Пример курсовой (Иванова_реферат)

может быть в 50-100 раз выше, нежели в нормальном потоке. Русловая эрозия и транспортировка в большинстве случаев колоссально увеличиваются как результат паводковой скорости и расхода воды. Быстрые горные потоки во время половодья могут иногда переносить валуны размером с автомобиль. Затопляемые территории могут быть сильно изрезаны, с берегами и прилегающими лугами и полями со смытой почвой. Когда наводнение идёт на убыль, и скорость, и расход уменьшаются, приводя к аккумуляции слоя осадочного материала, обычно грязевого, на затопленной территории.

В сухом климате расход реки может уменьшаться вниз по течению, потому что речная вода испаряется в атмосферу и просачивается в сухую землю (или используется для ирригации, то есть орошения). В связи с уменьшением расхода воды в реке избыток осадка постепенно оседает.

7. Речная эрозия

Река обычно разрушает коренные горные породы и осадочные отложения, по которым она протекает. В сущности, реки являются одними из самых эффективных ваятелей на Земле. Потоки врезаются в свои собственные долины, расширяя и углубляя их в течение длительного времени и увлекая за собой осадочные породы, которые доставляются ко дну долины в результате гравитационного перемещения. Частицы пород и отложений, поднимаемые рекой, увлекаются вперёд и осаждаются ниже по течению. Реки эродируют твёрдые горные породы и осадки тремя способами – это гидравлическое воздействие, растворение и абразия.

Гидравлическое воздействие

связано со способностью текущей воды поднимать и переносить обломки пород и осадок (рис.9). Сила движущейся воды, циркулирующей в трещинах коренных пород, может раскалывать их и вырывать обломки, уносимые течением. Гидравлическая сила также эродирует рыхлый

материал речных берегов на внешней стороне изгиба (поворота). Интенсивное воздействие текущей воды может катить

или волочить фрагменты пород по речному дну, а турбулентные завихрения могут обладать достаточной силой, чтобы поднять обломки со дна реки. Огромная сила падающей воды делает гидравлическое воздействие особенно эффективным у подножия водопада (рис.10), где образуется водобойный колодец. Услышать результаты гидравлического действия можно стоя около быстрого горного потока, слушая, как валуны и галька ударяются друг о друга, так как они скатываются вниз по течению.

Рис. 10.

Продольный

профиль

Ниагарского водопада.

11

Некоторые породы могут быть растворены водой. Растворение, хоть оно, как правило, и медленное, может быть эффективным процессом выветривания и эрозии (выветривание – потому что это реакция на внешние химические условия; эрозия – потому что переносится материал). Река, текущая по известняку, к примеру, постепенно растворяет породу, углубляя своё русло. Реки, текущие по другим осадочным породам, таким, как песчаники, может растворять карбонатный цемент, высвобождая зёрна, которые затем могут подниматься гидравлическим воздействием.

Эрозионный процесс, который обычно наиболее эффективен в каменистом речном русле – абразия, стачивание (шлифование) русла в результате трения и ударного воздействия твёрдого стока (осадочных обломков в толще воды). Песок и галька кувыркаются около дна реки, сильно истирая русло наподобие наждачной бумаги, стачивающей древесину. Абразия осадка в русле реки гораздо эффективней в изнашивании (шлифовании) русла, нежели одно только гидравлическое воздействие. Чем больше осадка переносит река, тем быстрее она способна истирать своё русло.

Грубый крупнозернистый осадок наиболее эффективен в речной эрозии. Песок и галька ударяются о русло многократно и с большей силой, в то время как тонкозернистые илистые (алевритовые) или глинистые частицы слишком легки и без труда находятся во взвешенном состоянии по всей толще реки и имеют мало ударов, когда они сталкиваются с руслом.

Эверзионные котлы – это углубления, которые образовались в русле реки в коренных породах в результате абразивного воздействия твёрдых частиц стока (рис.11). Крутящаяся вода при помощи песка и гальки выдалбливает и выстругивает в твердых породах первоначально плоские чашевидные углубления, а впоследствии и настоящие ямы, так называемые

исполинские котлы, или мельницы. Эти последние могут расширяться и, соединяясь друг с другом вследствие разрушения разделяющих их стенок, превращаться в сплошные глубокие желоба. Особенно поучительное поле наблюдения подобных образований представляет один из гранитных островов в области Нильских порогов, где можно видеть их в разных стадиях развития. Подобные эрозионные ямы хорошо выражены также, например, на гранитных берегах водопада Иматра и в русле речки Ольховки в Кисловодском парке.

Эверзионные котлы чаще всего формируются в местах, где камень несколько мягче, нежели окружающая порода. И хотя такие выбоины довольно редки, их можно увидеть в руслах некоторых рек во время спада (низкого уровня) воды. Эверзионные котлы могут вмещать песок или большое разнообразие

красивой окатанной гальки. Рис. 11. Эверзионные котлы в русле реки МакДоналд.

12

Комплексная оценка рек по опасности размыва берегов

Оценка опасности русловых процессов может сопоставляться с показателями устойчивости русла, но по смыслу с противоположным им значениями: чем меньше устойчивость русла, тем больше опасность, и наоборот (табл. 1). Такими показателями являются число Лохтина Л = d/I и коэффициент стабильности русла Н.И. Маккавеева Кс = d/b*I 1000 (здесь d — крупность аллювия, мм; I — уклон, %о; Ь — ширина русла, м). В каждом оценочном интервале оба показателя соответствуют определенным пределам осредненных скоростей размыва берегов (в м/год), протяженности зон размыва (в % от длины участка реки), периодичности во времени деформаций русла (развития и спрямления излучин, развития и отмирания рукавов), возможной максимальной скорости размыва берегов (в м/год). Так как эти значения характеризуют степень опасности русловых процессов для существования и функционирования инженерных и других объектов на берегах рек, то характеристика устойчивости русла дополняется оценкой самой опасности (от 0 до 5 баллов).

Таблица 1. Классификация рек России по опасности размыва берегов.

8. Перенос осадочного материала в реках

Продукты разрушения горных пород, созданные выветриванием или непосредственным воздействием текучих вод, переносятся реками несколькими способами. Наиболее крупные частицы (гальки) перемещаются волочением по дну или перекатыванием; частицы песчаной размерности – сальтацией. Сальтация - перебрасывание наносов на короткие расстояния в придонном слое водного потока, подскакивание твердых частиц за счет вихревых турбулентных потоков, происходящих в

Рис. 12. Перемещение осадков в реке.

13

их основании. При сальтации происходит перенос частиц путем их подъема и увлечения вперед до момента осаждения на поверхность, с которой они были подняты.

Тонкие частицы глинистой и алевритистой размерности при скорости потока более 2 см/c перемещаются во взвешенном состоянии. Значительная часть веществ переносится в растворённом виде.

Твёрдый сток

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. Особенно много материала крупные реки переносят во взвешенном состоянии. За год количество его измеряется миллионами тонн, что видно из следующих цифр (в млн. т): Дон — 4; Рейн — 4; Терек —28; Волга —43; Дунай —82; Инд —446; Аму-Дарья — 570.

Количество материала, влекомого реками по дну, в десятки раз меньше количества взвешенных частиц, но именно этот влекомый материал прежде всего бросается в глаза.

В зависимости от скорости потока влекутся или перекатываются по дну частицы песка, мелкие и даже крупные гальки. Ниже приведены данные, полученные опытным путем при определении скоростей течения, при которых начинают переноситься частицы разных размеров:

Мелкий песок переносится при средних скоростях потока - 0,16 м/сек

Крупный песок переносится при средних скоростях потока - 0,21 м/сек

Мелкая галька переносится при средних скоростях потока - 0,31 м/сек

Галька объемом 2,7 см³ переносится при поверхностной скорости - 0,97 м/сек

Галька объемом 5,4 см³ переносится при поверхностной скорости3 1,62 м/сек

Вболее общей форме эти зависимости выражаются законом Эри: масса обломков,

перемещаемых потоком, пропорциональна скорости течения в шестой степени, а их диаметр соответственно пропорционален квадрату скорости. Таким образом, при увеличении скорости потока в 2 раза его переносная способность возрастает в 64 раза, при увеличении в 3 раза — возрастает в 729 раз.

Горные потоки переносят во взвешенном состоянии частицы до 0,05 мм в диаметре. Ниже, у дна, перекатываются с, места на место песчинки. По самому дну реки движутся не только отдельные гальки, но целые слои галек и валуны. Такой горный поток очень опасно переходить вброд, так как в движении находится все дно.

Впроцессе переноса обломочного материала по дну последний служит средством,

спомощью которого река истирает и углубляет дно; при этом истирается и окатывается и сам влекомый материал. Остроугольные обломки пород сглаживаются и превращаются в гальки округлой формы, которые в дальнейшем нацело истираются и превращаются в песчаные и илистые частицы. От верховий к устью меняется размер частиц, уменьшается роль грубообломочных компонентов. В горных реках широко развиты галечниковые, гравийные отложения, в равнинных – песчаные, алевритовые, глинистые.

Чем крупнее галька, тем быстрее она истирается. Что касается песчинок, то чем они мельче, тем большую часть пути проходят во взвешенном состоянии, перебрасываясь

содного участка дна на другой. На этих отрезках они не трутся друг о друга и о ложе. Поэтому в песке обычно встречаются зерна разной величины и степени окатанности, причем крупные зерна песка обычно бывают хорошо округлены, а мелкие — угловаты.

Таким образом, галька или другой крупнообломочный материал, образовавшийся в верховье крупной реки протяженностью в тысячу с лишним километров не может достичь устья реки, так как будет или истерт, или задержан во впадинах русла в верхней части течения.

14

Перенос растворённого материала

Растворенное вещество выносится в реки главным образом грунтовыми водами и в меньшей степени водами, стекающими с возвышенностей. Это вещество выщелочено из пород при химическом выветривании. Степень минерализации речных вод колеблется в широких пределах и изменяется во времени. В областях с влажным климатом, с большим количеством атмосферных осадков и небольшим испарением минерализация невысока. В засушливых районах с интенсивным испарением нередко встречаются сильно минерализованные речные воды. Во время весеннего половодья и высоких паводков минерализация речных вод падает и становится минимальной, а при низких стояниях уровня — увеличивается.

Несмотря на незначительную минерализацию речных вод перенос реками растворенных веществ очень велик; например (по данным О. А. Алекина), р. Дон ежегодно выносит в море химически растворенных веществ 6,2, Днепр — 8,13, Амударья

— 17,7, Енисей — 30,0, Волга — 46,5 млн. т и т. д. Легко представить, какие огромные массы материи перемещены таким путем на протяжении геологического времени.

9. Аккумуляция материала в реках

Основными факторами переноса и осаждения обломочных частиц являются движение жидкости и скорость осаждения. Причем скорость осаждения частиц влияет на многие следствия транспортировки. Существуют физические законы, определяющие осаждение окатанных сферических частиц. Это закон Стокса и закон толчка.

Закон Стокса выводит зависимость скорости осаждения частиц данного диаметра и данной плотности от ускорения силы тяжести и от разницы между плотностью частицы и плотностью жидкости для частиц диаметром меньше 0,1 мм.

Простейшая форма закона Стокса для весьма малых частиц может быть выражена

формулой:

V = C1·d2,

где V – скорость осаждения, d – диаметр частицы, а C1 означает суммарное действие различных констант (плотности частицы и жидкости, ускорение силы тяжести, вязкость жидкости).

Закон толчка определяет величину скорости осаждения частиц диаметром от

0,1 до 1 мм и более. Если частица достаточно велика, то вязкость жидкости не оказывает на нее заметного влияния. Тогда скорость осаждения:

V = C2·√d,

где C2 отражает влияние тех же констант, что и в формуле закона Стокса, но без учета вязкости среды.

Для частиц диаметром 0,1-1 мм действует как закон Стокса, так и закон толчка, и скорость осаждения будет средней величиной расчета по этим законам.

Действие этих законов при переносе и отложении обломочной массы определяет дифференциацию материала осадков на путях переноса. Глинистые частицы (диаметр менее 0,01 мм) могут уноситься далеко от области сноса, так как они способны оставаться во взвешенном состоянии в спокойно текущих равнинных реках. Крупные частицы осаждаются на коротких расстояниях почти сразу же. Различие в скоростях переноса сказывается на особенностях сортировки материала по величине зерен по направлению от источника.

Аккумуляция (отложение) материала в реках происходит в самом русле, по берегам реки во время половодья и в устьевой части реки, где образуется конус выноса или дельта (по греческой букве дельта). Весь обломочный материал, откладываемый реками, называется аллювием. Впервые он был выделен в 1823 г. английским геологом У.Баклендом, а в России введен В.В.Докучаевым в 1878 г. Гидрологический режим рек обуславливает формирование аллювия равнинных и горных рек.

15

Аллювий равнинных рек подразделяется на русловой, пойменный и старичный.

Русловой аллювий

накапливается в обстановке непрерывно меняющегося русла, вода в котором характеризуется максимальной энергией, и поэтому аллювий обладает наибольшей грубостью материала

– от разнозернистых песков, до гравия и крупных галек. Формирование руслового аллювия в реке, имеющей изгибы – меандры (от р. Меандр в западной Анатолии, в Турции) подчиняется сложной циркуляции воды в поперечном и продольном сечениях реки. Стрежень, т.е. максимально быстрое течение, приближено в вогнутому,

приглубому, берегу и,

соответственно, отдалено от отмелого противоположного берега. В поперечном разрезе реки на изогнутых и прямолинейных участках наблюдается многоячеистая вторичная

циркуляция. Поэтому у вогнутого, приглубого, берега, там, где располагается стрежень или плёс, формируется наиболее грубый аллювий. А на выпуклом, отмелом, берегу, образуется прирусловая отмель, или побочень, сложенная хорошо сортированными мелко-

итонко зернистыми песками, ограниченная прирусловым валом, располагающимся ближе к руслу. В случае отступания русла более молодые части прируслового аллювия накладываются друг на друга, образуя серию прирусловых валов.

На спрямленных участках реки, между изгибами образуются мелководные перекаты, река дробится на несколько рукавов, между которыми располагаются островки

иаллювий характеризуется разнозернистостью и быстрой изменчивостью.

По мере развития равнинной реки ее извилины – меандры, становятся выраженными все резче, образуя раздувы и пережимы. При этом приглубые берега эродируются, а на отмелых наращивается отмель. Наконец, наступает момент, когда два пережима соединяются между собой и происходит перехват реки, русло которой спрямляется, а бывшая меандра отделяется от нового русла и образует старицу (старая часть реки), обычно узкой серповидной формы, в которой развит своеобразный аллювий, состоящий из проточной, озерной и болотной частей. Первая, нижняя часть состоит из чередования песков, супесей и глин, т.к. во время половодий старицы могут заливаться водой. Вторая, более молодая часть, сложена слоистыми глинами, илами,

Рис. 14. Развитие меандры и перехват реки с образованием старицы

16

накапливавшимися во время озерной стадии развития старицы. И, наконец, верхний горизонт, как правило, сложен уже торфом, когда произошло заболачивание старицы и ее отмирание. Меандрирующая река может снова перекрыть русловым аллювием старичный, и тогда последний переходит в погребенное состояние.

Ежегодные паводки перекрывают наиболее низкие прирусловые отмели, называемые поймой, а особенно мощное половодье – еще более высокие участки низкой долины – высокую пойму. Пойменный аллювий, состоящий из тонкого материала, взвешенного в полой воде – тонких песков, суглинков, глин, чаще всего не превышает в мощности 1-2 м и перекрывает русловой грубый аллювий. Пойма, покрытая заливными лугами, очень важная в сельскохозяйственном отношении часть долины реки. На поймах всегда растут сочные, высокие травы – это пастбища и угодья для сенокоса. Стремление осушить, распахать пойму всегда приводило к ее гибели.

Аллювий горных рек отличается от равнинного аллювия своей грубостью, плохой сортированностью, наличием горизонтов пролювия из грязекаменнных – селевых – потоков. Реки начинаются обычно в высокогорной части у концов ледников, где имеют крутой уклон русла, а далее переходят в горную часть, располагаясь в троговых долинах.

Там уклон русла уже меньше. Вырвавшись, наконец, из гор, реки текут по равнине – предгорной зоне, где рельеф уже слабо расчленен, течение воды замедлено, хотя все еще быстрое. Соответственно этим частям долин горных рек меняется и аллювий: от грубого, несортированного, плохо окатанного, содержащего крупные валуны и глыбы, до сравнительно тонкого, песчаного и мелкогалечного пойменно руслового аллювия.

Горные потоки обладают большой эродирующей силой и переносят много обломочного материала, до 50-60 кг/м3, тогда как в равнинных реках он не достигает и 0,5 –1 кг/м3.

Динамические фазы аллювиальной аккумуляции, выделенные Е.В.Шанцером,

В.В.Ламакиным и И.П.Карташевым, позволили связать характер аллювия с фазами развития рек.

Инстративный, или выстилающий, аллювий характерен для ранних стадий развития реки, когда она врезается в горные породы и характеризуется наибольшей грубостью и плохой сортировкой. Такой аллювий располагается только в русле реки.

Субстративный, или подстилающий, аллювий связан с расширением боковой эрозией речной долины. Этот аллювий менее грубый, и он перекрывает выстилающий аллювиальный горизонт.

Констративный, или настилающий, аллювий характерен для участков реки,

испытывающих тектоническое опускание и, вследствие этого, накопление аллювиальных отложений в условиях замедленного стока и постоянно мигрирующего русла. При этом русловые, пойменные и старичные фации перекрываются более молодыми фациями. Горизонты аллювия как бы настилаются один на другой и перекрывают друг друга.

И, наконец, перстративный, или перестилаемый, аллювий связан с хорошо разработанными, зрелыми долинами, для которых характерен очень пологий уклон и

17

сильно развитое меандрирование с боковой эрозией. Перстаривный аллювий обычно хорошо сортирован, обладает наклонной слоистостью и знаменует собой определенный этап в развитии речной долины, когда несущая способность реки уравновешивается объемом поступающего в нее обломочного материала и переносимого в виде взвеси в воде.

Перечисленные динамические типы аллювия могут неоднократно сменять друг друга на протяжении речной долины в связи с меняющимися гидродинамическими условиями.

10.Развитие речных долин и формирование речных террас

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.

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

18

место сочленения площадки с вышерасположенной террасой или коренным склоном, склон террасы и бровку – место сочленения площадки и склона террасы (рис.17).

Формирование террас в пределах одной речной долины может происходить неоднократно, что приводит к образованию лестницы надпойменных террас (рис.18), возвышающихся друг над другом в борту долины (нужно добавить, что террасы не всегда явно выражены в рельефе, и их выявление

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.

19

Рис. 19. Образование террас речной долины

11. Устьевые части рек, дельты, эстуарии

Крупные реки впадают в моря и океаны, более мелкие – в озера и крупные реки. В том месте, где русло нижнего течения реки – устье – выходит к морю, образуется самостоятельный в ландшафтном и геологическом отношении район, называемый дельтой (по сходству в плане с буквой дельта греческого алфавита). Дельта – это верхняя, в основном надводная, часть аккумулятивного конуса выноса в устье реки. Дельты характеризуются плоским, низменным рельефом, часто наличием многочисленных рукавов, ответвляющихся (фуркирующих) от главного русла реки, образуя веерообразную структуру. Содержащаяся в речной воде взвесь обломочного материала и русловой аллювий выпадают в осадок, при потере рекой живой силы. Во внешней части дельты все время происходит взаимодействие морских и континентальных обстановок, а также различающихся по составу морской и речной воды. За краем континентальной части дельты, там, где начинается взморье – располагается авандельта (передовая дельта), а еще дальше в открытое море – продельта, накопление осадков в которой идет только за счет выпадения взвешенных частиц. Для того, чтобы дельта сформировалась, необходим сток доннных и взвешенных частиц и медленное, но непрерывное тектоническое опускание района. Если река не разделяется на рукава, то

20