ГЛАВА 6. Выветривание и склоновые процессы

Особое место в числе экзогенных процессов занимает вы­ветривание. Оно служит причиной разрушения и глубокого преоб­разования поверхностного слоя горных пород под воздействием колебаний температуры, влияния кислорода, углекислоты, органичес­ких кислот и некоторых процессов, вызванных деятельностью живых организмов. В результате выветривания образуется поверхностный слой осадочных пород— кора выветривания (зона гипергенеза), обладающая индивидуальными свойствами в разных природных зо­нах. Мощность коры выветривания в полярных странах не превышает нескольких метров, а в экваториальном климате может дости­гать 100 метров и более. Интенсивному выветриванию больше под­вергаются магматические, метаморфические породы сложного минералогического и химического состава. Простые, однородные по составу осадочные породы (например, кварцевые пески, глины), уже прошедшие процесс гипергенеза, испытывают выветривание в мень­шей степени.

Под влиянием выветривания во многих горных породах возни­кает специфическая трещиноватость, которая создает определенные формы отдельностей, ограниченные четкими плоскостями. Например, при выветривании базальтов и андезитов возникает столбчатая отдельность, в гранитах — плитчатая (матрацевидная), в некоторых ла­вах — канатовидная (веревочная), шаровая отдельность и т.д.

Направление, интенсивность, результаты выветривания зави­сят от климата, свойств и степени устойчивости горных пород. К важнейшим показателям устойчивости относятся: теплоемкость и теплопроводность — при слабой теплопроводности порода нагре­вается лишь в верхнем слое, и в нем резче проявляются процессы сжатия и растяжения в условиях значительных суточных амплитуд температуры, сложно построенные породы (гранит) разрушаются интенсивнее по сравнению с однородными (кварцит), так же по срав­нению со светлыми, гладкими ведут себя темноокрашенные, шерохо­ватые породы.

Физическое выветривание вызывается резкими суточными и годовыми колебаниями температур и потому наиболее ярко выра­жено в пустынях и на высоких горных плато. Оно сочетается с морозным выветриванием, характерным для холодного и высоко­горного климата с попеременным оттаиванием и замерзанием воды в трещинах горных пород. Для физического выветривания типично разрушение горных пород при незначительном изменении их мине­ралогического и химического состава. В результате на плоских по­верхностях образуется грубообломочная кора выветривания типа злювия, на наклонных — коллювия.

Химическое выветривание происходит под воздействием воды и растворенных в ней кислот, газов (кислорода и углекислого газа). Большую роль играет, кроме того, деятельность растительных и животных организмов, особенно бактерий и грибков. Химическое вы­ветривание вызывает коренные изменения в составе горных пород и образование новых соединений. Такие условия наиболее характерны для влажных экваториальных и субэкваториальных клима­тов, а также для летнего периода лесной зоны. Процессы химическо­го выветривания сводятся к определенным химическим реакциям: окислению, гидратации, растворению, гидролизу. Окисление и гидра­тация интенсивнее проявляются в отношении элементов с разной валентностью. Например, окисление минералов и горных пород, содержащих железо в закисной форме: в присутствии воды харак­терно превращение сульфидов в лимонит, или бурый железняк: FеS₂ (пирит) + nО₂ + mН₂О → FeSO₄ →Fe₂(SO₄)₃ → Fe₂O₃∙ nH₂O (ли­монит). Примером гидратации может служить переход ангидрита в гипс: CaSO₄ ­+ 2H₂O → CaSO₄∙2H₂O.

Процесс растворения очень распространен в природе, особен­но в осадочных горных породах — хлоридных (каменная соль), суль­фатных (гипс), карбонатных (известняк, доломит, мел). Происходит вынос растворенных пород текучими водами, и на их месте возника­ют пустоты, понижения, провалы. При выветривании более устойчи­вых пород сложного состава в процессе гидролиза возникают но­вые глинистые минералы — каолинит — монтмориллонит, гидрослю­ды (гидробиотит, гидромусковит) и т.д.

Растительные организмы — мощный фактор выветривания в условиях теплого и умеренного климатов. В процессе жизнедея­тельности они используют из почв и размельченных пород необходимые для развития минеральные соединения К, Na, Ca, Si, Mg, P, S, Al, Fe и другие, одновременно выделяя органические кислоты и кисло­род (при фотосинтезе), которые являются активными факторами окисления и растворения.

В условиях преобладания или участия перечисленных про­цессов формируются коры выветривания: гидрослюдистая — в хо­лодных и умеренных зонах, монтмориллонитовая кора глинистого состава — в степях и полупустынях с жарким климатом, каолино­вая кора — в теплом и влажном климате умеренных широт, мощ­ная латеритная кора — во влажном жарком климате экваториаль­ных и субэкваториальных широт. В зоне смешанных лесов, в кото­рой расположена территория Беларуси, получили распространение гидрослюдистая, каолиновая, монтмориллонитовая коры выветривания.

Наиболее древние и мощные коры выветривания возникают в условиях длительной денудации. Они принимают участие в образовании выровненных поверхностей платформ и крупных равнин. В них обнаруживают специфические полезные ископаемые: бокси­ты, каолины, железные и марганцевые руды, а в некоторых случа­ях — россыпные месторождения платины, золота.

С процессами выветривания связано образование структур­ных и скульптурных форм, которые возникают в результате отпрепарирования процессами выветривания выпуклых и стойких по отношению к разрушению структур, залегающих в более мягких по­родах. В результате нередко встречаются останцы твердых пород причудливых неповторимых очертаний, зависящих как от строения пород, так и от климатических условий. В литературе имеется опи­сание таких образований в горах центральной Европы, из которых наиболее известны Тши-Турне (три камня) в Судетах (Силезия). Сложен этот памятник природы трещиноватыми гранитами с от­четливой матрацевидной отдельностью, придающей им форму "меш­ков с шерстью", которые наложены друг на друга. Слюдистые слан­цы, в толщу которых некогда внедрился гранитный лакколит, давно разрушены, и Тши-Турне возвышаются причудливыми скалами.

На западе США (Вайоминг) среди относительно плоской поверхности отвесно поднимается 200-метровая скала диаметром 240 мет­ров — "Башня дьявола", сложенная магматической породой (фонолитовым порфиром), образующей мощные пятигранные столбы от под­ножия до вершины. Оформилась башня в результате отпрепарирования заполненного лавой жерла древнего вулкана, захороненного под осадочными породами, а затем вскрытого выветриванием. Подобным образом возникли Драконова скала в Рейнских горах, гора Исхарен в массиве Ахаггар. В Централь­ной Австралии известна ост­ровная гора Эйрc-Рок, возвы­шающаяся над равниной, по­крытой красными песками, на 950 метров. Эта скала сложе­на слоями аркозового песчани­ка с ребристой поверхностью. В условиях тропического климата от поверхности скалы от­калываются слои в виде Скор­луп (десквамация), обнажаю­щие внутренние части породы. Подобные формы называются "сахарными головами". У под­ножия такой "головы" распо­ложен Рио-де-Жанейро. Скульптурные формы в песчаниках можно наблюдать в Болгарии вблизи города Белоградчик (Белоградчикские скалы) в виде множества причудли­вых останцев, отпрепарирован­ных выветриванием, а в 18 ки­лометрах от Варны располо­жен заповедник "Побитите камни" с каменными колон­нами и столбами высотой 5-6 метров. Своеобразной формой выветривания являют­ся земляные пирамиды в арид­ном климате.

Разнообразие рельефа поверхности Земли представлено совокупностью его элементов, создающих сочетание поверхностей и линейных элементов. К ним относятся наклонные поверхности — склоны, на которых в перемещении вещества основную роль играет сила тяжести, ориентированная вниз по склону.

На их долю приходится более 80% поверхности суши. Скло­новые процессы с разной интенсивностью распространены практи­чески везде и развиваются при взаимодействии сил гравитации и сцепления частиц рыхлых пород между собой и с коренными по­родами. В результате происходит перемещение продуктов вывет­ривания, накопление их на участках сокращения угла наклона. Рых­лые породы, возникающие в процессе склоновой денудации, позже преобразуются в аллювиальные, морские и другие осадочные отло­жения. Связь склоновых процессов и выветривания выражается в скорости удаления со склонов разрушенного материала, в итоге обнажаются коренные породы, которые снова включаются в меха­низм выветривания. Таким образом, темп склоновых процессов определяет быстроту денудации. Поэтому изучение их играет боль­шую роль в геоморфологии.

Склоны различаются по крутизне (крутые, средней крутизны, пологие), по длине (длинные, средней длины, короткие), по форме (прямые, выпуклые, вогнутые, выпукло-вогнутые), по направлению склоновых процессов и их результатам. К наиболее распространен­ным относятся: обвальные, осыпные, лавинные, оползневые, солифлюкционные, делювиальные, дефлюкционные.

Обвальные склоны формируются в горах в процессе отрыва крупных глыб и перемещения их к подножию. В верхней части воз­никают стенки (плоскости) срыва и ниши, а в нижней происходит беспорядочное скопление рыхлого материала. Горные обвалы не­редко имеют огромные размеры. Например, при обвале в 1911 году в долине реки Мургаб возникло крупное Сарезское озеро, объем вынесенных рыхлых продуктов составил около 7 миллиардов тонн. Объем материала одного из обвалов в Альпах достигал 15 куби­ческих километров. В результате обвалов запруживаются реки, при быстром движении оторвавшихся глыб на склонах возникают глу­бокие борозды, на участках накопления грубого материала— камен­ные "моря" и т.д. Обвал в швейцарских Альпах в 1881 году в книге Д. Бранедена "Неспокойный ландшафт" описан следующим образом: "Тогда те, кто наблюдал со стороны, увидели, как вся верхняя часть горы Платтенбергкопф, 10 миллионов кубометров поро­ды, внезапно оторвалась от склона. Лес на ней, прежде чем быть поглощенным провалом, полег, "словно пшеница на ветру". Деревья сбились в кучу подобно стаду баранов. Весь склон находился в движении — все неслось вниз. Лавина скользила, вернее, стреми­тельно мчалась вниз, пока не достигла карьера. Тут ее верхняя часть устремилась вперед уже по горизонтали и прямо через долину по­неслась на Дюниберг... Косой удар — и вся масса повернула вниз, на ровное плодородное дно долины, которое за считанные секунды ока­залось заваленным... Все, кто находился на склонах, были тут же погребены как муравьи".

Осыпные склоны (рис. 16) связаны с интенсивным прояв­лением физического выветрива­ния, продукты которого, неоднок­ратно соскальзывая по склону, вырабатывают желобообразное углубление — осыпной лоток глубиной 1—2 метра. Многочис­ленные осыпные лотки, углублен­ные талыми водами, расчленяют осыпной склон, создают ребрис­тую поверхность, на которой вы­деляются разнообразные останцы в виде башен, колонн, плосковер­шинных крутосклонных минаре­тов и т.д. В нижней части скло­нов формируются осыпи, сложенные беспорядочными скоплениями рыхлых продуктов — коллювием (от лат. colluvio — скопление, бес­порядочная груда). При обогащении дождевыми водами коллювий становится подвижной грязекаменистой массой.

Лавинные склоны характерны для горных районов с устой­чивым снежным покровом в течение года. Низвергающиеся вниз снежные лавины по составу делятся на сухие и грунтовые, т.е. на­сыщенные водой. С геоморфологической точки зрения различают лотковые и прыгающие лавины. Деятельность лавин выражается в образовании крутостенных, врезанных в склоны лотков, мощных конусов выноса, накоплении снегового и обломочного материала.

Оползневые склоны образуются не только в горах, но и на равнинах, где приурочены к долинам крупных рек, берегам морей и озер. Необходимым условием оползней следует считать подстилание водопроницаемых пород водоупорными. Последние служат поверхностью скольжения верхнего слоя пород. Как и обвальные, оползневые склоны — мощное стихийное явление, они вызывают разрушения и вынос огромных масс рыхлого материала. Нередко оползни обусловлены деятельностью человека: строительство зда­ний, земляные работы, сооружение туннелей или плотин значитель­но увеличивают нагрузки на склоны, подверженные сползанию, и требуют точных инженерных расчетов устойчивости склонов в каждом конкретном случае (рис. 17).

Описанные склоновые процессы отличаются быстротой про­явления и внешне хорошо ощутимыми результатами. Другой харак­тер имеют склоновые процессы типа сползания с небольшой скоро­стью движения грунта. Эти медленные движения обусловлены дей­ствием силы тяжести, проникающей воды, а также особенностями выветривания. Известно, что почва и рыхлые грунты имеют свой­ство расширяться при замерзании или во время дождя, а потом сжи­маться при оттаивании или высыхании. Каждый раз при этих сме­нах поверхность приподнимается (на 0,5 - 1 сантиметр), а потом опускается и одновременно частицы несколько смещаются вниз по склону, часто совершая зигзагообразные движения. Эти явления получили название крипа — сползания. Каждый раз ниже к подо­шве смещаются более мелкие частицы по сравнению с крупными, вместе с тем происходит очень медленная, но постоянная дифферен­циация частиц по механическому составу. В итоге возникают различного строения структурные грунты, известные в тундровой зоне под названием каменных колец, медальонной тундры и т.д. Явление крипа очень медленное, в год оно не превышает 1 сантиметра, но в течение длительного времени процесс выражается в перераспре­делении и перемещении частиц рыхлых горных пород и в общей тенденции плоскостного смыва или сполаживания склонов.

В результате медленного смещения слоя рыхлых горных по­род формируются характерные склоны. Солифлюкционные склоны типичны для областей вечной мерзлоты. В период летнего таяния верхний слой горных пород насыщается водой и приобретает спо­собность медленно передвигаться по склону даже при небольших уклонах. В нижней части склона образуются солифлюкционные тер­раски в виде языков шириной в несколько метров. Процессы солифлюкции наблюдаются и во влажной экваториальной зоне, где перенасыщение грунтов вызывается обильными осадками и распро­странением глинистых грунтов (рис. 18).

В горах на крутых (20 - 30°) склонах под влиянием солифлюкции образуются крупнообломочные россыпи в виде курумов, каменных морей или линейно вытянутых каменных рек.

Делювиальные склоны широко распространены на равнин­ных и холмистых территориях в гумидном климате. Они формиру­ются в результате перемещения мелкозема по склону под транспортирующим влиянием тонких струек дождевых и снеговых вод (лат. deluo — смываю). В верхней части склона образуются смытые (скелетные) почвы, делювиальные шлейфы, а в нижней — бесструктурные намытые почвы при общей тенденции к выполаживанию неровностей поверхности. Делювиальные процессы, накопление де­лювия (del) становятся интенсивнее в случае отсутствия на скло­нах естественной растительности и широкой распашки территории. Такие условия характерны для Беларуси, где явления плоскостного смыва и намыва весьма распространены, а мощность делювия достигает 1-1,5 метра (рис. 19).

Дефлюкционные склоны формируются при небольших ук­лонах и сплошном распространении растительного покрова. Очень медленное перемещение мелкозема обеспечивается температур­ными колебаниями и разбрызгивающим действием дождевых капель. При высокой степени увлажнения дерновый покров спол­зает, разрывается, и формируются ступеньки наподобие миниатюр­ных оползней. Это явление, называемое децерацией, усиливается при выпасе скота, который использует ступеньки (террасы) и создает узкие, параллельные друг другу горизонтальные пло­щадки — "коровьи тропы".

Таким образом, склоновые процессы отражают зональные (режим увлажнения, температуры, характер выветривания) и азо­нальные процессы (углы наклона, механический и литологический состав слагающих пород, общее направление движения земной коры), а также характер и интенсивность хозяйственной деятельности. В зависимости от происхождения, морфологических особенностей, состава и мощности рыхлых отложений выделяются склоны соб­ственно гравитационные (обвальные, осыпные), склоны блоковых дви­жений, при образовании которых смещение вниз крупных блоков горных пород происходит под действием гравитации и подземных вод (оползневые), склоны массового смещения чехла рыхлого мате­риала под действием воды (солифлюкционные, крип), склоны делювиальные.

Общее направление процессов ведет к понижению водораз­делов и заполнению понижений. На месте расчлененного рельефа возникает выровненная, почти равнинная поверхность, которую Дей­вис назвал пенепленом, а процесс выравнивания (планации) он клас­сифицировал как пенепленизация.

Существует и другая возможность планации поверхности в результате развития склоновых процессов. Она заключается в процессе педипленизации (лат. pes — нога, англ. рlaiп — равни­на), т.е. выравнивании "сбоку" путем отступления (боковой эро­зии) крутых склонов речных долин, морских побережий в сторону водоразделов. Образуются широкие пологие денудированные пло­щади — педименты, среди которых возвышаются плосковершинные останцы древней поверхности. Постепенно останцы нивелируются, и возникает сопочно-останцовая (мелкосопочная) поверхность — педиплен (рис. 20).

В работах многих авторов высказываются мнения о преоблада­нии пенепленизации в условиях гумидного климата и педиплениза­ции в аридном климате. Выровненный рельеф, возникший в аридном климате, иногда называют "гобийским", он широко распространен в Монголии, Казахстане, Сахаре, Большом бассейне Северной Амери­ки, Центральной Австралии, т.е. в условиях поднимающихся платформ.

В гумидном климате, особенно при длительной тектонической стабилизации или опускании, преобладает процесс планации "сверху". На территории Беларуси важнейшее значение приобретает вырав­нивание с помощью процессов делювиообразования, дефлюкции и отчасти оползневых, солифлюкционных, осыпных явлений.

Огромный размах вертикальных амплитуд рельефа Земли, высо­кая тектоническая активность создают условия для интенсивного развития процессов денудации в современную геологическую эпоху. Это вызывает перемещение мощных масс рыхлого материала с мате­риков и горных систем в направлении базиса эрозии, где происходит осадконакопление. В результате одновременно с бурным процессом дифференциации поверхности идет ее интенсивное выравнивание.
ГЛАВА 7.

Фяювиальные процессы и формы рельефа

Общие закономерности
Одним из важнейших экзогенных факторов, преобразующих поверхность Земли, является деятельность текучих вод, движение которых направлено обычно из мест более высоких в понижения земной поверхности. Текучие воды — талые снеговые, дождевые, ледниковые, ручьевые, речные производят огромную разрушительную (эрозионную), транспортирующую и накопительную (аккумулятивную) работу, величина которой зависит от целого ряда природ­ных факторов. Согласно данным, собранным в период Международ­ного гидрологического десятилетия 1965-1974 годов, все реки земного шара ежегодно выносят в море в среднем приблизительно 20 мил­лиардов тонн минеральных осадков (твердый сток), что соответ­ствует сносу с поверхности суши слоя в 3 сантиметра толщиной каждую тысячу лет. Средний по земному шару сток взвешенных наносов рек соответствует сносу 201 тонны материала с каждого квадратного километра суши.

Текучие воды образуют нерусловой и русловой сток. Нерусловые потоки растекаются по наклонной поверхности сплошным водным слоем во время выпадения ливневых осадков или интенсивного таяния снега (плоскостной смыв). При небольших, но дли­тельных осадках, особенно ранней весной, когда еще сохраняется мерзлый зимний слой, возникает струйчатый смыв, формирующий на наклонной поверхности сеть временных микроборозд. Плоскостной и струйчатый смыв наиболее активен на относительно пологих и крутых склонах, не задернованных растительностью, сложенных водоупорными грунтами. В равнинных странах слой смытых таким образом почв составляет 1,5 — 2 миллиметра в год и приводит в верхней части склона к образованию смытых (скелетных), а в нижней части — намытых бесструктурных почв.

Накопленный слой смытого рыхлого материала в горных странах в виде конусов выноса временных потоков образует особую породу — пролювий (лат. proluo— сношу течением), в равнинных же странах формируется делювий, покрывающий плащом нижние части склонов.

Русловой процесс представлен временными и постоянными потоками. Деятельность всех русловых потоков подчиняется определенным законам, проявление которых наблюдается как в больших реках, так и в малых ручьях, поэтому изучать их деятельность можно на небольших искусственных моделях. В основном эти законы сводятся к следующему.

1. 
   Внешнее сходство русловых потоков в плане, поперечном и продольном профилях; все русловые водотоки расположены в линейно вытянутых углублениях – долинах, они никогда не пересекаются, а при встрече сливаются друг с другом.
   
2. 
   Работа производимая русловым водотоком, зависит от его «живой силы», т. е. кинетической энергии, которая определяется по формуле:
   

где с – коэффициент шероховатости русла, обуславливающий силу трения, R – гидравлический радиус (отношение площади живого сечения водотока к смоченному периметру русла), i — уклон.

3. 
   Способность водотока проявлять эрозионную или аккумулятив­ную деятельность, в конечном счете, зависит от соотношения между живой силой реки Р и грузом переносимого ею обломоч­ного материала L,. Если Р >L, преобладают процессы эрозии, Р = L — наблюдается равновесие между эрозией и аккумуляци­ей, Р < L — преобладает аккумуляция.
   
4. 
   В эрозионной деятельности водотока выделяют донную, или глу­бинную, и боковую эрозии, соотношение между которыми опре­деляет общий облик долины как основной формы рельефа, созданной текучими водами. Долинами принято называть полые, линейно вытянутые формы рельефа с однообразным, часто не­равномерным падением тальвега. Глубинная эрозия направлена на углубление (врезание) русла, а боковая — на подмыв берегов и расширение долины в целом. Обычно на ранних стадиях деятельности водотоков проявляется глубинная эрозия, а доли­ны отличаются значительной глубиной при небольшой ширине. Преобладание боковой эрозии выражается в расширении доли­ны, выполаживании ее продольного профиля, развитии излучин и меандр.
   
5. 
   В развитии долин рек и временных водотоков различаются ста­дии молодости, зрелости и старости, каждая из которых характеризуется особенностями поперечного и продольного профиля. Смена стадий развития выражается в стремлении водотока выработать профиль равновесия, т.е. плавную кривую движения воды, на которой сглаживаются все неровности продольного профиля, и устанавливается равновесие между живой силой потока, грузом влекомого им обломочного материала и сопротивлением ложа размыву. Возможность вырабатывать профиль равновесия тесно связана с положением базиса эрозии, т.е. наиболее гипсометрически низкой точкой в продольном профиле (или в его отрезке), ниже которого водоток не может углубиться. Общий базис эрозии любого потока — место впадения в океан, озеро, главную реку.
   

В начальной стадии развития профиля равновесия при не­подвижном базисе эрозии преобладает глубинная эрозия, кото­рая носит регрессивный характер, т.е. продвигается снизу вверх,— пятящаяся, или попятная, эрозия. С ее помощью долины удли­няются (растут) вверх по склону. В зрелой стадии наблюдается сполаживание продольного профиля в нижней части и происхо­дит накопление аллювия. Этот процесс постепенно распростра­няется вверх по профилю. Изменение положения базиса эро­зии— основная причина нарушения кривой профиля равновесия в сторону его омоложения (при понижении базиса эрозии) или старения (поднятие базиса эрозии) (рис. 21). 6. Аккумулятивная деятельность водотока начинается с того мо­мента, когда вся его живая сила тратится на перенос материала и преодоление трения. В результате накапливается особый вид континентальных отложений — аллювий (лат. alluvio — нанос, намыв), различают речной (пойменный, террасовый, русловой, старичный) аллювий, мощность которого может достигать мно­гих метров, и овражный, балочный, аллювий. Этот вид отложе­ний отличается сложностью и сортированностью материала. Последний может быть представлен как мелкими илисто-глини­стыми или песчаными осадками в равнинных реках, так и гру­бым гравийно-галечниковым и глыбовым материалом — в гор­ных реках.