Геологическая деятельность рек

03.07.2018
Реки — это постоянно действующие водные потоки, производящие огромную работу как разрушительную, так и созидательную. Они играют очень важную роль в жизни человечества: это пути сообщения, источники воды и рыбного промысла, естественные границы и поставщики дешевой энергии.

Река со всеми ее притоками называется речной системой, а площадь, занимаемая речной системой, — речным бассейном. Речные системы разделены высокоподнятыми участками суши — водоразделами. Площадь, с которой река и ее притоки получают воду, называется водосборным бассейном. Самой крупной речной системой в мире является р. Амазонка, бассейн которой занимает площадь 7,05 млн км2, р. Конго (3,69 млн км2), Обь (3,35 млн км2). Бассейн р. Волги по своим размерам занимает 14 место в мире (около 1,4 млн км2).

Питание рек осуществляется за счет атмосферных осадков — дождевых и талых вод, таяния горных ледников и подземных вод. В зависимости от географического положения и климатических особенностей преобладает тот или иной вид питания.

По характеру работы, выполняемой реками, А.П. Павлов различает три их типа: 1) реки равнинных местностей; 2) реки, берущие начало на высоких плоскогорьях или плато и низвергающиеся водопадами в глубокие и узкие ущелья, называемые каньонами; 3) реки горных систем.

Каждый из этих типов обладает определенным режимом, обусловливающим характер их деятельности. Режим рек определяется количеством воды, ее уровнем и скоростью. В течение года режим рек меняется в зависимости от характера и интенсивности питания. Период резкого подъема уровня воды в реке в связи с интенсивным таянием снегов называется половодье, когда проходит значительная часть годового стока воды (до 80 %). Река выходит из берегов, заливает обширные пространства поймы, а иногда и низкие террасы. Уровень воды в реке, соответствующий половодью, называется высоким горизонтом. Кроме этого в реках иногда наблюдается резкий и кратковременный подъем воды — паводок, вызванный обильными дождями или таянием ледников в верховьях рек, сбросом воды из водохранилищ.

Время самого низкого уровня воды в реке — меженный период (межень) при уменьшении стока с водосборных площадей в засушливое время года.

Скорость течения воды в реке зависит от массы воды, уклона дна и характера русла. Вертикальный поперечный разрез через реку — это живое сечение реки (рис. 15.7). Скорость течения в различных точках живого сечения реки различна. Максимальная скорость наблюдается над самым глубоким местом живого сечения в точке F чуть ниже уровня воды в реке. В пределах дна максимальная скорость в наиболее глубоких местах реки (участок CD), минимальная — в наиболее мелких местах реки (участок ЕВ).

Линия, соединяющая проекции точек с максимальной скоростью течения на поверхности реки, называется ее стрежнем. У дна и берегов течение замедляется, так как сказывается трение воды одно и берега. Меняется скорость течения и вдоль реки: в узких местах — пережимах, где река зажата между берегов, скорость значительно выше, чем на широких вольных разливах — плесах. Скорость течения меняется не только на различных участках реки, т. е. в пространстве, но и во времени. Максимальных величин она достигает в период половодья, а минимальной бывает в межень.

Углубление в земной поверхности, по которому протекает река, называется долиной реки. Часть долины, заполненная водой при самом низком (меженном) уровне, называется руслом; часть долины, затопленная паводковыми водами, — поймой; незаливаемые горизонтальные участки долины реки — террасами.

Работа рек складывается из разрушения горных пород русла и берегов (эрозии), переноса продуктов разрушения (транспортировки) и последующего их отложения (аккумуляции). Река может одновременно производить все перечисленные виды работ, но их интенсивность, время проявления и пространственная приуроченность определяются цикличностью развития реки. Способность реки производить работу зависит от ее энергии (живой силы) и от скорости течения, которая прямо пропорциональна уклону ложа и массе воды в потоке.

Эрозионная деятельность водного потока представляет собой сложный процесс, включающий механическое разрушение горных пород в ложе потока, снос обломочного материала и растворение водой встречающихся на ее пути растворимых пород.

Механическое разрушение горных пород водными потоками осуществляется при определенной скорости воды в потоке и давлении на породы, создаваемые напором воды. Горные породы в зависимости от их состава и структурно-текстурных особенностей размываются при различных скоростях движущейся воды. Так, глинистые породы могут разрушаться при скорости 0,15 м/с, песчаные — при 0,3—0,4 м/с, слабоцементированные конгломераты — при 1,0—1,2 м/с, слюдяные сланцы — при 1,5—1,8 м/с, габбро и сиениты — при 3,0—3,3 м/с. Предельные значения прочностных свойств служат границей разрушения горных пород под напором воды. На разных стадиях развития реки ее эрозионная деятельность меняется не только по величине (энергии), но и по своей направленности. Различают два вида речной эрозии: донную и боковую.

Донная эрозия. В начальные стадии развития реки деятельность руслового потока начинается с глубинной эрозии. Глубинная (донная) эрозия характеризуется процессами размыва и углубления дна ложа потока (врезание потока в породы дна) силами движущейся воды. Уровень углубления ложа потока, ниже которого прекращается его эрозионная деятельность, называется базисом эрозии. Для большинства водных потоков на континентах базисом эрозии является уровень Мирового океана, называемый абсолютным базисом эрозии. Кроме того, у каждого потока есть местные базисы эрозии, представляющие собой уровни водосборных водоемов. Например, для ручьев и малых рек это могут быть уровни реки или озера, в которые они впадают. Выделяются также временные или подвижные базисы эрозии в виде различных препятствий для водных потоков (выход прочных пород или плотина).

Развитие рек на ранних стадиях осуществляется в результате регрессивной (пятящейся) эрозии вверх от базиса эрозии. В верховьях реки, где масса воды незначительна, углубление долины идет медленно. Наибольший размыв происходит в какой-то промежуточной части долины, где уже из-за поступления воды притоков достаточно велика и масса воды, и ее скорость. Эта область наибольшего размыва непостоянна и постепенно перемещается от устья к истоку.

Скорость врезания в значительной степени зависит от состава горных пород, слагающих ложе потока. По рыхлым породам (галечники, пески, илы) даже очень небольшие водотоки быстро углубляют свое русло. Очень медленно размываются массивные кристаллические породы (граниты, гнейсы и габбро), выходы которых являются подвижными базисами эрозии и часто надолго задерживают глубинную эрозию вверх по водотоку. В таких участках образуются водопады, перекаты, пороги. На рис. 15.8 — четырехметровый водопад на p. Xapгe в Прибайкалье, служащий местным базисом эрозии.

Наибольшей живой силой обладает вода, падающая отвесно, поэтому у подножия водопадов дно рек размывается наиболее интенсивно. Вода подмывает уступ водопада и, когда ниша подмыва достаточно углубится, уступ обрушивается под действием собственной массы. Постепенно разрушаясь водотоком, уступ медленно передвигается вверх по течению реки, являясь подвижным (местным) базисом эрозии. Ниагарский водопад в Северной Америке, образованный в русле, сложенном плотными известняками, подстилаемыми мягкими сланцами, отступает в год на 0,7—0,9 м. Это крупнейший по водности водопад высотой 49,5 м при ширине — 914 м.

Водопад Виктория на р. Замбези в Африке имеет высоту 120 м, ширину 1800 м. Водопады могут служить источниками энергии. Так, в Карелии на очень мощном водопаде Кивач на р. Суне построена ГЭС.

Углубление русла реки продолжается до определенного уровня. С понижением русла скорость течения уменьшается, а значит, уменьшается и ее живая сила. С установлением равновесия между живой силой воды, трением о ложе массы воды вместе с переносимым ею грузом обломочных частиц, дальнейшего углубления дна реки происходить не будет. Река вырабатывает себе русло, имеющее вид плавной вогнутой кривой, постепенно выполаживающейся к базису эрозии и более крутой в верховьях. Такой продольный профиль ложа реки называется продольным профилем равновесия или предельной эрозионной кривой (рис. 15.9). После выработки продольного профиля равновесия врезание потока прекращается и основную роль начинает играть боковая эрозия, приводящая к разрушению берегов, перемещению русла и расширению речной долины.

Изменение продольного профиля равновесия и характера реки после образования новых местных базисов эрозии — уровней рукотворных морей хорошо просматривается на примере р. Ангары. До построения каскада Ангарских ГЭС долина р. Ангары по естественным условиям и характерным особенностям разделялась на три участка: нижний, средний и верхний с падением уровня в среднем на 1 км соответственно: 0,2; 0,3 и 0,16 м. Наибольшее падение на среднем участке (между устьями рек Оки и Илима протяженностью 290 км и общим падением 93 м) наблюдалось в поле развития траппов, где высота Падунского порога составляла 5,8 м, а Шаманского — 12,9 м. После появления и подъема новых базисов эрозии — водохранилищ, затопления порогов и шивер совершенно изменился общий продольный профиль равновесия реки и начался процесс ее неестественно быстрого старения. Так, ниже г. Иркутска некогда полноводная и стремительная р. Ангара утратила скорость течения, стал происходить процесс намыва новых островов, а на отдельных участках и заболачивание берегов.

Боковая эрозия. При приближении продольного профиля реки к положению продольной эрозионной кривой глубинная эрозия все больше замедляется, а освобождающаяся энергия потока расходуется на расширение русла, т. е. поток вступает в стадию боковой эрозии. Согласно действию сил Кориолиса, в северном полушарии Земли на больших водотоках более интенсивно подмывается правый берег, а в южном — левый. Поток, отразившись от подмываемого берега, отклоняется в противоположную сторону. На возникшем изгибе стрежня образуются системы поперечной циркуляции воды, особенно четко проявляющиеся во время паводков. Русло потока начинает изгибаться многократно, так как стрежень последовательно отражается то от одного берега, то от другого. Возникший изгиб русла — меандра постепенно разрастается до тех пор, пока его шейка не станет столь узкой, что во время паводка воды могут ее прорвать и вновь спрямить русло. Таким образом, благодаря боковой эрозии русло водотока не только расширяется, но и приобретает извилистое строение — река меандрирует (по названию извилистой р. Меандр в Малой Азии) (рис. 15.10).


Сохранившиеся в долинах рек остатки старых русел, имеющие подковообразную форму, фактически становятся озерами и называются старицами (рис. 15.11). С расширением русла, вследствие боковой эрозии, уменьшается скорость потока и его транспортирующая способность. Это приводит к постепенному затуханию эрозионной деятельности потока и началу процесса аккумуляции.

Перенос (транспортировка). Реки переносят большое количество обломочного материала, масса которого и размер переносимых обломков зависит от многих параметров: массы и скорости воды, уклона русла, состава горных пород, слагающих ложе реки и ее берега. Размер переносимых обломков колеблется от тонких илистых и песчаных частиц до крупных валунов. Перенос осуществляется:

— путем волочения или перекатывания по дну наиболее крупных обломков, которые еще более усиливают донную эрозию;

— во взвешенном состоянии более мелких частиц;

— в растворенном состоянии.

Масса обломков, перекатываемых по дну, пропорциональна шестой степени скорости течения, поэтому горные реки обычно переносят гораздо больше обломочного материала и более крупной размерности. Обломочный материал, перемещаемый перекатыванием, волочением и во взвеси, называют твердым стоком реки.

Значительное количество минеральных веществ переносится в растворенном состоянии — около 40 % всего транспортируемого материала.

По сведениям Н.М. Страхова, в растворенном состоянии переносятся легко растворимые соли (NaCl, KCl, MgSO4, CaSO4), карбонаты (CaCO3, MgCO3, Na3CO3), кремнезем и в небольших количествах соединения Fe и Mn, которые образуют как истинные, так и коллоидные растворы.

По данным Г.П. Горшкова, соотношение твердого стока (а — влекомые по дну, b — во взвеси и с — в растворенном состоянии) для горных рек составляет а:b:с = 0,86:6,8:1, а для равнинных — а:b:с = 0,05 :0,56:1.

Отложение осадков (аккумуляция). Уже на самых ранних стадиях развития реки, наряду с эрозией и переносом, происходит и отложение (аккумуляция) обломочного материала. Вначале образующиеся отложения могут быть непостоянными и во время подъема уровня вод и увеличения скорости течения при половодьях и паводках подхватываются водой и перемещаются вниз по течению. Ho по мере достижения рекой уровня базиса эрозии и состояния равновесия, расширения долины, замедления скорости течения в русле реки в прирусловой части долины начинает происходить аккумуляция постоянных отложений, называемых аллювиальными, или аллювием (от лат. аллювио — нанос, намыв). Они состоят из обломочного материала разного состава и размерности, степени окатанности и сортировки. Перемещение накопления аллювия происходит от устья нижней части долины к ее средней части, а потом и в верховья.