Продукты вулканической деятельности

Среди продуктов извержений вулканов выделяют три типа: жид­кие (лавы), газообразные и твердые.

Лавы по содержанию SiO₂ подразделяются, как и горные поро­ды, на кислые (SiO₂ > 65%), средние (65—52%), основ­ные (52—45%). Основные лавы тяжелые, высокотемпературные (до 1200—1300ºС), обогащены кальцием, магнием и железом, от­личаются малой вязкостью и большой подвижностью. Кислые и средние магмы, обогащенные натрием и калием, отличаются высо­кой вязкостью и малой подвижностью.

Газообразные продукты играют важную роль при вулканичес­ких извержениях, особенно при взрывном характере последних. Струи горячего вулканического газа называют фумаролами (от итал. fumare — дымиться). Наибольшее значение и распро­странение в вулканических газах имеют водород, кислород, угле­род и сера, образующие те или иные соединения в зависимости от температуры. Кроме того, присутствуют фтор, хлор, бор, азот и их соединения. Следует отметить постоянное присутствие воды, но при высоких температурах частично проявляется ее диссоциация на Н⁺ и О^2-.

В состав высокотемпературных (500—600°С) фумарольных га­зов входят кислые газы (НС1, HF, NH₄C1, SO₂, CO, CO₂, Н₂). В составе более низкотемпературных вулка­нических газов (100—200°С) преобладающее значение имеют следующие соединения: SO₂, H₂S, СО, СО₂, Н₂О, СН₄, N₂.

При температурах ниже 100°С выделяются струи углекислого газа, называемые мофеттами, указывающими нередко на затухающую деятельность вулкана. В них преобладает СО₂, присутствуют H₂S, CH₄, Н₂О, N₂.

Твердые вулканические продукты образуются при извержениях, сопровождающихся крупными взрывами и выбросом большого количества лавы на значительную высоту. Выброшенная лава распыляется в атмосфере и выпадает на склоны вулкана и смеж­ные с ним области в виде различных по размеру частиц. По размерам частиц и обломков твердые продукты извержений подразделяются на не­сколько типов: 1) вулканический пепел (меньше 0,1—0,25 мм); 2) вулканический песок (0,25—2,0 мм); 3) лапилли(от итал. lapilli — камешки) (до 1,5—3,0 см); 4) вулканические бомбы (от 10 см до 1 м и более).

Вулканический пепел при крупных взрывах разносится на очень далекие расстояния и, выпадая на поверхность, образует пепловые слои. Более крупные вулканические бомбы и лапилли выпадают (вместе с пепловым и песочным материалом) ближе к кратеру вул­кана. Своеобразная форма вулканических бомб — веретенообраз­ная, грушевидная, вытянуто-овальная — отчетливо показывает, что они образуются из пластического вещества лавы, застывающей в атмосфере. Это отличает их от угловатых обломков горных пород, раздробленных газовыми взрывами.

Интрузивный магматизм

 

Основная часть магмы не достигает поверхности, а медленно остывает и отвердевает на более или менее значительной глубине. Образовавшиеся таким путем тела называются интрузивными телами, интрузиями или интрузивами.

Метаморфизм, процессы и проявления

Процессы изменения структурно-текстурных особенностей и минералогического состав горных пород в термодинамических условиях глубинных частей земной коры называются метаморфизмом. Эти процессы изменения происходят при сохранении самих пород и слагающих их минералов в твердом состоянии. Метаморфизм – сложный процесс, основными факторами его являются: высокая температура, давление, наличие подвижных соединений, например, воды или иона СО₃^2- . В зависимости от ведущего фактора различают следующие его типы: контактовый, динамометаморфизм, региональный.

Контактовый метаморфизм развивается на контакте между вне­дрившейся магмой и вмещающими ее горными породами. Воздействие высокой температуры, а также газов и паров воды ведет к коренному изменению вмещающих пород. Так возникают мраморы и кварциты, породы зернистой структуры.

При динамометаморфизме исходные породы преобразуются под действием высокого давления (4-14 тыс. атм), которое возникает в процессе горообразо­вания или под весом вышележащих толщ. При этом возникают породы типа глинистых сланцев с характерной для них сланцеватостью.

Региональный метаморфизм проявляется на больших площадях и в глубине земной коры (10-15 км), в поясе метаморфизма, в котором с глубиной интенсивность проявления факторов метаморфизма возрастает.

Все метаморфические породы по структурно-текстурным признакам подразделяются на сланцеватые и массивные. Сланцеватость пород понижает их устойчивость на склонах, способствуя образованию подвижных осыпей. Среди метаморфических пород наиболее распространены гнейсы, сланцы, кварциты, мрамор.

Экзогенные геодинамические процессы

Экзогенные процессы порождаются силами, действующими на поверхности Земли: суточными и сезонными колебаниями температуры, энергией движущихся масс воды, льда и ветра, химическими и физико-химическими реакциями, протекающими при участии организмов. Важнейшими из экзогенных процессов являются: выветривание; водная, ледниковая и ветро­вая эрозия.

Выветривание.

Под процессом выветривания понимают разрушение и изменение состава пород физическими, химическими и органическими (биологиче­скими) агентами. Физическое выветривание осуществляется такими агентами, как температура, замерзание и оттаивание воды в трещинах пород, химическое происходит под действием воды, кислорода воздуха, различных кислот, возникающих при разложении органических веществ. О рганическое выветривание - разрушение пород корнями растений, лишайниками, различными макроорганизмами (черви, другие землерои) и микроорганизмами (бактериями, микроводорослями и др.).

Наибольшее значение имеют физическое и химическое выветривания, которые всегда действуют совместно, но в континентальном климате преобладает физическое выветривание, а во влажном, в особенности жарком, климате - химическое.

В результате воздействия разности температур породы могут дробиться до очень мелких частиц - до 0,01 мм в диаметре и мельче. Это способствует химическому разрушению и, прежде всего, растворению и прямому химическому взаимодействию между частицами в присутствии воды.

Наиболее интенсивно идут процессы у поверхности земли, распро­страняясь на глубину до 5 - 10 м и глубже, если для этого есть условия. К таким условиям относятся трещиноватость или пористость пород, способствующие проник­новению агентов на глубину. Вся эта толща, где происходят указанные процессы и накапливаются

 

Рис.3.10. Выветривание скальных грунтов: 1 – кора выветривания; 2 – грунт, не затронутый выветриванием

продукты выветривания, называется корой выветривания (рис. 3.10).

Интенсивность процесса вы­ветривания зависит не только от климатических условий, обводненности пород, химического состава поверхностных и подземных вод, трещиноватости, но и от минераль­ного состава и структуры пород. Крупнозернистые полиминераль­ные породы легко разрушаются под воздействием температурных коле­баний, так как слагающие их мине­ралы часто имеют различный цвет, т. е. поглощают различное количество тепла, имеют различные коэффициенты расшире­ния. Вследствие этого при нагревании на контактах между зернами создаются большие напряжения, что приводит к разрушению менее прочных минералов.

Химическое выветривание наиболее активно проявляет себя в раство­римых породах, а также в породах, содержащих неустойчивые к процес­сам окисления и гидратации минералы. Например, пирит FeS₂ легко окисляется в присутствии воды, переходя в гидроксиды железа - лимонит, гетит. Вода, содержащая в своем составе углекислоту, которая появляется в ней в результате окисления органических веществ, более интенсивно растворяет известняки и ускоряет химический процесс превращения полевых шпатов в глинистые минералы.

Наиболее устойчивы к процессам выветривания минералы кварц, мусковит, корунд, менее устойчивы кальцит, гипс, полевые шпаты, биотит и др.

Эрозионные процессы.

Особую роль в геологической истории земной коры играют оледенения. Огромные площади на континентах в четвертичный период покрывались мощными толщами материковых льдов. В северном полушарии они двигались с севера на юг, наступая на материк, ломая скалы, сглаживая поверхность земли. Обломки пород размером от огромных валунов до глинистых частиц ледник двигал перед собой, нес на своей поверхности, волочил по поверхности земли. При потеплении климата он отступал, таял, оставляя эти обломки в виде скоплений, образующих положительные формы рельефа, называемые моренами; отложения, слагающие этот рельеф, называют моренными. Возникавшие при таянии ледников водные потоки разносили обломочный материал на большие расстояния, причем, чем дальше от края ледника, тем он был мельче. Так образовались обширные полосы гравийно-галечниковых, далее на юг - песчаных и затем пылевато-глинистых (лессовых) отложений, которые называются водно-ледниковыми, Эти отложения широко распространены в центре Русской равнины.

Большая роль в переносе мелких частиц, мелкозема, (< 0,1 мм) принадлежит ветру, или эоловому процессу (Эол – бог ветра в греческой мифологии ). Эоловаяаккумуляция в основном происходит на суше, в воздушной среде. К эоловым накоплениям

 

Рис. 3.11. Бархан: а – план; б – разрез.

относятся толщи большей части лессовых пород. Огромные площади в пустынях (Прикаспий, Кара-Кум и др.) заняты эоловыми песками, в том числе подвижными барханами (рис. 3.11.). К подвижным эоловым формам относятся и формируемые ветром дюны на аккумулятивных побережьях морей (Прибалтика). Эоловые отложения высокопористы и сжимаемы, а лессовые породы обладают еще и просадочными свойствами.

Выдувание (дефляция) возникает в результате воздействия механи­ческой силы ветра. Это процесс иногда называют ветровой эрозией. От пород отрываются и уносятся частицы. Ветер выдувает котловины, борозды в солончаках, пылеватых суглинках, песках. Отдельные котловины выдувания в Казахстане достигают в длину 145 км, при ширине от 2 до 10 км и глубине от 100 до 142 м.

Ветер обычно переносит пыль, песок и даже гравий. Песчаные частицы, ударяясь о твердые породы, перетирают, сверлят и обтачивают их поверхность. Появляются борозды, желоба, углубления и другие формы микрорельефа. Этот процесс обтачивания получил название ветровой корр а зии. Она воздействует на поверхность отдельных форм рельефа подобно работе пескоструйного аппарата, применяемого в строительном деле.

Разрушительная работа текучих вод носит название водной эрозии (от лат. - размывание). Их аккумулятивная деятельность приводит к образованию рыхлых пород, из вынесенных и отложенных в определенных условиях осадков.

После дождя (или таяния снега) вода растекается по поверхности земли в виде много­

 

 

Рис.3.12. Схема образования наносов: Э – элювий; Д – делювий; П – пролювий;1 – атмосферные осадки; 2 - плоскостной смыв; 3 – коренные породы; 4 – первоначальная поверхность склона.

 

численных микроструек, каждая из которых не имеет фиксированного пути. Образуется сплошной поверхностный поток, и разрушительное действие воды осуществляется на всей площади. Так происходит плоскостной смыв (или плоскостная эрозия), который ведет к увеличению пологости местности. Плоскостные потоки губительно сказываются на поч­вах, смывая верхний плодородный слой.

Продукты выветривания пород (элювий) плоскостными потоками смываются с возвышенностей на склоны и к их подножью. Со временем на склонах и в пониженных частях рельефа накапливаются отложения наносов: на склонах и у их подошвы - делювиальные (или делювий), в понижениях, примыкающих к склонам, - пролювиальные (или пролювий).

делювии (от лат.— смываемый) - покрывает все склоны и их подошвы, за исключением обрывистых участков и районов пустынь. По составу делювий разнообразен и в противоположность элю­вию отличается от подстилающих его коренных пород.

Делювий в горных и предгорных районах представлен суглинками, супесями, песками с включениями щебня и более крупных обломков скальных пород, появление которых в его составе связано с падением их вниз по склону под действием силы тяжести. На равнинах широко распространены делювиальные суглинки, супеси, реже глины, без включений крупных обломков. Мощность делювия достигает в горных районах иногда несколько десятков метров, а на равнинах несколько метров.

Пролювий (от лат.— промываю) представляет собой комплекс рыхлых образований неоднородного состава, особенно по вертикали. Пролювий в виде отложений конусов выноса горных рек накапливается у подножия гор. Конусы выноса пролювия нередко сливаются и образуют единую полосу наносов, окаймляющую подошву гор (предгорные шлейфы, рис. 3.13.).

Плоскостной поток в соответствии с рельефом местности постепенно разбивается на отдельные струи, создаются крупные потоки (ручьи), осуществляющие струйчатую Рис. 3.13. Предгорные шлейфы эрозию. В основном за счет струйчатой эрозии происходит

такой процесс, как оврагообразование.

Подземные воды, временные водотоки атмосферных осадков и ручьи собираются в постоянные водотоки — реки. На пути своего движения главная река и ее притоки разрушают горные породы, переносят и отлагают продукты переноса. Разрушительную работу реки называют речной эрозией.

Аллювиальные отложения перекрывают коренное ложе реки. В ре­зультате колебательных тектонических движений на различных участках продольного профиля реки (верховьев или низовьев) активизируется или затухает деятельность реки (река «молодеет» или «стареет»). Эти процессы приводят к размыву собственных отложений реки или к их накоплению и являются причиной образования аккумулятивных речных террас.

В итоге обломочный и растворенный материал достигает конечного водоема стока — моря, у побережья перераспре­деляясь таким образом: у берегов накапливается грубообломочная масса (галечник, гравий, крупный песок); в зоне шельфа—пески, и по мере удаления от берега — глинистый материал; в глубоководных зонах - илы органического происхождения и химические осадки.

Собственные берега морей и крупных водоемов могут быть сложены различными по прочности, составу и возрасту породами, в том числе и морскими отложениями, широко распространенными на суше. Древние морские отложения на суше принято называть коренными породами. В береговой зоне они подвергаются воздействию волн и ветра, которые формируют берег за счет разрушения коренных пород или аккумуляции продуктов их разрушения и привнесенных реками наносов. Процессы механического разрушения берега в результате деятельности волн и прибоя называются абразией.

Русловые процессы.

Совместная эрозионная и аккуму­лятивная деятельность русловых водных потоков - рек и ручьев называется флювиальными(лат. fluvium — река) процессами. Разрушительная деятельность поверхностных потоков полу­чила наименование речной эрозии, а процессы отложения разрушенных пород – аккумуляцией.

Флювиальные процессы представля­ют собой важнейшее звено в ходе миграции минеральных масс по поверхности суши к местам их аккумуляции во впадинах и морских бассейнах. Энергетической основой этих процессов является потенциальная энергия воды, стекающей под действием силы тяжести. Она прямо пропорциональна уклону ложа реки и расходу воды в единицу времени. Некоторая часть этой энергии воды тратится на размыв грунта и перенос твердого и растворенного материала в более пониженные места.

Работа текучей воды определяется кинетической энергией потока и зависит главным образом от скорости течения, которая прямо пропорциональна уклону ложа, а также от массы воды в потоке. Скорость течения зависит, кроме того, от шероховатости ложа, глубины и ширины потока. Главную роль, однако, играет уклон.

Эрозионная деятельность потоков представляет собой сложный процесс, включающий: снос водой обломочного материала; механическое разрушение горных пород в ложе потока и берегах; растворение водой встречающихся на ее пути растворимых пород.

Транспортирующая способность потоков зависит, прежде всего, от скорости течения воды. Так, при скорости течения 0,162 м/с начинает передвигаться по дну мелкий песок, при 0,216 м/с — крупный песок, при скорости 0,975 м/с — мелкая галька. На передвижение влияют так­же масса воды и турбулентность течения.

Переносимый водой обломочный материал образует так называемый твердый сток, играющий важнейшую роль в разрушитель­ной работе потока. Основная часть этой работы связана с попут­ным процессом водной корр а зии, выражающимся в механическом истирании и царапании ложа потока влекомыми водой обломками. Однако при перегрузке потока твердым стоком размыв замедля­ется (так как на перенос затрачивается значительная часть кине­тической энергии), и, наконец, эрозия может прекратиться, а затем смениться отложением наносов.

первичным результатом эрозии является образование русла. Основным результатом всего эрозионного процесса является образование эро­зионных долин, представляющих собой следствие длительного врезания русловых водных потоков в коренные породы водосборных площадей.

Важным общим элементом, определяющим развитие эрозион­ного процесса, яв

Рис. 3.14. Глубинная и боковая эрозия. А – предельная эрозионная кривая: БЭ – базис эрозии; Н_i – уровень истока; Н_b – уровень базиса эрозии; Н_i - Н_b – превышение уровня истока над уровнем базиса эрозии; 1, 2, 3 – последовательные стадии развития профиля потока. Б – переход глубинной эрозии в боковую и затухание эрозионных процессов: ПЭК – положение предельной эрозионной кривой; 1 – развитие глубинной эрозии; 2 – развитие боковой эрозии и начальной стадии осадконакопления; 3 – преобладание аккумулятивных процессов над эрозией.

 

ляется базис эрозии. Под базисом эрозии пони­мается уровень, ниже которого прекращается эрозионная деятель­ность данного потока. Базис эрозии располагается в устье потока. Для большинства рек земного шара им является уровень миро­вого океана. Благодаря этому эрозионная деятельность ведет в конечном итоге к выравниванию суши экзогенными процессами до единого уровня.

Различают два вида эрозии - глубинную и боковую (Рис.3.14). Глубинная эрозия характеризуется господством донного врезания пото­ка, постоянно стремящегося углублять свое русло и долину. Боко­вая эрозия выражается в разрушении потоком бортов русла и долины, вследствие чего происходит расширение долины, возрастаю­щее в зависимости от длительности развития процесса. Роль обоих видов эрозии на разных стадиях развития долины меняется, а в связи с этим меняется и форма долины.

В результате глубинной эрозии разрабатывается продольный профиль потока. Первоначально продольный профиль по­тока является невыработанным, с очень изменчивыми ук­лонами разных отрезков. На участках с крутыми уклонами эрозия идет интенсивнее, чем на пологих, поэтому поток, неравномерно врезаясь в ложе, постепенно выравнивает его уклон. С течением времени поток сам вырабатывает себе правильное ложе, имеющее вид плавной вогнутой кривой, очень постепенно снижающейся к базису эрозии и более крутой в верховьях (рис. 3.14. А). Профиль такого рода называется выработанным.

Выше уровня базиса врезание потока будет происходить до тех пор, пока уклоны ложа не достигнут минимальной величины, при которой глубинная эрозия потока будет полностью уравнове­шиваться сопротивлением пород ложа размыву, и энергия станет затрачиваться лишь на перенос наносов и подмыв бортов.

Так как количество воды в реке уменьшается к верховьям, динамиче­ское равновесие достигается там при все более крутых уклонах, чем и объясняется вогнутая форма кривой. Такой профиль назы­вается профилем равновесия, или предельной эрозионной кривой. Он является пределом врезания долины при данной величине кинетической энергии потока и данном положении бази­са эрозии. Для достижения предельной кривой необходимо очень длительное время. В изменчивой обстановке поверхности Земли условия обычно меняются ранее, чем формируется устойчивый профиль потока.

При однородных геологических условиях выработанный профиль достигается раньше в низовьях потока. Врезание тут прекращается, а затем сменяется аккумуляцией. В дальнейшем выработанный профиль появляется все выше по течению,т.е.развитие эрозионного процесса идет (в общем случае) от устья потока к его верховьям.

Разработка продольного профиля потока и выполаживание его продольного уклона определяет также смену глубинной эрозии на боковую и возникновение аккумулятивной деятельности потока­. Приприближении русла к положению предельной эрозионной кривой глубинная эрозия все более замедляется, а освобождаю­щаяся энергия потока расходуется на разрушение бортов русла. Начинается боковая эрозия (рис. 3.14. Б 2). С расширением русла вследствие боковой эрозии уменьшаются скорость потока и его транспортирующая способ­ность. При спаде скорости потока начинается аккумуляция влекомых наносов. На дне потока выпадают наиболее крупные обломки, а затем и более мелкий материал, образуя покров аллювия, наращиваемый затем вне русла во время паводков. Так формируется пойма — важнейшая аккумулятивная форма рельефа речных долин (рис. 3.14. Б 3).

В развитии флювиального процесса выделяется три стадии, последовательно сменяющиеся по мере выполаживания уклона русла. Первая характеризуется невыработанным продольным про­филем, глубинной эрозией и углублением долины. Это стадия мо­лодости долины. На второй стадии, при выработанном продольном профиле, господство переходит к боковой эрозии, одновременно с которой начинается аккумуляция — образование аллювия на дне долины и формирование поймы. Это стадия зрелости долины. Третья стадия, при достижении предельного выравнивания профиля, характеризуется затуханием эрозионного процесса. Возникает очень широкая пойма, в пределах которой блуждает извилистое русло реки. Это стадия старости долины.

Изменения относительного положения базиса эрозии в результате дви­жений земной коры меняют уклон и величину водной энергии потока. Это приводит к возобновлению глубинной эрозии, к омоложению уже хо­рошо разработанной долины, т. е. к врезанию в ее широкое днище новой узкой более глубокой долины. Важнейшим следствием омоложения долин является образование речных надпойменных террас — остатков прежнего днища доли­ны с залегающим на нем покровом аллювия.

Раз­витие флювиального процесса зависит от многих факторов, свя­занных с изменчивостью природных обстановок. Наиболее важные из них - особенности гидродинамики, гидрологический режим потока (периодические па­водки), климатические условия и геологическое строение мест­ности. Для горных рек определяющим в развитии русловых процессов является геологическое строение территории, для равнинных главенствующим является гидродинамика потока.

У равнинных рек продольные профили более выровнены. Они имеют вид волнообразной кривой с чередованием плёсови перекатов (рис. 3.15.).

Расположение плёсов и перекатов в плане тесно связано с излучи­нами русел равнинных рек, или меандрами. Плесы располагаются на выпуклой стороне излучины русла, не­сколько смещаясь вниз по течению от ее оси. На противополож­ной вогнутой ее стороне располагаются прирусловые (береговые) отмели. Перекаты размещаются по наиболее прямым отрезкам русла между плёсами. Поперечное сечение русла на плёсах стано­вится резко асимметричным, на перекатах оно более симметрично, глубина реки здесь уменьшается.

Обнаружено, что в равнинных реках с малыми уклонами ру­сел создаются устойчивые условия так называемого упорядоченно-турбулентного движения воды. Здесь приобретает заметную роль ускорение течения во внутренней части потока, в

связи с чем наряду с общим движением воды вниз по течению возникает поперечная циркуляция (рис. 3.15. 4 и 5). На прямолинейных участках русла на­блюдается симметричная поперечная циркуляция. Русло приобре­тает симметричное строение и умеренную глубину. Эти участки соответствуют перекатам. Иная картина возникает на участках искривления русла. Здесь образуется односторонняя циркуляция, причем русло приобретает асимметричное строение и будет смещаться в сторону разрушае­мого борта. На этом участке начнется образование меандра (благодаря смещению русла) и плёса, а на противоположном бор­ту — прибрежной отмели. После следующего переката процесс этот повторяется с обратным знаком, и в результате с одной сто­роны возникает меандрирование русла, т.е. закономерное образование меандров, крупных излучин реки, с другой стороны обра­зуются связанные с ними плёсы и разделяющие их перекаты. Шаг меандрирования, т. е. расстояния между осями меандров, и их амплитуда оказываются также обусловленными гидродинамикой потока и зависят от массы воды в потоке и скорости течения.