Глава 9.0. ГРАВИТАЦИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ
Если горные породы приобретают неустойчивое состояние, то в один прекрасный момент под действием силы тяжести может произойти обвал или оползень. Причин создания неустойчивости может быть много. Это и землетрясение, подмыв рекой берега реки или морская абразия, выветривание, прокладка дорог в горной местности, излишнее обводнение. Очевидно, что наиболее благоприятные условия для обвалов создаются в верхних частях скалистых горных склонов или хребтов. Обвалившаяся масса материала, состоящая из глыб, обломков щебня, грубого песка, обычно плохо сортирована, но крупные обломки скатываются по склону ниже всего. Любой материал, образовавшийся обвальным путем, называется коллювием, который образует обвальные шлейфы у подножья вертикальных обрывов куэст на Северном Кавказе и в Горном Крыму.
Сложенные массивными известняками вертикальные обрывы, высотой в десятки метров, постепенно отделяются трещинами от основной массы известняков, наклоняются и, наконец, обрушиваются вниз по склону.
Обвалы могут иметь очень большие объемы. Так, в долине Баксана на Северном Кавказе недалеко от Эльбруса в конце позднего плейстоцена, примерно 30 тыс. лет назад произошел грандиозный обвал с гор Андырчи и Курымычи, высотой около 4 км, расположенных на правом склоне долины. Причиной обвала было по-видимому, землетрясение. Огромные глыбы серых гранитов перекрыли концевую часть ледника и на несколько десятков метров «выплеснулись» вверх на противоположный склон долины. Выше по течению реки от обвала во время таяния ледника образовалось озеро. И сейчас этот колоссальный обвальный шлейф перегораживает долину Баксана и называется Тюбеле (тюрск. «тюбеле» – вал) (рис. 9.1).
Рис. 9.1. Формирование вала Тюбеле в долине Баксана (Северный Кавказа) (по Е.Е.Милановскому и Н.В.Короновскому). I - верхнеплейстоценовый ледник в долине Баксана перекрыт обвалом гранитных глыб с г.Андырчи: 1 – ледник, 2 обвал; II - ледник отступил и обвальная масса осела: 3 – современная р.Баксан; III – поперечный профиль обвала, выше которого сформировалось озеро (4), впоследствие спущенное. Черная жирная стрелка – место прорыва озера.
В 1911 г. на Памире, опять таки, во время землетрясения. Случился большой обвал, масса которого, ринувшись вниз по склону, образовала плотину на р.Мургаб высотой в 600 м. Это выше Останкинской телевизионной башни.
В 1894 г. в Крыму произошел обвал с западного гребня г.Демерджи, который частично разрушил деревню, располагавшуюся у ее подножья
(рис. 9.2).
Рис. 9.2. Обвал на горе Демерджи, южный берег Крыма
Небольшие обвалы и камнепады происходят в горах после каждого сильного дождя или во время таяния снегов. Продвижение обвалов на значительные расстояния и, особенно, на противоположный склон, когда обвальная масса движется вверх, казалось, бы вопреки силы тяжести объясняется, во-первых, большой энергией и скоростью массы, во-вторых, срыванием дерна с поверхности, который служит «смазкой» и, в-третьих, захватыванием фронтальной частью массы воздуха, который сжавшись, играет роль воздушной подушки, уменьшая трение. Этим объясняется своеобразное «выстреливание» обвальной массы на значительные расстояния.
Оползень это, как правило, сравнительно медленное перемещение, оползание, какой-то части склона без существенного нарушения ее внутреннего строения.
Для того, чтобы часть склона соскользнула вниз необходимо наличие водоупора и залегающего на нем водоносного слоя. Тогда водоупор будет играть роль смазки для вышележащей части склона.
Рис. 9.3. Молодой голоценовый обвал на Горном Алтае (фото Б.М.Богачкина). Обвальная масса,, поросшая лесом, видна на переднем плане. Место обвала – обрыв на заднем плане
Оползни бывают молодыми и древними. Оползание может быть одноактным процессом или происходить неоднократно. В любом оползне различают: тело оползня, поверхность скложения, тыловой шов, надоползневой уступ (рис.9.3). Фронтальная часть оползня действует как нож бульдозера, сминая перед собой поверхностные слои почвы и рыхлых пород. Между тыловой частью оползня и надоползневым уступом образуется понижение, западина, нередко занятая небольшим озерцом. Оползание склонов происходит как в долинах, так и в горах. Например, широко известны оползни в Среднем Поволжье, где смазкой служат верхнеюрские темные глины. В 1884 г. в Саратове в результате оползней на левом берегу Волги были разрушены сотни домов. Южный берег Крыма сплошь
покрыт системой разновозрастных, в том числе и древних, оползней, т.к. склоны сложены флишевыми породами верхнего триаса - нижней юры, состоящими из аргиллитов и тонких песчаников. По ним оползают огромные глыбы верхнеюрских известняков обрыва 1-ой гряды Крымских гор - Яйлы (яйла - пастбище, тюрск.).
Грандиозный оползень г.Кошки около Симеиза в Крыму имеет длину более 3 км и сложен верхнеюрскими известняками. Крымские оползни двигаются медленно, от нескольких сантиметров до 100 м в год. Однако, этого достаточно, чтобы в районе Гурзуфа на южном берегу, постоянно разрушалось шоссе. Прокладка новых дорог подрезает части склонов, что приводит к их оползанию
Рис. 9.4. Схема строения оползня: 1 – коренные породы ненарушенного склона, 2 – поверхность скольжения,, 3 – тыловой шов, 4 – надоползневой уступ, 5 – оползневые тела, 6 – бугор пучения, 7 – первоначальное положение склона, 8 – река
В Москве, крутой склон Воробьевых гор весь покрыт небольшими оползнями, т.к. верхняя часть склона сложена тяжелыми моренными суглинками. Хорошо виден т.н. “пьяный лес”, наклоненные в разные стороны стволы деревьев, которые сползали с частью склона. Такие же оползни развиты и по долинам рек Пахры, Клязьмы и др. в окрестностях Москвы (рис. 9.4).
Катастрофические оползни регулярно происходят в горных районах Таджикистана во время сильных ливней, особенно в Таджикистане. Обычно сползают рыхлые склоновые отложения, разрушая кишлаки. К сожалению, при этом гибнут люди. Оползни, продолжающиеся уже длительное время, нарушили систему водоснабжения в г.Ставрополе в Северном Предкавказье. Дело в том, что Сенгилеевское озеро, из которого подается питьевая вода, расположено на 465 м ниже города, а на склонах, обращенных к озеру, развиваются оползни. Последние из них произошли весной 1999 г., разрушив три насосные станции из пяти.
Развитие оползней провоцируют землетрясения. Так, во время знаменитого своей силой Чилийского землетрясения 1960 г. возникло множество оползней и оплывин, когда по склонам перемещаются массы рыхлых пород, пропитанные водой. В 1906 г. в Сан-
Франциско так же во время землетрясения на склоне холма возник оползень объемом в
100 000 м3.
Неустойчивое, предоползневое состояние массы пород вызывается разными причинами, в том числе характером наклона слоев и положением возможной оползневой массы по отношению с ним; неправильной подрезкой склонов при освоении участков с прокладкой дорог, обустройством площадок для строительства и др.
Оплывина – это насыщенная водой масса рыхлого материала, способная течь под действием силы тяжести. В 1972 г. после сильных дождей в Гонконге на крутом склоне возникла оплывина, разрушившая несколько многоэтажных зданий, что привело к гибели 67 человек. Процессы солифлюкции представляют собой также процесс медленного перемещения рыхлого, водонасыщенного склонового материала.
Рис. 9.5. Оползневой рельеф. Правый берег р.Пахры (фото З.Виноградова)
Таким образом, коллювиальные процессы можно подразделить на: 1. обвальные; 2.оползневые: а) скольжение параллельное склону; б) скольжение по вогнутой траектории со смятием фронтальной части масс;
3. Течение или оплывание.
Эти процессы могут происходить быстро, мгновенно; могут занимать какое-то время, а могут и происходить очень медленно, со скоростью 1 мм/сутки или 1 см/год. Такие медленные подвижки называются крипом. Явление крипа хорошо иллюстрируется загибом верхних частей пластов флишевых отложений на склоне, причем загиб направлен в сторону понижения склона.
Все гравитационные процессы – источник опасности, особенно обвалы и оползни. Предотвратить обвалы трудно, но предсказать место, где они могут быть, вполне
возможно. А вот борьбу с оползнями вести необходимо. Для этого нужно укрепить оползающее тело, отвести от него воду, сделать дренаж, т.е. выкопать канавы, провести штольню для отвода воды и т.д. Оползень можно закрепить, буквально «прибив» его бетонными сваями к коренным породам. Делают это так: сначала бурят скважины через неустойчивую массу пород до коренных, устойчивых; вводят в скважину бетонную сваю и цементируют ее нижний конец в устойчивых породах; надевают на выступающий конец сваи на поверхности стальную пластину и закрепляют ее.
Глава 10.0. ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ ОЗЕР И БОЛОТ 10.1. Геологическая деятельность озер.
Озероэто углубление на поверхности суши – котловина, частично заполненная водой. Озера не обладают непосредственной связью с океанами или морями и наиболее широко развиты в областях гумидного климата, занимая чуть больше 2% поверхности континентов. Некоторые озера, в виду своих больших размеров называются внутренними морями. Например, Каспийское озеро – море, имеющее площадь около 376 00 км2, максимальную глубину почти в 1000 м и лежащее на 28 м ниже уровня океана. Аральское бессточное, соленое озеро-море, сейчас почти пересохшее и ряд других. Озера располагаются как в низменностях, так и в горных районах. Оз. Титикака в Андах находится на высоте почти в 4 км. В горной местности располагается самое крупное в мире пресноводное озеро Байкал, содержащее 23000 км3 прекрасной пресной воды, обладающее площадью 66000 км2 максимальной глубиной в 1741 м и находящееся над уровнем моря на высоте 455 м.
Образование озерных котловин.
Озерные котловины имеют различное происхождение, как экзогенное, так и эндогенное.
Озера экзогенного происхождения распространены наиболее широко. На пространствах севера России они связаны с выпахивающей, т.е. экзарационной деятельностью последнего оледенения и во многих местах, особенно в карелии,имеют общую субмеридиональную ориентировку. Многие озера старичного, пойменного, дельтового типа связаны с деятельностью рек и распространены на обширных пространствах Западно-Сибирской низменности, Восточной Сибири и Северо-Востока России. Эти озера обладают небольшими размерами и часто имеют серповидную в плане форму. Маленькие, но неглубокие озера связаны с карстовыми котловинами, иногда с провальными суффозионными воронками. В горных областях озера нередко возникают в связи с обвалами, перегораживающими речные долины.
В областях развития криолитозоны многие озера имеют термокарстовое происхождение, а также связаны с любыми участками местного протаивания, в том числе вызванного техногенными причинами.
Эндогенные по происхождению озера связаны с молодыми грабенами или их системами в активных рифтовых зонах. В Восточной Африке расположена позднекайнозойская рифтовая зона, в отдельных грабенах которой находятся глубокие озера: Мверу, Ньяса, Рудольф, Танганьика и др. В России оз. Байкал приурочено к молодому, активному рифту, как и еще ряд озер в этом же районе.
Много небольших озер в вулканических областях, например, на Камчатке, где озера приурочены к кальдерам, к кратерам на вершинах потухших вулканов. Лавовые потоки играют нередко роль плотин, перегораживающих долины, а выше плотин возникают озера.
Крупные озера – моря типа Каспийского, Аральского, Виктории и Чад в Африке и других приурочены к тектоническим опусканиям в земной коре.
В последней половине ХХ в. возникло много больших озер – водохранилищ на крупных реках, как в России, так и в зарубежных странах, которые существенно влияют на окружающую, в том числе и геологическую среду, изменяют климат целых регионов. Достаточно привести в пример зарегулированную Волгу, Днепр, Енисей, Нил и многие другие реки. В России сейчас 2220 больших, средних и малых водохранилищ, с суммарным объемом 793 км3, что составляет 18,6% от стока всех рек России, а их общая площадь – 65 тыс. км2, а это 0,4% площади всей России.
Состав озерной воды.
Подавляющее большинство озер заполнено пресной водой – речной, родниковой, таящих льдов, снегов. Реже озера имеют соленую или солоноватую воду – Каспийское и Аральское озера-моря, Алаколь, Лобнор, Убсу-Нур в Джунгарии и Южном Алтае; Ван и Урмия на Кавказе; Мертвое море-озеро на Ближнем Востоке; Большое соленое озеро в США. Соленость озерной воды в Мертвом море достигает 310 г/л, а в оз. Эльтон в Прикаспийской впадине 280 г/л, т.е. это уже почти рассолы.. В Каспии соленость вод в среднем 12,85‰, но есть участки, где она составляет 0,2-0,3 ‰.
В озерной воде в зависимости от климатической зоны существенно меняется содержание биогенных веществ, щелочности, кислорода, температура поверхностных и глубинных вод, их циркуляция и другие параметры. Характер минерализации в озерах различный. Есть озера хлоридные, сульфатные, карбонатные. В связи в тем, что в озера впадают реки, то последние приносят в воды озер как механические, так и различные органические взвеси. В пресных мелководных озерах много гуминовых веществ, обусловленных широким развитием растительности. В зависимости от сезонов в озерах преобладают либо механические взвеси, обычно весной и осенью, либо органические, летом. В Байкале вода исключительно чистая и прозрачная. Это самое крупное хранилище пресной воды на планете, превышающее по своему объему (23 тыс. км3) объем вод всех Великих озер Северной Америки и содержащее 20% мировых запасов пресных вод. Надо отметить, что и возраст оз. Байкал один из древнейших на планете, т.к. озеро образовалось 25-30 млн. лет назад, но в нем не наблюдается признаков старения. Огромная масса рачков – эпишура способна за 1 год три раза профильтровать 50-метровый слой
байкальской воды, в которой и так очень мало взвешенных и растворенных примесей, но много кислорода, т.к. вода холодная.
Минерализация байкальской воды составляет 94,4 мг/л, тогда как в других озерах она превышает 200-300 мг/л.
Перемещение воды в озерах, если они не проточные, ограничено. Волновые процессы, связанные с ветром, также не очень сильные, хотя волны в несколько метров на крупных озерах не редкость. Если ветер, да еще сильный, дует длительное время в одну сторону, то образуются нагонные волны или сейши, при этом на наветренной части озера его уровень повышается, а в другой части, наоборот наблюдается сгон воды. Какие-то движения характерны для верхних горизонтов водной массы в застойных озерах, тогда как нижние остаются неподвижными. В таких условиях они насыщаются сероводородом за счет разложения органических остатков.
Геологическая деятельность озер. Характеризуется как разрушительной работой, так и созидательной, т.е. накоплением осадочного материала.
Абразия берегов осуществляется только волнами и редко течениями. Естественно, что в крупных озерах с большим водным зеркалом разрушительное действие волн сильнее. Но если озеро древнее, то береговые линии уже определились, профиль равновесия достигнут и волны, накатываясь на неширокие пляжи, только переносят песок и гальку на небольшие расстояния.
Если же озеро молодое, то абразия стремится срезать берега и достигнуть профиля равновесия. Поэтому озеро как бы расширяет свои границы. Подобное явление наблюдается в недавно созданных крупных водохранилищах, в которых волны срезают берега со скоростью 5-7 м в год. Как правило, озерные берега покрыты растительностью, что уменьшает волновое воздействие.
Осадконакопление в озерах осуществляется как за счет привноса обломочного материала реками, так и биогенным, а также хемогенным путями. Реки, впадающие в озера, как и временные водные потоки, несут с собой различный по размеру материал, который откладывается у берега, либо разносится по озеру, где взвесь выпадает в осадок. Как правило, в озерных терригенных отложениях наблюдается очень тонкая слоистость, которая связана с сезонными колебаниями климата, т.к. весной привнос материала больше, чем зимой и он более грубый, а в горных озерах – летом, когда тают снега и ледники.
В крупных озерах, в устьях впадающих в них рек формируются небольшие дельты.
Органогенное осадконакопление обусловлено обильной растительностью на мелководьях, хорошо прогреваемых Солнцем. Берега покрыты разнотравьем. А под водой растут водоросли. Зимой, после отмирания растительности она скапливается на дне, образуя слой, богатый органикой. В поверхностном слое воды развивается фитопланктон, цветение которого происходит летом. Осенью, когда водоросли, трава и фитопланктон. Погружаются на дно, там образуется илистый слой, насыщенный органикой. Т.к. на дне в застойных озерах кислорода почти нет, то анаэробные бактерии превращают ил в жирную, желеобразую массу – сапропель, содержащую до 60-65% углерода, которую используют как удобрение или лечебную грязь. Сапропелевые слои имеют мощность в первые метры, хотя иногда достигают 30 и даже 40 м, как, например, в Переяславском озере на Русской равнине. Запасы ценного сапропеля огромны и только в Белоруссии составляют 3,73 млрд. м3, хотя там и происходит их усиленная добыча.
Внекоторых озерах формируются невыдержанные слои известняков – ракушечников или диатомитов, образующихся из диатомовых водорослей, имеющих кремневый скелет.
Многие озера в наши дни подвергаются большой антропогенной нагрузке, что изменяет их гидрологический режим, уменьшает прозрачность вод, резко увеличивается содержание азота и фосфора. Поступление в озера этих биогенных веществ вызывает их эвтрофикацию и даже гиперэвтрофикацию. Техногенное влияние на озера заключается в сокращении площадей водосборов, перераспределением потоков грунтовых вод, использованием озерных вод как охладителей для электростанций, в том числе АЭС.
Хемогенные отложения особенно характерны для озер аридных зон, где вода интенсивно испаряется и поэтому происходит выпадение в осадок поваренной и калийной солей (NaCl), (KCl, MgCl2), мирабилита (Na2SO4 ·10H2O), соды (Na2CO3· 10H2O),
соединений бора, серы и других. В зависимости от наиболее характерных хемогенных осадков озера подразделяются на сульфатные, хлоридные, боратные. Последние характерны для Прикапийской низменности (Баскунчак, Эльтон, Индер). Сезонные климатические изменения выражаются в чередовании тонких слоев, т.к. выпадение солей интенсивнее происходит летом, чем зимой.
Нередко в озерах накапливаются железистые и марганцевые конкреции, размером до первых сантиметров, которые иногда образуют сплошной слой, мощностью в первые метры. Такие железные руды в древности шли в разработку.
Внастоящее время многие озера нуждаются в восстановлении, в частности, те, которые подверглись антропогенному эвтрофированию. Необходимо уменьшить приток в них биогенных веществ и продуктов эрозии.