ГЕОЛОГИЯ лекции

121

нём воды, для чего суммарный приток воды должен превышать её потери на сток и испарение.

Классификация озёр.

Озёра подразделяются по размеру, степени постоянства, происхождению озёрных котловин, характеру водообмена, минерализации вод, условиям питания водных организмов и другим признакам.

менные (заполняемые водой лишь во влажное время года).

По п р о и с х о ж д е н и ю озёрные котловины подразделяются на:

1.Тектонические, формирование которых обусловлено опусканием крупных блоков земной коры при тектонических движениях. Наиболее типичные озёрные котловины тектонического происхождения, приуроченные к зонам рифтов – узких протяжённых расколов земной коры. Для них характерны большая глубина и удлинённая в плане форма.

2.Вулканические, приуроченные к кратерам потухших вулканов или кальдерам (провалам, образовавшимся в результате крупных взрывных вулканических извержений).

3.Метеоритные, образовавшиеся в импактных кратерах, на месте падения крупных метеоритов.

4.Ледниковые, среди которых встречаются две разновидности: котловины выпахивания или впадины между аккумулятивными холмами ледникового происхождения – моренными холмами, камами (см. лекцию 10).

5.Эоловые, представляющие собой котловины выдувания (см. лекцию

11).

6.Карстовые и суффозионные котловины образуются в местах провалов и просадок, вызванных деятельностью подземных вод.

7.Термокарстовые – образуются в результате протаивания и просадок многолетнемёрзлых грунтов (см. лекцию 10).

8.Водноэрозионные – образуются в результате деятельности рек. К ним относятся старицы и небольшие замкнутые понижения на поймах.

9.Подпрудные озёра формируются в тех случаях, когда русло какоголибо постоянного водотока перегораживается обвалом, конусом выноса, продуктами вулканической деятельности и т.д. Такие озёра обычно являются проточными, представляя собой расширения в русле реки или ручья с очень замедленным течением.

10.Органогенные или болотные котловины образуются в пределах бо-

лот в результате неравномерной аккумуляции органогенного материала на различных участках болота.

По х а р а к т е р у в о д о о б м е н а озёра подразделяют на сточные (сбрасывающие часть воды в вытекающую реку) и бессточные. Особой раз-

122

новидностью сточных озёр являются проточные, сформированные по течению одной реки.

М и н е р а л и з а ц и я озёрных вод изменяется в очень широком диапазоне. В зависимости от величины минерализации озёра подразделяются на пресные (до 1 г/л, по некоторым классификациям – до 3 или даже 5 г/л), со- лоноватые (до 10 или до 25 г/л) и солёные. Пресные озёра типичны для зон влажного климата, где обеспечивается приток больших объёмов слабо минерализованных вод за счёт атмосферных осадков. Повышенная минерализация свойственна озёрам аридных (засушливых) областей и обычно обусловлена преобладанием процессов испарения, что и приводит к повышению концентрации солей. Солёность озёрных вод дополнительно возрастает в тех случаях, когда озёрная котловина сформирована в области развития соляных горных пород (озеро Тус в Хакасии) или же в неё осуществляется приток ювенильных подземных вод с высокой минерализацией (Мёртвое Море на Ближнем Востоке).

По анионному составу растворённых солей различаются озёра хлоридные (Cl-), сульфатные (SO42-) и гидрокарбонатные (НСО3-). Озёра разных природных зон характеризуются различным солевым составом. Для тундровых и лесных озёр характерно преобладание гидрокарбонат-иона; для степной зоны наиболее типичны сульфатно-гидрокарбонатные озёра, а для самых сухих степей и пустынь – хлоридные. Ведущими анионами озёрных вод, как и в других водах суши, являются Ca, Mg и Na.

Кроме растворённых солей, озёрные воды могут содержать разнообразные вещества биогенного происхождения, а также газы. Биогенные вещества поступают в озёра со стоком поверхностных и подземных вод, а также образуются непосредственно в них в результате жизнедеятельности водных организмов и их разложения. Из газов ведущим обычно является кислород, поступающий из атмосферы и являющийся продуктом фотосинтеза водных растений. Он используется водными организмами для дыхания, а избыток его может выделяться в атмосферу. Углекислый газ (СО2) поступает в озёрные воды как продукт жизнедеятельности водных организмов. В наибольшей мере его концентрация увеличивается зимой, когда поступление кислорода ограничено, а на глубине – в любые периоды, когда процессы вертикального перемешивания не проявлены. Сероводород может формироваться в придонных частях озёр в результате разложения органических веществ серобактериями при отсутствии свободного кислорода. Обязательное условие для образования сероводорода – наличие источника серы, роль которого играют сульфат-ионы, имеющиеся в составе озёрных вод. Поэтому развитие процессов сероводородного заражения наиболее типично для донных илов сульфатных или сульфатно-карбонатных озёр степной зоны.

Гидробиологические особенности озёр.

Подавляющее большинство озёр в той или иной мере заселены водными организмами. Их биологическая деятельность и разложение их остатков существенно влияют как на состав озёрных вод, так и на ход геологических

123

процессов в озёрах. Поэтому учёт биогенных процессов необходим при изучении и гидрологии озёр, и их геологической деятельности.

Биологическая продуктивность озёр (ежегодное производство биомассы на единицу объёма) определяется в первую очередь трофическими условиями (условиями питания). По этому признаку озёра подразделяются на несколько категорий:

1.Олиготрофные. Это озёра с малым количеством питательных веществ и, соответственно, с малой биологической продуктивностью. Большей частью это глубоководные озёра (такие, как Байкал, Телецкое) и озёра, питающиеся талыми ледниковыми водами.

2.Мезотрофные – промежуточные по трофическим условиям между олиготрофными и эвтрофными.

3.Эвтрофные. Это озёра, для которых характерно большое поступление питательных веществ, высокие содержания в водах растворённого и взвешенного органического вещества. Его продуцирование приводит к пересыщению кислородом поверхностного слоя воды, а разложение – к дефициту кислорода в глубинных частях водоёма.

4.Дистрофные – крайний случай перенасыщения органическими веществами до такой степени, что накопление продуктов его разложения создаёт неблагоприятные условия для жизни водных организмов.

В природных условиях озёра средних и малых размеров постепенно эволюционируют в сторону увеличения содержания в водах органического ве-

щества, то есть по схеме: олиготрофные → мезотрофные → эвтрофные → дистрофные. От степени эвтрофикации озёр зависит масштаб накопления в них биогенных отложений. Дальнейшая эволюция дистрофных озёр приводит к их превращению в болота.

Процессы эвтрофирования озёр могут существенно ускоряться, если в ход природных процессов вмешивается хозяйственная деятельность человека. В первую очередь – сброс сточных вод, содержащих повышенные количества азотных, фосфорных и других органических соединений. Очень характерны явления эвтрофирования для искусственных застойных водоёмов – прудов, водохранилищ.

Г е о л о г и ч е с к а я д е я т е л ь н о с т ь о з ё р .

Геологическая деятельность озёр заключается в разрушении берегов, транспортировке и обработке поступающего с берегов и приносимого реками обломочного материала и в накоплении осадочного материала на дне озёрных котловин.

Абразия.

Абразией называется разрушение берегов водоёмов в результате волноприбойной деятельности. Абразия по берегам озёр проявляется в наибольшей мере в начальный период их существования, в процессе заполнения озёрной котловины. Наиболее активны эти процессы в озёрах подпрудного типа, так как в них происходит очень быстрое заполнение озёрной котловины водой до

124

определённого уровня. Разрушительную работу при абразии производят волны, накатывающиеся на берег под действием ветра. В наибольшей мере абразии подвержены крутые берега без отмелей. При наличии прибрежного мелководья энергия волны гасится за счёт трения о поверхность дна, и для выполнения разрушительной работы её становится уже недостаточно.

В результате волноприбойной деятельности формируется абразионный уступ, протягивающийся вдоль берега. Обращённая к озеру поверхность уступа при каждом волнении подвергается ударному воздействию волн и продолжает разрушаться. В результате уступ постепенно смещается в сторону суши, а площадь озёрного водоёма увеличивается. При этом продукты разрушения берега накапливаются вдоль берега, преимущественно в его подводной части. В конечном счёте берег выполаживается, из накопившегося обломочного материала формируется прибрежная отмель, и абразионный процесс затухает.

Если сглаживания берега ещё на произошло, а уровень озера понизился, абразионный уступ сохраняется в рельефе на некотором удалении от озера, а ниже него остаётся площадка, полого наклонённая в сторону озера. Такие площадки, разделяемые бывшими абразионныи уступами, называются озёрными террасами. По положению их уступов можно судить об уровне заполнения озёрной котловины в прошлом.

Обработка и сортировка обломочного материала.

Обломочный материал, поступающий в озеро в результате абразии и приносимый впадающими в него водотоками, подвергается обработке и сортировке в прибрежной зоне озера. Агентом этих процессов является та же волноприбойная деятельность. При волнении обломки у берега подвергаются постоянному перекатыванию по дну: нагонная волна смещает их к берегу, возвратный ток воды – обратно вглубь озера. Трение обломков друг о друга приводит к их окатыванию и постепенному истиранию.

Одновременно происходит и сортировка обломков. Обратный (от берега) сток воды при волнении осуществляется в придонной части водоёма. Энергия этого возвратного течения максимальна у берегов и постепенно снижается по мере движения воды вглубь озера. В результате происходит разделение обломков по размеру: более тонкий материал уносится вглубь озера, а относительно грубый остаётся ближе к берегу.

Озёрная седиментация.

Озёра, за исключением проточных, играют роль наиболее значимых конечных водоёмов стока на континентах. Здесь аккумулируются большие объёмы материала, транспортируемого и осаждаемого различными способами. В процессах озёрной седиментации в равной мере важную роль играют все три известных механизма осадконакопления: терригенное, хемогенное и биогенное. Представлены и все соответствующие типы отложений.

Терригенные озёрные отложения представлены илами, песками, галечниками. В их распределении на дне озёрного водоёма обычно проявлена латеральная зональность, обусловленная волноприбойной сортировкой. У са-

125

мого берега остаётся наиболее крупный материал (галечный или гравийный), далее по направлению вглубь озера отлагается грубый песок, потом – всё более и более мелкий материал. Наконец, в центральных частях озёрных котловин накапливаются, как правило, наиболее тонкие глинистые или алевритовые осадки. Частные отклонения от этой зональности возникают в результате деятельности придонных течений. Типичными для терригенных озёрных отложений являются хорошая сортировка и окатанность, не уступающие свойственным аллювию. Отличаются они от аллювия характерной тонкой горизонтальной слоистостью. Сама слоистость обусловлена изменчивостью режима поступления терригенного материала вглубь озера: во время волнения сюда доставляется больше взвешенного материала, причём несколько более крупной размерности. Так как объём его обычно невелик, слоистость будет тонкой. А поскольку осаждение протекает в спокойной обстановке – горизонтальной. Слоистость прибрежных осадков может быть линзовидной вследствие активной динамики движения воды.

Хемогенные отложения формируются в озёрах двумя путями. Первый, и самый значимый – это осадконакопление в солёных озёрах, в результате которого накапливаются соляные отложения. Этот процесс проявляется в условиях очень сухого климата, когда процессы испарения резко доминируют над притоком воды, и концентрация растворённых солей превышает предел растворимости. В отдельных случаях озёра пересыхают полностью и превращаются в шоровые солончаки – котловины с ровной поверхностью, покрытой соляным осадком. В зависимости от состава растворённых солей различным будет и состав осадков. Наибольшим распространением пользуются осадки хлоридные (преимущественно NaCl), сульфатные и карбонатные (содовые). Так как в озёрной воде всегда растворены различные соли, а условия их осаждения различны, для таких осадков бывает характерна очень тонкая горизонтальная слоистость (с разным соотношением солей в каждом слое).

Второй тип хемогенных отложений в озёрах – это железистые и мар- ганцовистые осадки. Их накопление характерно для части озёр таёжной и экваториальной зон – когда заметный вклад в их питание вносят болотные воды. В восстановительной глеевой среде, свойственной болотам, железо и марганец находятся в закисной форме и образуют растворимые химические соединения. Когда содержащие их болотные воды проникают в озёрный водоём, вода которого содержит кислород, возникает геохимический барьер. Железо и марганец окисляются и образуют нерастворимые гидрооксидные соединения, которые осаждаются на дне водоёма.

Биогенные отложения формируются в озёрах при высоком содержании органогенного вещества в донных осадках. Самое интенсивное накопление таких отложений происходит в умеренном климате. В условиях холодного климата в озёрах недостаточно биомассы, а в жарком климате слишком быстро идёт разложение органического вещества. Основной органический материал для накопления биогенных илов поступает за счёт разложения растительных остатков. В результате образуется сапропель – органический ил, переработанный микроорганизмами при слабом доступе кислорода. Интенсив-

126

ное накопление сапропелей характерно для озёр с большим количеством фитопланктона (особенно сине-зелёных водорослей). Разлагаясь, их останки насыщают воду аммиаком и сероводородом, создавая восстановительную среду. Источником материала также служат останки червей, личинок насекомых и другого зоопланктона, крупных животных (рыб и др.). При минерализации, в зависимости от различий в жизнедеятельности бактерий, образуются сапропели глинистые, известковистые, кремнезёмистые и др. Дальнейшее преобразование сапропелей приводит к образованию сапропелевых углей – наиболее богатых органическим веществом.

Кроме того, в озёрах могут накапливаться минеральные осадки биогенного происхождения – кремнистые и известковистые. Это возможно в том случае, если водоём населяют микроорганизмы, имеющие минеральный скелет соответствующего состава (диатомовые водоросли, фораминиферы и др.).

Б о л о т а и и х г е о л о г и ч е с к а я д е я т е л ь н о с т ь .

Несмотря на кажущуюся простоту, термин «болото» понимается в науке неоднозначно. Разные научные школы вкладывают в него разное понимание. В широком толковании «болото» – это любой избыточно увлажнённый участок земной поверхности с застойным водным режимом, на котором происходит накопление органического вещества в виде неразложившихся остатков растительности. В более узком смысле под болотами понимают только торфяные болота. Это избыточно увлажнённые территории, которые порыты слоем торфа, толщиной не менее 30 см, и имеющие специфический состав растительности. Типичные торфяные болота характерны для умеренного климатического пояса. При таком подходе, территории, где данные условия не соблюдаются, а избыточное увлажнение присутствует, называют заболоченными землями. Но к настоящим болотам их не относят.

Но даже при этом подходе генетическое единство заболоченных земель и «настоящих» торфяных болот под сомнение не ставится. Потому, что на любых заболоченных землях начальные стадии торфообразования фиксируются. Только в одних случаях развитие процесса торфообразования только началось (и тогда в будущем на таком участке сформируется типичное торфяное болото), а в других – есть какие-то причины, по которым этот процесс не может пойти дальше (при слишком холодном климате – недостаток прироста органического вещества, при излишне тёплом – высокая скорость его разложения).

Происхождение болот.

Болота возникают двумя путями:

- заболачивание (избыточное увлажнение) суши (преобладающий вари-

ант);

- зарастание водоёмов.

Заболачивание суши также может осуществляться двумя различными способами – затоплением и подтоплением территории.

127

Возможными причинами затопления являются:

-преобладание осадков над испарением при отсутствии хорошего дренажа (основные причины заболачивания в тундре – очень малое испарение, и во влажных тропических лесах – избыточные осадки);

-слабый отток вод с пологих водоразделов при неглубоком залегании водоупорных горизонтов (механизм действует даже в условиях умеренного увлажнения).

Подтопление связано или с высоким уровнем грунтовых вод (имеющим естественное или техногенное происхождение), или же осуществляется за счёт вод поверхностных водоёмов на низменных побережьях.

Процесс зарастания характерен для неглубоких водоёмов с застойным гидродинамическим режимом (эвтрофных и дистрофных). Он идёт на начальных стадиях со дна (накопление сапропелевых илов) и с берегов, а далее может развиваться и с поверхности путём формирования «ковра» из корневищ растений. В результате формируются «зыбучие болота» или «топи», имеющие покрытую растительностью внешнюю часть и перенасыщенную водой – внутреннюю.

Типы болот.

По геоморфологическим признакам болота подразделяются на три типа

– верховые, низинные и переходные.

Верховые болота всегда имеют мощный слой торфа и выпуклую поверхность. Характерная черта их гидрологического режима – питание в основном за счёт атмосферных осадков. Заболачивание развивается в результате неглубокого залегания водоупорных горизонтов, приводящего к формированию застойного водного режима. Слабый доступ кислорода в таких условиях приводит к неполному разложению органических остатков, и, как следствие – к накоплению слоя торфа. Торф изолирует растительный слой от подстилающих грунтов, и это ухудшает минеральное питание растений – что приводит к формированию биоценозов исключительно из растений, приспособленных к условиям минерального голодания (главным образом мхов).

Низинные болота формируются в низменных участках, главным образом по берегам рек, озёр, водохранилищ. Для них характерна вогнутая или плоская поверхность. Ведущую роль в их водном питании играют грунтовые или поверхностные (инфильтрация из близлежащих водоёмов и водотоков) воды, достаточно богатые органическими и минеральными веществами. Для таких болот характерны эвтрофные растения, для питания которых требуются высокие содержания минеральных веществ.

Переходные болота формируются преимущественно на склонах в местах избыточного увлажнения, обусловленного притоком грунтовых вод.

Специфическими разновидностями болот являются плавни и прибреж- но-морские болота. Плавни формируются в поймах и дельтах рек в результате накопления остатков отмерших водных растений. Их скопления могут формировать целые плавучие острова, перемещающиеся по поверхности ре-

128

ки. Прибрежно-морские болота формируются на низменных побережьях, подпитываемых морскими водами.

Геологическая деятельность болот.

Геологическая деятельность болот заключается, главным образом, в накоплении специфических болотных отложений – торфа. Торф представляет собой продукт неполного разложения остатков болотных растений в условиях избыточной влажности и ограниченного доступа кислорода. Разложение при этом идёт в результате деятельности анаэробных бактерий и грибков. Важной спецификой такого способа разложения является то, что при нём неуклонно повышается доля химических соединений с высоким содержанием углерода сравнительно с другими компонентами. Благодаря этому торф пригоден для использования в качестве топлива.

В дальнейшем торф может подвергнуться углефикации. Формирование за счёт торфа углей – результат давления залегающих выше отложений. Рост давления приводит к уплотнению торфа и потере им воды. При этом разлагаются гуминовые кислоты, происходит дальнейшее снижение содержания кислорода и увеличение – углерода. Первоначально торф преобразуется в бурый уголь, который, на следующих стадиях углефикации, может быть преобразован в каменный уголь и антрацит.

Кроме того, в болотах могут накапливаться железистые и марганцовистые осадки. Механизм их формирования тот же, что и в озёрах. Там, где болотные воды проникают на поверхность, они начинают насыщаться кислородом. И, если в них содержались растворённые соединения железа и марганца, они выпадают в осадок. Масштабы этих процессов невелики по сравнению с аналогичным осадконакоплением в озёрах.

ЛЕДНИКИ И ИХ ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ

Ледниками называют естественные скопления масс движущегося льда, образующиеся на суше в результате накопления и преобразования твёрдых атмосферных осадков. В настоящее время ледники занимают около 11% площади суши. Они почти полностью покрывают целый континент – Антарктиду, а также Гренландию и многие другие острова Северного Ледовитого океана. Некоторые ледники Антарктиды и Гренландии спускаются в океан и распространяются на значительные площади прилегающих акваторий. В более низких широтах ледники распространены в высокогорных районах. В прошлые геологические эпохи распространение ледников было различным. Были эпохи, когда они покрывали значительно большие площади, и геологически длительные промежутки времени, на протяжении которых ледников не было вообще. Процессы появления и распространения ледников в географической оболочке Земли называются оледенениями. В настоящее время продолжается очередное из нескольких известных в истории Земли оледенений, но максимум распространения ледников остался в геологическом прошлом.

Ледники играют важную роль в водном балансе планеты и отдельных регионов. Они представляют собой гигантские аккумуляторы природных

129

пресных вод. В условиях аридного (засушливого) климата ледниковое питание является ведущим для рек, имеющих истоки в горах.

Условия образования ледников.

Образуются и растут ледники при условии среднегодового превышения объёма поступления твёрдых (снеговых) атмосферных осадков над их убылью. Область, в пределах которой возможно устойчивое существование нетающего снегового покрова (а, следовательно, и ледников), ограничена.

Нижняя снеговая граница определяется таким сочетанием климатических условий, при котором количество выпадающего за год снега точно соответствует его годовой убыли от таяния и испарения. Ниже этой линии снег, выпадающий в холодное время года, за тёплый сезон успевает полностью растаять. Существование верхней снеговой границы обусловлено тем, что на больших высотах влажность воздуха становится очень низкой, и выпадение осадков становится невозможным. В настоящее время верхняя снеговая граница отмечается на поверхности Земли только в Антарктиде и в Гренландии. В целом обе границы занимают наиболее низкое положение в полярных районах, а по мере смещения в сторону экватора поднимаются всё выше.

Формирование ледника происходит в результате перекристаллизации снежных масс в местах накопления больших объёмов снега. Сначала в нижних горизонтах больших снежных скоплений отдельные мелкие снежинки смерзаются в более крупные кристаллы льда, которые продолжают разрастаться за счёт материала окружающих их снежинок. В результате образуется масса зернистого снега, называемая фирном. Далее под действием давления вышележащих снежных масс фирн преобразуется в фирновый лёд, представляющий собой сплошную ледяную массу, содержащую пузырьки воздуха. И, наконец, продолжая уплотняться, фирновый лёд превращается в ледниковый, отличающийся зернисто-кристаллическим строением. Формирование ледников возможно только выше фирновой линии – границы, выше которой возможно накопление достаточно больших объёмов снега и его преобразование в фирн. Фирновая линия проходит недалеко от нижней снеговой границы, но полностью с ней совпадает лишь в частных случаях.

Ледниковый лёд обладает пластичностью и способен медленно стекать вниз по склону без разрыва сплошности. В результате массы льда могут спускаться далеко за пределы области их формирования, ниже фирновой линии и нижней снеговой границы. В связи с этим в составе ледников могут быть выделены область питания, в пределах которой ледник формируется, и область стока, в пределах которой ледник перемещается вплоть до своего разрушения.

Типы ледников.

По морфологии ледники подразделяются на три типа.

1. Покровные ледники покрывают обширные площади на суше. В настоящее время они развиты в Антарктида, Гренландии и на ряде других крупных островов в Северном Ледовитом океане. На их долю сейчас приходится 99% объёма всего материкового льда. Покровные ледники имеют ха-

130

рактерную куполовидную форму, не зависящую от рельефа ложа. Это обусловлено постепенным равномерным растеканием ледникового покрова во все стороны от центра его образования. Кроме того, для покровных ледников типичны большие площадные размеры и отсутствие чёткой границы между областями питания и стока.

2.Горные ледники развиты в высокогорных областях. Им свойственны небольшие размеры, а также наличие чёткой границы между областями питания и стока. Форма этих ледников подчинена направлению движения и морфологии рельефа.

3.Промежуточный (скандинавский) тип пользуется незначительным распространением в некоторых горных районах. Для этого типа характерно наличие маломощных покровов на плоских водоразделах, которые питают спускающиеся с них долинные ледники.

Горные ледники подразделяются на:

- каровые, заполняющие кары или ледниковые цирки – чашеобразные выемки с крутыми скальными стенками в областях питания;

- висячие, которые выполняют небольшие впадины на крутых склонах

икончаются ледяными обрывами; такие ледники наиболее неустойчивы и могут обрушаться;

- долинные, имеющие в плане языковидную форму, всегда подчинённую форме долины, по которой ледник стекает.

Геологическая деятельность ледников.

Геологическая деятельность ледников сводится к ледниковой денудации, транспортировке и отложению перемещённого материала. Её основными результатами являются формирование характерных ледниковых отложений и форм рельефа.

Д е н у д а ц и я .

Денудационная деятельность ледников называется экзарацией. Это процесс разрушения грунтов и скальных горных пород движущимся ледником. Экзарация не ограничивается сносом рыхлого материала потому, что на породы ложа действует не только и не столько сам лёд, сколько многочисленные обломки горных пород, которые захватываются ледяными массами и движутся вместе с ними. Результатом экзарации является сглаживание рельефа и возникновение характерных его форм, которые будут рассмотрены ниже.

Т р а н с п о р т и р о в к а обломочного материала при ледниковом переносе может осуществляться как в толще, так и на поверхности движущейся ледяной массы. Переносится этот материал в составе морен.

Морены – скопления обломочного материала, переносимого и отлагаемого ледником. Они подразделяются на:

-движущиеся (находящиеся внутри или на поверхности движущейся ледниковой массы);

-отложенные (оставшиеся после таяния ледника);