Деятельность временных русловых потоков

Геологическая деятельность русловых потоков

Деятельность русловых потоков складывается из размыва земной поверхности водным потоком - эрозии, переноса и аккумуляции продуктов размыва. Деятельность потока определяется в первую очередь его кинетической энергией, описываемой известной формулой mv²/2, где в данном случаеm – масса воды, v – скорость течения. Скорость течения, в свою очередь, зависит от величины уклона русла. Основная часть энергии расходуется на перенос обломочного материала, поступающего в русло, а также на преодоление сопротивлений, возникающих вследствие турбулентности потока и его трения о дно и борта русла. Избыток энергии тратится на эрозию, направленную на размыв водными потоками земной поверхности. Если энергия потока снижается, то наступает состояние динамического равновесия; дальнейшее снижение энергии, связанное, например, с выполаживанием русла, приводит к аккумуляции переносимого материала. Учитывая, что величина энергии водного потока различна в разных его частях, эрозионные и аккумулятивные процессы протекают одновременно в разных частях одного потока. Общий уклон русла потока направлен от истока к устью. В связи с этим в верхней части долин, где уклон наиболее значителен, обычно преобладает эрозия; в среднем течении она сменяется динамическим равновесием между эрозией и аккумуляцией; в нижнем течении в общем случае преобладает аккумуляция. В процессе эрозии постепенно вырабатывается профиль равновесия реки, соответствующий на каждом участке речной долины динамическому равновесию.

Поверхность, на уровне которой водный поток теряет свою силу и ниже которой не может углублять своё ложе, называется базисом эрозии. За главный базис эрозииусловно принимается уровень Мирового океана. Помимо главного, выделяются региональные и локальные базисы эрозии.Региональными базисами эрозииявляются уровень моря или озера, в которое впадает река, уровень крупных низменностей и пр. Локальным базисомможет являться любая точка русла – водопады, пороги, устья притоков и др.; эти базисы постоянно изменяются и определяющими эрозию на расположенном выше по течению участке.
Среди русловых потоков различают:

· временные русловые потоки,

· постоянные русловые потоки – реки.

Деятельность временных русловых потоков

Среди временных русловых потоков выделяются временные потоки оврагови временные горные потоки. Оба типа потоков не имеют постоянного питания грунтовыми водами и появляются периодически в периоды дождей и таяния снега.

Временные потоки оврагов. Формирование оврагов начинается с образования эрозионных борозд– переходных форм от плоскостного к линейному размыву поверхности склонов. Борозды возникают за счёт плоскостного стока дождевых и талых вод при слиянии небольших струек в наиболее пониженных участках склона. Дальнейшая эрозия в бороздах проводит к образованию более крупных форм – рытвин. Для рытвин характерны крутые незадернованные борта и продольный профиль, близкий к профилю склона. За счёт наиболее крупных и быстро растущих рытвин в процессе их углубления и расширения образуются овраги, обладающие продольным профилем, отличным от профиля склона. Дно молодых оврагов отличается неровностью. По мере дальнейшего углубления профиль оврага постепенно выравнивается за счёт развития глубинной эрозии, направленной на приближение к уровню базиса эрозии. Верхняя часть оврага представляет собой крутой уступ, за счёт размыва которого овраг продвигается вверх по склону. Такой процесс роста вверх по течению потока называется регрессивнойилипопятной эрозией. Скорость роста оврагов может быть очень высокой и достигать нескольких метров в год; при разработке промоин, осложняющих склоны оврагов, может возникать ветвящаяся овражная система. По мере развития овраг своим истоком приближается к водоразделу, а устьем к базису эрозии, его продольный профиль приобретает вогнутую форму, а поперечный – V-образным, с крутыми незадернованными склонами. В условиях незначительной скорости углубления происходит расширение оврага, он приобретает U-образный профиль и затем превращается в балку – эрозионную форму, характеризующуюся наличием плоского дна и пологих склонов, закреплённых растительностью.
Водный поток, движущийся по дну оврагов и балок во время дождей и таяния твёрдых осадков, переносит мелкий обломочной материал. В низовьях оврага, где энергия потока снижается, могут образовываться конусы выноса оврагов.

Временные горные потоки. Зарождение временных горных потоков связано с ливневыми дождями и интенсивным таянием снега и ледников. В верхней части горных склонов система сходящихся рытвин и промоин образует водосборный бассейн. Ниже располагается канал стока– русло, по которому движется вода. Значительный уклон русла обуславливает высокую энергию потока, по пути движения он подхватывает большое количество обломочного материала разного размера. Насыщение обломочным материалам может превратить водный поток в сель – временный разрушительный поток, перегруженный грязе-каменным материалом. В грязе-каменном потоке, имеющим значительно большую плотность, чем вода и высокую кинетическую энергию, способны перемещаться даже глыбы, размером до нескольких метров. Сели могут формироваться также при обвале больших масс обломочного материала в горные реки, прорыва ледниковых или запрудных озёр.

При выходе на предгорную равнину скорость водных или грязе-каменных потоков уменьшается, потоки разветвляются, и переносимый материал откладывается, образуя конус выноса временного горного потокав виде полукруга, поверхность которого наклонена в сторону предгорной равнины.

Аккумулятивная деятельность временных русловых потоков

Переносимый временными русловым потоками обломочный материал отлагается в основании оврагов или каналов стока, образуя соответственно конусы выноса оврагов и конусы выноса временных горных потоков. Близкими по механизму накопления и особенностям отложений являютсянакопления сухих, илисубаэральных дельтпостоянных горных рек - в областях с аридным климатом некоторые горные реки, разливаясь на предгорных равнинах, иссякают за счёт испарения и просачивания в собственные наносы. Все отложения устьевых выносов временных русловых потоков и отложения субаэральных дельт называются пролювий. Пролювиальные отложения особенно широко развиты у подножия гор в условиях аридного климата, где они слагают мощные конусы выноса и предгорные шлейфы, образующиеся при их слиянии.
Состав пролювиальных отложений меняется от вершины конуса к его периферии от гальки и щебня до песчаных и глинисто-алевритовых осадков в краевых частях. К периферии конусов (по мере снижения энергии потока) уменьшается размер частиц и возрастает степень их отсортированности. Зональность строения и состава отложений (наиболее типичная для сухих дельт) позволяет выделять в строении пролювиальных конусов три фации.
1. Потоковая, формирующаяся при выходе потока на предгорную равнину, где его скорость резко снижается и вследствие этого отлагается наиболее грубый материал. Для этой фации характерны галечники, содержание валуны и песчано-глинистый заполнитель (такие породы называют фангломераты).
2. Веерная, образующаяся при разветвлении единого потока на несколько рукавов. Потоки замедляют скорость, большинство из них иссякает в результате просачивания в собственные наносы и испарения (необходимо отметить, что интенсивному испарению способствует не только климат, но и распадение потока на рукава, что увеличивает площадь испарения). Иссякая, эти медленно текущие потоки последовательно вниз по течению отлагают пески, супеси, суглинки и глины.
3. Застойноводная, образующаяся на периферии конусов выноса, где за счёт временных разливов (при половодьях и паводках) и грунтовых вод возникают мелководные временные водоемы озерного типа. Для этой фации характерны алевритово-глинистые, часто загипсованные и засолённые отложения
Характерными особенностями пролювия служат:
• залегание в форме покровов, наличие следов разветвлённой сети потоков,
• плохая отсортированность и окатанность,
• окисленность,
• редкость органических остатков.
В равнинных областях к пролювию относятся отложения, слагающие конусы выноса крупных оврагов и балок. Они отличаются меньшей мощностью и сложены более мелкозернистым материалом, преимущественно суглинками с гравием и песком.

Деятельность рек

Реками называются естественные водные потоки, текущие в выработанных ими же углублениях - руслах.

Эрозионная деятельность рек

Эрозионная деятельность реки осуществляется различными несколькими способами:

· при помощи переносимых речным потоком осадков, которые воздействуют на коренные породы ложа реки как абразивный материал;

· за счёт растворения пород ложа (важную роль в этом играют растворённые в воде органические кислоты);

· за счёт гидравлического воздействия воды на рыхлый материал ложа (вымывание рыхлых частиц);

· дополнительными факторами могут служить разрушение берегов во время ледохода, темроэрозионные процессы и др.

Эрозия может быть направлена на углубление дна долины – донная (или глубинная) эрозия, или на размыв берегов и расширение долины – боковая эрозия. Эти два вида эрозии действуют совместно.

Развитие глубинной (а) и боковой (б) эрозии

Интенсивность глубинной эрозии определяется в первую очередь уклоном русла (и, соответственно, энергией потока). При преобладании глубинной эрозии формируются глубокие врезы с крутыми берегами и V-образным сечением речной долины, пойма развита фрагментарно (на островах и небольших участках у выпуклых берегов излучин). В рельефе такие участки нередко представлены глубокими каньонами.
Интенсивность боковой эрозии зависит от угла подхода стрежени потока к берегу. Стрежень - линия, соединяющая точки наибольших скоростей на поверхности воды. На прямых участках стрежень обычно располагается близ середины водотока, в таких условиях боковая эрозия не проявляется. На извилистых участках происходит отклонение стрежени к одному из берегов, что приводит к сжатию потока и его «набеганию» на этот берег, сопровождающемуся размывом последнего. «Прижимание» потока к берегу обуславливает образование циркуляционного течения, донная ветвь которого направлена к противоположному берегу. Поскольку придонные слои наиболее насыщены обломочным материалом (в том числе и образованным за счёт эрозии берега), то происходит перемещение материала от размываемого берега к противоположному, где происходит его аккумуляция в форме прирусловой отмели. Формирование прирусловой отмели приводит к ещё большему искривлению русла и отклонению стрежени к размываемому берегу, определяя направление боковой и глубинной эрозии. Наибольшая скорость размыва берега отмечается там, где к нему прижимается стрежень потока. Выше и ниже по течению происходит последовательная смена зоны очень сильного размыва сильным, средним, слабым и, наконец, берег перестаёт размываться и переходит в прирусловую отмель. Таким образом, изгиб русла приводит к образованию чередующихся вдоль берега зон ускорения и замедления течения и поперечной циркуляции, направленной от вогнутого берега к выпуклому.

Различные условия взаимодействия речного потока с берегами рек (по Р.С. Чалову):
а – стрежень проходит посередине русла, берега не размываются;
б – поток походит к берегу под углом, вызывая сжатие струй и размыв берега;
у противоположного берега образуется аккумулятивная отмель
(h – превышение уровня воды у вогнутого берега на средним уровнем в данном сечении).

Принципиальная модель выработки долины речным потоком иллюстрируется следующим экспериментом:

Согласно описанному выше механизму в процессе размыва берегов образуются крутые изгибы речной долины – меандры. Узкие «перегородки» между меандрами в период половодий могут размываться, что приводит к спрямлению русла реки и образованию стариц. Старица – это замкнутый водоем, обычно продолговатой извилистой или подковообразной формы, образовавшийся в результате полного или частичного отделения участка реки от её прежнего русла. Старицы некоторое время могут сохранять связь с рекой, но постепенно входы в них заносятся речными отложениями – происходит их превращение в старичные озёра, а затем - в болота или сырые луга.
В русле меандрирующих рек при уменьшении уклона русла и извилистости могут возникатьнамывные острова. На широких участках долины при относительно прямолинейных очертаниях русла и поймы может формироваться серия таких островов, что приводит к ветвлению русла – его разделению на несколько потоков. Эти острова перемещаются вниз по течению, постоянно изменяя очертания.
Скорость эрозии определяется сочетанием ряда факторов: энергии потока, состава пород ложа, развития растительности, интенсивности техногенного воздействия и пр. Зависимость скорости размыва берегов от состава пород приведена в таблице.

Скорость размыва берегов (по Р.С. Чалову)

Речная эрозия нередко приводит к активизации других экзогенных геологических процессов. Так, интенсивная глубинная эрозия, приводит к образованию каньонов и V-образных долин с крутыми склонами, на которых активно проявляются обвальные и осыпные процессы. Подмыв высоких берегов, сложенных трудноразмываемыми породами, при боковой эрозии приводит к развитию оползней, осыпей и обвалов.

Перенос материала реками

Перенос материала реками осуществляется несколькими способами.
Наиболее крупные частицы (гальки) перемещаются волочением по дну или перекатыванием; частицы песчаной размерности – сальтацией.
Тонкие частицы глинистой и алевритистый размерности при скорости потока более 2 см/c перемещаются во взвешенном состоянии.
Значительная часть веществ переносится в растворённом виде.
Весь материал, перемещаемый в нерастворённом состоянии, называется твердым стоком. Объём твёрдого стока горных рек значительно выше, чем равнинных: горные реки могут переносить обломочный материал в количестве до 50-60 кг/м³, тогда как равнинные – не более 0,5 –1 кг/м3.
Переносимый речным потоком материал претерпевает механическую обработку – окатывается – за счёт трения о другие частицы и породы ложа.

Перемещение песчано-гравийного материала водным потоком иллюстрируется приведённым в видеоролике экспериментом (выполненным в University of Minnesota's St. Anthony Falls Lab):

А этот эксперимент отражает перемещение песчаных зёрен и формирование характерной косой слоистости. Перемещаемый по дну песчаный материал образует движущуюся рябь:

Отложения рек

Отложения постоянных русловых потоков (рек, ручьев) называются аллювий. Аллювий формируется в различных участках речной долины. В соответствии с этим выделяют три фации: русловый, пойменный и старичный аллювий.
Русловой аллювий(1-2 на рисунке)обычно представлен хорошо промытыми и сортированными песками, гравийниками или галечниками с характерной косой слоистостью. Мощность его может достигать первых десятков метров, иногда больше.
Нижние горизонты руслового аллювия залегают на размытой поверхности подстилающих коренных пород; им свойственен более грубозернистый состав, плохая сортировка и неотчётливая косая слоистость. Образование этих горизонтов отвечает наиболее начальной стадии формирования речной долины. Их мощность обычно невелика или они вообще не сохраняются, поскольку на начальной стадии формирования долины, когда аллювий постоянно перемещается, образуя лишь временные неустойчивые скопления, смываемые во время паводков и половодий.
Вверх по разрезу размер аллювиальных частиц уменьшается и возрастает степень их сортировки, появляется отчётливая косая слоистость. Наиболее высокие горизонты, формирующиеся в условиях прирусловой отмели, отличаются разнообразием текстур – мелкая косая, косо-волнистая, волнистая, что связано с образованием ряби течения.
Иногда прослои с рябью встречаются и в средней части толщи руслового аллювия - они образуются при ослаблении силы потока (на отмелях).
Особенности строения разреза руслового аллювия определяются и особенностями конкретного речного потока. В целом, для крупных равнинных рек характерны более развитая средняя часть руслового аллювия и отложения прирусловой отмели. В осадках горных рек аллювий более крупный, преобладают текстуры, характерные для самой нижней части равнинного аллювия (что связано с большей энергией и турбулентностью потока).
Старичный аллювий (3 на рисунке) обычно залегает в виде линз в толще руслового аллювия. Для старичных отложений характерен алевро-глинистый или мелкопесчаный состав (суглинки, супеси), насыщенность органикой и тонкая горизонтальная слоистость (обусловленная осаждением из спокойных вод). В нижней части старичных отложений могут присутствовать единичные косослоистые серии, отвечающие периодам половодий, когда старица вновь начинала действовать как русловой проток.
Пойменный аллювий (4 на рисунке) залегает поверх руслового и старичного. Пойменные отложения формируются в периоды половодий, когда речные воды, выходя за пределы русла, заливают речную долину. Формирование пойменного аллювия тесно связано с режимом реки: он хорошо развит у равнинных рек в областях гумидного умеренного климата, менее развиты в аридных областях и слабо выражены у горных рек (не имеющих развитой поймы). Мощность пойменных отложений обычно не превышает нескольких метров.
Пойменный аллювий представлен алевро-глинистыми или алевритовыми отложениями с горизонтальной слоистостью. Нередко в нём отмечаются прослои почв, образующихся в период между половодьями.
Паводковые воды провоцируют развитие оползневых процессов и подмыв берегов. Поэтому прислоненной подмываемому обрывистому берегу пойменный аллювий может содержать включения плохоокатанных или неокатанных глыб разного размера, представляющих собой погребенную осыпь и продукты обваливания коренного берега.
В совокупности, отложения русловых потоков – пролювий и аллювий – согласно классификации Е.В. Шанцера, образуют флювиальную группу отложений.

Классификация отложений русловых потоков (по Е.В. Шанцеру)

Любая река за время своего существования проходит ряд стадий, которые условно можно назвать молодостью, зрелостью и старостью.
На стадии образования в реке преобладает донная эрозия, приводящая к выработке V–образной долины и образованию грубого, плохо сортированного инстративного аллювия. Продольный профиль долины реки в эту стадию крутой в верховьях, изобилует неровностями и перепадами. По мере выработки долины всё большее значение приобретает боковая эрозия, придающая долине U-образную форму сечения.
На стадии зрелости продольный профиль реки становится выровненным, стремящимся приблизиться к базису эрозии, происходит усиление боковой эрозии вследствие меандрирования. За счёт меандрирования происходит расширение долины, формируется пойма, сечение долины приобретает трапециевидный облик. Активно идёт процесс накопления аллювия, нередко чередующийся с периодами углубления и расширения долины.
На стадии старости происходит ещё большее расширение долины. Продольный профиль близок к профилю равновесия, что приводит к снижению энергии потока – река не может переносить большое количество обломочного материала, что приводит к его осаждению, вызывающему заиление русла. Активно протекают процессы аккумуляции – формируются все фации аллювия. В итоге происходит заполнение русла осадками, река постепенно замедляет течение и зарастает.

Схема развития эрозионно-аккумулятивного цикла и стадии формирования долины (по Н.В. Макаровой, Т.В. Сухановой): I - врезания, II - расширения долины, III - аккумуляции, IV - динамического равновесия (завершающая); 1-5 - аллювий, 6- покровные отложения, 7 - коренные породы, 8- контуры первоначального вреза.

Описанные этапы эволюции речной долины, как правило, не образуют линейной последовательности, а прерываются на разных стадиях процессами омоложения реки. Омоложение реки может быть обусловлено тектоническими движениями земной коры, изменением базиса эрозии (понижение уровня водоёма, в который впадает река и пр.), климатическими изменениями (увеличением расхода воды и энергии потока), техногенным воздействием (спуск водохранилищ и пр.) и приводит к изменению продольного профиля речной долины. При его изменении происходит возрастание энергии потока, что приводит к активизации донной эрозии, направленной на выработку нового профиля. То есть река вновь начинает углублять долину, затем, по мере приближения к профилю равновесия, начинают доминировать процессы боковой эрозии, формируется пойма, т.е. река вновь проходит цикл своего развития. И этот процесс может повторяться неоднократно.

Наличие этапов омоложения отражается в образовании речных террас– ступенеобразных уступов в бортах речной долины. В строении террас выделяют площадку – выровненную поверхность террасы, тыловой шов– место сочленения площадки с вышерасположенной террасой или коренным склоном, склон террасыибровку– место сочленения площадки и склона террасы.

Элементы строения террасы: 1 - площадка террасы, 2 - тыловой шов, 3 - бровка, 4 - склон.

Схема развития речной террасы

Формирование террас в пределах одной речной долины может происходить неоднократно, что приводит к образованию лестницы надпойменных террас, возвышающихся друг над другом в борту долины (нужно добавить, что террасы не всегда явно выражены в рельефе и их выявление требует специальных геоморфологических исследований). Самая высокая терраса - наиболее древняя, самая низкая - наиболее молодая (первая надпойменная терраса – террасам присваиваются номера в соответствии с их расположением снизу вверх). Высотой террасы называют превышение её поверхности над меженным уровнем воды в реке.
Среди речных террас различают эрозионные, эрозионно-аккумулятивные и аккумулятивные.
Эрозионные террасы(или скульптурные террасы, террасы размыва) – террасы выработанные речным потоком в коренных породах. Они наиболее характерны для горных рек, где активно проявляются тектонические движения, приводящие к частым изменениям продольного профиля реки.
Эрозионно-аккумулятивные(или цокольные) – террасы, нижняя часть которых сложена коренными породами (цоколь), а верхняя - аллювиальными отложениями.
Аккумулятивные террасы- трассы полностью сложенные аллювиальными отложениями. Аккумулятивные террасы имеют широкое распространение в пределах низменных платформенных равнин, а также в межгорных и предгорных прогибах. Они свойственны желобовидным и планиморфным долинам, характеризующимся значительными мощностями аллювия.

Устьевые части рек

В устьевой части речной поток достигает уровня базиса эрозии, теряет энергию и отлагает переносимый материал. Специфика осадконакопления и особенностей строения в устьевой части определяется сочетанием ряда факторов, среди которых наибольшее значение имеют: количество выносимого рекой материала, расход воды в реке и его изменение во времени, динамика морских вод и характер тектонических движений.
Типичными формами устьевых частей рек являются дельты, эстуарии и лиманы.
Дельты представляют собой сложенные речными наносами низменности в низовьях рек, прорезанные сетью рукавов и протоков. Название «дельта» происходит от заглавной буквы греческого алфавита дельта, по сходству с которой оно было дано в древности треугольной дельте р. Нил. По существу, дельты представляют собой конусы выноса рек. В устьевой части речной поток «сгружает» переносимый материал (частично в приустьевой части, частично в прибрежной части моря). Постепенно устьевая часть засыпается наносами, преграждающими путь водному потоку. В результате происходит формирование новых русел (называемых протоками и рукавами), вымываемых в принесённых ранее отложениях. Затем, в приустьевой части каждого рукава вновь происходит накопление материала, и процесс повторяется, что определяет постепенное выдвижение дельты в море. При этом отдельные протоки отделяются, превращаются в озёра и затем засыпаются или заболачиваются.
Помимо аллювиальных отложений в пределах дельт широко развиты морские отложения (формирующиеся в подводной части дельты, при затоплении участков дельты нагонными водами и пр.), эоловые (образующиеся при перевевании отложений), озёрные и болотные отложения. Таким образом, дельты представляют собой сложные динамичные системы, образующиеся под влиянием различных геологических процессов.
Благоприятными условиями для быстрого роста дельты являются: обилие приносимых рекой наносов, тектоническое поднятие прибрежной территории, понижение уровня водоёма, положение устья в вершине залива или в лагуне (блокированные дельты), а также мелководность бассейна, куда впадает река. Препятствуют образованию дельты сильные приливо-отливные, сгонно-нагонные течения и вдольбереговые течения, а также тектоническое погружение прибрежной зоны (скорость которого выше скорости накопления осадков) и быстрое повышение уровня водоёма.
Современные дельты занимают около 9% из общей протяженности побережий Мирового океана и аккумулируют ежегодно 18,5 млрд. тонн рыхлых продуктов, что составляет 67% всех терригенных осадков, поступающих в Мировой океан.
Развитые дельты имеют Волга, Дон, Лена, Миссисипи, Ганг и многие другие реки, огромных размеров достигает дельта Амазонки (около 100000 км2, что более чем в 5 раз превышает площадь дельты Волги).
Эстуарии (от лат. aestuarium - затопляемое устье реки) представляют собой воронкообразные заливы, вдающиеся в устье реки. Факторами, обпределяющими образование эстуариев являются: удаление отлагаемых рекой наносов морскими течениями или приливными волнами, большая глубина моря, быстрое прогибание прибрежной зоны; в таких случаях даже при большом выносе наносов отложения их на устьевом участке не происходит.
Устья в виде эстуариев имеют Енисей, Обь, Сена, Темза и многие другие реки.
Лиманами (от греч. limen - гавань, бухта) называют устьевые части рек, затопленные водами бесприливных морей. Образование лиманов связно с затоплением морем долин равнинных рек и балок в результате погружения прибрежных частей суши. Обычно лиманы имеют извилистыми в плане очертания и невысокими берегами, что связано с наследованием рельефа и отсутствием значительной береговой деятельности моря. Выделяют лиманы открытые в сторону моря (губы) и закрытые, полностью отделённые от моря косой или имеющие с ним связь через узкий пролив (гирла).
Обычно в лиманах отлагаются мелкозернистые пески, алевриты и глины, а также нередко и органические вещества, дающие начало залежам горючих сланцев, углей, нефти. При малом притоке пресных вод с материка и засушливом климате воды лиманов сильно осолоняются и в них осаждаются соли или накапливаются солесодержащие илистые отложения – грязи.
Лиманы хорошо выражены в прибрежных частях Чёрного и Азовского морей.