Геологическая деятельность рек: эрозия, перенос, аккумуляция.
Реки производят огромную денудационную и аккумулятивную работу, существенно преобразуя рельеф поверхности континентов. Реки имеют большое народнохозяйственное значение. Воды рек являются главными источниками для питьевого и промышленного водоснабжения, мелиорации земель, получения дешевой и мощной электроэнергии, развития рыбного хозяйства.
Режим рек изменяется во времени, что связано с различным питанием рек, определяемым климатическими особенностями их бассейнов. Питание рек осуществляется поверхностными и подземными водами. Для каждой реки в течение года характерно чередование периодов высокого и низкого уровня воды. Состояние высокого уровня называется половодьем, или паводком, а низкого— меженью. Время проявления половодья зависит от питания рек. Так, реки европейской части Союза имеют преимущественно-снеговое питание (50—70% от годового стока). В связи с этим половодье в них начинается чаще всего в апреле, а постепенный спад растягивается на 40—50 дней (рис. 7.6, А): В конце лета уровень йоды в реках достигает наиболее низкого положения. Кроме воды от таяния снега эти реки получают дополнительное питание от весенних и осенних дождей. Количество воды в реках во время половодий увеличивается в 5—20 раз и более, а в особо многоводные годы по-сравнению с меженью — да 80—100. Скорость течения рек не остается постоянной, а изменяется во времени и в пространстве. У крупных равнинных рек в меженное время она достигает 1 (1, 5) м/с, в горных — до 3—5 м/с и более. Наибольшие скорости наблюдаются в поверхностной части потока на стрежне, наименьшие — у берегов и в придонной части, где поток испытывает трение о породы, слагающие русло. Вдоль реки скорость течения также меняется. Это бывает связано с наличием перекатов (более мелких участков) и плёсов (глубокие участки речного русла), чередование которых вдоль реки нарушает равномерность уклона.
Движение воды в речных потоках является преимущественно* турбулентным, (беспорядочным, вихревым), т. е. таким, когда скорость движения в каждой точке потока непостоянна по величине и направлению (пульсирует). Турбулентное движение вызывает водовороты (завихрения) и перемешивание всей массы воды от дна до ее поверхности, а также захват обломочного материал» Механизм работы речных потоков. Способность реки производить работу называют энергией реки, или ее живой силой. Энергия потока зависит от массы (количества) воды и скорости течения. Таким образом, чем больше масса воды и скорость ее течения, тем больше энергия реки и значительнее работа, совершаемая рекой, состоящая из: 1) эрозии (размыва); 2) переноса обломочного материала и растворенных веществ, полученных в результате выветривания и эрозии; 3) аккумуляции (накопления). В зависимости от соотношения живой силы реки (К) и груза (L), который она несет, меняется сочетание указанных трех видов работы реки. Возможны три случая: 1) K> L— преобладает эрозия, что наблюдается в реках молодых горных сооружений, испытывающих новейшие поднятия; 2) K=L— наблюдается равновесие между эрозией и аккумуляцией; 3) K< L — преобладает аккумуляция.
Указанные соотношения в пределах одной и той же реки меняются от места к месту и во времени, что связано с рядом факторов: движениями земной коры; различным по устойчивости составом горных пород; подпруживанием конусами выноса временных потоков и др.
Эрозионные процессы, их направленность и соотношение зависят от стадий развития речной долины. Различают эрозию донную, или глубинную, направленную на врезание потока в глубину, и боковую, ведущую к подмыву берегов и в целом к расширению долины.
Донная, или глубинная, эрозия. В начальные и ранние стадии развития речной долины преобладает глубинная эрозия, когда водный поток, врезаясь в горные породы, стремится выработать свой профиль равновесия применительно к уровню моря или озера, в которое он впадает. Уровень того бассейна, куда впадает река, «определяет глубину эрозии речного водного потока и называется, как и у оврага, базисом эрозии. Он определяет развитие всей речной системы — главной реки со всеми ее притоками.
Развитие рек на ранних стадиях идет в результате регрессивной эрозии вверх от базиса эрозии. Схематически выработку продольного профиля реки можно изобразить следующим образом. Представим себе поверхность АБ, на которой зародилась река (рис. 7.7), условно характеризующуюся равномерным крутым уклоном и однородными по составу горными породами. При одинаковом уклоне поверхности интенсивность эрозионного процесса будет определяться массой воды, которая максимальна в низовой части вследствие наибольшего пополнения ее из всех притоков. Поэтому максимальная эрозия будет сосредоточена на нижнем участке (аБ) и со временем профиль дна примет вид абБ. На отрезке аб возникнет более крутой уклон, вследствие чего здесь возрастет скорость течения и усилится размыв выше точки а. В результате углубления на участке а — ах дно реки займет положение афхбБ. Тогда усилится размыв выше точки а\ и т. д. В конце концов - река углубится настолько, что вместо первоначального профиля вырабатывается более плавная (вогнутая) кривая дна (Аб2б\бБ), которая называется выровненной кривой эрозии, или профилем равновесия реки. Принято считать, что эта конечная кривая продольного профиля, Рис. 7.7. Выработка профиля равно- приближающаяся к горизонталь-
нои линии в нижнем течении и к вертикальной — в верхнем, соответствует на каждом отрезке долины динамическому равновесию. Под динамическим равновесием понимают равновесие между живой силой потока, грузом обломочного материала, который он несет, и сопротивлением пород ложа размыву. Обычно выделяют три отрезка течения реки: верхнее течение, где преобладают процессы эрозии как в глубину, так и вверх, в сторону водораздела; среднее течение, где преобладают процессы переноса; нижнее течение, где преобладают процессы аккумуляции. Однако такое разделение носит несколько условный характер; особенно это касается среднего течения, где могут происходить в равной степени и аккумуляция и перенос.
Рассмотренный пример выработки профиля равновесия реки „применительно к общему базису эрозии представляет собой лишь идеализированную схему. В природных условиях в большинстве случаев в рельефе поверхностей, по которым протекают реки,, наблюдаются различные неровности, создающие разнородные уклоны на отдельных участках долины, перепады (пороги); они обусловлены различиями в составе и твердости размываемых рекой горных пород, а в некоторых случаях связаны с неравномерными движениями земной коры. В результате действия перечисленных факторов скорость течения водного потока на отдельных участках и интенсивность эрозии оказываются различными. В этих случаях в выработке профиля равновесия реки большое значение приобретают помимо основного базиса местные базисы эрозии.
Если река встречает на своем пути крутые отвесные уступы (пороги) более устойчивых пород, то образуются водопады. Падающая струя воды с большой силой размывает дно реки у уступа и, отражаясь от него, образует сложные водовороты (рис. 7.8). В результате этого уступ подмывается, в нем образуется ниша, которая постепенно увеличивается в размерах, и, наконец, верхняя часть уступа обрушивается, уступ отступает, и водопад начинает действовать на новом уровне. У основания уступа водопад захватывает обломки горных пород и ими высверливает на дне углубления, напоминающие круглые колодцы или огромные котлы. Taкие углубления принято называть исполинскими, или эверзионны-ми, котлами. Уступ, или порог, с водопадом является местным базисом эрозии. Развитие реки выше него будет происходить применительно к этому уступу, а ниже расположенного течения реки— применительно к главному базису эрозии. В процессе отступания порога и после его уничтожения развитие профиля равновесия реки будет целиком связано с главным базисом эрозии (см. рис. 7.8). Скорость отступания уступа, а с ним и водопада зави сит от количества воды, высоты, твердости горных пород и других факторов. Так, широко известный Ниагарский водопад на границе США и Канады низвергается с высоты около 50 м. Причиной образования водопада является уступ плато, сложенный с поверхности крепкими доломитами мощностью около 25 м, под которыми залегают более легко размываемые породы. По данным наблюдений с 1875 г. скорость отступания Ниагарского водопада в его канадской части составляет приблизительно около 1—1, 2 м/год, а суммарное отступание оценивается около 12км.
Местными базисами эрозии могут служить также озера, расположенные местами в депрессиях первичного рельефа. Река в этих случаях как бы разбивается на 2 части: верхнюю (выше озера) и нижнюю. Верхняя часть развивается по закону регрессивной эрозии применительно к озеру, нижняя — к главному базису эрозии. После уничтожения озера вырабатывается единый общий профиль равновесия.
Боковая эрозия. Одновременно с глубинной проявляется и боковая эрозия. На первых этапах развития реки ее роль незначительна. По мере выработки профиля равновесия донная эрозия постепенно ослабевает и все больше увеличивается роль боковой „эрозии, направленной на подмыв берегов, на расширение долины.
В русле реки помимо продольного течения воды возникает поперечная циркуляция, особенно в периоды паводков в стрежневой части потока, где скорости течения максимальны и наиболее ярко проявляется турбулентный характер ее движения. Вода опускается ко дну, откуда отток идет в придонном слое к берегам. Поперечная циркуляция способствует размыву дна на стрежне и выносу обломочного материала к берегам, где он частично и откладывается, образуя русловые отмели.
Изменение режима реки (количества воды и скорости течения) в периоды паводков различных лет вызывает изменения в поперечной циркуляции. С этим связаны неравномерное накопление наносов, нарушение прямолинейности потока и смещение стрежня то к одному, то к другому берегу. Русло реки становится извилистым. Дальнейшая разработка долины связана с развитием этих извилин (или излучин) и боковым смещением русла, что рассмотрено ниже.
Перенос. Речные потоки при движении захватывают продукты разрушения горных пород, образующиеся в процессе выветривания и эрозии, и переносят их. Такой перенос (транспортировка) осуществляется различными способами: 1) волочением по дну {а); 2) во взвешенном состоянии — в виде взвеси (Ь); 3) в растворенном состоянии (с). Влекомые по дну и взвешенные наносы называют твердым стоком рек. Обломочный материал, перемещаемый рекой по дну, усиливает глубинную эрозию, но и сам постепенно измельчается, истирается и окатывается — образуются галька, гравий, песок. В зависимости от скорости течения потока переносятся различные по величине обломки. Масса обломков, перекатываемых, до дну, пропорциональна шестой_ сселени скорости течения. Именно этим объясняется большая разница в величине обломков, влекомых по дну равнинными и горными реками.
В растворенном состоянии в речных водах переносятся карбонаты (CaCO3, MgCO3, Na2CO3) и кремнезем. По данным О. А. Але-кина, на долю карбонатов приходится около 60% ионного стока. При этом более всего содержится CaCO3. Легкорастворимые сульфатные и хлоридные соли играют заметную роль только в водах рек засушливых областей. В небольшом количестве в растворенном состоянии содержатся соединения Fe и Mn, которые наряду с истинными растворами образуют и коллоидные растворы. Аккумуляция (отложение). Уже на первых стадиях развития реки при явном преобладании эрозии на отдельных участках начинается аккумуляция обломочного материала. Вначале эти отложения бывают неустойчивыми, и при увеличении массы воды и скорости течения во время половодья и паводка они вновь захватываются водой и перемещаются вниз по течению. Но по мере выработки профиля равновесия и расширения долины реки боковой эрозией в русле реки и в прирусловой ее части образуются уже постоянные неперемещаемые отложения. При этом в первую очередь их накопление происходит в нижней части долины, где мощность потока больше и ранее всего достигается состояние равновесия. Дальнейшее развитие регрессивной эрозии и выработка профиля равновесия создают условия аккумуляции осадков и в средней части долины реки.
Отложения, накапливающиеся в речных долинах в результате деятельности водных потоков рек, называются аллювиальными: отложениями, или аллювием (лат. «аллювио» — нанос, намыв). Они состоят из обломочного материала различной зернистости,, степени окатанности и сортировки.
В заключение следует отметить, что соотношение твердого стока рек и растворенных веществ изменяется в зависимости от состава горных пород, слагающих поверхность водосборных бассейнов и областей стока, от рельефа и тектонической активности, от живой силы реки и, в частности, от скорости ее течения. Так, в горных реках, отличающихся большой скоростью течения, явно преобладает твердый сток, особенно взвеси (Ь) и соотношение а: b: с = 0, 86: 6, 8: 1. При этом влекомые донные наносы представлены преимущественно галечниками, иногда с крупными валунами, а во взвесях переносятся песчаные и более мелкие частицы.
Иная картина в равнинных реках, где преобладает сток растворенных веществ и соотношение а: b: с=0, 05: 0, 56: 1. Среди донных влекомых наносов преобладают песчаные частицы, а во взвесях — частицы меньше 0, 1 мм.
