Геологическая деятельность рек

Реки, протекающие на всех континентах, кроме Антарктиды, произ­водят большую эрозионную и аккумулятивную работу. Полноводность и режим рек зависят от способа их питания и от климатических уело-
вий. Каждая река в зависимости от поступления в нее водной массы переживает период высокого стояния воды — половодье, или паводок, и низкого — межень. Для равнинных рек половодье связано с весенним таянием снегов, как это было, например, в катастрофической форме вес­ной 2001 г. на р. Лене, когда вода поднялась на 15 м выше нормы, или летними затяжными дождями и ливнями. Так произошло в конце июня 2001 г. в Иркутской области, где внезапно оказались затопленными де­сятки деревень и садовых участков. Паводок на горных реках происхо­дит обычно летом, когда быстро тают снега и ледники.

Движение воды в реках контролируется тремя факторами: 1) гра­диентом уклона русла; 2) расходом водного потока; 3) формой русла. Понятно, что чем больше уклон русла, тем быстрее течет река.

Градиент может колебаться от 8-10 см на 1 км до десятков метров на 1 км в горных речках.

Рис. 6.9. Пролювиальный конус выноса. А — продольный профиль: 1 — наиболее грубые отложения — валунные, 2 — песчанистый материал, 3 — глинисто-песчаный. Б — план. Стрелки — направления движения масс

Расход воды определяется объемом потока в единицу времени на единицу площади, обычно м³/с (Q = V_cp • S). Скорость реки увеличи­вается, когда возрастает расход воды, хотя градиент не изменяется. Большие реки имеют огромный расход воды, например в Амазонке
150 тыс. м³/с, а в Миссисипи только 17500 м^:|/с. В горных реках расход воды летом составляет 100-200 м³/с, тогда как зимой он падает до 10-20 м³/с.

Форма русла контролирует трение воды о коренные породы, по которым течет река. Вблизи берегов и дна течение медленнее, чем в осевой части реки, которая называется стрежень (рис. 6.10). Неровное, с выступами русло реки замедляет течение, и оно становится турбулен­тным, хотя и в равнинных реках течение редко бывает ламинарным. Нередко в текущей воде возникают завихрения, водовороты, которые охватывают всю толщу воды и не остаются постоянными, т. к. характер дна со временем изменяется. Плесы — это углубленные участки русла между перекатами.

Рис. 6.10. Максимальные скорости течения воды в реке в плане, в разрезе. 1 — стрежень, точками показано сечение реки с максимальной скоростью течения. 1-1'; 2-2'; 3-3' - линии поперечных профилей через реку

Процессы эрозии (размыва) и аккумуляции (накопления осадков) в реке зависят от ее энергии, или живой силы реки, т. е. способности реки производить работу за счет массы воды и скорости течения. Жи­вая сила, или энергия, потока равна К = mV²/2, где К — энергия пото­ка, ш — масса воды,У — скорость течения. Если живая сила реки (К) больше, чем взвешенные частицы в воде (L), т. е. К > L, то преобладает эрозионная деятельность; если К < L, то происходит аккумуляция ма­териала, который переносит река. В случае, когда К = L, наступает рав­новесие между эрозией и аккумуляцией.

Речная эрозия и ее способы. Эрозионная деятельность реки осу­ществляется различными способами. Врезание реки происходит глав­ным образом при помощи осадков, которые воздействуют на коренные породы ложа реки как абразивный материал, но сама вода не обладает абразивными свойствами. Абразионная мощность реки, несущей песок и гальку, изменяется пропорционально квадрату скорости ее течения = V-, где V — скорость течения. Так как водный ноток влечет по дну материал разной крупности, то последний окатывается, приобре­тая округлую форму. Гидравлическое воздействие воды связано с ее ударным воздействием на рыхлый материл. Растворяющее действие воды на породы ложа реки связано с наличием в воде угольной и орга­нических кислот, которыми она насыщается, проходя в истоках через заболоченные, застойные участки. Такие воды извлекают из пород ионы Na⁺, Са⁺², К⁺. Особенно быстро растворяются карбонатные породы (при­мерно 5 млрд т ежегодно).

Эродирующее действие реки сказывается в пределах дна, это дон­ная эрозия, а по берегам реки осуществляется боковая эрозия, сильно зависящая от характера извилистости русла.

Перенос материала в реках осуществляется разными способами: во-первых, переносом ионов, образовавшихся за счет растворения; во- вторых, переносом частиц, взвешенных в толще воды при скорости потока 2-3 см/с. Обычно это тонкий песчанистый, алевритовый и глинистый материал, концентрирующийся в толще воды вблизи дна. Более крупные частицы — разнозернистый песок, мелкая и крупная галька — нереиосятся либо путем сальтации, т. е. прыжками, либо пе­рекатыванием по дну (скорость 15-25 см/с), либо путем скольжения по дну наиболее крупных обломков и галек при скорости более 1 м/с (рис. 6.11а). Обломки, попавшие в реку, постепенно уменьшаются в размерах и теряют свой вес, перемещаясь вниз по реке. Способность реки переносить материал усиливается тем, что обломки и частицы теряют в воде до 40 % своего веса. Весь материал, перемещаемый как волочением по дну, так и во взвешенном состоянии в воде, называется твердым стоком реки, который в горных реках намного превышает твердый сток в равнинных реках. Вес любой частицы, находящейся в воде, пропорционален ее объему или кубу ее диаметра. Сопротивление ча­стицы осаждению — это функция площади ее поверхности. Скорость осаж­дения частицы регулируется ее размером, разностью плотности частицы и воды, вязкости жидкости и силой тяжести (закон Стокса) (рис. 6.116). Во время наводков происходит усиление переноса материала в реке. Перенос материала от истока к устью реки сопровождается его сорти­ровкой и абразивным истиранием (рис. 6.12).

а

Течение

Взвешенные частицы

'-ТТесок•

Галька fa. (+К' I

Донный аллювий

Рис. 6.11. Транспортировка материала в реке (а). Галька и обломки перекатываются по дну, плоская галька перемещается волочением. Песчинки перемещаются прыжками сальтацией. В верхней части воды самые тонкие частицы взвешенны. Поведение взвешенной частицы в речной воде (б)

Тонкий Грубый

Рис. 6.12. Зависимость грубости аллювия, его переноса, размыва и отложения

от скорости течения реки

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 Д — 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 обусловливает формирование аллювия равнинных и горных рек.

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 раз- нозернистых песков до гравия и крупных галек, Формирование руслово­го аллювия в реке, имеющей изгибы — меандры (от р. Меандр в запад­ной Анатолии, Турция), подчиняется сложной циркуляции воды в поперечном и продольном сечениях реки. Стрежень, т. е. максимально быстрое течение, приближен к вогнутому, приглубому, берегу и соот­ветственно отдален 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, формируется наи­более грубый аллювий. А на выпуклом, отмелом, берегу образуется прирусловая отмель, или побочень, сложенная хорошо сортированны­ми мелко- и тонкозернистыми 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 и аллювий характеризуется разнозерни- стостью 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 (рис. 6.13, 6.14). 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, накапливающимися во время озерной стадии развития ста­рицы. И, наконец, верхний горизонт, как правило, сложен уже торфом, когда произошло заболачивание старицы и ее отмирание. Меандриру- ющая река может снова перекрыть русловым аллювием старичный, и тогда последний переходит в погребенное состояние.

Перехват реки в районе развивающихся пережимов представляет собой хорошую иллюстрацию бифуркации, своеобразной катастрофы, наступившей после долгой и медленной эволюции речной системы.

Ежегодные паводки перекрывают наиболее низкие прирусловые отмели, называемые поймой, а особенно мощное половодье — еще бо­лее высокие участки низкой долины — высокую пойму. Пойменный

Рис. 6.13. Развитие меандры и перехват реки с образованием старицы. На отмелом берег)' накапливается аллювий, а обрывистый берег все время подмывается: 1 — река; 2 — отмелый берег; 3 — приглубый берег; 4 — старица

Рис. 6.14. Север Тунгусской синеклизы. Меандрирующая река и старицы

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 (рис. 12 на цветной вклейке). 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 (рис. 6.15). Соответственно этим частям долин горных рек меняется и аллювий: от грубого, несортированного, плохо окатанного, содержаще­
го крупные валуны и глыбы до сравнительно тонкого, песчаного и мел­когалечного пойменно руслового аллювия, (рис. 6.16 и 6.17). Основная роль в формировании горного аллювия принадлежит новейшей текто­нике и климату, которые определяют характер уклона русла, расход воды, скорость течения, гидродинамику потока и особенно турбулент­но-вихревой характер течения. Горные потоки обладают большой эро­дирующей силой и переносят много обломочного материала, до 50­60 кг/м³, тогда как в равнинных реках он не достигает и 0,5-1 кг/м^!.

Рис. 6.15. 1 — образование бара в середине реки и расширение ее русла; 2 — возникновение многочисленных баров и разделение их основного канала стока на целую серию менее крупных рукавов

Динамические фазы аллювиальной аккумуляции, выделенные Е. В. Шанцером, В. В. Ламакиным и И. П. Карташевым, позволили свя­зать характер аллювия с фазами развития рек (рис. 6.18).

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 эрозии речной долины. Этот аллювий менее грубый, и он пе­рекрывает выстилающий аллювиальный горизонт.

1

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

Рис. 6.17. Долина р. Терек в Эльхотовских воротах в Предкавказье. Хорошо видны старые русла (аэрофотоснимок)

старинные фации перекрываются более молодыми фациями. Гори­зонты аллювия как бы настилаются один на другой и перекрывают друг друга (см. рис. 6.18).

Б

Рис. 6.18. А. Схема разреза аллювия равнинной реки в перстративпую фазу аккуму­ляции (по Е. В. Шанцеру): А — русло и прирусловая отмель; В — пойма; Bj-B., — разновозрастные участки поймы, образовавшиеся за три последовательные стадии развития меандр (стрелки под рисунком — соответствующие этим стадиям направле­ния смещения русла); b(—Ь3 — стадии накопления пойменного аллювия; Н — гори­зонт полых вод; h — горизонт межени; М — нормальная мощность аллювия; I, II, III — русловой аллювий: 1 — гравий и галька, 2 — пески, 3 — прослои заиления; 4 — старичный аллювий; 5, 6, 7 — пойменный аллювий (последовательные стадии накоп­ления). Б. Схема констративной фазы аллювиальпой аккумуляции (по Е. В. Шанцеру): 1 — русловой аллювий; 2 — старичный аллювий; 3 — пойменный аллювий; 4 — отложения вторичных водоемов поймы; 5 — общее направление миграции русла; Н — горизонт полых вод; h — горизонт межени в русле; ht, h, — горизонты межени в старицах; М — нормальная мощность аллювия; Ms — общая мощность аллювия

А

И наконец, перстративный, или перестилаемый, аллювий связан с хорошо разработанными, зрелыми долинами, для которых характерны очень пологий уклон и сильно развитое меандрирование с боковой эрозией. Перстративный аллювий обычно хорошо сортирован, облада­ет наклонной слоистостью и знаменует собой определенный этан в развитии речной долины, когда несущая способность реки уравнове­шивается объемом поступающего в нее обломочного материала и пе­реносимого в виде взвеси в воде.

Следует подчеркнуть, что перечисленные выше динамические типы аллювия могут неоднократно сменять друг друга на протяжении реч­ной долины в связи с меняющимися гидродинамическими условиями.

Эти условия почти на всех крупных реках мира в связи со строитель­ством гидротехнических сооружений сильно нарушены. Всего в мире построено более 45 тыс. крупных плотин и дамб, гидроэлектростанции на которых вырабатывают 20 % всех электрических мощностей.