избыточное увлажнение верхнего слоя грунта. Для оплывин характерна микроступенчатость и этим они отличаются от оползней.

Селевые потоки - это грязевые или грязево-каменные потоки, внезапно возникающие в руслах горных и особенно предгорных рек в результате резкого паводка, вызванного интенсивным таянием снегов или во время сильных ливней. В Европе их называют мурами. Таким образом, в возникновении селей главную роль играет вода - дождевая, ливневая, талая, речная или подземная. В зависимости от размерности переносимого материала селевые потоки подразделяются на грязевые, грязекаменные, в которых в насыщенной водой глинистой массе погружены мелкие и крупные обломки твердых пород, и водно-каменные. В последних преобладают крупные обломки пород - валуны и глыбы. Селевые потоки перемещаются с большой скоростью и своей силой разрушают преграды.

При потере скорости своего перемещения из селевого потока начинают отлагаться переносимые им обломки. Селевой коллювий - это рыхлая порода от валунов, глыб, щебня до неотсортированного песка пи глины. Размерность обломочного материала зависит от скорости и мощности потока. Довольно часто селевой коллювий прорезывается речными потоками. Такие ручьи начинают вторичную сортировку материала и при этом в первую очередь вымывают глинистые и песчаные частицы, которые переносятся и переотлагаются в своей устьевой части. В течение некоторого времени грязекаменный и водно-каменный сель в своей нижней части превращается в глинистый сель, сложенный исключительно глинами, суглинками, супесями и тонкозернистыми песками.

Выносы селевых потоков особенно широко распространены в предгорных и межгорных впадинах, где формируются мощные многометровые толщи рыхлых грубообломочных отложений. При наличии водной массы спусковым механизмом для возникновения селей являются землетрясения. Особенно часто селевые потоки возникают в предгорной части. В Средней Азии в 1949 г. возник огромный селевой поток, который уничтожил село Хаит в Таджикистане. Мощность селевых грязекаменных отложений достигала 60 м.

Сели широко распространены на Кавказе, в Крыму и особенно в предгорных и межгорных частях Центральной Азии. Они наносят огромный ущерб хозяйству, вызывают серьезные бедствия и сопровождаются человеческими жертвами. Так, в 1921 г. сель разрушил и затопил часть г. Алма-Ата. В долине небольшой горной р. Малая Алмаатинка возник огромный селевой поток, который прорвал возникшую плотину и с огромной скоростью хлынул в город. Многие дома были разрушены и затоплены разжиженной глинистой массой и при этом погибли несколько сотен людей. В 1940 г. большой сель прошел по долине р. Баксан на Северном Кавказе. Он вынес около 3 млн м3 твердого материала. Поток перемещал крупные валуны. Многие из них были более 1 м в диаметре. Весной 2000 г. селевой поток уничтожил большую часть г. Тырныауз на Северном Кавказе. Это стихийное бедствие также сопровождалось человеческими жертвами.

Несколько лет тому назад на Памире из бокового притока р. Гунт вырвался сель. Масса переносимого грязекаменного материала превышала сотни тысяч кубических метров. Вместе с глыбами и обломками твердых пород поток нес вырванные с корнем деревья. В течение нескольких минут сель перекрыл русло горной реки. Выше плотины, которая состояла из глины, песка и обломков горных пород, стала накапливаться вода и в течение трех суток образовалось озеро длиной более 2,5 км.

Лахары - это грязекаменные потоки, которые возникают на склонах вулканов и очень похожи на селевые. Они образуются в результате сильных ливневых дождей, которые часто сопровождают вулканические извержения, или от талых вод льда и снега, которые быстро расплавляются раскаленными извергающимися лавовыми потоками. Потоки воды, стекающие по склону вулкана, захватывают рыхлые вулканический пепел и песок и сносят его с большой скоростью к подножию вулкана. Лахары уничтожают жилые постройки, находящиеся на пути их движения, и приводят к человеческим жертвам.

Подводно-гравитационные процессы. Эти процессы перемещают материал, находящийся на неровном морском дне, со склонов подводных возвышенностей к их подножиям. На крутых участках в пределах материкового склона или на склонах подводных гор и возвышенностей нередко возникают подводные обвалы, когда из-за большой крутизны начинают срываться блоки осадков, которые под влиянием собственного веса начинают оползать. На морском дне накапливаются осадки и возникают формы рельефа, очень похожие на наземные оползни и обвалы. Подводные оползни могут охватывать весь склон или часть его и перемещаться по существующим углублениям на подводном склоне к его подножию.