Эоловые процессы: формирование лесса, песчаных дюн и пустынных ландшафтов

Термин «эоловый» (или эолийский период) происходит от имени Эола, древнегреческого бога ветров, и относится к осадочным процессам и отложениям, сформированным под действием ветра. Лёсс представляет собой мелкозернистый, переносимый ветром ил и пыль, которые накапливаются в виде обширных поверхностных отложений на континентах, причем особенно толстые пласты сохраняются в таких регионах, как провинция Шаньси в Китае. Ветер также преобразует песок в динамичные объекты, включая песчаные дюны, которые объединяются в обширные дюнные поля, песчаные покровы и огромные песчаные моря (эрги), характерные для многих пустынь Земли.

Песок, колеблемый ветром в пустыне Катара

Когда ветер пересекает поверхность суши, он создает турбулентный воздушный поток, оказывающий аэродинамическую подъемную силу на рыхлые, неуплотненные отложения. По мере увеличения скорости ветра воздушные потоки приобретают способность поднимать и переносить все более крупные осадочные частицы, инициируя каскадный процесс, при котором переносимые частицы ударяются о поверхность и вытесняют дополнительные частицы. Эта цепная реакция приводит к крупномасштабному переносу отложений с помощью механизма, известного как сальтация (прыжкообразное движение), при котором частицы движутся по дугообразным траекториям, совершая серию прыжков над поверхностью. Кинетическая энергия переносимых ветром частиц оказывает значительное геоморфологическое воздействие на поверхности посредством двух основных механизмов: истирания (абразии) и сдувания (дефляции).

Ветровая эрозия осуществляется посредством этих фундаментальных процессов, которые в совокупности формируют пустынные ландшафты в геологических масштабах времени. Дефляция описывает подъем и удаление мелких частиц с территории, что приводит к постепенному опусканию поверхности суши. Истирание происходит, когда переносимые ветром частицы песка и пыли ударяются о открытые поверхности, эффективно действуя как естественный процесс пескоструйной обработки, который разрушает и изменяет горные породы. Ярданги представляют собой характерные обтекаемые удлиненные гребни, образовавшиеся в результате ветровой эрозии, которые по форме напоминают перевернутый корпус корабля, выступающий из воды.

Эти геоморфологические особенности проявляются в результате длительного истирания, сосредоточенного вдоль предпочтительных воздушных коридоров, где переносимые ветром частицы систематически разрушают более мягкие материалы, оставляя нетронутыми более прочные горные хребты. Эродированный материал, образовавшийся во время формирования ярданга, впоследствии вносит свой вклад в формирование донных отложений с подветренной стороны, в конечном итоге образуя отложения песка, ила и пыли, которые влияют на региональные эоловые процессы. Дефляция представляет собой значительный ландшафтообразующий процесс на территориях, лишенных растительности, где постоянное ветровое воздействие привело к образованию значительных топографических впадин, известных как дефляционные бассейны.

В Северной Америке дефляционные бассейны простираются в виде вытянутых впадин длиной в несколько километров от Техаса на севере до Канады, хотя обычно они достигают глубины всего от 1 до 3 метров (3–10 футов). Напротив, дефляционные бассейны в пустыне Сахара могут достигать глубины в несколько сотен метров, что свидетельствует о значительной изменчивости масштабов дефляционных процессов в различных условиях окружающей среды. Способность ветра сдувать осадки и уносить их из районов происхождения существенно ограничена скоростью ветра, которая редко превышает несколько десятков миль в час, что ограничивает перенос частиц относительно мелкого размера.

Когда дефляция удаляет мелкозернистый материал, более крупные частицы, включая валуны и булыжную мостовую, концентрируются на поверхности, образуя отложения, известные как пустынный тротуар. Такие тротуары представляют собой устойчивые, долговечные поверхности в пустыне, которые обладают относительной прочностью в естественных условиях; однако антропогенные воздействия, например движение транспортных средств, могут нарушить эту стабильность. При разрушении дорожного покрытия нижележащие пески вновь подвергаются воздействию ветра, что приводит к возобновлению переноса наносов и потенциально может привести в движение целые системы дюн.

Песчаные дюны представляют собой локально значимые формы рельефа в пустынных условиях, а ветер является одним из наиболее влиятельных геоморфологических факторов, формирующих засушливые ландшафты во всем мире. Подвижность зыбучих песков представляет серьезную геологическую опасность во многих пустынных регионах, где надвигающиеся фронты дюн вторгаются в населенные пункты, постепенно погребая сельскохозяйственные угодья, поселения и инфраструктуру под скоплениями песка. Это явление отражает глобальную проблему, связанную с расширением пустынь и деградацией земель.

Морфология и динамика песчаных дюн. Песчаные дюны представляют собой геометрически правильные насыпи или гряды песка, которые образуются в различных геологических условиях, включая как пустыни, так и прибрежные районы. Несмотря на распространенные представления о пустынях как об обширных пространствах с высокими дюнами, песчаный ландшафт на самом деле составляет меньшинство пустынных поверхностей; например, только приблизительно 20 процентов пустыни Сахара покрыто песком, а остальная часть состоит из скалистых, галечных или гравийных поверхностей. Исследование, проведенное Институтом изучения пустынь в Ланьчжоу (Китай), показывает, что мигрирующие песчаные дюны из пустыни Гоби ежегодно занимают площадь примерно в 950 квадратных миль (2500 км²) только в Китае, что приводит к экономическим потерям, оцениваемым в 6,7 миллиарда долларов в год, и затрагивает около 400 миллионов жителей.

Ветер переносит песчинки через сальтацию — движение по дугообразным траекториям с серией отскоков или скачков вблизи поверхности, что легко наблюдать на пляжах или пустынных дюнах. Благодаря этому механизму переноса ветер сортирует осадочные частицы по размеру, образуя удлиненные мелкомасштабные образования, известные как песчаная рябь, которые параллельны аналогичным структурам в речных средах. Песчаные дюны представляют собой значительно более крупные пласты, достигающие высоты до 1500 футов (приблизительно 0,5 км), и состоят из насыпей или гребней, образованных из нанесенного ветром песка. Образование дюн может начаться там, где топографические препятствия искажают или затрудняют поток воздуха, хотя дюны также могут свободно перемещаться по поверхности пустыни.

Все дюны имеют асимметричный профиль, характеризующийся пологим склоном, обращенным в сторону преобладающего ветра (наветренный склон), и более крутым подветренным склоном, обращенным в противоположную сторону. Песчинки поднимаются по наветренному склону за счет сальтации, пока не достигнут гребня дюны, где уменьшенная скорость воздушного потока снижает транспортную способность, вызывая накопление частиц. Впоследствии песок сходит лавиной или соскальзывает вниз по подветренному склону, сохраняя наклон примерно на уровне 30–34°, что соответствует углу естественного откоса для сухого песка. Асимметрия, сохранившаяся в древних отложениях дюн, дает геологам диагностические критерии для реконструкции направлений палеоветра в осадочной летописи Земли.

Постепенный перенос песка с наветренной на подветренную сторону приводит к постепенной миграции дюн вниз по ветру, обычно со скоростью 80–100 футов в год (24–30 м/год), хотя скорость миграции до 350 футов в год (107 м/год) была зафиксирована в Западной пустыне Египта и на северо-западе Нинся-Хуэйского автономного района в Китае. Это непрерывное перемещение создает значительные опасности, поскольку дюны захватывают и погребают под собой дома, сельскохозяйственные угодья, храмы и города, расположенные на путях миграции.

Классификация дюн и песчаные моря. Морфология дюн отражает взаимодействие нескольких переменных, включая количество песка, силу и постоянство направления ветра, а также растительный покров. В условиях обильной растительности и минимального ветра дюны не образуются. Там, где растительность скудна, песка много, а ветры сохраняют умеренную силу, образуются поперечные дюны, гребни которых ориентированы перпендикулярно преобладающему направлению ветра. Барханные дюны имеют форму полумесяца с рогами, направленными вниз по ветру, и формируются на плоских пустынных поверхностях, характеризующихся устойчивыми однонаправленными ветрами и ограниченным запасом песка.

Параболические дюны имеют U-образную форму с открытым концом, обращенным против ветра, и развиваются там, где растительность закрепляет хвосты мигрирующих поперечных дюн, придавая дюне ее характерную морфологию. Хотя параболические дюны внешне напоминают барханы, их выступы направлены скорее вверх, чем вниз по ветру; однако в обоих типах дюн крутая поверхность склона неизменно обращена в сторону от преобладающего направления ветра. Линейные дюны образуют длинные, прямые гребнеобразные формы, вытянутые параллельно преобладающему направлению ветра, которые обычно встречаются в пустынях с ограниченным запасом песка и сильными, слабо изменчивыми ветрами. Звездчатые дюны формируются в виде изолированных или неправильных холмов там, где направление ветра значительно меняется, создавая сложные, разнонаправленные формы.

Обширные пустынные районы, покрытые толстыми слоями песка, включающими множество типов дюн и в значительной степени лишенные других географических особенностей, называются песчаными морями (известными как эрги в Североафриканской Сахаре). Междинные области в пределах песчаных морей могут состоять из относительно плоских песчаных пластов или эвапоритовых впадин (сабх). Известные песчаные моря включают участки Сахары в Северной Африке, пустыню Намиб на юге Африки, Руб-эль-Хали (Пустой квартал) Аравийского полуострова, Великую песчаную пустыню Австралии, пустыню Гоби в Азии и песчаные холмы Небраски в Соединенных Штатах.

Песчаные моря образуются там, где скорость ветра снижается настолько, что переносимые осадки откладываются; это может быть вызвано множеством факторов, включая топографические понижения или барьеры, такие как горные хребты, которые перекрывают коридоры транспортировки песка. Примером этого процесса является песчаное море Вахиба в Омане, где восточные горы Хаджар останавливают движущиеся на север пески, в то время как прерывистая речная система у подножия горы удаляет песок, приближающийся к барьеру, и транспортирует его к побережью Аравийского моря. Прибрежные течения впоследствии переносят этот песок на юг, где ветры повторно увлекают пляжный песок в песчаный слой южной Вахибы, создавая замкнутую систему циркуляции наносов, напоминающую песчаный круговорот.

Дополнительные механизмы, способствующие образованию песчаных морей, включают перехват дрейфующего песка крупными водоемами или его перенос в изменяющиеся климатические зоны, характеризующиеся меньшей силой ветра. Формы дна в песчаных морях демонстрируют иерархические отношения масштабирования, варьирующиеся от небольшой ряби высотой в несколько сантиметров до типичных дюн, достигающих примерно 100 метров (300 футов) в высоту, и, в конечном счете, до гигантских форм дна, называемых драа, которые могут достигать высоты до 500 метров (1650 футов) с длиной волны в несколько километров. Для этих пластовых форм характерно наложение друг на друга, когда дюны меньшего размера мигрируют по поверхности более крупных объектов драа, в то время как дюны пересекают множественные волны ряби. Направления ветра, полученные на основе различных масштабов формы дна, могут систематически изменяться: рябь отражает самые недавние ветровые явления, дюны отражают сезонные ветровые режимы, а драа сохраняет свидетельства долгосрочных ветровых режимов в масштабе бассейна.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: Тимоти Куски

Источник: Энциклопедия наук о Земле и космосе

Данные публикации будут полезны студентам и аспирантам естественнонаучных направлений (геологии, географии, геофизики, астрофизики и космологии), начинающим специалистам в области структурной геологии, тектоники, космологии и астрофизики, а также всем, кто интересуется фундаментальными загадками устройства Вселенной и процессами формирования Земли.