Поймы, речные террасы, дельты и водосборные бассейны: морфология и динамика речных систем

Во время крупных паводков ручьи выходят из берегов и затопляют прилегающие поймы. По мере того как вода покидает пределы русла, её скорость резко снижается, что приводит к интенсивному отложению наносов. Данный процесс формирует естественные дамбы и прибрежные аллювиальные отложения (ил и тонкий песок), которые постепенно покрывают поверхность поймы. Таким образом, поймы выступают в роли естественных аккумуляторов осадочного материала, поступающего с водосбора. Периодическое затопление также поддерживает высокое плодородие почв, что издавна привлекало земледельцев, однако сопряжено с риском наводнений.

Поймы представляют собой относительно плоские формы рельефа, занимающие дно речных долин и обычно сложенные рыхлыми отложениями. Хотя большая часть этих отложений накапливается самой рекой, их вклад могут также обеспечивать прилегающие склоны (за счёт коллювиальных процессов) и эоловые (ветровые) переносы, особенно в засушливых регионах. В естественных речных системах, не нарушенных искусственными дамбами или спрямлением русла, периодические паводки наносят мелкозернистый материал по всей пойме. При этом различные уровни половодья достигают разных частей равнины с неодинаковой периодичностью: наиболее низкие участки затопляются чаще, высокие — реже. В реках с влажным климатом полный сток (затопление всей активной поймы) обычно происходит каждые один-два года, тогда как более высокие уровни поймы могут заливаться только во время редких событий, например 100-летнего паводка — статистического показателя, указывающего на высоту воды с вероятностью превышения 1% в год.

Поймы выполняют критически важные функции в речных системах, позволяя руслам адаптироваться к изменяющимся гидрологическим условиям. Во время паводков они аккумулируют значительные объёмы воды, тем самым снижая пик половодья ниже по течению, а их неуплотнённые аллювиальные отложения поглощают дополнительную влагу, что дополнительно сокращает поверхностный сток. Кроме того, поймы служат временными мобильными резервуарами для хранения наносов, размытых по всему водосборному бассейну.

Поддержание физической связи между поймой и руслом имеет решающее значение для сохранения способности реки реагировать на изменения в стоке, климате и других регулирующих переменных. Когда деятельность человека — например, строительство дамб или искусственных каналов — изолирует пойму, нарушается естественная динамика стока и разрываются взаимосвязи между компонентами системы, что часто увеличивает риск катастрофических наводнений ниже по течению. Экологические последствия такой изоляции включают деградацию пойменных лесов, водно-болотных угодий и потерю нерестилищ для рыб.

Речные террасы представляют собой заброшенные поймы, сформировавшиеся в тот период, когда ручей протекал на более высоком уровне, чем его современное русло. Они образуются, когда река вертикально врезается в собственные аллювиальные отложения, создавая новый, более низкий уровень поймы. Парные террасы встречаются в виде остаточных поверхностей на одной и той же высоте по обе стороны от нынешней поймы, что свидетельствует о равномерном и быстром врезании без значительного бокового смещения.

И наоборот, непарные террасы расположены на разных высотах на противоположных берегах, что указывает на множественные эпизоды эрозионного углубления, разделённые периодами боковой миграции русла. Реки могут прорезать свои более старые террасы в ответ на различные факторы: климатически обусловленные изменения стока (например, в ледниковые и межледниковые эпохи), тектонический подъём дна долины или понижение базиса эрозии. Каждая терраса фиксирует определённый этап эволюции долины и служит важным палеогидрологическим индикатором.

Дельты образуются там, где поток впадает в стоячий водоём — озеро, водохранилище или океан, — что приводит к резкому снижению скорости течения и, как следствие, к потере способности переносить осадки. Возникающая аккумулятивная форма называется дельтой. Когда крупнозернистые наносы, выносимые аллювиальным веером, попадают в дельту, такое образование именуют веерной дельтой (fan delta). Извилистые дельты формируются там, где меандрирующие потоки достигают местного базиса эрозии и откладывают грубообломочный материал.

В пределах дельты происходит сортировка осадков по размеру зёрен: самые крупные фракции (гравий, песок) оседают первыми, образуя так называемые донные отложения (bottomset beds) — слои, которые варьируются от прибрежных грубозернистых фаций до более мелких морских отложений. Передовой слой (foreset) состоит из более тонких частиц, переносимых дальше от устья и накапливающихся на склоне дельтового фронта. Верхний слой (topset) формируется поверх передового и донного слоёв по мере продвижения дельты в сторону бассейна. Крупные реки, такие как Миссисипи, Нил и Ганг, создали обширные дельты, каждая из которых обладает уникальными морфологическими и осадочными характеристиками, определяемыми режимом волнений, приливов и стока наносов.

Водосборный бассейн (или водораздел) — это общая площадь суши, которая обеспечивает приток поверхностных и подземных вод к данному водотоку. Топографическая граница, разделяющая соседние водосборные бассейны, называется водоразделом (например, Континентальный водораздел в Северной Америке) или междуречьем. Дренажные бассейны служат основными ландшафтными единицами, объединяющими сбор и направление воды и наносов в речные русла.

Они состоят из множества взаимодействующих подсистем: склоновые процессы, геология коренных пород, характер растительности и климат — всё это в совокупности определяет формирование каналов и режим потоков воды и осадков. Гидрологические характеристики водосборного бассейна могут быть проанализированы путём сопоставления входных параметров (осадки, снеготаяние) с выходными (сток, измеренный в главном магистральном канале). Такое балансовое исследование лежит в основе количественной гидрологии и водохозяйственного проектирования.

Потоки в пределах водосборного бассейна организованы иерархически в соответствии с системой Стралера (Strahler stream order). Наименьшие неразветвлённые временные или постоянные каналы обозначаются как потоки первого порядка; слияние двух потоков первого порядка создаёт поток второго порядка; соединение двух потоков второго порядка образует поток третьего порядка и так далее. Когда сливаются потоки разных порядков, общий порядок принимается по более высокому из них. Эта система упорядочения обеспечивает основу для характеристики структуры речной сети, масштабирования гидрологических процессов (например, зависимости расхода от площади водосбора) и сравнительного анализа разных бассейнов. Чем выше порядок потока, тем больше площадь водосбора, длина русла и, как правило, расход воды.

Дренажные бассейны имеют характерные рисунки речной сети, которые отражают геологию, структуру и литологию подстилающих пород. Дендритные (ветвящиеся) узоры, напоминающие крону дерева, формируются на горизонтально залегающих пластах или однородных породах с одинаковой устойчивостью к эрозии. Параллельные структуры развиваются на крутопадающих пластах или в областях с параллельными системами разломов, часто на склонах однородных горных хребтов. Решётчатые (trellis) структуры состоят из вытянутых основных потоков, пересекаемых почти под прямым углом притоками, которые в свою очередь принимают короткие параллельные притоки; такая картина типична для складчатых горных поясов или наклонных прибрежных слоёв с чередованием мягких и твёрдых пород, подвергающихся эрозии с разной скоростью.

Прямоугольные узоры представляют собой правильную сетчатую структуру с изломами под прямым углом и обычно образуются в районах с сильно развитыми системами разломов и трещиноватостью. Радиальные и кольцевые структуры формируются на куполообразных поднятиях — вулканах, соляных куполах и других кольцевых интрузиях, — причём потоки расходятся во все стороны от вершины (радиально) или образуют концентрические кольца вокруг депрессии. Более сложные конфигурации, такие как многобассейновые (аннулярные) или искривлённые (deranged) структуры, возникают в геологически сложных условиях (например, на территориях, подвергшихся недавнему оледенению или тектонической перестройке).

Несколько категорий водотоков определены на основе их пространственной взаимосвязи с геологическими структурами и эволюцией ландшафта. Следующий поток (consequent stream) течёт по первоначальному уклону земной поверхности, заложенному формой рельефа. Последующий поток (subsequent stream) приспособил своё русло так, чтобы преимущественно размывать пояс более слабых пород или следовать вдоль тектонических нарушений (сбросов, складок). Предшествующий поток (antecedent stream) сохраняет своё первоначальное направление, несмотря на активно поднимающийся рельеф, прорезая горные хребты по мере их подъёма — классический пример дают реки, пересекающие Гималаи (Инд, Брахмапутра).

Наложенный поток (superimposed stream) наследует своё русло от вышележащих осадочных слоёв и впоследствии врезается в подстилающие породы иного типа, часто не обращая внимания на их структуру. Захват водотока (или речное пиратство) происходит, когда направленная вверх по течению эрозия одного из водотоков перехватывает дренаж соседнего бассейна, отводя его сток и наносы в свою долину. В месте перехвата обычно образуется водораздельный изгиб (elbow of capture), а ниже по течению возникает висячая долина с уменьшенным расходом воды. Примеры речного пиратства широко известны в Карпатах, на Алтае и в Аппалачах.

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.