Водные потоки производят огромную геологическую работу на поверхности суши. Реки, ручьи, ручейки переносят основную массу продуктов выветривания в озера, моря и океаны. Ежегодный твердый сток (вынос) всех рек в мире оценивается цифрой около 17 млрд т, что намного больше, чем переносится всеми другими геологическими агентами, например ветром и ледниками. Реки, как известно, бывают крупными — Волга, Днепр, Лена, Обь, Енисей, Миссисипи, Нил, Хуанхэ, Ганг и др. с мощным постоянным водотоком, а бывают и мелкими, небольшой длины. Иногда водотоки носят временный, но бурный характер, особенно в горных районах после ливней или во время таяния снегов. Вода, выпадая в виде атмосферных осадков, просачивается в верхние слои земной коры, образуя грунтовые воды, которые и дают начало рекам.
Затем из них, озер и морей вода испаряется, снова выпадая на поверхность суши. Так осуществляется круговорот воды.
В цифрах круговорот воды в гидрологическом цикле выглядит следующим образом. С поверхности океана ежегодно испаряется 455 км3 воды, с поверхности суши — 62 км3. На поверхность океана выпадает 409 км3 осадков, суши — 108 км3. Реками выносится в моря и океаны 46 км3. Воды океанов составляют 97,5 % всего объема на поверхности Земли, ледники — 1,8 %, подземные воды — 0,63 %, а реки и озера — 0,02 % (рис. 6.1).
Рис. 6.1. Схема гидрологического цикла
Дождевая эрозия. Любой дождь производит большую работу. Так, средний по мощности ливень с диаметром капли 0,27 см и конечной скоростью капли при падении на землю 7 м/с способен произвести работу, эквивалентную подъему слоя почвы 10 см на высоту 2 м. Падающие капли, выбивая тонкий пылеватый материал, оставляют на поверхности маленькие столбики почвы, прикрытые сверху более крупными камушками или частицами почвы, а вода стекает по уклону безрусловыми тонкими струйками, которые несут с собой мелкий обломочный материал и образуют делли — плоскодонные неглубокие ложбины. Более глубокие промоины — борозды и рытвины — дают
начало овражной сети. Если склон покрыт густой растительностью, то вода, стекая по нему, не вымывает почву, т. к. травяной покров этому препятствует. Но в степных районах ручейки на склонах осуществляют уже большую работу, смывая много почвенного материала. Происходит, как говорят, плоскостной смыв, продукты которого, накапливаясь на вогнутых частях склонов или у их подножия, называются делювием (лат. deluo — смываю) (рис. 6.2).
Рис. 6.2. Накопление делювиальных отложений у подножия склона.
Точки — делювий. 1 и 2 — стадии смыва материала со склона,
3 — коренные породы
Делювиальные шлейфы суглинков и супесей обычно широко развиты в равнинных, слабохолмистых областях, а также в горных районах. Так как делювиальные отложения формируются плоскостным смывом, в их структуре наблюдаются следы водной сортировки, обогащение отдельных слоев мелкими обломками, дресвой, причем вниз по склону размер обломков уменьшается. Слоистость в делювиальных отложениях всегда параллельна коренному склону, и в разрезах делювия нередко наблюдаются горизонты погребенных почв, свидетельствующих о периодах более влажного климата, когда делювиальные шлейфы покрывались растительностью. Мощность делювиальных отложений обычно составляет несколько метров и порой достигает 15–20 м.
Временные водные потоки возникают при выпадении атмосферных осадков или таянии снегов. В остальное время сток в равнинных условиях приводит к формированию оврагов, т. к. отдельные безрусловые потоки, сливаясь в более крупный ручей, способны размывать склоны, эродировать их, образуя уже более глубокие борозды — зарождающиеся овраги. Учение о формировании и развитии оврагов хорошо разработано русскими учеными А. П. Павловым и
В. В. Докучаевым.
Образование оврага начинается с неглубокой борозды или рытвины на склоне. В дальнейшем борозда наряду с углублением наращивает свою долину как вверх, так и вниз по склону. Продольный профиль зарождающегося оврага в это время неровный, а его устье еще не достигает подножья склона — базиса эрозии и как бы висит на склоне, поэтому и называется висячим. Вершина оврага в это же время продвигается вверх по склону, овраг как бы пятится. Такой вид эрозии носит название регрессивной, или пятящейся, эрозии (рис. 6.3). Постепенно овраг своим истоком приближается к водоразделу, а устьем — к базису эрозии. Интенсивная эрозия углубляет дно, или тальвег, оврага, по которому переносится мелкоземистый материал. Достигнув наконец своего базиса эрозии, овраг вступает в зрелую стадию развития, его продольный профиль приобретает вогнутую форму, а поперечный — V-образную с крутыми осыпающимися склонами, которые стремятся достигнуть угла естественного устойчивого откоса. Постепенно профиль оврага становится очень пологим в своей нижней части и крутым в верхней. Вода, периодически текущая по дну оврага, переносит мелкий, плохо окатанный и сортированный материал, формируя его скопления около устья, т. н. конус овражного выноса. В южных регионах России и Украины развивается обширная сеть оврагов с расширенным плоским дном и пологими склонами. Такие овраги называются балками.
Рис. 6.3. Пятящаяся эрозия оврага. Стрелкой указано направление роста оврага.
Стадии роста отмечены цифрами. 5 — базис эрозии оврага
Овраги, если с ними не бороться, растут быстро: — на 1–1,5 м/год, например, в районе Нижнего Дона; на 3–5 м/год — в Северном Предкавказье. Особенно их рост ускоряется там, где на поверхности залегают рыхлые породы, которые быстро размываются. Регрессивная эрозия может за считаные годы вывести из сельскохозяйственного оборота большие площади пахотных земель, т. к. от главного ствола оврага начинают отходить более мелкие ответвления, а от них — еще более мелкие и скоро все пространство покрывается дренажной сетью промоин, рытвин, отвержков (ответвлений) и оврагов.
Чтобы замедлить или прекратить рост оврагов, следует перегораживать их долины, начиная от верховий, поперечными препятствиями, которые замедляли бы сток воды. Еще лучше ликвидировать в зародыше рытвины и промоины. Многие районы мира с легко размываемыми породами, например лессами и лессовидными суглинками, покрыты сплошной сетью оврагов. Такие участки называются бедленды (англ. bad — плохой, land — земля, поверхность) (рис. 6.4).
Рис. 6.4. Бедленд. Китай
Временные горные потоки. Во многих горных районах под влиянием бурного летнего таяния снегов и ледников, а также в результате кратких, но сильных грозовых ливней возникают мощные временные водотоки, нередко содержащие в себе очень много обломочного материала (до 100–150 кг/м3) и обладающие поэтому большой плотностью, оказывающие разрушительное воздействие на любые препятствия, склоны и русла долин временного стока. Такие высокоплотностные потоки называются селями. Когда количество обломочного материала достигает в потоке 80 %, это уже не водный, а грязекаменный поток. В таком потоке плывут и не тонут каменные глыбы диаметром до 2 м и более (рис. 6.5).
Рис. 6.5. А. Грязекаменный поток. «Голова». Чемолган;
Б. Вход первой волны грязекаменного потока 15 июля 1973 г.
в селехранилище в урочище Медео
Сели возникают внезапно и производят большие разрушения на своем пути. Особенно часто их образование связано с прорывом высокогорных озер, расположенных в конечных моренах высокогорных ледников (рис. 6.6, рис. 6.7 а). Летом 2000 г. катастрофические сели прошли на Северном Кавказе, в долине р. Баксан, где были разрушены многоэтажные здания в г. Тырныаузе, снесены мосты, размыты сотни метров шоссе. Алма-Ата в Казахстане всегда была подвержена сильным селям, спускавшимся по р. Алмаатинка. 8 июня 1921 г. колоссальный сель снес в городе много домов, завалил улицы глыбами камней и оставил много глины и песка на улицах. Были и человеческие жертвы. Каждый год сели приводят к разрушениям и человеческим жертвам в горных районах Таджикистана. Сели — это стихийное бедствие, которое можно предсказать, если создать специальную службу, следящую за опасными местами возникновения селей. Другой способ — это воздвигнуть поперек селеопасной долины высокую дамбу, служащую уловителем селя (рис. 6.7). Так поступили в Алма-Ате, с помощью направленного взрыва создав плотину высотой 300 м поперек речки Алмаатинки в урочище Медео выше города. Она выдержала удары многих селей, в том числе гигантского селя летом 1973 г., но потом ее пришлось еще наращивать, т. к. предплотинное пространство оказалось затопленным селевыми отложениями.
Рис. 6.6. Селевые выносы в бассейне р. Пестрая. Бассейн р. Иня,
южные отроги гор Сунтар-Хаята, Дальний Восток
Рис. 6.7. Противоселевые барражи. Бреттервандбах близ Матрия,
Восточный Тироль, Австрия
Рис. 6.7 а. Размытая морена и материал грязекаменных потоков с валунами.
Алтай. Катунские Белки
Кроме селевых, бурных водных и грязекаменных потоков, в горных областях развиваются временные водотоки, возникающие во время дождей. Такие водотоки обычно подразделяются на три части: 1) верхняя — водосборный бассейн; 2) средняя — канал стока; 3) нижняя — бассейн разгрузки, или конус выноса (рис. 6.8).
Рис. 6.8. Селевой очаг в бассейне реки Кухтуй.
Южные отроги гор Сунтар-Хаята, Дальний Восток
В плане такой водоток похож на дерево, у которого канал стока — ствол, а верхняя и нижняя часть — крона и корни соответственно. При выходе на равнину такие временные водные потоки откладывают материал, который они несли, в виде веерообразного в плане устьевого конуса выноса, или фена, или сухой дельты (рис. 6.8 а).
Рис. 6.8 а. Пролювиальный конус выноса и паковый лед. Залив Маккинли,
остров Северный Элсмер, Канада (фото Jonathan Devaney)
Подобный материал еще в 1903 г. геолог А. П. Павлов выделил в особый генетический тип — пролювий. Конус выноса образуется потому, что водный поток при выходе на равнину теряет свою живую силу и взвешенный в нем материал осаждается. Происходит это в условиях гидродинамической обстановки свободного растекания водного потока. Так как скорость течения потока резко падает, то сначала выпадают в осадок наиболее крупные обломки, затем мелкие и дальше всех наиболее тонкие частицы. Поэтому конусы выноса, или сухие дельты, обладают четкой фациальной зональностью: сначала формируется потоковая, самая грубая фация, потом веерная и дальше всех — застойно-водная, сложенная из наиболее тонкого материала (рис. 6.9).
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
Пролювий наиболее характерен для семиаридных и аридных областей, но встречается и в более влажных климатических областях в горных районах, а также в равнинных, где слагает конусы выноса крупных оврагов.
6.2. 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 условий. 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.
Расход воды определяется объемом потока в единицу времени на единицу площади, обычно м3/с (Q = Vср ⋅ 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 м3/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, m — масса воды,V — 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 Мабр. = V2, где V — скорость течения. Так как водный поток 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+, Ca+2, K+. 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 — переносятся 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. 6.11б).
Во время паводков происходит усиление переноса материала в реке.
а 
б 
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)
Перенос материала от истока к устью реки сопровождается его сортировкой и абразивным истиранием (рис. 6.12).
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 ∆ — 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 разнозернистых 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 разнозернистостью 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. Меандрирующая река может снова перекрыть русловым аллювием старичный,
и тогда последний переходит в погребенное состояние.
Рис. 6.13. Развитие меандры и перехват реки с образованием старицы.
На отмелом берегу 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
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 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. 6.14 а).
Рис. 6.14 а. Долина р. Кумбецсу, ТяньШань. На втором плане
виден грубый русловой аллювий (фото А. А. Зарщикова)
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).
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
Соответственно этим частям долин горных рек меняется и аллювий: от грубого, несортированного, плохо окатанного, содержащего 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 50–
60 кг/м3, тогда как в равнинных реках он не достигает и 0,5–1 кг/м3.
Рис. 6.16. Долина р. Армань, северо-восток России. Хорошо видны долина,
заполненная аллювием, и ветвящиеся русла
Рис. 6.17. Долина р. Терек в Эльхотовских воротах в Предкавказье.
Хорошо видны старые русла (аэрофотоснимок)
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).
Рис. 6.18. А. Схема разреза аллювия равнинной реки в перстративную
фазу аккумуляции (по Е. В. Шанцеру):
А — русло и прирусловая отмель; В — пойма; В1–В3 — разновозрастные участки поймы,
образовавшиеся за три последовательные стадии развития меандр
(стрелки под рисунком — соответствующие этим стадиям направления смещения русла);
b1–b3 — 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 аллювиальной 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; h1, h2 — горизонты межени
в старицах; М — нормальная мощность аллювия; Мs — общая мощность аллювия
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.
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 старичные фации перекрываются более молодыми фациями. Горизонты аллювия как бы настилаются один на другой и перекрывают друг друга (см. рис. 6.18).
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 этап 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.
6.3. Устьевые части рек, дельты и эстуарии
Крупные реки впадают в моря и океаны, более мелкие — в озера и крупные реки. В том месте, где русло нижнего течения реки — устье —выходит к морю, образуется самостоятельный в ландшафтном и геологическом отношении район, называемый дельтой (по сходству в плане с буквой ∆ греческого алфавита) (рис. 6.19).
Рис. 6.19. Дельта Волги. Штриховкой показаны районы дельты,
появившиеся в связи с понижением уровня Каспийского моря
Дельта — это верхняя, в основном надводная, часть аккумулятивного конуса выноса в устье реки (рис. 6.19 а).
Рис. 6.19 а. Дельта реки в районе Грили Фьёрд
(Канада, о. Эллсмир; фото D. Devaney)
Дельты характеризуются плоским, низменным рельефом, часто наличием многочисленных рукавов, ответвляющихся (фуркирующих) от главного русла реки, образующих веерообразную структуру. Содержащаяся в речной воде взвесь обломочного материала и русловой аллювий выпадают в осадок при потере рекой живой силы. Во внешней части дельты все время происходит взаимодействие морских и континентальных обстановок, а также различающейся по составу морской и речной воды. За краем континентальной части дельты, там, где начинается взморье, располагается авандельта (передовая дельта), а еще дальше в открытом море — продельта, накопление осадков в которой идет только за счет выпадения взвешенных частиц (рис. 6.20).
Рис. 6.20. Основные черты морфологии дельты в поперечном разрезе.
Вертикальный масштаб сильно увеличен (по R. K. Matthews, 1974)
Для того чтобы дельта сформировалась, необходимы сток донных и взвешенных частиц и медленное, но непрерывное тектоническое опускание района. Если река не разделяется на рукава, то сток главного русла вызывает размыв дна (приустьевая яма), а мористее — возникновение бара, или осередка. В дельтах течение рек часто замедляется из-за приливов и ветровых нагонов. Морская соленая вода, как более плотная и тяжелая, в придонной части реки проникает в виде клина вверх по течению и отделяет более легкую речную воду от дна, из которой начинается выпадение взвешенных частиц. Этому выпадению способствует процесс флокуляции — слипания мелких частиц в более крупные, что происходит под влиянием морской воды. Но основная масса наносов откладывается в пределах авандельты и свала глубин, т. е. четко выраженного уступа. Наносы скатываются с этого уступа и наращивают его. Поэтому дельта все время продвигается мористее, нередко образуя огромные подводные конусы, как, например, у Ганга, Инда и других крупных рек. При этом в осадках формируется наклонная слоистость, когда чередуются более грубые и тонкие слои, обусловленные сезонным стоком (рис. 6.21 и рис. 6.21 а).
Рис. 6.21. Строение дельты реки, впадающей в море
Рис. 6.21 а. Косая слоистость в песчаснниках нижнего триаса
(Канада, о. Эллсмир; фото D. Evoy)
В пределах продельты формируются тонкие илистые осадки, иногда отделенные от авандельты.
Жизнь дельты тесно связана с объемом водного материала, поведением базиса эрозии и тектоническими движениями (рис. 6.21 б).
Рис. 6.21 б. Дельта р. Маккензи, СевероЗападная Канада.
Видны многочисленные термокарстовые озера и узкий канал
р. Маккензи с бурой водой (фото Clint Tippett)
Разветвленная и сложная дельта Волги во время понижения уровня Каспийского моря на 1 м 45 см в 1927–1940 гг. прирастала на 370 м ежегодно, сокращалось количество водотоков, к дельте причленялись участки обнажившегося морского дна. Нередко дельты меняют свое положение (рис. 6.22, 6.23). Так, за последние 6 тыс. лет р. Миссисипи сформировала семь различных дельт. Точно так же в устье Енисея за последние 7 тыс. лет образовались четыре отдельные дельты.
Собственно дельта на современных морских окраинах может возникнуть в двух случаях: либо реки несут огромное количество наносов, например более 100 млн т в год в реках Янцзы, Хуанхэ, Миссисипи, Ганг, Брахмапутра, Меконг, Ориноко, либо преобладание восходящих тектонических движений, которые компенсируют эффект эвстатического поднятия уровня моря. Если морские побережья в новейшее время испытывают отрицательные тектонические движения, то образуются протяженные от 200
до 1000 км морские заливы, вдающиеся, ингрессирующие в сушу губы: Обская, Енисейская, Колымская, Печорская и др. Дельты занимают около 9 % из общей протяженности побережий Мирового океана и поглощают ежегодно 18,5 млрд т рыхлых продуктов, что составляет 67 % всех терригенных осадков, поступающих в Мировой океан. Наносы, поступающие в авандельту, создают, согласно А. П. Лисицину, первый глобальный пояс «лавинной» седиментации. Объем осажденного материала в дельтах за голоцен, т. е. за последние 10 тыс. лет, составляет от 3,5 до 350 км3. На эволюцию дельт влияют вековые и многолетние изменения уровня океана, морей и озер. В период регрессий — понижения уровня моря — дельты смещаются в сторону моря, а речное русло врезается. При трансгрессиях — повышениях уровня моря — дельты превращаются в залив, лагуну.
Следует отметить, что в дельтах накапливается огромное количество органического материала, который в будущем может дать месторождения нефти. Поэтому так важен поиск древних дельтовых отложений. Когда климат холодный и влажный — дельты выдвигаются в море, т. к. возрастает сток наносов; если климат теплый и сухой — рост дельт замедляется и может смениться их размыванием.
Рис. 6.22. Схема эволюции дельты р. Сулака в XIX и XX вв.
Рис. 6.23. Различные типы дельт. А — р. Тибр, Италия; Б — р. Миссисипи, США;
В — р. Волга, Россия; г — р. Дунай, Румыния; Д — р. Муррей, США
Эстуарии представляют собой узкие заливы, располагающиеся на месте впадения рек в море. Возникают они там, где происходят нисходящие тектонические движения или повышение уровня моря, приливы и отливы и где взаимодействуют морские и континентальные обстановки осадконакопления (рис. 6.24).
Рис. 6.24. Схематические блок-диаграммы эстуариев. Наверху — частично перемешанный
эстуарий (тип В) Северного полушария: А — вид сбоку; Б — вид со стороны суши.
Внизу (В) — резко стратифицированный эстуарий (тип А)
(по J. R. Schubel, D. W. Pritchard, 1972)
Море подтапливает устьевую часть реки, проникая далеко в сушу, а волна прилива проникает вверх по течению реки на десятки километров, как, например, в р. Пенжина, впадающей в Охотское море. Наносы, которые доставлются рекой, размываются вдоль береговыми течениями, и поэтому дельта в таких речных устьях не образуется.Эстуарии хорошо выражены в устьях Темзы, Эльбы, Сены, Пенжины и др. Если морские воды в отсутствие приливов и отливов затапливают приустьевую часть речной долины, то возникают лиманы, например Бугский, Днестровский, Днепровский на Черном море (рис. 6.25).
Рис. 6.25. Палеогеографическая схема Каспийского и Черноморского бассейнов
для среднего и начала позднего плиоцена (акчагыл) (по Е. Е. Минановскому).
1 — контуры среднеплиоценовых бассейнов — Южно-Каспийского бассейна
начала балаханского века, гипотетического Приэльбрусского и др.;
2 — глубоко врезанные среднеплиоценовые речные долины Каспийского бассейна,
установленные; 3 — то же, предполагаемые; 4 — контуры среднеплиоценового
Черноморского бассейна (киммерийского и, может быть, раннекуляльницкого);
5 — акчагыльский бассейн Каспия во время максимальной трансгрессии;
6 — наземные аккумулятивные равнины (аллювиальные, дельтовые и пр.)
акчагыльского времени; 7 — гипотетический Черноморский бассейн,
равный второй половине (?) акчагыльского века
6.4. Развитие речных долин и формирование речных террас
В своем развитии любая река проходит ряд стадий: от молодости до зрелости.
На ранней стадии своего заложения в реке преобладают донная эрозия, узкая, неразработанная долина V-образной формы, грубый, плохо сортированный аллювий, накапливающийся лишь в отдельных местах и часто сносимый в половодье. Продольный профиль долины реки в эту стадию — крутой в верховьях, изобилует неровностями и перепадами.
Зрелая стадия формирования реки предполагает расширение долины за счет усиления боковой эрозии вследствие меандрирования. Начинает формироваться пойма, как низкая, так и высокая, образуются террасы, продольный профиль реки становится выровненным, стремящимся приблизиться к базису эрозии. Меандровый пояс во много раз шире самой реки, поэтому долина приобретает ящикообразную форму.
Наконец, в стадии старости долина реки расширяется еще больше, за счет меандрирования образуется много заболоченных стариц, продольный профиль выполаживается еще больше, течение замедляется. Река не может переносить много материала и постепенно заиливается и зарастает.
Река стремится к выработке профиля равновесия, т. е. к такому профилю ложа реки, в каждой точке которого количество эродируемого материала равно количеству аккумулируемого.
Однако на подобный идеальный ход эволюции реки и речной долины влияет много факторов и прежде всего тектонические движения и изменение базиса эрозии. Понижение базиса эрозии сразу же вызывает усиление врезания реки, более активный вынос аллювия, формирование террас. Спуск оз. Севан в Армении на несколько десятков метров за последние 50–60 лет привел к понижению уровня грунтовых вод, быстрому врезанию всех речек, впадавших в озеро, образовавших узкие ущелья. Геологические данные свидетельствуют о том, что в середине плиоцена, примерно 3 млн лет назад, уровень Каспийского моря был на 500 (!) м ниже современного (см. рис. 6.25). Сохранилась лишь ванна Южного Каспия. Реки, впадающие в Каспий, — Волга, Терек, Кура и другие, выработали очень глубокие долины, по существу ущелья. Дельта Волги находилась на месте современного Апшеронского полуострова. Из мощной толщи песчаных дельтовых отложений сейчас добывают нефть. Затем, в позднем плиоцене, в акчагыльский век, уровень моря стал быстро подниматься. Все долины оказались затопленными и выполненными осадками, а море по Волге проникло в верховья того места, где находятся современные Набережные Челны на Каме.
Тектонические неравномерные движения оказывают большое влияние на формирование речной долины и ее профиля равновесия. Тектоническое поднятие района, по которому протекает река, вызывает изменение продольного профиля реки, ее врезание, сужение долины. Если долина к этому времени уже была хорошо разработана, то река, стремясь выработать новый профиль равновесия, врезается в дно долины, образуя террасу. И так может продолжаться несколько раз. В долине реки вырабатывается лестница надпойменных террас, которая является отражением тектоники. Террасы бывают трех видов: 1) аккумулятивные, 2) цокольные, 3) эрозионные (рис. 6.26).
Рис. 6.26. Строение и типы террас. 1 — река, 2 — пойма,
3 — 1-я надпойменная цокольная терраса,
4 — тыловой шов террасы, 5 — бровка террасы, 6 — уступ террасы,
7 — коренные породы, 8 — эрозионная терраса
Аккумулятивные надпойменные террасы полностью сложены аллювием, что хорошо видно в их уступе. В цокольных террасах обнажаются коренные породы (цоколь), перекрытые аллювиальными отложениями, а в эрозионных террасах выражена только площадка, но аллювий отсутствует или на выровненной поверхности террасы располагаются его остатки, иногда лишь отдельные гальки.
Таким образом, каждая речная терраса отражает один временной эпизод развития долины, который начинается с врезания и заканчивается выработкой боковой эрозии днища долины (площадки). В любой террасе различаются: площадка — выровненная поверхность, уступ террасы с бровкой — местом перегиба склона и тыловой шов, располагающийся там, где площадка нижележащей террасы сочленяется с уступом вышележащей или с коренным склоном (рис. 6.27).
Рис. 6.27. Схема формирования речных террас. Во время поднятия территории или понижения
базиса эрозии река врезается в коренные породы и начинает снова разрабатывать долину.
При новом поднятии процесс повторяется. 1 — река;
2 — аллювий; 3 — коренные породы; 4 — поднятие
Тектонические поднятия или опускания могут захватывать не все пространство течения реки. Они проявляются лишь местами, поэтому террасовый ряд на крупных реках имеет сложный характер, анализируя который можно выявить направленность и скорость тектонических движений (рис. 6.28). Особенно ярко эта картина наблюдается
в долинах горных рек, на пути которых нередко происходят очень большие перемещения по тектоническим разломам, вследствие которых продольный профиль долины носит ступенчатый характер, а одновозрастные террасы находятся на разной высоте. При выходе на предгорную равнину в горных реках наблюдаются ножницы террас, когда аллювий более молодых, низких террас оказывается выше более древнего аллювия, погребенного в предгорном прогибе. Примером развития горной реки может служить продольный профиль долины р. Терек на Северном Кавказе.
Рис. 6.28. Антецедентные долины рукавов р. Гирдыманчая, прорезающие растущую
Карамарьянскую антиклиналь у сел. Падар (по В. А. Гроссгейму)Реки очень чутко реагируют на любые тектонические движения. Если скорость локального тектонического поднятия равна скорости эрозии протекающей здесь реки, то возникает наложенная, или антецедентная, долина, по существу ущелье, хотя выше и ниже по течению от этого поднятия долина реки широкая. Нередко наблюдается такое явление, как перехват рек. Продольные профили рек местами осложняются выступами твердых пород. Тогда на реке образуются пороги, а если уступы пород велики — то водопады. Как правило, водопады образуются там, где на поверхности, т. е. выше, залегают более твердые породы, чем ниже. Вода, обрушиваясь с отвесного уступа вниз с высоты десятки метров, выбивает в днище реки водобойный колодец, над которым нависает обрыв из более твердых пород, наконец часть пород обрыва падает вниз, и водопад отступает. Так, с 1875 г. Ниагарский водопад в канадской своей части отступал со скоростью до 1,2 м/год.
В местах, в которых вода бурно течет по коренным породам, крупные валуны, попав в небольшое углубление и непрерывно вращаясь, расширяют его, как бы высверливая, образуя эверзионные котлы, в изобилии развитые, например, в Большом каньоне Крымских гор.