Геологическая деятельность поверхностных вод

Под воздействием солнечной энергии на Земле происходит непрерывный круговорот воды. Вода испаряется с поверхности суши, океанов и поднимается в виде пара к нижним слоям атмосферы, где, конденсируясь, образует облака; затем в виде дождя и снега вновь попадает на поверхность Земли. Одна ее часть питает поверхностные водотоки: ручьи, реки и поступает в моря и океаны. Другая — проникает по трещинам и порам в горных породах в глубь Земли и пополняет запасы подземных вод. Последние в свою очередь являются источни­ком питания рек, озер, морей.

Геологическая работа поверхностных вод определяется ко­личеством движущейся воды и скоростью ее движения, кото­рая зависит от уклона местности. В деятельности текучих вод различают разрушение водой горных пород (эрозия), перенос продуктов разрушения (денудация) и их накопление (аккуму­ляция).

В результате механического смыва твердых и химически растворимых продуктов разрушения горных пород происходит понижение поверхности континентов. В течение миллионов лет текучие воды могут уничтожить самые высокие горные хребты и вынести в моря и океаны огромное количество продуктов их разрушения. Так, р. Волга ежегодно выносит в Каспийское море около 46,5 млн. т химически растворенных веществ и 40— 50 млн. т взвешенного материала. А все реки земного шара вы­носят с суши за год в моря и океаны в растворенном и меха­нически взвешенном состоянии более 17,5 млрд. т веществ. Разрушительная работа текучих вод проявляется в виде плоско­стного смыва и линейного размыва с образованием долин, ов­рагов и рек.

Плоскостной смыв и образование оврагов. Дождевые и та­лые воды в виде многочисленных мелких струй и безрусловых потоков омывают склоны и смывают рыхлый материал, подго­товленный процессами выветривания. Часть рыхлого материала, захваченного плоскостным смывом, переотлагается и накапли­вается в нижней части склона и в его основании, образуя де­лювиальные отложения, или делювий. Эти отложе­ния, окаймляющие подножье склона, образуют делюви­альные шлейфы. Наибольшая толщина делювиального шлейфа у основания склона. Вверх по склону и в сторону равнины мощность делювиальных отложений уменьшается. Плоскостной смыв постепенно выравнивает и выполаживает склоны.

При плоскостном смыве на склонах, лишенных раститель­ности и сложенных рыхлыми отложениями, стекающими струй­ками воды образуются желобки, бороздки, рытвины, канавки, которые постепенно углубляются и соединяются в одно русло. В результате плоскостной смыв сменяется русловым размывом (эрозия). Рытвины разрастаются и превращаются в овраги, которые своей нижней частью открываются в ручьи (реки). Нижняя часть оврага (ручьи, реки) называется устьем, верх­няя — верховьем, вершиной или истоком.

Очень часто при пересечении бороздок, рытвин или про­моин другого направления постепенно формируются боковые овражки (отвертки) и в этом случае овраг в плане приобретает древовидную форму.

Рост оврагов происходит в их верховьях (овраг растет вспять). По мере их роста верховья постепенно продвигаются на водоразделы, происходит углубление и расширение оврага. В случае достижения уровня подземных вод на дне оврагов мо­гут возникать постоянные водотоки — ручьи. Они выносят в устье оврага рыхлый материал, который оседает в виде веера при выходе из оврага, так как скорость движения воды здесь падает. Так образуются конусы выноса. Углубление ов­рага прекращается как только уровень его дна приблизится к уровню долины реки, куда он впадает, так как в этом случае водный поток теряет свою разрушительную силу. Уменьшение глубинной эрозии приводит к сглаживанию склонов оврага, ко­торые приобретают устойчивый естественный откос и посте­пенно зарастают. Дно затягивается осадками и овраг превра­щается в балку.

Борьба с ростом оврагов, наносящих ущерб народному хо­зяйству, ведется путем закрепления склонов древесной расти­тельностью, установлением цементных лотков в головной части оврагов, создания искусственных запруд на дне и др.

Временные горные потоки. Во время сильных ливней или обильного снеготаяния на склонах гор возникают бурно несу­щиеся вниз горные потоки. При быстром движении вода времен­ных потоков захватывает песок, щебень, гальку, крупные глыбы горных пород, которые в свою очередь усиливают разрушитель­ную работу воды. Весь этот материал называется пролю­вием. Он выносится в предгорье и откладывается на пред­горной равнине, образуя конусы выноса. В конусе выноса наблюдается сортировка материала по крупности: от крупнооб­ломочного материала, слабо окатанной гальки в верхней части до тонкого пылеватого материала в периферической части ко­нуса. От быстрого таяния льда и снега в горах или от сильных ливней в горных долинах возникают быстро несущиеся вниз бурные грязекаменные потоки — сели, или муры. Они обла­дают огромной разрушительной силой и содержат до 70—80% обломочного материала, причем отдельные глыбы достигают в диаметре 1 м и более. С целью защиты населенных пунктов от селевых потоков специально изучают условия их формирова­ния и разрабатывают мероприятия по борьбе с ними (построе­ние плотин и др.).

Постоянные водные потоки. Реки — это крупные постоянно действующие водные потоки. Питание рек осуществляется атмо­сферными осадками, подземными водами и водами при таянии ледников. В условиях жаркого сухого климата некоторые речки летом пересыхают.

Водный поток размывает поверхность, по которой течет, и по­степенно вырабатывает долину. У долины различают склоны и днище. К днищу приурочено русло реки, занятое водото­ком. На склонах долин часто наблюдаются террасы — гори­зонтальные площадки, отделенные друг от друга уступами. Са­мая низкая площадка, заливаемая водой в половодье, называ­ется пойменной террасой (поймой).

Развитие речной долины — это сложный и длительный про­цесс эрозионной и аккумулятивной деятельности проточных вод. Углубление дна реки обязано так называемой донной, или глу­бинной, эрозии, подмыв одного из берегов и расширение до­лины — боковой эрозии.

В начальную стадию развития реки (стадия молодости) преобладает глубинная эрозия. Водный поток, врезаясь в гор­ные породы, стремится выработать профиль дна применительно к уровню озера или моря, куда впадает река. Этот уровень воды является самым низким уровнем, до которого может происхо­дить врез реки, поэтому он называется базисом эрозии. Ба­зис эрозии — это понятие относительное. Так, например, для ручья базисом эрозии является уровень речки, куда он впадает, для реки уровень озера, моря.

Боковая эрозия в начальную стадию развития реки играет незначительную роль. В связи с этим долины имеют V-образный профиль и русло занимает все ложе долины. Течение реки более или менее прямолинейное. Скорость углубления русла опреде­ляется крепостью размываемых пород. В местах распростране­ния крепких пород донная эрозия ослабевает, образуются по­роги, перекаты, уступы. Крупные поперечные уступы с отвес­ными стенками (высотой до десятков и сотен метров) называют водопадами. Падая с высоты, вода создает водоворот, под­мывает основание уступа, образуя углубление в несколько мет­ров — эрозионный котел. В конце концов происходит обру­шение уступа и постепенное отступление водопада вверх по те­чению реки.

Роль донной эрозии особенно велика в горных районах. Здесь реки нередко вырабатывают глубокие долины с отвес­ными склонами высотой до десятков и сотен метров, которые называют каньонами, или ущельями.

Донная эрозия водных потоков на крутых участках невыработанного профиля идет интенсивнее, чем на пологих; в резуль­тате водный поток неравномерно врезается в свое ложе.

На следующей стадии (стадия зрелости) река имеет выровненное ложе, причем продольный профиль русла от устья до истоков имеет вид параболической кривой. Русло реки в этом случае стремится приобрести так называемый продольный про­филь равновесия. Продольный профильравновесия — это предел, до которого может идти врезание долины при данных геологических условиях. Когда река вырабатывает свой продольный профиль равновесия, донная эрозия прояв­ляется только в ее верхнем течении. В среднем течении проис­ходит перенос рыхлого материала, в нижнем течении наблюда­ется боковая эрозия и накопление осадков (аллювия).

В результате деятельности боковой эрозии долина реки в зрелую стадию развития расширяется и заполняется вынесен­ными из верховьев осад­ками. Прижимаясь к од­ному из берегов, река вы­зывает его усиленный подмыв, образуя вначале изгиб, а затем излучину или меандру. На проти­воположном берегу про­исходит накопление ал­лювия и формирование отмели. Вогнутый подмы­ваемый берег становится крутым, а выпуклый — пологим. Отражаясь от вогнутого берега, водя­ные струи накатываются на противоположный бе­рег и, подмывая его, об­разуют новую меандру. Поочередно подмывая свои берега, река увели­чивает размер меандр и расширяет свою долину. Узкие перемычки между меандрами в периоды по­ловодий могут быть раз­мыты и река спрямляет русло, меандры образуют серповидные старичные озера (рис. 8).

Ширина русла реки в стадию ее зрелости во много раз меньше шири­ны ложа. Русловые воды покрывают сухую часть ложа только в половодье, формируя пойменные ал­лювиальные отложения.

В последнею заключительную стадию развития реки (стадия старости) продольный профиль ложа реки достигает предельного профиля равновесия и скорость течения уменьшается. Долина становится широкой с многочисленными меандрами и старицами, склоны — поло­гими, дно плоским, прикрытым слоем аллювиальных отложе­ний. Местами русло зарастает болотной растительностью.

Рис 9.

При понижении уровня морского бассейна, куда впадает река, или поднятии участка земной коры, по которому она протекает, происходит относительное понижение базиса эрозии реки. В этих случаях река начинает врезаться в свое русло и раз­мывает собственный аллювий — наступает омоложение до­лины реки. Частично аллювий сохраняется от размыва на скло­нах долины, на площадках (остатках бывшего ее днища) — на террасах. Омоложение долины реки происходит многократно

Рис 10. Речные террасы и слагающие их породы.

1,2 — аккумулятивные тер­расы (1 — пойменная тер­раса);

3, 4 — цокольные террасы; 5 — эрозионная

терраса; 6 — коренной бе­рег; 7 — русло;

8 — аллюви­альные пески;

9 — извест­няк; 10 — песчаник; 11 — мергель

и обычно в долине выделяется по несколько террас (р. Волга имеет 7 террас), соответствующих определенному положению днища долины. Чем выше терраса по склону, тем она древнее. В поперечном профиле каждая терраса имеет вид ступени в рельефе. В зависимости от соотношения мощности сохранившихся на террасах аллювиальных отложений и высоты уступа террасы над урезом воды выделяют следующие типы реч­ных террас: аккумулятивная — уступ полностью сложен аллювиальными отложениями, коренные породы находятся ниже уровня реки; цокольная — мощность аллювиального покрова составляет около половины высоты террасового уступа, осталь­ная его часть образована коренными породами (цоколь); эро­зионная—аллювиальный покров маломощен и почти весь уступ промыт рекой в породах цоколя.

В зависимости от скорости и силы водного потока аллюви­альные отложения, представленные валунами, гравием, галькой, песком, илом, накапливаются в русле реки, на пойме и в устье­вой части реки. Более грубый материал отлагается в верхней части долины реки, более тонкий — в нижней. Преобладающее количество осадков выносится в устьевую часть реки (озера, моря). Резкое снижение скорости течения воды при впадении реки в море приводит к выпадению выносимого рекой мате­риала, который оседает вблизи устья, образуя огромные конусы выноса треугольной формы в плане, называемые дельтами. Площадь дельты р. Лены составляет 45 000 км2, р. Волги 18 000 км². Мощность отложений достигает десятков и сотен метров. При повышении уровня моря происходит затопление приустьевой части речной долины и образуются узкие глубокие эстуарии (лиманы, губы), известные у рек Обь, Енисей и др.

Роль поверхностных вод в изменении рельефа земной поверх­ности. Временные и постоянно текущие поверхностные воды из­меняют земную поверхность и особенно области суши, которые длительное время не подвергались воздействию интенсивных тектонических движений. Если эрозия происходит длительное время, то земная поверхность понижается, выравнивается. Горы превращаются в невысокие холмы, овраги прекращают рост и превращаются в пологие балки. Речные бассейны образуют разветвленную сеть долин, но скорость течения воды в реках становится очень медленной, так как реки и притоки достигают своего профиля равновесия. Денудационные поверхности, возни­кающие как конечный продукт деятельности эрозионных процес­сов, называют пенепленом, или почти равниной. Кроме денудационных равнин реки образуют довольно обширные по площади аккумулятивные аллювиальные равнины.

Роль поверхностных вод в образовании осадочных пород и месторождений полезных ископаемых. Выносимые в огромном количестве реками обломки горных пород и растворенные хими­ческие вещества являются источником образования морских осадков, играющих большую роль в строении осадочного слоя земной коры. В прибрежной полосе морей (океанов) наибольшее распространение имеют грубообломочные осадки: валуны, гра­вий, песок. На глубинах до 200 м (область шельфа) формиру­ются глинистые, органогенно-карбонатные и хемогенные отложе­ния. В более глубоководных частях накапливаются глубоковод­ные иды.

В аллювиальных отложениях часто концентрируются вымы­ваемые из коренных пород различные полезные ископаемые, образующие россыпные месторождения (золото, платина, ал­мазы, рубины, ильменит, рутил, касситерит и др.). С хемогенными морскими и озерными осадочными породами связано обра­зование фосфоритов, железных, марганцевых и алюминиевых РУД-

Геологическая деятельность подземных вод

Подземными водами называют все воды, заполняющие поры, трещины и пустоты в рыхлых и плотных горных породах. По происхождению подземные воды подразделяют на вадозные, возникающие в результате просачивания с земной поверхности атмосферных осадков и конденсации паров атмосферного воз­духа в порах и трещинах горных пород в местах их выхода на поверхность; ювенильные — за счет паров воды, выделив­шихся из подземных очагов расплавленной магмы, и седиментогенные (возрожденные) — образовавшиеся при отжимании воды из осадка в процессе его превращения в уплот­ненную породу. Главная роль в формировании подземных вол принадлежит вадозным водам.

В горных породах вода (кроме льда) может присутствовать в трех физических состояниях: в форме водяного пара, соб­ственно жидкой и поверхностно-связанной воды.

Пары воды всегда содержатся в воздухе, заполняющем не за­нятые водой поры или трещины горных пород. В зависимости от конкретных условий пары воды то конденсируются в жидкую воду, то вновь образуются при ее испарении. Иногда в пусты­нях конденсация водяных паров из воздуха приводит к форми­рованию приповерхностных подземных вод, в вулканических областях — к образованию подземных резервуаров перегретого воздуха.

Собственно жидкая вода заполняет сравнительно большие поры, пустоты и трещины в горных породах и играет основную роль в формировании подземных вод. При своем движении она подчиняется силе тяжести, поэтому ее еще называют свободная, или гравитационная вода. Поверхностно-связанная, или сорби­рованная вода удерживается на поверхности горных пород си­лами молекулярного притяжения.

Водопроницаемость, т. е. способность горной породы пропускать воду по порам и трещинам, имеет большое значение в формировании подземных вод. Все горные породы подразде­ляются на водопроницаемые, или водоносные (рыхлые, пори­стые, трещиноватые), и водоупорные (массивные скальные по­роды, глины). Водопроницаемость определяется не суммарным объемом пор в породе, а их формой и размерами, которые должны обеспечить свободное передвижение воды. Например, пористость глин 50—60%, однако они не водопроницаемы, так как поры их чрезвычайно тонки и вода не может перемещаться в них под влиянием силы тяжести. Галечники, пески крупнозер­нистые с пористостью 20% обладают наибольшей водопрони­цаемостью. Для оценки последней, кроме характера пористости, имеет значение и напор, при котором фильтруется вода. Поэтому для сравнительной характеристики водопроницаемости горных пород введено понятие коэффициент водопроницае­мости, или коэффициент фильтрации (измеряется в метрах в сутки), показывающий скорость фильтрации воды через данную породу при определенном напоре. Коэффициент фильтрации глин составляет 0,001 м/сут, песков мелкозернистых 1—5 м/сут, среднезериистых 5—15 м/сут, крупнозернистых 15—50 м/сут, галечников 100—200 м/сут.

Влагоемкость — это способность горных пород погло­щать и удерживать в себе то или иное количество воды. Боль­шинство глин имеют очень большую влагоемкость (1 м3 погло­щает до 525 л) и ничтожную водоотдачу. При намокании водоупорные свойства глин усиливаются. Максимальной водоотдачей обладают крупнообломочные осадки, сильно пористые и сильно трещиноватые породы.

Типы подземных вод. Воды атмосферных осадков, попадая в горные породы, движутся сверху вниз, постепенно заполняя поры в водопроницаемых породах. Накапливаясь над водоупор­ными породами, они образуют постоянные скопления, изолиро­ванные друг от друга и называемые водоносными гори­зонтами.

По условиям залегания различают следующие типы подзем­ных вод (рис. 11): почвенные, верховодка, грунтовые, межпла­стовые, трещинные, карстовые.

Почвенные воды — приурочены к почвенному слою на поверхности Земли. Вода заполняет волосяные или капиллярные поры, трещинки и удерживается от просачивания на глубину силами поверхностного натя­жения.

Верховодка — перио­дически существующие (во время обильных осадков или таяния снегов) подземные воды, залегающие вблизи по­верхности в виде линз над от­носительно водоупорными про­слоями.

Грунтовые воды — воды первого от поверхности постоянного водоносного го­ризонта, залегающего на пер­вом водонепроницаемом слое, называемом водоупорным ло­жем.

Сверху грунтовые воды не перекрыты сплошь

водо­упорными породами и пита­ются

непосредственно атмо­сферными осадками.

Их верх­ним ограничением служит соб­ственная

поверхность, назы­ваемая зеркалом грунто­вых вод.

Рис 11.

Межпластовые (пластовые) воды залегают ниже горизонта грунтовых вод, между водоупорными пластами. Раз­личают безнапорные и напорные (артезианские) пластовые воды. Область распространения одного или нескольких напор­ных горизонтов называется артезианским бассейном. В зависимости от напора вод любая точка артезианского бас­сейна характеризуется гидростатическим давлением и пьезомет­рическим уровнем. Пьезометрическим уровнем называется уровень воды, который устанавливается в скважине после вскрытия водоносного горизонта.

Рис 12. Схема строения артезианского бассейна, по Г. М. Сухареву.

1 - водонепроницаемые породы; 2 — водопроницаемые пласты с напорной водой; 3 — фонтанирующие скважины; 4 — направление стока подземных вод

Гидростатическим давлением называется давление столба жидкости между пьезометрическим уровнем и кровлей водонос­ного горизонта.

Трещинные воды, циркулируя по сложной сети трещин в массивах магматических и метаморфических пород, как пра­вило, не образуют обособленных водоносных горизонтов. В зо­нах тектонического дробления они могут проникать на большую глубину.

Карстов неводы приурочены к карстовым пустотам, тре­щинам закарстованных известняковых массивов. Их часто назы­вают трещинно-карстовыми водами.

Трещинные воды залегают в трещинах горных пород, Они могут «быть как напорными, так и безнапорными.

Карстовые воды залегают в карстовых пустотах, т. е. пустотах, образовавшихся за счет выщелачивания горных пород.

Рис 13. Схема артезианского бассейна

А — область распространения артезианского бассейна; Б — область распространения грун­товых вод; а — область питания артезианского водоносного горизонта; б — область напора воды — область разгрузки (дренирования) артезианского водоносного горизонта; 1 — уровень грунтовых вод; 2 — водоносные породы; 3 — водонепроницаемые породы; 4 — водопроницае­мые породы, не содержащие подземных вод; 5 — направление движения артезианских вод; в — пьезометрический уровень