Денудационно-аккумулятивный процесс и его роль в рельефообразовании

Лекция 6 ДЕНУДАЦИОННО-АККУМУЛЯТИВНЫЙ ПРОЦЕСС И ЕГО РОЛЬ В РЕЛЬЕФООБРАЗОВАНИИ В ходе развития экзогенных процессов образуются сравнительно небольшие формы рельефа (уровня мезо- микро- и нано), которые усложняют существующий рельеф, придают своеобразный облик каждой конкретной территории. Работу экзогенных процессов сравнивают с работой скульптора, который из глыбы гранита создает произведение искусства – скульптуру, поэтому формы рельефа экзогенного происхождения называют морфоскульптурой. Форма рельефа редко создается одним экзогенным процессом, чаще действуют сразу несколько, поэтому выделяют ведущий процесс, который придает основные черты данной форме. Например, в речной долине развиваются склоновые процессы с образование оползней; эрозионные с образование балок и оврагов, но ведущим будет флювиальный процесс, создавший речную долину. Каждый процесс, развиваясь на определенной территории, в одинаковых климатических условиях создает не одну форму, а комплекс форм. Комплекс форм рельефа, образованных ведущим процессом и находящихся в определенном сочетании друг с другом, называют генетическим типом рельефа (например, ледниковый холмисто-западинный, эрозионный овражно-балочный, эоловый грядовый). Ведущим фактором экзогенного рельефообразования является климат. Климат подчинен зональности, поэтому зональный характер носят тип и интенсивность развития экзогенных процессов, и соответственно зонально меняются создаваемые экзогенными процессами формы рельефа. В настоящее время выделено 12 типов морфоскульптуры, но почти половину всей суши занимают области флювиальной (28%) и аридной (23%) морфоскульптуры. В современном рельефе довольно широко распространены реликтовые формы экзогенного генезиса (см. гл. 1.1). В зависимости от того, какой агент – вода, ветер или лед осуществляет денудационно-аккумулятивный процесс, образуются разные формы денудационного и аккумулятивного рельефа. Аккумуляция – процесс противоположный денудации и зависящий от нее. Аккумулятивные формы рельефа сложены осадками разного генезиса. Под генетическим типом отложений понимают отложения, возникающие в результате действия какого-либо экзогенного процесса. Генетические типы отложений различаются, прежде всего, по положению в рельефе, по формам поверхности и формам залегания. 6.1. ВЫВЕТРИВАНИЕ Прежде чем горные породы будут вовлечены в процесс переноса, они должны быть подготовлены, разрушены. Во время образования горной породы в условиях высоких температур и давления формируются устойчивые внутренние связи. Когда горные породы оказываются на поверхности, в других условиях температуры и давления, то эти связи становятся неустойчивыми, и горные породы и минералы разрушаются. Выветривание – часть денудационного процесса (см. гл. 1.1), совокупность процессов разрушения, разрыхления минералов и горных пород и их физико-химического изменения в приповерхностных условиях под действием атмосферных, гидросферных и биосферных процессов. Выделяют два основных типа выветривания: физическое (механическое) и химическое (биохимическое). Обычно они осуществляются совместно, только в разных соотношениях. Физическое выветривание заключается в растрескивании и дроблении горной породы на обломки разной формы и разного размера от крупных глыб до песка. Оно не приводит к изменению состава горных пород и минералов. Физическое выветривание является следствием различных физических процессов: - резких суточных колебаний температуры воздуха – температурное выветривание, наиболее активно протекающее в пустынях с резкоконтинентальным климатом и в горах, особенно на склонах южных экспозиций. Наиболее интенсивно разрушаются темноокрашенные породы, поскольку они сильнее нагреваются, и полимерные породы из-за разного коэффициента объемного расширения; - замерзания и оттаивания воды в трещинах – морозное выветривание, наиболее развитое в полярных областях и высоко в горах; - попадания соли в поры и трещины горных пород и образования кристаллов вследствие испарения воды, поднимающейся по капиллярам из более глубоких горизонтов. Это – солевое выветривание, развивающееся в жарком сухом климате пустынь; Химическое выветривание приводит к изменению химического состава исходной породы и образованию новых вторичных соединений, то есть изменению минералогического состава. Вода – главный агент химического выветривания. Даже чистая вода агрессивна и стимулирует активность растворенного в ней кислорода, углекислого газа, органических веществ. Интенсивность химического выветривания зависит от температуры и влажности и резко усиливается за счет живых организмов. Влияние живых организмов не ограничивается только механическим разрушением горных пород животными и корневой системой деревьев. С появлением биоты литосфера обогатилась рядом минералов и горных пород. Биота также регулирует состав атмосферы. Выделяемые живыми организмами активные газы (О, СО2, Н2) и органические кислоты ускоряют разрушение горных пород и минералов. Основоположник геохимии В.И. Вернадский говорил, что выветривание – сложный процесс и его нельзя сводить только к физико-химическим явлениям Это процесс биокосный, то есть биогеохимический. Никакого стерильного выветривания горных пород не существует. Если высоко в горах сковырнуть накипь лишайника, то под ним окажется основательно разрушенный слой породы. Основные разрушители – бактерии, водоросли и грибы, но работают они только в присутствии воды. Вода же и уносит разрушенную породу. Таким образом, химическое выветривание происходит под воздействием воды, кислорода и углекислоты воздуха, а также биохимических процессов, связанных с жизнедеятельностью организмов, особенно бактерий. Основные реакции, протекающие при химическом выветривании – окисление, гидратация, растворение и гидролиз. Окисление происходит под воздействием влаги воздуха и свободного кислорода, содержащегося в воде. Оно выражается переходом закисных низковалентных соединений в окисные высоковалентные (например, переход магнетита в гематит). В процессе окисления изменяется окраска горных пород, появляются желтые, бурые и красные тона. Процесс гидратации заключается в поглощении минералами кристаллизационной воды, в присоединении молекул воды безводными минералами. Как правило, в первичных минералах воды нет, а почти все вторичные минералы содержат воду. Наиболее известным примером гидратации, протекающей в природных условиях, является переход ангидрита в более устойчивый в поверхностной зоне гипс. Растворение и гидролиз происходят при совместном воздействии на породу воды и углекислоты, вследствие чего минералы разлагаются с разрушением и перестройкой их кристаллических решеток, удаляются отдельные элементы и образуются новые глинистые минералы. Например, при гидролизе основных и ультраосновных пород образуются монтмориллонит, нонтронит и бейделлит; при гидролизе кислых пород, содержащих полевые шпаты и слюды - гидрослюды и каолинит. Широко распространенным видом гидролиза является каолинизация алюмосиликатов. Например, при гидролизе ортоклаза образуются поташ, опал и каолин. Процессы физического и химического выветривания взаимосвязаны и происходят одновременно. Преобладание того или иного типа выветривания зависит от физико-географических условий. В аридных условиях, в высокогорных и полярных областях, где нет влаги в жидкой фазе, господствует физическое выветривание. Во влажных умеренных, тропических и субтропических областях преобладает химическое выветривание. Все же физическое выветривание опережает, оно подготавливает породу к химическому выветриванию. Чем мельче раздроблена порода, тем интенсивнее будет протекать химическое выветривание. В результате сложных процессов химического выветривания возникают многочисленные новообразования гипса в виде друз («каменные розы»), углекислой извести в виде конкреций («журавчики», «белоглазка»), марганца в виде налетов и выцветов («пустынный загар»). С глубиной процесс химического выветривания затухает, так как уменьшается количество кислорода и углекислого газа. Физическое и биохимическое выветривание приводит к образованию двух основных групп продуктов: - подвижные растворимые соединения (сода, щелочи и др.), которые вовлекаются в процесс миграции и уносятся в более глубокие слои за пределы зоны выветривания; - остаточные соединения, остающиеся на месте разрушения горной породы, устойчивые в данных климатических условиях. Остаточные продукты выветривания представляют собой особый генетический тип отложений – элювий – рыхлый материал, состоящий из обломков исходных пород и минералов и новых минералов, глинистых образований и даже коллоидных соединений устойчивых в данных климатических условиях. Как генетический тип отложений элювий характеризуется следующими признаками: залегание на месте распада материнской породы; отсутствие слоистости, сортировки и окатанности, уменьшение степени изменения материнской породы по мере углубления, образование неровной карманообразной нижней границы. Сходное определение имеет кора выветривания – комплекс горных пород, возникших в верхней части литосферы в результате преобразования в континентальных условиях магматических, метаморфических и осадочных горных пород под влиянием различных факторов выветривания. Как и элювий, кора выветривания формируется в зоне просачивания, аэрации и выходит за границу этой зоны до верхнего горизонта грунтовых вод только по зонам дробления, чем и объясняется неровность нижней границы. По А.И. Перельману элювий и кора выветривания – понятия идентичные. По его определению кора выветривания – закономерно построенный элювиальный профиль, развивающийся на исходных породах путем преобразования их вещества. Б.Б. Полынов рассматривал кору выветривания очень широко вплоть до включения в нее осадочных пород всех генетических типов. Сейчас одни придерживаются взглядов А.И. Перельмана, другие считают, что все же кора выветривания более широкое понятие. В самой верхней части коры выветривания в результате биохимических процессов, протекающих под влиянием биоты, в том числе микроорганизмов и продуктов их отмирания, формируются почвы. Почва – естественно-историческое тело, обладающее плодородием. В профиле почв выделяется несколько генетических горизонтов: перегнойно-аккумулятивный верхний горизонт, где накапливается гумус; элювиальный – горизонт вымывания и иллювиальный – горизонт вмывания и накопления вещества, вымываемого из верхних горизонтов. С геохимической точки зрения кора выветривания – рыхлые продукты изменения горных пород, образующиеся под почвой за счет поступивших из нее растворов. В отличие от почвы в коре выветривания не происходит аккумуляции элементов под влиянием растений. По остальным признакам кора выветривания близка к почве. Для нее также характерна инфильтрация атмосферных осадков, выщелачивание растворимых соединений, выветривание первичных силикатов (соли кремниевой кислоты) с образованием глинистых минералов; формирование профиля, расчлененного на горизонты; наличие окислительно-восстановительной зональности и геохимических барьеров. Состав, мощность и другие свойства коры выветривания зависят от состава исходной породы, физико-географических условий, стадии развития коры выветривания и возраста рельефа. Основатель геохимии ландшафта Б.Б. Полынов выделил четыре стадии развития коры выветривания (рис. 16): Рис. 16. Стадии развития коры выветривания изверженных пород (Геохимия, 1989) - на стадии обломочной коры выветривания накапливаются щебнистые и глыбовые обломки горных пород без химических изменений, то есть сохраняются все химические элементы исходной породы, вторичные минералы не образуются; - на стадии обызвесткованной коры начинается процесс химического выветривания. Из элювия выносятся хлориды и сульфаты, поэтому формируется щелочная среда. Образуются гидрослюды и другие промежуточные глинистые минералы (бейделлит, монтмориллонит). Элювий обогащен известью (СаСО3). На поверхности щебня образуются белые прожилки, конкреции и корочки кальцита. Кремний и алюминий присутствуют в элювии в виде мусковита и его разновидности серицита; - на стадии кислой сиаллитной (каолиновой) коры выветривания щелочные условия сменяются на кислые. Происходит вынос всех легкорастворимых соединений - хлоридов, сульфатов и карбонатов Na, Са, Мg и некоторая часть кремнезема. На месте остаются малоподвижные окислы Fe (кроваво-красный гематит, охристый лимонит и др.), гидроксиды Al (боксит). Часть кремнезема связана с алюминием во вторичный очень устойчивый глинистый минерал каолинит (Као-Лин – название горы в Китае, где впервые нашли фарфоровую глину). Каолинит образуется на кислых и средних магматических породах, на ультраосновных - зеленовато-желтый нонтронит; - стадия аллитной коры названа так из-за накопления в ней Аl. На этой стадии все первичные минералы замещены каолинитом (метагаллуазит – минерал группы каолина) и гидроксидами Fe и Al, входящими в состав бокситов, бурого железняка, опала, то есть соединениями, наиболее устойчивыми в поверхностных условиях земной коры. На основе степени изменений исходных горных пород и характера этих изменений выделяют несколько типов коры (латеритный, сиаллитный и др.), которые делятся на виды в зависимости от минералогического состава конечных продуктов выветривания (каолинитовый, монтмориллонитовый и др.). Н.М. Страхов проследил зависимость скорости выветривания и конечной стадии развития от физико-географических условий (рис. 17). Обломочная кора развита в зоне пустынь и в тундре. Гидрослюдисто- монтмориллонитово-бейделлитовая кора характерна для зоны степей умеренного пояса и опустыненных саванн, где гидролиз неразвит из-за малого количества осадков. В таежно-подзолистой зоне на кислых и средних магматических горных породах формировалась каолинитовая кора выветривания, на ультраосновных магматических породах – нонтронитовая. Рис. 17. Схема образования коры выветривания на тектонически неактивных площадях (Иванова, 1980): 1 – коренная порода; 2 – зона дресвы, химически малоизмененной; 3 – гидрослюдисто-монтмориллонитово-бейделлитовая зона; 4 – каолинитовая зона; 5 – охры Al2O3; 6 - панцирь Fe2O3 + Al2O3 Латеритная кора (лат. – кирпич), названная из-за кирпично-красного цвета, распространена в районах тропического влажного климата на основных и ультраосновных магматических породах. Мощность коры выветривания является важным показателем длительности процесса выветривания. В областях новейшего горообразования, где активны тектоника и денудация, за которыми не успевают процессы химического выветривания, не образуются мощные коры выветривания с полностью развитым элювиальным профилем. Большая мощность коры выветривания (200- 500 м) свидетельствует о значительной продолжительности элювиального процесса, происходившего в прошлые геологические эпохи. Кора выветривания, сохранившаяся до настоящего времени, называется ископаемой, или древней корой, которая может находиться в погребенном состоянии или выходить на дневную поверхность, резко не соответствуя современным климатическим условиям. Древние коры выветривания хорошо сохранились на платформах, где денудация протекает слабо. Установлена тесная взаимосвязь областей распространения мощной коры выветривания с древними уровнями выравнивания рельефа (см. гл. 4). Причиной такой связи является совпадение во времени крупных эпох корообразования и этапов выравнивания. Мощные покровы древней коры выветривания приурочены в основном к трем поверхностям выравнивания, выраженным в современном рельефе: раннемезозойской (триас-юра), позднемезозойской (юра-мел) и мел-палеогеновой. На молодых поверхностях выравнивания кора выветривания маломощная. Количественным подтверждением связи коры выветривания с поверхностями выравнивания являются расчеты, выполненные на основании наблюдений за современным выветриванием. Скорость современного выветривания в тропических широтах в среднем 1см в 600 лет. Значит, для образования коры мощностью 150 м понадобится 9-10 млн. лет, а если мощность коры 300-400 м, то 20-30 млн. лет. Примерно такая же длительность формирования устанавливается для поверхностей выравнивания типа пенепленов. Изучение коры выветривания имеет большое теоретическое и практическое значение. В результате устанавливаются особенности климата данной местности в период формирования коры, особенности исходной породы, решается проблема возраста рельефа. К древней коре выветривания приурочены месторождения многих полезных ископаемых, в том числе железных руд, бокситов, охры, каолина, никеля. 6.2. СКЛОНЫ И СКЛОНОВЫЕ ПРОЦЕССЫ Рельеф земной поверхности состоит из сочетания субгоризонтальных поверхностей, где остается часть продуктов выветривания, и склонов, по которым осуществляется их транзит и переотложение. К склонам относят такие поверхности, на которых определяющую роль в перемещении вещества играет составляющая сила тяжести, ориентированная вниз по склону. На склоны приходится почти 80% поверхности суши, что и определяет важность изучения генезиса склонов и происходящих на них процессов. При больших скоростях перемещение вещества по склону можно измерить непосредственно. При малых скоростях наличие перемещений вещества можно выявить путем изучения морфологии склонов и строения склоновых отложений. Особенности формирования склонов отражаются, прежде всего, в их морфологии. Склоны классифицируются по крутизне, длине, форме продольного профиля, особенностям экзогенных склоновых процессов. По крутизне склоны могут быть очень крутыми (более 35о), крутыми (35 - 15о), средней крутизны (15 - 8о), пологими (8 - 4о) и очень пологими (4 – 2о). Крутизна склонов определяет характер и интенсивность склоновых процессов, а также возможные пути использования территории в хозяйственной деятельности человека. По длине выделяют склоны длинные (более 500 м), средней длины (500 - 50 м) и короткие (менее 50 м). Длиной определяется количество осадков, поступающих на поверхность склона, и как следствие – разное увлажнение, от которого зависит интенсивность склоновых процессов. По форме продольного профиля склоны могут быть прямыми, выпуклыми, вогнутыми, ступенчатыми и сложными (рис. 18). В форме склона отражается процесс взаимодействия эндогенных и экзогенных сил. В. Пенк выделил три типичных случая формы склонов. При восходящем развитии рельефа происходит рост горных сооружений, а темп глубинного вреза и денудации отстает от скорости поднятий. В этих условиях формируются склоны с выпуклым профилем. Если скорости поднятия и денудации равны, то рельеф сохраняет абсолютную и относительную высоту и почти неизменный морфологический облик. В этом случае формируются прямые склоны. При нисходящем развитии рельефа, когда скорость поднятия меньше скорости денудации, преобладают вогнутые склоны. Эти представления схематизированы и справедливы только при рассмотрении рельефа в глобальном масштабе. В действительности формы склонов чаще сложные выпукло-вогнутые или ступенчатые. Рис. 18. Морфологические типы склонов (по Кизевальтеру и др., 1981): А– прямые, Б – выпуклые, В – вогнутые, Г – ступенчатые В продольном профиле склона обычно выделяют четыре элемента: приводораздельный склон (1-3о), бровка (выпуклый элемент), уступ (крутой элемент 35о и больше) и вогнутый склон подножия. Уже в процессе образования склоны подвергаются обработке комплексом склоновых процессов. Склоновая денудация – основной поставщик материала, из которого потом образуются разные генетические типы отложений (аллювиальные, морские, ледниковые и др.), но при этом формируются и собственно склоновые отложения. По особенностям склоновых процессов и типу движения обломочного материала С.С. Воскресенский выделил четыре основных группы склонов: склоны собственно гравитационные, склоны блоковых движений, склоны массового смещения рыхлого чехла покровных отложений и склоны делювиальные (плоскостного смыва). Склоны собственно гравитационные очень крутые (35-40о и более). Движение обломков на таких склонах происходит путем падения или скатывания под действием силы тяжести. К ним относятся обвальные, осыпные и лавинные. Обвальные склоны. Обвал – это отрыв крупных масс скальных пород вследствие потери сцепления в результате выветривания или землетрясений. Процесс обваливания носит катастрофический характер. В результате обвала вверху склона образуется стенка срыва и ниша, а у подножия накапливается крупнообломочный материал, образующий беспорядочный холмистый микрорельеф. Обвалы происходят в основном в горах, но возможны и на равнинах. Объемы обвалившейся породы могут быть очень большими. Например, при обвале в долине реки Мургаб на Памире их объем составил более 2 куб. км, а вес – около 7 млрд. т. Небольшие обвалы называются камнепадами. Осыпные склоны. Осыпание – процесс постепенного скатывания и скольжения обломочного материала по склонам, наиболее распространенный в мергелях и глинистых сланцах. В верхней части осыпного склона возникает амфитеатр, сложенный обнаженной коренной породой. Продукты выветривания (щебень, дресва) механически воздействуют на склон и вырабатывают осыпной лоток – транзитную часть осыпного склона глубиной 1-2 м и шириной несколько метров. У подножия склона образуется конус осыпи. Осыпные конусы при слиянии друг с другом и с обвальным материалом образуют подгорные шлейфы, сложенные коллювием (лат. - скопление). Как генетический тип отложений коллювий состоит из обломков разного размера и отличается слабой сортировкой. Наиболее мелкий материал откладывается в подножии склона, а крупные обломки откатываются на значительные расстояния. Лавинные склоны. Лавина – снежная масса, падающая или соскальзывающая с крутых склонов гор и обладающая большой разрушительной силой. Путь лавины прослеживается по рытвинам и лавинным прочесам – полосам поваленных деревьев. В области аккумуляции образуется лавинный конус, состоящий из снега, перемешанного с обломочным материалом. Склоны блоковых движений формируются при движении вниз по склону массы горных пород в форме единого тела. Смещение вызвано не только силой тяжести, но и режимом поверхностных и грунтовых вод, наличием водоупорных горизонтов. Водоупорный горизонт служит поверхностью скольжения. К этой группе относятся оползневые склоны. Оползание – процесс смещения сверху вниз горных пород в виде скользящего движения по водоупорному горизонту без потери контакта между движущимися и неподвижными породами на довольно крутых склонах (20-40о). При оползании образуется комплекс форм микрорельефа: оползневой цирк – денудационная часть оползня чашевидной формы с уступом, или стенкой срыва; тело оползня – вытянутая вниз по склону бугристая или ступенчатая масса пород; оползневой вал – напорное образование перед фронтом оползня (рис. 19). Рис. 19. Рельеф и строение оползня ( Кизевальтер и др., 1981). В разрезе: 1 – тело оползня; 1а - тыловая и 1б – лобовая (фронтальная) части; 2 – оползневое ложе; 3 – стенка отрыва; 4 – оползневая западина; 5 – оползневая терраса; 6 – озерца; 7 – бугры выпирания с трещинами и оползневыми складками; 8 – трещины бортового отпора; 9 – внешняя гряда выпирания с трещинами; 10 – брекчии и глины трения; стрелка – направление стока подземных вод; пунктир – первоначальная форма склона Склоны массового смещения рыхлого чехла покровных отложений. При этом виде движений материал смещается всей массой. Особенности смещения определяются консистенцией массы, которая зависит от количества содержащейся в ней воды. Массовое смещение происходит на склонах разной крутизны – от 40 до 3о. К этой группе склонов относятся, прежде всего, солифлюкционные склоны. Солифлюкция (лат. – почва и течение) – быстрое или медленное течение переувлажненного грунта, происходящее вследствие сезонного оттаивания грунтов в областях распространения многолетней мерзлоты (см. гл. 8.2.). Солифлюкция протекает с довольно большой скоростью (3-10 м/год), но в процесс вовлекается слой мощностью не более 60 см, поэтому образуются мелкие формы рельефа: натечные террасы, языки, фестоны. Во влажных тропиках вследствие переувлажнения грунта за счет большого количества осадков развивается тропическая солифлюкция. В пустынях на склонах, сложенных с поверхности насыщенными солью грунтами, которые разбухают во время дождя и переходят в неустойчивое состояние, наблюдается экстрааридная солифлюкция. Склоны делювиальные (плоскостного смыва). Делювиальные процессы развиваются на обнаженных склонах разной крутизны вследствие стекания воды в форме рассеянного стока, называемого склоновым, или мелкоструйчатым, плащевым, поверхностным, плоскостным. Склоновый сток смывает, прежде всего, покрывающую склоны почву. Смыв почвы поверхностным стоком во время весеннего таяния снега или обильных дождей называется эрозией почв. Образующиеся вследствие шероховатости поверхности склона мелкие струйки обладают малой энергией, поэтому они переносят материал на небольшие расстояния, периодически откладывая его по длине склона. В результате формируется особый генетический тип отложений - делювий (лат.- смываю), представленный в основном суглинками и супесями. В делювии нет слоистости, крупность материала уменьшается по мере удаления от подошвы склона. Максимальной мощности делювиальные отложения достигают в подножии склона (рис. 20). Рис. 20. Строение делювиального шлейфа (Кизевальтер и др., 1981): а – склон смыва; б - делювиальный шлейф; фация: I – присклоновая, II – срединная, III – низовая Следствием развития делювиального процесса является формирование выпукло-вогнутого профиля склона. Интенсивность плоскостного смыва зависит от многих факторов, в том числе от длины и крутизны склона, слагающих его пород, режима атмосферных осадков, интенсивности снеготаяния и не превышает в естественных условиях 0,003 мм/год, а на распаханных склонах скорость эрозии почв увеличивается до 0,2 мм/год. Изучение склонов и происходящих на них процессов имеет важное научное значение, так как позволяет установить генезис и историю развития рельефа. На практике изучение склонов важно для выработки мер борьбы с эрозией почв, обеспечения устойчивости инженерных сооружений и решения других народнохозяйственных задач.