книги из ГПНТБ / Смирнов Г.Н. Океанология (в инженерном изложении) учебник

уменьшения глубины синий ил переходит в серый ил более грубого механического состава. Разновидностью синего ила является крас­ ный ил, распространенный в тропической зоне и образовавшийся в результате выноса крупными реками в океан продуктов разрушения алюмосиликатных пород.

В состав терригенных донных отложений Северного Ледовитого океана и области высоких южных широт входят айсберговые, или гляциально-морские отложения, которые отличаются плохой сорти­ ровкой и почти полным отсутствием карбонатов. По крупности эти отложения могут изменяться от гальки и гравия на материковой отмели до глинистых илов в океанических котловинах.

Виды биогенных и хемогенных отложений прибрежной отмели были указаны выше. Остановимся на основных признаках глубоко­ водных биогенных и полигонных отложений, первые из которых названы еще Мерреем и Ренаром в соответствии с наименованием организмов, остатки которых входят в состав этих отложений.

Наибольшее распространение имеет известковый глобигериновый ил, вернее фораминиферовый ил, в котором содержится от 33 до 94% СаСОз; этот ил наблюдается на глубине 3,0—4,0 тыс. м в Атлантическом, Индийском и Тихом океанах, занимая до 50% пло­ щади первых двух и до 25% площади Тихого океана, что составля­ ет около 120 млн. км2.

Мелководной разновидностью глобигеринового ила является птероподовый ил, располагающийся отдельными ареалами на глу­ бинах до 2,0—3,0 тыс. м и занимающий в общей сложности

лей и радиолярий формируются кремнистые отложения. Глубоко­ водные диатомовые илы, содержащие до 70—80% кремнезема, ши­ роким поясом охватывают Антарктиду, наблюдаются в северной части Тихого океана, включая Охотское и Берингово моря; общая площадь их распространения составляет около 28 млн. км2. Глуби­ на залегания диатомовых илов не ограничена и они могут высти­ лать дно самых глубоких котловин Мирового океана.

Радиоляриевый ил, содержащий от 5 до 20% кремнезема, обна­ ружен в экваториальных зонах Индийского и Тихого океана, на глу­ бинах до 7,0 тыс. м. Общая площадь распространения — около 6 млн. км2.

К полигенным отложениям относится глубоководная красная глина, залегающая на глубинах от 4,0—4,5 тыс. м и больше и име­ ющая широкое распространение в наиболее глубоких частях Ми­ рового океана, занимая площадь около 100—130 млн. км2. Красная глина представляет собой тончайший осадок терригенного происхо­ ждения с примесью вулканогенных частиц и космической пыли. Содержание кремнезема в красной глине, ничтожно, известь прак­ тически отсутствует.

Вид грунтов дна океана указывается на всех морских картах, для чего используются буквенные обозначения. В Советском Сою­ зе на морских картах крупным шрифтом указывается характер

290

ный песок — кр П, зеленый песчанистый ил — зл ПИ и т. д. Эти карты отражают характер грунтов только в точках его определения и по ним нельзя судить о районе его распространения и связи с элементами рельефа.

На морфологических картах с помощью условных обозначений наносят ареал тех или иных грунтов, в соответствии с принятыми классификациями и наименованиями морских отложений, а также с учетом назначения карты: К таким картам относятся карты грун­ тов Мирового океана, промысловые карты и некоторые другие.

Все они обладают одним и тем же недостатком: по этим кар­ там нельзя составить представление об условиях образования осад­ ков.

Широкое распространение в СССР получили батилитологические карты, на которых с помощью изобат отражается рельеф дна моря и с помощью изолиний — механический состав донных отло­ жений. Эти карты имеют значение как теоретическое для геологи­ ческих построений и исследований, так и чисто практическое — для навигационных и промысловых нужд, а также для решения ряда вопросов, связанных со строительством портов. В частности, батилитологические карты прибрежной части моря, составленные с уче­ том изложенных выше принципов классификации прибрежных отложений в достаточно крупном масштабе, могут быть с успехом использованы при прогнозировании заносимости портовых аквато­ рий и подходных каналов.

При проектировании оградительных, причальных и других пор­ товых гидротехнических сооружений грунтовые карты должны сопровождаться детальными разрезами толщи прибрежных отло­ жений с указанием их прочностных характеристик.

-г § 6. ВЛИЯНИЕ РЕЛЬЕФА И ГЕОЛОГИЧЕСКОГО СТРОЕНИЯ ДНА

*ПРИБРЕЖНОЙ ЗОНЫ МОРЯ НА СТРОИТЕЛЬСТВО МОРСКИХ

ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ

Рельеф дна прибрежной зоны моря определяет характер транс­ формации и рефракции волн на мелководье, положение полосы прибоя, а следовательно, тип волнения перед сооружениями и ха­ рактер воздействия волн на сооружения.

Распределение глубин в прибрежной зоне моря определяет трассировку внешних оградительных сооружений и подходных ка­ налов. В зависимости от рельефа дна меняется стоимость сооруже­ ний, которая возрастает примерно пропорционально кубу глубины. При наличии банок и рифов в районе строительства портов жела­ тельно их использовать в качестве оснований молов, что обычно резко сокращает затраты на их возведение (порты Александрия, Бербера и др.). Приглубый и отмелый характер дна определяет либо строительство волнолома, расположенного параллельно ли­ нии берега, либо строительство парных сходящихся молов.

291

Глава VIII

НАНОСЫ ПРИБРЕЖНОЙ ЗОНЫ МОРЯ

§ 1. ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ БЕРЕГОВОЙ ЗОНЫ

Взаимодействие моря с сушей происходит в пределах сравни­ тельно узкой зоны, вытянутой вдоль береговой линии, которая является линией пересечения поверхности моря с поверхностью суши (рис. ѴІІІ-1). Положение береговой линии не остается посто­ янным: оно меняется при сгонно-нагонных колебаниях уровня, во время шторма в результата периодического наката волн, при веко­ вых колебаниях суши и эвстатических * колебаниях уровня моря. В приливных морях, кроме того, положение береговой линии меня­ ется за счет приливных колебаний уровня. Таким образом, берего­ вая линия перемещается в пределах некоторой полосы, ширина ко­ торой зависит от конкретных физико-географических условий. В практической гидрологии часто используют понятие «линия уре­ за»; это линия, которая соответствует положению береговой линии в данный конкретный момент времени.

Примыкающая к современной береговой линии полоса суши с морфологически выраженными следами воздействия моря при дан­ ном его среднем уровне называется берегом.

Рис. ѴІІІ-1. Схема морского побережья:

///— зона поднятых террас

*Так называются медленные колебания уровня моря вследствие изменения общего объема воды на Земле или заполнения морских впадин осадками.

293

Основным фактором, воздействующим на берег и дно моря, яв­ ляется волнение. На одних участках из-за тех или иных причин берег размывается волнами и отступает в сторону суши: наблюдает­ ся так называемая морская абразия; на других участках, наоборот, в результате воздействия волн берег намывается и выдвигается в сторону моря: происходит аккумуляция материала. В первом слу­ чае берег называется абразионным, во втором — аккумулятивным.

В результате абразии создается береговой обрыв, или клиф, от подножия которого под воду простирается слабо наклонная поверхность коренного дна — бенч. Одним из обязательных и ос­ новных элементов аккумулятивного берега является пляж — фор­ ма рельефа, образующаяся под воздействием волноприбойного потока. На берегах этого типа часто наблюдаются расположенные вдоль уреза валы из наносов, которые, развиваясь вглубь террито­ рии, могут образовывать аккумулятивную морскую террасу, или„ как его иногда называют, современную надводную террасу.

Волны воздействуют не только на берега, но и на часть дна моря, простирающуюся по ширине от береговой линии в сторону увеличивающихся глубин. Эта полоса дна, находящаяся под воз­ действием волн, называется подводным береговым склоном. На подводном склоне наблюдаются характерные формы рельефа в виде так называемых подводных валов, расположенных параллельно урезу воды, или под некоторым углом к урезу в зависимости от на­ правления волнения и других местных условий. Особенно развиты подводные валы у отмелых песчаных берегов, где они располага­ ются в несколько рядов, иногда до шести, и тянутся на многие километры. Подводные валы играют существенную роль в транс­ формации волн и перемещении наносов.

От крайней в сторону суши границы берега до мористой грани­ цы подводного склона располагается береговая зона — зона совре­ менного взаимодействия моря и суши. В этой зоне кроме моря, или гидросферы, и суши, или в более общем смысле литосферы, во взаимодействие включаются также атмосфера и биосфера. Однако за очень редким исключением доминирующее влияние на все про­ цессы, протекающие в береговой зоне, оказывает гидросфера. Здесь необходимо указать, что деятельность человека в пределах берего­ вой зоны, —■строительство гидротехнических сооружений, добыча инертных материалов и др., — вызывает в той или иной степени на­ рушение естественного режима морских побережий, что иногда приводит к весьма тяжелым последствиям. Наиболее часто в ре­ зультате строительства береговых сооружений, выступающих от уреза воды в сторону моря (например, оградительных сооружений порта), компоновка которых решена без надлежащего учета есте­ ственных условий, происходит интенсивный размыв берега (рис. ѴІІІ-2, а). Восстановление и закрепление такого берега ока­ зывается в принципе возможным, но требуют колоссальных затрат труда, времени и средств (рис. ѴІІІ-2, б).

Положение береговой зоны в пространстве определяется в ко­ нечном итоге вековыми колебаниями уровня моря: при высоком

294

Рис. ѴІІІ-2. Берег южнее Сочинского порта:

а) размыв после его постройки, 1949 г.; б) восстановление пляжа после воз­ ведения берегозащитных сооружений, 1964 г. (фото черноморской лабора­ тории Ц Н И И С им. А. М . Жданова)

стоянии уровня береговая зона сдвигается в сторону суши, при низком — в сторону моря. И в том и в другом случае вырабатыва­ ются специфические формы рельефа — надводные террасы. Если современный уровень моря оказывается ниже уровня, имевшего место в предшествующую историческую эпоху, то наблюдаются так называемые поднятые террасы; в противном случае — затопленные террасы* (рис. ѴІІІ-1). Участок суши, на котором наблюдаются формы рельефа, созданные при более высоком стоянии уровня, чем современное, называется побережьем.

О глубине расположения затопленных террас см. гл. VII.

295

Таким образом, можно выделить зону поднятых террас, со­ временную береговую зону и зону погруженных террас. Первая или третья зоны или даже обе вместе могут отсутствовать, но всегда должна быть современная береговая зона, где протекают основные процессы взаимодействия моря и суши. Результатом этих процессов являются с одной стороны изменение динамики вод (трансформация волн, формирование прибрежных течений и проч.), с другой сторо­ ны морфологически выраженные следы динамического воздействия морских вод (главным образом волнения) на дно и берега моря. Поэтому только совместное изучение динамики вод прибрежной зоны моря с динамикой и морфологией морских берегов и дна позволяют восстановить историю развития берегов, и, что особенно важно с практической точки зрения, прогнозировать их дальнейшее развитие. В свою очередь без надежно обоснованного прогноза ди­ намики берега вблизи участка будущего строительства не представ­ ляется возможным обеспечить надлежащее проектирование любых морских гидротехнических сооружений.

§2. ОБЩИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О МОРСКИХ НАНОСАХ

ВПРИБРЕЖНОЙ ЗОНЕ МОРЯ

Продукты разрушения волнами коренных пород, слагающих морские берега и дно, и твердый сток рек образуют в прибрежной части моря скопление обломочного материала терригенного проис­ хождения. Достаточно часто в состав обломочных материалов вхо­ дят обломки панцырей и скелетов донных организмов, т. е. мате­ риал органического происхождения. Реже наблюдается материал химического происхождения.

Вся масса обломочного материала под воздействием волн и те­ чений приходит в движение, претерпевая при этом сортировку в со­ ответствии с крупностью, весом и формой отдельных частиц, а так­ же химические и механические изменения. Последние сводятся к раздроблению, окатыванию и истиранию частиц. В большинстве случаев именно процессы движения и перемещения обломочного материала и определяют весь комплекс морфологических изменений берегов и дна, что необходимо учитывать при проектировании мор­ ских гидротехнических сооружений.

При рассмотрении литодинамики прибрежной зоны моря разли­ чают обломочный материал, который остается неподвижным, обра­ зуя постоянные формы рельефа, и материал, который под влияни­ ем волнения и течений приходит в движение и перемещается в пределах прибрежной зоны моря. В первом случае имеют место морские отложения, во втором случае обломочный материал назы­ вают прибрежными морскими наносами вне зависимости от круп­ ности частиц.

Наиболее легко взмучиваются илистые частицы. С возрастани­ ем суммарной придонной скорости крупность частиц, пришедших в движение, последовательно увеличивается и при жестком шторме

296

вприурезовой зоне уже перемещаются достаточно крупные валуны

иглыбы иногда размером d ~ 1,0 м и более [29].

При определенных условиях наносы могут прекратить свое дви­ жение и перейти в категорию морских отложений и, наоборот, при размыве сложившихся ранее форм рельефа морские отложения придут в движение и окажутся в роли морских наносов. В процес­ се переформирования берегов и дна моря в прибрежной зоне такие переходы могут совершаться неоднократно.

Физические свойства наносов (прочность, плотность, удельный вес и др.) определяются их петрографическим и минералогическим составами соответственно для крупных и мелких частиц терригенного происхождения и химическим составом для частиц органиче­

ключительным разнообразием. Минералогический состав песчаных наносов характеризуется наличием зерен кварца, которые иногда составляют до 95% всей массы наносов [29], полевого шпата, частиц слюды и других минералов.

Наносы органического происхождения в большинстве случаев представлены продуктами разрушения известковых образований — раковин, кораллов, литотамний (водорослей) и др. Наносы хими­ ческого происхождения наиболее часто представляют собой скоп­ ление округлых зерен, крупностью около 1,0 мм, образовавшихся в результате осаждения извести из морской воды вокруг первичных ядер (оолитовые пески).

При изучении движения наносов в прибрежной зоне моря, на­ носы обычно разделяют на донные, взвешенные и полувзвешенные.

К донным наносам относится материал, состоящий из наиболее крупных частиц (гальки, гравия, крупного песка), которые за все время своего движения не отрываются от поверхности дна и пере­ мещаются, главным образом, под воздействием волнения — каче­ нием или влечением. Течение при умеренном и сильном волнении только изменяет амплитуду перемещения частиц.

Взвешенными наносами называется совокупность частиц грун­ та, обычно наиболее мелких (илистых частиц, мелкого песка), которые, оторвавшись от дна под воздействием скорости движения воды, находятся во взвешенном состоянии дольше, чем один период волны. Перемещение взвешенных наносов определяется общим по­ током воды; волнение вызывает периодические ускорения и замед­ ления движения частиц наносов. Здесь следует указать, что к насто­ ящему времени нет единой точки зрения о степени зависимости движения наносов от силы волнения и скорости течения. Однако следует, по-видимому, признать установленным, что взвешивание частиц происходит в результате действия обоих факторов. Скорость перемещения взвешенных наносов приближается к скорости дви­ жения воды и тем ближе, чем мельче частицы.

Наибольшая концентрация взвешенных наносов и ее наиболь­ шие градиенты наблюдаются в придонном слое толщиной порядка

297

0,2Я, где Я — глубина воды. При этом концентрация наносов уменьшается снизу вверх. В основной толще потока от z = 0 до 2 = 0 ,8 # концентрация взвешенных наносов и ее градиенты значи­ тельно меньше, чем в придонном слое. Благодаря такому положе­ нию расход взвешенных наносов мористее зоны разрушения волн, по данным Союзморниипроекта, в придонном слое составляет ~90% от всего расхода взвешенных наносов.

Наиболее интенсивное взвешивание наносов происходит в мес­ те разрушения волн, где наносы насыщают толщу воды от дна до поверхности.

Если частицы грунта под воздействием скорости движения воды перемещаются скачками, отрываясь от дна на время меньшее, чем один период волны, поднимаясь при этом над дном на два-три своих диаметра, то совокупность таких частиц называют полувзвешенными наносами.

Вобщем случае на частицу, находящуюся на дне и обтекаемую неустановившимся потоком жидкости, что имеет место при Волне­ нии и течении, действуют силы лобового сопротивления, инерцион­ ные силы, силы трения о дно, вертикальные гидродинамические силы, силы градиента давления, развивающиеся при неустановив­ шейся фильтрации через поверхность дна, сложенного наносами, и сила тяжести. Поскольку некоторые из этих сил малы, то в упро­ щенных схемах принимают обычно во внимание силу лобового со­ противления, подъемную силу и силу тяжести.

Все гидродинамические силы зависят от формы и крупности частиц. Причем по данным теоретических и экспериментальных исследований сумма вертикальных гидродинамических сил оказы­ вается меньше кажущегося веса частиц, и поэтому объяснить отрыв частиц от дна можно, только вводя в рассмотрение вер­ тикальную пульсацию скорости при турбулентном движении жидкости.

Вотличие от русловых потоков, где средняя скорость сравни­

тельно мало меняется во времени по величине и направлению, в прибрежной зоне моря поле скоростей характеризуется, как это следует из сказанного в предыдущих главах, чрезвычайной измен­ чивостью. Колебательные движения частиц воды в придонном слое образуют здесь вихри, имеющие противоположное направление, что ведет к их взаимному уничтожению, и следовательно, к сниже­ нию степени турбулизации волнующейся жидкости. Турбулентность взволнованной жидкости вследствие собственно волновых движе­ ний оказывается ниже турбулентности поступательных потоков при равных абсолютных значениях максимальных скоростей.

При уклонах дна и пляжа, наблюдающихся в естественных усло­ виях, влияние силы тяжести следует учитывать только при рассмот­ рении движения относительно крупных донных наносов (гальки, гравия, крупного песка). В этом случае частицы наносов надо рас­ сматривать как тяжелое тело, которое под действием горизонталь­ ных и вертикальных гидродинамических сил при определенном зна­ чении скоростей движения воды теряет устойчивость и затем пере-

298

например, кубической, при воздействии на нее потока. Обычно вы­ ражение для этой скорости приводится к виду

vB = k y g d, (ѴІІІ-1)

где k —опытный коэффициент; d — диаметр частиц.

При дальнейшем увеличении скорости число частиц, пришедших в движение, увеличивается, происходит массовый отрыв частиц от дна и их массовое перемещение, после чего наблюдается образова­ ние микроформ в виде песчаных волн или рифелей (рис. ѴІІІ-4). В зависимости от крупности частиц образование рифелей начинает­ ся при различных значениях придонной скорости. Так на поверхно­ сти дна, сложенного песком с крупностью частиц 0,1—0,3 мм, обра­ зование рифелей начинается при скорости потока в придонном слое 20 см/сек. Высота рифелей достигает обычно 2—5 см, а расстояние между гребнями 20—30 см. В зависимости от условий образования рифели могут быть симметричными и асимметричными, с прямоли­ нейными длинными или криволинейными короткими гребнями.

Генерацию первичных микроформ для условий поступательного потока большинство исследователей связывают с образованием вихрей за случайными неровностями дна. При донной скорости больше скорости трогания частиц высота таких критических неров­

299-