Ветер является одним из важных геологических агентов, изменяющих лик Земли. Он производит геологическую работу повсеместно, но весьма неравномерно. Работа ветра будет намного интенсивней там, где отсутствует растительность и горные породы непосредственно соприкасаются с атмосферой. Такими районами являются пустынные и полупустынные районы, а также высокие горные хребты и плато. Пустыни характеризуются аридным климатом, в котором количество осадков не превышает 25 см в год, но чаще гораздо меньше.
Распространены пустыни вдоль 30° северной и южной широт, там, где наблюдается нисходящий поток вертикальной циркуляции воздуха и где близповерхностные ветры направлены к северу и к югу. Нисходящий поток в атмосфере увеличивает плотность воздуха и нагревает его, позволяя удерживать в нем больше водяного пара. Испарение воды с поверхности земли в сухом, жарком воздухе так велико, что в нисходящем воздушном потоке почти не образуются облака и не бывает осадков. Противоположная ситуация складывается в приэкваториальной зоне, где поднимающийся вверх воздух расширяется и охлаждается, теряя влагу. Поэтому в этой зоне всегда мощная кучевая облачность и обильные осадки. То есть пояс высокой влажности разделяет на Земле две пустынные зоны, приуроченные к 30° северной и южной широт. Однако не все пустыни приурочены строго к этим зонам. Важным фактором являются горные хребты, на одной стороне которых наблюдаются обильные осадки в связи с поднимающимся вверх влажным и теплым воздухом, а на другой дождей нет, т. к. происходит сильное испарение в результате сжатия нисходящего потока воздуха и его нагревания. Такими примерами являются пустыни Невада и Северная Аризона в США, Гималаи. Бóльшая дистанция от океана — еще один фактор развития пустынь, как, например, в центральных районах Китая.
Ветер и пылевые бури. В греческих мифах богом ветра был Эол, поэтому и геологические процессы, связанные с деятельностью ветра, называются эоловыми.
Ветер — это движение воздушных масс, струй и потоков в приземном слое, в основном параллельно земной поверхности. Скорость ветра изменяется в широких пределах, от нескольких метров в секунду до ураганного в 25–60 м/с и более. Чем сильнее ветер, тем больше способен он захватывать и перемещать на огромные расстояния мелкие песчинки, пыль, вулканический пепел. Последний может подниматься вверх на 10–15 км и более, где подхватывается горизонтальными струйными течениями со скоростью 200–300 км/час и разносится на большие расстояния. При извержении вулкана Сент-Хеленс в 1980 г. в Западном Вашингтоне в Каскадных горах пепел разносился на 5 тыс. км. Пепел вулкана Кракатау при взрыве в 1883 г. несколько лет носился в стратосфере, огибая земной шар. Колоссальный взрыв вулкана Тамборо в Индонезии в 1815 г. вызвал похолодание в Северной Европе, где 1816 г. был назван годом без лета, т. к. пепел резко понизил солнечную радиацию. Извержение вулкана Пинатубо на Филиппинах в 1991 г. понизило температуру на 1 °С опять-таки из-за разнесенного по земному шару вулканического пепла.
Перенос ветром тонких пылеватых частиц фиксируется на больших расстояниях. Так, пыль от бурь в Сахаре отмечена на восточном побережье США во Флориде, на о. Барбадос. В 1993 г. обсерватории Пекина зарегистрировали тонкий материал из Северной Африки и Аравии. Пыльные бури в Монголии поставляют материал в Японию и на острова Тихого океана и т. д., причем этот перенос осуществляется струйными течениями на высоте 9–12 км.
В Евразии отмечается устойчивый северо-восточный перенос пылеватого материала. Наиболее мощная за последние 20 лет пылевая буря, возникшая в апреле 2001 г. в Монголии в пустыне Гоби, за несколько дней достигла Китая, Кореи и Японии, а частицы, несомые ветром, обрушились на западное побережье США всего через неделю. Пыльные бури в Ставропольском крае за считаные дни уносят десятки тысяч тонн культивированной плодородной почвы. Существуют районы, в которых ветер каждый год дует с постоянной силой длительное время. Так, в марте-апреле в Северной Африке 50 дней дует жаркий ветер из пустынь — хамсин. В это время даже аэропорты прекращают работу, видимость падает до нескольких метров, а в воздухе висит песчаная пыль и удушающе жарко. Сухой и жаркий северо-восточный континентальный пассат — харматан переносит пыль из области Сахель в Атлантический океан, где жаркий воздух, насыщенный сахарской пылью, поднимается над влажным морским воздухом океана и переносится на тысячи километров на запад на высотах от 1,5 до 3,5 км. Тяжелые частицы выпадают в океан, а более легкие — достигают Североамериканского континента. Пыль из Сахары попадает и в Европу, когда над ней или над Средиземным морем резко падает атмосферное давление и туда устремляется горячий и сухой воздух — сирокко — из Африки. Интересно отметить, что концентрация твердых частиц в воздушных потоках холодных эпох четвертичного времени была выше, чем в современной эпохе. Анализ керна льда, взятого в Антарктиде, показал, что во время максимума последнего оледенения, ~18 тыс. лет назад, концентрация пыли была в 20 раз выше по сравнению с нынешней.
В южных районах США каждый год возникают торнадо, или смерчи, — штопорообразное закручивание воздушных струй со сверхзвуковой скоростью в центре смерча. Подобное торнадо не только разрушает все постройки на своем пути, но и отрывает куски горной породы, перенося их на большое расстояние.
Геологическая работа ветра состоит из нескольких основных процессов: 1) разрушение горных пород — дефляция и корразия; 2) транспортировка материала; 3) аккумуляция материала.
Под дефляцией понимается выдувание рыхлых, дезинтегрированных горных пород с поверхности Земли, а корразией называется обтачивание выступов горных пород твердыми частицами, переносимыми потоками и воздушными струями в приземном слое. Этот процесс напоминает действие пескоструйного аппарата, которым чистят каменные здания (рис. 11.1).
.png)
Рис. 11.1. Разрушение и аккумуляция сыпучего материала при эоловых процессах.
I — корразия. Песчинки, перемещающиеся ветром путем сальтации (прыжками),
обтачивают выступы горных пород. II.А — образование бархана.
1 — ветер; 2 — песок; 34° — угол естественного откоса сыпучих тел — подветренный склон;
Б — перемещение бархана — пунктир; 3 — зона ветровой эрозии песка.
III — образование котловин выдувания: 1 — ветер; 2 — песок;
3 — увлажненный грунт; 4 — котловино выдувание
Дефляция проявляется там, где дуют сильные ветры, в своеобразных аэродинамических трубах — узких горных долинах, ущельях, например в Джунгарских воротах — долине между Джунгарским Алатау на западе и горами Барлык и Майли на востоке. В такой «трубе» создается сильная тяга воздуха и переносится не только песок, но и мелкие камешки, размером до 1–3 см. Постоянные процессы выдувания — дефляции — приводят к постепенному углублению долин или узостей.
Дефляция проявляется в пустынных районах, в которых сдувается слой сухих рыхлых отложений, расположенных на более влажных. Выдувание приводит к формированию глубоких котловин, как, например, в Ливийской пустыне в Северной Африке, где впадина Каттара площадью около 18 тыс. км2 имеет глубину 134 м ниже уровня моря.
И таких дефляционных впадин и котловин много в различных пустынях. Ветер выдувает мелкие обломки и песок из всех трещин в скальных выступах, делая их рельефнее. Дефляция углубляет также любые искусственные выемки, например колеи автомашин, следы трактора и т. д. Легко выдуваются лессовые породы, в которых образуются глубокие, до 20–30 м, ущелья.
Если в толще пород, подверженныхдефляции, присутствуют более плотные стяжения или конкреции, то после выдувания рыхлого материала они остаются как бы отпрепарированными, рельефно выделяясь на местности.
На дне бессточных котловин часто скапливается соль, кристаллизация которой разрыхляет почву. А затем этот очень рыхлый слой, напоминающий «пух», сдувается каждый год, и котловина углубляется на 5–7 см. И так повторяется ежегодно.
Корразии подвергаются все выступы горных пород, причем более мягкие участки, менее сцементированные, углубляются быстрее, чем плотные, и тогда образуются ячейки, ниши, углубления неправильной формы. Любое уплотнение со временем становится выпуклой формой. Поскольку переносимый ветром песчаный материал движется над самой поверхностью земли, не выше 2 м, а чаще до 0,5 м, обтачивание происходит в нижней части выступов пород. Поэтому часто формируются столбы и пирамиды — «каменные истуканы» с тонкой «шейкой» в основании и расширением вверху. Иногда образуются качающиеся камни, когда между двумя глыбами остается одна точка соприкосновения.
Если в пустынных районах много камней, то эти камни постепенно обтачиваются, коррадируются летящим песком, и при этом образуется отшлифованная поверхность. Камень может по каким-либо причинам перевернуться, и тогда обтачивается и полируется уже другая грань. Так образуются вентифакты, или драйкантеры, — трехгранные отшлифованные обломки горных пород (рис. 11.2).
Рис. 11.2. Образование драйкантеров (вентифактов):
1 — ветер; 2 — переворачивание камня;
3 — перемещающийся песок обтачивает и полирует поверхность камня
Эоловый перенос материала. Существуют два способа эолового переноса: 1) сальтация и 2) волочение, перетекание.
Сальтация — это перемещение песчинок прыжками (см. рис. 11.2). Песчинка, поднятая ветром, ударяется в песок, выбивает из него еще песчинки и т. д. Сальтация происходит при довольно сильном ветре и действует по типу цепной реакции.
В других случаях песок под действием ветра «перетекает». Песчинки медленно перекатываются, «волокутся» по неровностям рельефа. Чем сильнее ветер, тем большего размера песчинки вовлекаются в этот процесс. Песок как бы струится, напоминая движение воды.
При сильных бурях вверх подскакивают даже камни небольшого размера и галька, которая таким способом также перемещается на большое расстояние. Способность ветра к транспортировке песка зависит от его скорости и степени турбулентности. В процессе движения все песчинки сортируются по удельному весу и окатываются. Песчинки приобретают матовый оттенок и округлую форму.
11.2. Аккумуляция эолового материала
Переносимые ветром частицы пыли, «перетекающие» пески, подброшенные ураганом обломки и гальки где-то должны накапливаться, формируя толщи эоловых отложений. Пыль, вулканический пепел и мельчайший песок, унесенные ветром на большие расстояния, в конце концов осядут на землю и войдут в состав морских, озерных и континентальных отложений. Но основная масса песка, образовавшегося при выветривании, разрушении и дефляции горных пород, образует накопления вблизи этих мест, т. е. в пустынях, на морских побережьях, в низовьях речных долин, причем современные эоловые отложения рыхлые, т. к. они не успели сцементироваться из-за сухого жаркого климата и отсутствия воды.
Наибольшее количество песка аккумулируется в пустынях, где он состоит преимущественно из кварцевых зерен, как минерала наиболее устойчивого к химическому выветриванию. Происхождение песка в основном речное, т. е. песок пустынь — это перевеваемые аллювиальные отложения, т. к. тысячи лет назад климат в районах современных пустынь был более влажным, там текли реки и существовала растительность.
Ветер непрерывно перемещает песчаные массы, формируя своеобразный рельеф, свойственный только пустыням. Пожалуй, наиболее типичной формой рельефа являются барханы — скопления песка, имеющие в плане форму сплющенного полумесяца с двумя «рогами», обращенными в сторону дующего ветра. В поперечном разрезе бархан — это асимметричный холм, с пологим, длинным наветренным склоном и крутым в 34° (угол естественного откоса сыпучих тел), подветренным. Песок перемещается вверх по пологому склону и скатывается с крутого, поэтому гребень у бархана острый. Барханы достигают в высоту 30–35 м, и когда их много, то они напоминают застывшие волны (рис. 11.3).
Рис. 11.3. Барханы
Нередко барханы группируются в цепи длиной 10–20 км, расположенные перпендикулярно преобладающим ветрам, а иногда размещаются поодиночке. На поверхности наветренных склонов барханов образуется мелкая эоловая рябь, как на воде.
Кроме барханов в песчаных пустынях развиты валы — длинные, но неширокие скопления песка с пологими склонами. Высота гряд достигает 200 м, а длина — нескольких километров. В плане они похожи на вытянутые капли. Понижения между валами подвергаются дефляционным процессам, и тонкий материал выдувается из них, углубляя продольную котловину (рис. 11.4).
Рис. 11.4. Схема развития основных форм рельефа оголенных песков (по Б. А. Федоровичу):
1 — барханная лепешка (щитовидная дюна); 2 — эмбриональный бархан;
3 — молодой бархан; 4 — полулунный бархан; 5 — парный бархан;
6 — барханная цепь; 7 — крупная комплексная барханная цепь;
8 — групповой бархан, переходящий в продольную ветру барханную гряду;
9 — барханная продольная гряда с диагональными ребрами; 1
0 — крупная продольная гряда с комплексными диагональными ребрами
Грядово-ячеистые песчаные формы возникают при соединении песчаными перемычками гряд барханов.
Кучевые формы рельефа образуются за какими-либо препятствиями — скалами, глыбами горных пород, кустарниками. Разбросаны они беспорядочно и острым концом направлены по ветру.
Существуют и другие типы песчаных аккумулятивных форм, обусловленных перемещением песков под влиянием ветра, скорость которого достигает десятков метров в год. Движущиеся пески наступают на поселения, перекрывают дороги, сельскохозяйственные поля. В древнем Египте знаменитый сфинкс, храмовые комплексы Луксор, Карпак, Дондура и др. были почти полностью погребены под песками и откопаны только в прошлом веке.
На морских побережьях, в долинах и дельтах крупных рек за счет развевания аллювиальных отложений формируются песчаные формы рельефа — дюны. Они похожи на барханы, имеют параболическую форму и также передвигаются под влиянием преобладающих ветров.
Существуют также весьма интересные эоловые образования, называемые лессами, под которыми понимают толщи пород мощностью от нескольких метров до 400 м, обладающие светло-желтой (палевой) окраской и состоящие чаще всего из пылеватых частиц размером 10–60 мкм. Типичный лесс не обладает слоистостью, содержит карбонаты и тонкие вертикальные канальцы. Лессовые покровы, как прерывистые, так и сплошные, по данным кафедры инженерной и экологической геологии МГУ им. М. В. Ломоносова, занимают на континентах (кроме Антарктиды) площадь 4 258 990 км2, или 33 % суши, и наиболее широко развиты в Европе, где располагаются вне зоны последнего, поздне- верхнеплейстоценового (валдайского) оледенения, максимум которого был 18 тыс. лет назад.
Пылеватые частицы осаждались на поверхность Земли эоловым путем, т. е. из воздушной среды. По минеральному составу в лессах преобладают кварц, полевые шпаты и гидрослюды. Все лессовые покровы относятся к четвертичному периоду. Происхождение лессовых пород может быть как эоловым (в основном), так и делювиальным, пролювиальным и аллювиальным.
Важнейшим свойством лессовых пород является их просадочность, т. е. способность деформироваться либо при увлажнении, либо под действием нагрузки. Отсюда понятно, что инженерная геология уделяет лессовым породам особое внимание и проблема просадочности насчитывает не одно десятилетие.
Пустыни объединяются в типы на основании того, преобладает ли в них дефляция или разные способы аккумуляции рыхлого материала.
Каменистые (скальные) пустыни, или гаммады, представляют собой развалы горных пород, группы скал, практически лишенных рыхлых, сыпучих отложений, которые уносятся процессами дефляции. Каменистая пустыня с гравийной поверхностью — рег (Алжирская Сахара), а с галечниковой поверхностью — так называемый серир (Ливия, Египет). В таких довольно мрачных пустынях камни покрыты черным налетом. Такое впечатление, что их покрыли лаком. Этот «пустынный загар» образуется потому, что очень сильное испарение в сухом жарком климате подтягивает вверх влагу по капиллярам в зоне аэрации, которая содержит растворенные железомарганцевые окислы, выпотевающие на поверхности камней.
Аккумулятивные пустыни бывают различными по своему характеру. Преобладают песчаные пустыни — кумы в Средней Азии или эрги в Африке. Всем известны пустыни Каракумы (черные пески), Кызылкум (красные пески), Сахара, Атакама, Калахари и др. Все эти пустыни обладают своеобразным рельефом из барханов, гряд, бугров и валов. Песок, слагающий поверхность пустынь, непрерывно движется, хотя его мощность составляет всего несколько десятков метров, реже 100–200 м (рис. 11.5).
Рис. 11.5. Одиночные барханы в пустыне
Глинистые пустыни, или такыры, как правило, возникают на месте высохших озер. Поверхность таких пустынь исключительно ровная, покрыта глинистой растрескавшейся коркой. Идеальная ровная поверхность в США используется на высохшем озере Бонневиль для заездов автомашин на побитие рекордов скорости (рис. 11.6).
Рис. 11.6. Такыр — глинистая пустыня
Солончаковые пустыни, или шоры, располагаются в местах преобладания лессовых отложений и характеризуются обычно сильно развитой овражной сетью, не оставляющей в таких пустынях ровного места.
Итак, пустынями на Земле сейчас занято около 20 млн км2, и площадь их увеличивается по причине неразумной хозяйственной деятельности человека, а также за счет изменения климатических условий (рис. 11.7).
Рис. 11.7. Ветровая рябь на поверхности песка.
Узбекистан (фото З. Виноградова)
Чтобы замедлить или прекратить наступление пустынь, их надо закрепить растительностью, вырастить которую в условиях безводной пустыни нелегко. Кроме того, нужно создать преграды на пути ветрового переноса материала, нужно ослабить ветер, разделив его плотный поток на более мелкие струи. Для этого выдвигают щиты, стенки, которые, впрочем, могут быть довольно быстро засыпаны песком.
В наши дни опустыниванием охвачены земли: в Испании — 30 %, в Северной Америке — 27 %, в Южной Америке — 22 %, в Азии — 20 %, в Африке — 18 % и в Австралии — 8 %. Нет периодов покоя для восстановления кормовой растительности, ведется выпас скота, происходят засолонение земель, вырубка лесов.