учебники / Гаврилов В.П. «Общая и историческая геология и геология СССР»
.pdf12.()характернзуйтс фнзвческое вьшетривание.
13.ПеречнсJJите основные реакции химического выветривания.
14.Приведите основные реакции окисления, гидратации.
15.Охарактеризуйте реакции карбонизации и растворения.
16.В чем отличие конгруэнтных и ннконгруэнтных растворов? Приве-
дите примеры.
17.Раскройте реакцию гидролиза. Приведите примеры.
18.Охарактеризуйте биологическое выветривание.
19.Расскажите о nродуктах выветривания; элювии, делювии, коллювни.
20.Что такое осыпь, обвал?
21.Что понимается под корой выветривания? Ее тиnы.
22.Охарактеризуйте почвы, их состав, типы.
Глава 5
ГЕОЛОГИЧЕСКАЯДЕЯТЕЛЬНОСТЬГИДРОСФЕРЫ
Гидросфераэто прерывистая водная оболочка Земли. Она
располагается между атмосферой и литосферой и включает в себя
все океаны, моря, озера, реки и другие континентальные Iзодо
емы. К гидросфере относят и ледяной покров планеты. N1acca гидросферы в 275 раз больше массы атмосферы, но составляет лишь одну четырехтысячную долю массы Земли. Она содержит 1,46 · 1024 г жидкой воды и льда и покрывает более 2/ 3 земной
поверхности. Основная масса гидросферыоколо 94 %- сосре
доточена в Мировом океане, приблизительно 4,5 % ее nрихо
дится на долю континентальных водоемов и подзе~мных вод и nорядка 1,5% концентрируется в материковых ледниках
(рис. 20).
·Жизнь гидросферы во многом зависит от круговорота воды
в природе, который можно представить следующей зависимо
стью:
О= С+ Уне+ Уин•
где О- атмосферные осадки; С- сток; Vисиспарение; Vис~
инфильтрация.
Атмосферные осадки выпадают в виде дождя, снега, града,
инея, тумана и т. д. Ежегодно их общее количество составляет
580 тыс. км3 • Максимум осадков приурочен к экваториальной
зоне и достигает 4000 мм в год; минимум, в среднем до 100 мм
в год, характерен для пустынь Африки, Аравии, Азии и Австра
лии. Неравномерно распределяются осадки и в течение года.
Так, в г. Черапунджи (Индия, шт. N1егхалая) в июне 1958 г. за
один день выпало рекордное количество осадковоколо
2100 мм. Вместе с тем, в декабре и январе здесь совсем не бы вает осадков. Для определения количества атмосферных осад
ков применяется специальный прибордождемер.
Стокэто количество воды, стекающей по дневной поверх
ности в открытые водоемы и водотоки. Он составляет лишь 6%
71
Рис. 20. Схема распреде
лення мнровых заnасов
|
воды на |
земном |
шаре. |
|
По М. Н. Львовичу. |
||
|
Цнфры, |
соответствующие |
|
Мировой |
объемам |
отдельных |
частей |
гидросферы, даны в |
тыс. м' |
океан
общеr·о количества выпадающих атмосферных осадков. Сток за
висит от ре.'Jьефа местности, растительности, состава горных по
род и климатических условий. О величине стока Q (м3/с) судят
по расходу воды в заранее выбранных сечениях реки. Он опреде
ляется по формуле:
Q=F·V,
где F- площадь водного сечения реки, м2 ; V- скорость тече ния реки, м/с. Если бы процесс стока воды с континентов пре
кратился, то за один год их поверхность покрылась бы слоем воды толщиной 28 см.
Испарениеэто количество воды, фактически испаряющееся
в единицу времени с поверхности Земли. Часто величину испаре
ния определяют приближенно как разность между количеством
осадков Qoc и величиной стока С. Всего в атмосфере содер жится 13 тыс. км3 воды, что в 11 раз больше, чем в реках. И этот объем полностью обновляется каждые 9 сут, т. е. при мерно 40 раз в год.
Следует различать испарение и испаряемость. Под испаряе мостью понимается способность водной поверхности испарять то или иное количество воды за единицу времени. Со всей по верхности нашей планеты ежегодно испаряется в атмосферу
511 тыс. км3 воды, 75 % ее возвращается обратно в виде осадков. Инфильтрация представляет собой просачивание воды
в грунт. Наиболее интенсивно этот процесс происходит в песча ных грунтах. Так, в Нидерландах инфильтрация воды в дюны достигает 708 мм/год (до 83% от атмосферных осадков). В маг матических и метаморфических породах этот процесс резко сни жается: инфильтрация в эффузивных породах Южной Африки составляет всего 25 мм/год.
Рассмотренные процессы и образуют неразрывную цепочку
круговорота воды в природе, непрерывное замкнутое движение
воды, обусловленное солнечной энергией и действием силы тя
жести. Геологическая работа гидросферы очень разнообразна,
но вся она укладывается в уже известную нам триаду: разру
шение горных пород, транспортировка продуктов разрушения и
формирование новых осадков. Все многообразие геологической
72
деятельности гидросферы обычно сводят к работе следующих ее основных факторов: рек, временных водотоков, подземных вод, морей, озер, болот и ледников.
1. ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ РЕК
Рекаэто постоянно действующий (в течение многих тысяч
лет) водный поток, протекающий в долине и характеризую
щийся достаточно большой протяженностью (от нескольких до
тысяч километров). Ежегодно реки выносят в океан 36,56 тыс.
км3 воды, в среднем за 1 с через поперечное сечение всех рек
нашей планеты протекает J 140 тыс. м3 воды, и почти вся она стекает в океан. Реки играют большую роль в геологической
жизни континентов. Не менее четверти поверхности всех мате риков находится под непосредственным воздействием речных
потоков, а общая площадь суши, дренируемой речными систе
мами, составляет почти 100 млн км2 • Только в европейской ча сти нашей страны свыше 32 тыс. больших и малых рек, из ко торых наибольшей протяженностью характеризуется р. Волга
более 3,5 тыс. км. Протяженность р. Нилсамой длинной
в миредостигает 6,67 тыс. км. Изучением рек занимается по
там.ология.
§ 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О РЕКАХ
Для зарождения реки необходимы два основные условия: ис
точник питания и наличие уклона в рельефе. По характеру пи
тания различают реки дождевого, снегового, ледникового, под
земного и смешанного питания. Наиболее распространен по верхностный сток (дождевой и снеговой), но в некоторых случаях важную роль играет и подземный источник питания. Например, источник питания северных рек Советского Союза на 30 % зависит от подземных вод.
В строении реки различают исток, русло, устье и притоки.
Русло реки обычно имеет сложную форму и определяется J<O·
эффициентом извилистости К:
K=Lil,
где L - истинная длина реки; l - расстояние по прямой между
истоком и устьем.
Среднее значение коэффициента извилистости для рек ев
ропейской части СССР- 2,25. В некоторых случаях он может быть более 6. Поверхность, по которой течет река, называется речным ложем. Река вместе с притоками образует водосборную
площадь реки, или бассейн реки. Границы бассейнов, которыми
обычно служат горы или возвышенность рельефа, называются
"i3
водоразделами. Самая большая водосборная площадь у р. Ама зонки- 7 млн км2, что почти вдвое больше, чем у р. Конго,
занимающей по площади второе место в мире.
Содержание воды в реке подвержено сезонным колебаниям.
В период дождей или таяния снегов, т. е. в период половодья,
уровень воды в реке достигает максимума (высокий горизонт); в период засухи уровень воды снижается до минимума (межен
ный горизонт). В некоторых случаях реки могут совсем пере
сыхать. Резкий подъем уровня воды в реках называется па
водком.
Скорость течения реки в вертикальном поперечном ее раз резе (так называемое живое сечение) непостоянна. Меньше она
у берегов и больше в центральной части. Максимальная ско рость течения реки отмечается на г.r1убине, составляющей при мерно треть ее максимальной гJrубины. Проекция точек с мак симальной скоростью течения на поверхности реки образует ее стрежень. Общее количество воды в реке определяет ее полно
водь~ |
1 |
Так, одна из наиболее полноводных рек в миреАма
зонка, ежегодно выносит в океан 5,5 тыс. км3 воды со скоростью
до 200 тыс. |
м3/с. Ее |
протяженность почти 6,5 тыс. км, глубина |
в нижнем |
течении |
достигает 90 м, а скорость в главном |
русле нижнего течениядо 2 м/с. Полноводность Амазонки
в значительной мере определяется тем, что бассейн реrшодно
из самых влажных мест в мире, среднегодовое количество осад
ков составляет здесь 2000-3000 мм.
§ 2. РАЗРУШИТЕЛЬНАЯ РАБОТА РЕК
Разрушительная работа рек называется речной эрозией. Она
зависит от характера движения воды и ее скорости. Течение воды в реке может быть ламинарным и турбулентным. В пер вом случае вода движется упорядоченно, спокойно и как агент эрозии почти не дает эффекта. Во втором случае движение воды
происходит беспорядочно, по перекрещивающимся траекториям.
Турбулентное течение проявляется в виде водоворотов, завих
рений и оказывает на ложе реки наиболее сильное эрозионное
воздействие.
Скорость реки определяется уклоном местностивеличиной
отношения перепада отметок нетока и устья реки к расстоянию
по горизонтали, на котором этот перепад отмечается. С увеличе нием скорости реки возрастает и ее способность к транспорти
ровке того или иного материала, увеличиваются размеры пере
носимых рекой обломков, что также усиливает эрозию. Согласно закону Эрн, при увеличении скорости течения реки в 2 раза
ее способность к транспортировке возрастает в 64 раза, а при
увеличении в 3 раза- в 729 раз. Способность реки производить
74
работу определяетоi ее кинетической энергией или живой CIIJIOЙ,
которая определяется по формуле:
E=mv2/2,
гдеЕ-энергия текучей воды; т- расход (масса) воды, проте
кающий через поперечное сечение реки; v - средняя скорость
течения воды.
Следовательно, чем полноводнее река и чем с большей ско ростью она течет, тем большей разрушительной силой она об ладает. Ложе реки разрушается под действием, в основном, трех
факторов: абразии, гидравлического выпахивания и растворе
ния. Абразия подразумСJвает механическое разрушение дна под
действием ударов, а таi<же трения обломков и осадочных ча
стиц, которые влечет река. Для вовлечения в движение гальки необходимо, чтобы скорость воды над речным дном составляла 1,5 см/с, а чтобы удержать ее в движении- 4 см/с. Как мы уже
знаем, способность реки к переносу материала резко возрастает по мере увеличения скорости ее течения. Осадочный материал.
переносимый рекой, выполняет роль эрозионного инструмента, который строгает, долбит и шлифует речное русло. Гидравличе
ское выпахивание обусловливается стачивающим и расклинива
ющим действием и подъемной силой движущейся воды. Водоток способен разрыхлять, поднимать и перскатывать по дну частицы
грунта, а также выбивать и увлекать в движение кусочки твер
дой породы. Растворение происходит за счет растворяющей спо собности воды, содержащей вещества (диоксид углерода, орга нические кислоты и т. д.), усиливающие эту ее способность. По
оценкам ученых, на континентах ежегодно растворяется около
5 млрд т твердого вещества. Ежегодно только воды р. Ама
зонки выносят в Мировой океан 300 млн т растворенных солей. Скорость речной эрозии составляет в среднем 0,001 мм/год на равнинах и 0,5 мм/год в горах. Средняя же скорость речной эрозии на континентах равна 1 мм за 20 лет. Это означает, что за счет речной эрозии все континенты смогли бы быть снивели рованы до уровня Мирового океана всего за 18 млн лет. Однако
процессу эрозии противостоят рельефасозидающие процессы.
Скорость речной эрозии в значительной степени зависит от проч
ности коренных горных пород, по которым течет река.
Различают глубинную (донную) и боковую эрозию. Первый
вид эрозии выражается в углублении русла реки (разрушитель ная сила при этом направлена в глубь Земли); второй вид эро
зии- в разрушении берегов, расширении речной долины. Оба
вида речной эрозии проявляются одновременно, однако в зави
симости от места реки и периода ее развития может развиваться
тот или иной вид эрозии. Так, в верховье реки преобладает глу бинная эрозия, а в низовьебоковая.
75
Конечная цель речной эрозиивыработка продольного про
филя равновесия реки, прсдставляющего собой кривую измене
вин uысот дна реки на вс~м е~ протяженииот истока до ус
тья (рис. 21). Форма продольного профиля реки определяется
первичным рельефом местности, перепадом высот между исто
ком и устьем, количеством притоков, прочностью горных пород
речного ложа и т. д. По мере эрозионной работы реки ее про дольный профиль непрерывно углубляется, приближаясь к уровню бассейна, куда впадает река. Этот уровень получил название базиса эрозии. Профиль равновесия формируется не
только по всей длине реки, но и по отдельным ее частям, по
этому в одной и той же реке может возникнуть несколыш про
дольных профилей равновесия. При чередовании мягких и креп
ких пород в русле реки образуются уступы и связанные с ними
пороги, перекаты и водопады. На дне крупных водопадов па
дающая вода выдалбливает углубления, ямы, чашиисполин ские котлы. При разрушении уступа водопад как бы отступает
к истоку реки, происходит пятящаяся, или регрессивная, эрозия.
Так, отступление самого крупного в мире Ниагарского водопада
продолжается уже около 36 тыс. лет, за это время он отступил на 13 км. Первоначально он находился недалеко от оз. Онта рио, откуда вытекает р. Ниагара. Средняя скорость отступле ния этого водопада, замереиная с 1875 г., составляет 1 м за
год.
С течением времени все неровности рельефа, по которому течет река, сглаживаются и вырабатывается ее продольный про филь равновесия. Донная эрозия такой реки прекращается прак
тически на всем протяжении, устанавливается равновесие между
эрозией и прочностью пород. Однако с течением времени такое
равновесие может нарушаться, что приведет к росту перепада
высот между истоком и устьем реки. В этом случае речная эро зия проявится с новой силой. Именно поэтому в жизни реки
различают несколько периодов: юность, зрелость и старость.
Юность реки характеризуется невыработаиным продольным профилем равновесия. В этот период преобладает глубинная эрозия. Течение реки бурное, скорость максимальная. Русло изо билует порогами, водопадами; долина таких рек имеет У-образ ную форму и выражена ущельями и каньонами. Русло юных рек спрямлено, коэффициент извилистости минимален.
Зрелость реки наступает по мере приближения рельефа реч ного дна к продольному профилю равновесия. Глубинная эро
зия преобладает в верхнем течении реки; в среднем и нижнем
течении ведущую роль играет уже боковая эрозия. Долина реки
расширяется, приобретает И-образную форму. Увеличивается
коэффициент извилистости реки, русло реки часто изгибается, образуя излучины и меандры. Скорость течения зрелой реки
равномерно уменьшается от истоков к устью.
76
!1
Рис. 21. Продольный профиль равно
весия рекн:
AML- в пер11од зрелости. ABCDEPK- в юrrости. В,С,С; D,H,E: !',К, К- на отдель
ных участках pCKII
Рис. 22. Русло старой реки
Старость реки характеризуется еще большей выработанно
стью профиля равновесия, который наиболее близок к равновес ному состоянию, но все же круче у истока. В качестве примера старой реки может служить современная Волга, для нее харак
терен следующий уклон дна: от истоков до г. Калинина- 17 м
на 100 км, от г. Горького до г. К.азани- 5 м на 100 км и от
г. Волгограда до г. Астрахани- 2 м на 100 км. Всего же от ис
тока до устья перепад высот у Волги 260 м, т. е. 7 см на 1 км.
По всему течению реки преобладает боковая эрозия, что при
водит к размыву берегов, с одной стороны, и намыванию кос
и пляжей, с другой.
Интенсивность разрушения берегов, при прочих равных усло виях, в северном и южном полушариях непостоянна. В север
ном полушарии правый берег подвержен боковой эрозии в боль
шей степени, чем левый. В южном полушарии наоборот, левый берег размывается быстрее правого. Поэтому у рек северного
полушария правый берег обычно круче левого, у рек южного по
лушариякруче левый берег. Указанное явление объясняется, главным образом, вращением Земли вокруг оси и получило на звание правило Бэра (по имени К.. М. Бэраученого, устано вившего его). В старости длина реки за счет увеличения ее из
вилистости повышается, возрастает и количество петлеобразных
излучинмеандр, появляются старицы, отмели, плесы, пере
каты (рис. 22).
Периоды юности, зрелости и старости образуют цикл эро зии реки. В жизни реки циклы эрозии повторяются, в резуль
тате происходит омоложение рек. Обусловлено это рядом при
чин: пониженнем базиса эрозии, повышением истока или какого-
77
либо другого участка реки, изменением климата местности
в сторону сущсствешют увслнчения объема осадков. Каждое омоложение вызывает новый цикл речной эрозии. При этом вна чале русло реки углубляется (период юности), а в дальнейшем
происходят размыв новых берегов и увеличение ширины реч
ной дошшы (период старости). Прежние берега оказываются
приподнятыми над новым уровнем реки и отодвинутыми в сто
роны. Такие приподнятые остатки прежних речных берегов по
лучили название реrtНых (надпойменных) террас. Следовательно,
каждый персжитый рекой цикл эрозии отмечается формирова нием надпойменных террас. Их нумерация идет снизу вверх от более мо.1одой к более старым. У р. Волги за 20 млн лет сформировалось пять надпойменных террас с максимальным превышснием над современным уровнем реки око.1о 200 м.
§ 3. ТРАНСПОРТИРУЮЩАЯ РАБОТА РЕК
Транспортирующая работа рек проявлЯется в переносе того
или иного материала путем перетаскивания и перскатывания
его по дну во взвешенном и даже в растворенном состояниях.
Перенос по дну крупных обломков (валунов, глыб) путем их
волочения доступен лишь молодым, бурным рекам. В придон
ном слое реки обычно транспортируется песчаный или глини стый материал. В некоторых случаях таким образом рекой пе реносится довольно большое количество материала. Так, по дну
р. Амазонки путем перскатывания транспортируются миллионы
тонн песка, которые в ряде мест формируют дюны длиной до
190 м и высотой 8 м. Транспортирующая способность реки уси
ливается еще и тем, что обломки горной породы при погруже
нии в воду теряют 40 % своей массы. В среднем, скорость транс
портировки песка равна половине скорости течения реки.
В процессе донной транспортировки обломки горных пород сортируются, истираются, обтачиваются и шлифуются. Этот процесс называется коррозией. l(онечная ее стадияполное ис тирание переносимых водой обломков. Скорость коррозии зави сит от состава пород. Так, при массе 40 г галька песчаника пол ностью истирается на протяжении 10-15 км пути, галька гли нистого сланца- 30-40 км, галька известняка- 40-80 км,
галька гранита - 250-300 км. Эти цифры ориентировочны, по
скольку скорость истирания зависит также от скорости теченин
реки, количества воды, рельефа дна и т. д.
Большое количество материала переносится реками во взве
шенном состоянии. В 1 м3 воды одной из наиболее мутных рек
мираХуанхэ содержится до 34 кг взвеси; у р. Нила эта ве личина составляет 1 кг/м3 , у р. Амударьи- 4 кг/м3• В среднем
для рек мира эта концентрация оценивается в 360 мг/л (мут ность воды открытого океана О, 1 мг/л). Естественно, что пере-
78
мещение мелких частиц во взвешенном состоянииочень эф фективный способ транспортировки. Амазонка, например, еже
годно во взвешенном состоянии выносит в океан почти 1 млрд т
материала при содержании взвеси в воде 200-400 мг/л.
Приблизительно 40% всего транспортируемого реками ма
териала переносится в растворенном состоянии (химический
сток). Подсчитано, что на континентах ежегодно растворяется
5 млрд т твердого вещества, большая доля которого переносится
реками. Чаще всего в растворенном состоянии транспортиру
ются такие легкорастворимые соли, как NaCJ, KCJ, MgS04, CaS04 карбонаты (СаСОз, МgСОз, Nа2СОз), различные соеди
нения железа, фосфора. Перенос осуществляется как в истин ных, так и в коллоидальных растворах. Для сравнения масшта бов речного стока укажем, что весь речной сток нашей страны состав.!Jяет почти 850 млн т в год, из которого на долю твердого стока приходится 472,3 млн т в год, а на долю химического- 374 млн т в год.
§ 4. РЕЧНЫЕ ОТЛОЖЕНИЯ
Созидательная работа рек выражается в накоплении новых
осадочных пород речного типа, которые называются аллювиаль
ными {лат.- нанос, намыв). Как уже отмечалось, реки несут
огромное количество материалов в твердом состоянии и в рас
творе. Ежегодно в моря и океаны реки выносят почти 20 млрд т веществ, из которых почти 18,5 млрд т- твердые частицы. При
ведем ежегодный вынос вещества некоторыми реками мира
(млн м3 ): Амударья- 45: Миссисипиболее 200: Гангболее
450; Хуанхэоколо 1000. В среднем по всему земному шару взвешенные наносы рек соответствуют сносу 201 т. материала с каждого квадратного километра суши. Весь сносимый реками
материал по мере падения скорости течения реки и уменьшения
ее транспортиrующей способности осЕ-дает и идет на формиро вание аллювия. Он состоит из глины, песка, гравия, гальки, ще бенки, иногда валунов и глыб. Состав этих обломков зависит от
тех коренных пород, которые размывают rerш. Это могут быть
магматические, метаморфические или осадочные породы. Иногда аллювиальные отложения скреплены цементом. В этом случае возникают плотные, сцементированные образованияконгломе раты, брекчии и т. д.
Выделяются следующие разновидности аллювиальных от.rю жений: 1) русловыенаиболее крупные обломки, залегающие в руслах рек; 2) пойменныеглины, суглинки, мелкозернистые пески с органическим веществом, находящиеся в речных поймах; 3) старячныесупесь, ил с органическим вещестrюм, располо женные в речных старицах, лиманах; 4) дельтоныеПС'счано rлинистый материал. мпнсральныс :>ерна хорошо rжатаны п
19
отсортированы; это особый тип речных отложений, накапливаю
щийся уже вне реки, непосредственно в том месте, куда впадает
река, зерна хорошо окатаны и отсортированы.
Формирование дельтовых отложений во многом специ
фично. Во-первых, накопление их происходит сравнительно бы
стро. Так, скорость осадканакопления в устье р. Амазонки со ставляет 100 мм за 1000 лет, в устье р. Нила- 300 мм за 1000
лет, в устье р. Раны- 5000-6000 мм за 1000 лет, в устье р. Ме нам (Сиамский залив)- 30 000 мм за 1000 лет. Для сравнения укажем, что в среднем для Мирового океана скорость осадкана копления равна 1,7 мм за 1000 лет, т. е. она во много тысяч раз медленнее, чем в устьях некоторых рек. Такое «ураганное» на копление осадков, по предложению А. П. Лисицина, названо лавинной седиментацией. Во-вторых, дельтовые осадки образуют
вморе огромные линзы осадочных масс, скапливающихся там,
где происходит лавинная седиментация. Так, в Индийском оке ане около устьев рек Ганг и Брахмапутра аккумулировались
осадочные линзы толщиной более 15 км и объемом 5 · 106 км3•
Около устья р. Амазонки линза осадков имеет толщину 12 км.
Втаких линзах вместе с осадочным материалом локализуются
имногочисленные органические остатки, участвующие в даль
нейшем в нефтегазообразовании. В связи с этим осадочные
линзы древних рек представляют большой интерес в отношении нефтегазоносности.
Аллювиальные отложения характеризуются хорошей окатан
ностью, отсортированностью и слоистостью. Обычно в основании залегает базальвый слойгрубообломочный галечник, валуны; вверх по разрезу он постепенно сменяется все более тонкозерни
стым материалом. В разрезе речных отложений, как правило, наблюдается ритмичное повторение таких пачек, что обусловлено неоднократным повторением циклов речной эрозии. В некоторых случаях аллювиальные отложения характеризуются косой слои
стостью. Среди аллювия нередко встречаются россыпные место
рождения полезных ископаемых. Реки, размывая горные породы,
одновременно вымывают и содержащиеся в них ценные мине
ралы. Эти минералы переносятся рекой, частично истираются,
растворяютел и, в конечном итоге, скапливаются в долинах рек
в аллювии, образуя промышленные скопления. Так возникают россыпные речные месторождения золота, платины, вольфрама, касситерита, некоторых драгоценных камней (алмаз) и др.
§ 5. РЕЧНЫЕ ДОЛИНЫ И УСТЬЯ РЕК
Под речными долинами понимают узкую (по сравнению со своей длиной) вытянутую, часто извилистую форму рельефа, в наибо лее углубленной части которой течет река. В строении речной долины различают дно, русло, пойму и террасы (рис. 23). Дно-
во