Лекция 11. Флювиальные процессы и формы

Поверхностные текучие воды — один из важнейших факторов преобразования рельефа Земли. Совокупность геоморфологических процессов, осуществляемых текучими водами, получила наименование флювиальных. Строго говоря, описанный выше делювиальный процесс так же, как и микросели, следует относить к флювиальным процессам. Поэтому термин «флювиальные процессы» часто употребляют в более уз­ком смысле, имея в виду те процессы и явления, которые осу­ществляются линейными потоками движущейся воды, или во­дотоками.

НЕКОТОРЫЕ ОБЩИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ РАБОТЫ ВОДОТОКОВ

Водотоки или, как их еще можно назвать, русловые потоки, про­изводят разрушительную работу— эрозию, перенос материала и его аккумуляцию и создают выработанные (эрозионные) и акку­мулятивные формы рельефа. Те и другие теснейшим образом свя­заны друг с другом, так как то, что было унесено водой в одном месте, откладывается где-либо в другом. Размыв и аккумуляция материала часто сменяют друг друга во времени и пространстве, поэтому не существует геоморфологических комплексов, где были бы развиты исключительно формы одного из этих двух генетиче­ских типов. Можно только различать области преобладающей эро­зии и преобладающей аккумуляции. Однако на суше эрозионные формы рельефа пользуются большим развитием и распространени­ем, чем аккумулятивные. Обусловлено это тем, что значительная часть обломочного материала, переносимого постоянными и вре­менными водотоками, выносится в моря и океаны и откладывается на дне, образуя толщи морских осадочных пород.

Эрозионная работа водотока осуществляется за счет живой силы потока, корразии (воздействия на дно и берега влекомыми водным потоком обломками) и химического воздействия на поро­ды, слагающие дно и берега реки.

Наибольшее значение имеет живая сила, или энергия потока, которая может быть выражена формулой

F=mv²/2

где F — энергия потока, т— масса воды, v— скорость течения.

Следует отметить, что масса воды пропорциональна расходу потока, что же касается скорости течения, то она находит выраже­ние в формуле Шези:

v=CÖRi

где С— коэффициент, зависящий от шероховатости русла, R— гид­равлический радиус (отношение площади живого сечения водотока к смоченному периметру русла), i— уклон. Таким образом, чем многоводнее поток и круче уклон, тем больше его живая сила и эродирующая способность. Однако поток будет эродировать лишь в том случае, если не вся живая сила текучей воды расходуется на перенос твердого материала и на преодоление сопротивления. В противном случае в русле потока будет происходить аккумуля­ция.

В эрозионной работе водотоков различают донную эрозию, на­правленную на углубление (врезание) русла водотока, и боковую эрозию, ведущую к расширению вреза в стороны. В работе любого водотока почти всегда можно обнаружить признаки обоих видов эрозии. Однако интенсивность их будет меняться в зависимости от уклона русла, геологического строения территории, по которой про­текает водоток, стадии развития водотока (его возраста) и ряда других причин. Преобладание того или иного вида эрозии наклады­вает отпечаток прежде всего на морфологию (форму) долин русло­вых потоков. Узкие, глубокие и относительно спрямленные долины свидетельствуют об интенсивном врезании текущих по ним водо­токов. Напротив, широкие, плоскодонные долины с прихотливо из­вивающимися руслами водотоков говорят о преобладании боковой эрозии,

Ширина долины водотока зависит от его величины, состава по­род, прорезаемых водотоком, уклона местности и ряда других фак­торов. Углубление русла водотока также происходит не беспредель­но. Оно ограничивается прежде всего уровнем водного бассейна (озера, моря), куда впадает водоток. Этот уровень называется ба­зисом эрозии. Общим базисом эрозии для русловых водотоков является уровень Мирового океана. Наряду с ним различают мест­ные базисы эрозии, которые могут располагаться на любой высоте. Возникновение местных базисов эрозии чаще всего определяется геологическим строением ложа (русла) потока. Выходы прочных пород, пересекающих русло, неизбежно вызывают замедление вре-зания, и на каком-то отрезке времени профиль русла на участке выше этого выхода будет приспосабливаться к такому временному базису.

Поскольку уровень воды в реке является базисом эрозии впа­дающих в него притоков, то местным базисом эрозии также часто называют уровень дна долины по отношению к прилегающей по­верхности водосбора, который она дренирует.

Выше базиса эрозии водоток будет врезаться до тех пор, пока яе сформирует профиль, в каждой точке которого живая сила по­тока окажется уравновешенной сопротивлением подстилающих пород размыву, и транспортирующая способность потока окажется выровненной по всей его длине. Такой профиль называется выра­ботанным продольным профилем или профилем равновесия. Иде­альный профиль равновесия (плавная вогнутая кривая), может быть выработан только при определенных условиях: 1) при однородном составе пород, размываемых водотоком на всем его протяжении, и 2) при постепенном увеличении количества воды по направлению от истока к устью. В природной обстановке поверх­ность, по которой течет водоток, обычно сложена породами разного состава, а, следовательно, и разной устойчивости к размыву. Поро­ды более податливые размываются легче, менее податливые за­держивают глубинную эрозию. В таком случае продольный профиль водотока приобретает вид сложной кривой, характеризующей­ся чередованием участков с разными уклонами. Однако даже тогда, когда водоток смог бы выработать профиль равновесия, он не представлял бы плавную кривую. Обусловлено это тем, что, во-первых, равновесие между живой силой потока и сопротивлением горных пород размыву для разных пород будет достигнуто при разных уклонах; во-вторых, изменение водности потока, а следовательно, и его живой силы происходит не посте­пенно, а скачками. Окачен обусловлены владением круп­ных притоков.

Таким образом в процессе врезания русла продольный профиль водотока должен про­ходить несколько стадий, а именно: стадию невырабо­танного профиля; стадию выра­ботанного профиля; стадию предельного профиля. Под по­следним понимается такой про­филь, когда в любой точке рус­ла не происходит ни врезания, ни аккумуляции, а вся энергия реки затрачивается на транс­порт. Это состояние теоретиче­ски может быть достигнуто каждым водотоком, однако сложность и изменчивость гео­графических и геологических условий, в которых происходит выработка русла, практически делает недостижимым такое со­стояние.

Невыработанный продольный профиль потока характеризуется наличием водопадов, порогов, быстрин.

Водопадом называют место, где ложе потока образует уступ, с которого вода падает вниз. Различают несколько видов водопа­дов: 1) ниагарский, когда масса воды низвергается широким фрон­том, а его ширина равна или больше высоты; 2) иосемитский, или каскадный— вода падает сравнительно узкой струей иногда с гро­мадной высоты (водопад Энджей в Венесуэле имеет высоту 980 м), причем струя нередко разбивается на ряд каскадов, соответствую­щих отдельным уступам: 3) карельский, или падун, — крутой (до 40°), но не отвесный участок русла (например, водопад Иматра на реке Вуоксе). Ряд уступов, образующих серию небольших водопа­дов, называют катарактами, небольшие положительные неровности-русла,— порогами.

Участки русла с более крутым падением и более высокими скоростями течения получили название быстрин. Генезис уступов в продольном профиле потоков может быть различным: либо они связаны с неровностями «первичного» релье­фа, генезис которых также может быть различным, либо с препарировкой стойких пород (в результате глубинной эрозии потока или роста тектонической структуры на его пути), либо с загро­мождением русла обвальными массами или выносами материала из боковых долин.

Характеризуя общие закономерности работы водотоков, следует сказать о регрессивной эрозии, в результате которой водотоки, заложившиеся на склонах речных долин, имеют тенденцию продви­гаться своими вершинами в глубь междуречий.

Общей особенностью эрозионной работы водотоков является ее избирательный, селективный характер. Вода при выработке русла как бы выявляет наиболее податливые для врезания участки, приспособливаясь к выходам более легко размываемых пород или к тем участкам, где сопротивляемость пород ослаблена по тектониче­ским причинам: к осевым зонам складок, к тектоническим трещи­нам, разломам, зонам дробления пород.

Материал, полученный в результате эрозионной работы посто­янных водотоков, переносится вниз по течению. Транспортировка его осуществляется различными способами: 1) волочением облом­ков по дну, 2) переносом мелких частиц во взвешенном состоянии, 3) в растворенном виде, 4) в виде обломков, вмерзших в лед. Состав обломочного материала и его соотношение с веществами, находящимися в растворенном состоянии, зависит от характера водотока (равнинный или горный водоток), состава пород, слагаю­щих бассейн руслового потока, от климата и источника питания водотока. Несмотря на слабую минерализацию вод подавляющего числа постоянных водотоков (рек), перенос ими растворенных ве­ществ исчисляется миллионами и десятками миллионов тонн. Так, река Енисей ежегодно выносит в море 30 млн. т растворенных ве­ществ, Волга—46,5 млн. т и т.д. Взвешенный материал переносит­ся реками также в огромном количестве. Тот же Енисей ежегодно выносит в море около 12 млн. т взвесей, Нил—-88 млн. т, Инд— 400 млн. т и т. д.

Движение донных наносов находится в строгой зависимости от скорости течения.

Максимальная масса частицы, которую может переносить поток, пропорциональна шестой степени скорости течения. Эта зависи­мость выражается формулой Эри:

Р_m=Av⁶

где Р_m — масса частицы, А— коэффициент, зависящий от уклона дна, формы частицы, ее массы и глубины потока, v— скорость течения.

Эта зависимость даст возможность объяснить большую разницу в величине обломков, переносимых горными и равнинными реками или одной и той же рекой в межень и в половодье, когда с увели­чением массы воды увеличивается и скорость ее течения.

Отложения, формируемые постоянными водными потоками (ре­ками), называются аллювиальными или просто аллювием. Аллю­вий заметно отличается от других генетических типов континен­тальных отложений (склоновых, ледниковых и др.) прежде всего сортированностью и окатанностью обломков. Сортировка и окатывание обломочного материала, слагающего аллювий, происходит во время его транспортировки и начинается сразу, как только об­ломки попадают в водный поток. Окатывание обломков происходит вследствие ударов и трения их друг о друга, а также о дно и бере­га водотока. В результате неокатанные обломки становятся окатанными: глыбы превращаются в валуны, щебень—в гальку, дресва—в гравий. В процессе переноса обломки не только окатывают­ся, но и истираются. Поэтому с течением времени валуны перехо­дят в гальку, галька—в гравий, гравий в песок. Следовательно, вниз по течению аллювиальные отложения становятся все более и более мелкозернистыми, если в описанный процесс не вмешива­ются посторонние факторы—поступление крупнообломочного ма­териала в результате обвалов берегов, выноса временных водото­ков и т. п. Меняется вниз по течению и состав аллювия. Происходит это вследствие того, что менее прочные минералы и породы истира­ются быстрее, чем более прочные, а также за счет воздействия воды на растворимые породы и минералы. В процессе транс­портировки происходит сортировка обломков по массе и вели­чине.