Основы общей и инженерной геологии. Лекции

Тема 6. Геологическая деятельность рек, морей, океанов, озер и водохранилищ. Сезонная и вечная мерзлота. Геологическая деятельность снега, льда и ледников. 

6.1. Геологическая деятельность  рек,   аллювиальные  отложения.

6.2. Геологическая деятельность  морей и океанов. Морские отложения. Берегоукрепительные сооружения.

6.3. Геологическая деятельность  озер и водохранилищ. Озерные отложения.

6.4. Сезонная и вечная  мерзлота. Явления,  связанные с промерзанием  и оттаиванием   грунтов.

6.5. Геологическая деятельность снега, льда и ледников. 

      6.1. Геологическая деятельность  рек,   аллювиальные  отложения

      Реками  называются естественные и постоянные, значительные потоки воды. Главное  для рек – наличие постоянного источника воды, которое может быть:

      1) ледниковым (реки в пустынях, окаймляющих высокие горы – Амударья и др.),

      2) дождевым,

      3) снеговым – смешанным (большинство равнинных рек России),

      4) подземным (питание грунтовыми водами, наша Ташла).

      Роль  каждого источника зависит от сезона (зимой увеличивается роль подземного питания, весной – паводки за счет таяния снега).

       Работа  рек состоит: 1) в разрушении (водной эрозии) горных пород, 2) переносе продуктов разрушения, 3) отложении (аккумуляции) этих продуктов в виде осадков, называемых аллювием (a, all).

       Реки  подобно оврагам растут вершиной, пока не достигнут водораздела. Продольный профиль реки имеет три участка: 1) в верхней части имеет место в основном донная эрозия, 2) в средней части происходит  разрушение берегов и перенос материала, 3) в нижней части – выпадение (аккумуляция осадков). Реки последовательно вырабатывают т.н. профиль равновесия, когда практически прекращается донная и боковая эрозия реки. Живая сила реки определяется формулой F=mV²/2, т.е. уклоном (скоростью) и массой воды. Наибольшее разрушение происходит в средней части реки, где m  и V значительны. Область размыва постепенно перемещается от устья к истоку. Размыв происходит до установления профиля равновесия. В устьях рек образуются дельты – площади аккумуляции речных наносов.

       В продольном профиле реки могут быть изломы – у водопадов и порогов. Ниагарский водопад Н=50 м имеет в верхней части доломит, а в нижней – слабые сланцы и песчаники. Прочные породы создают нависающую консоль, которая периодически обрушивается в реку. На Днепре пороги у г. Запорожья образованы выходами на поверхность гранитов и гнейсов. Реки в горах могут образовать узкие ущелья – каньоны.

       Геологическая история (жизнь) реки выражается в строении речных долин. Их поперечный профиль  в среднем течении имеет следующие элементы: 1) русло, 2) пойма (пойменная терраса), 3) надпойменные террасы (№№ снизу вверх), 5) коренные породы под речными отложениями, могут выходить по берегам и склонам. Террасы характеризуются шириной и высотой, они шире в нижней части. Каждая терраса когда-то была поймой. Количество террас может быть до 10-15 шт. Река Кубань у г. Черкесска имеет до 14 террас. Террасы могут быть 3-х типов: 1) аккумулятивные, 2) эрозионные, 3) эрозионно-аккумулятивные («цокольные»).

       Причины образования террас: 1) изменение климата (потепление в межледниковье в Q-ом периоде приводили к бурному таянию ледников и «оживлению» рек, 2) неотектоника (колебательные движения земной коры в Q-ом периоде, которые ломали продольный профиль рек), 3) колебание количества и крупности материала, переносимого рекой.

       Различают два вида эрозии реки – донную (главным образом в верхней части) и боковую   (в средней и нижней части). Боковая эрозия вызывает подмыв и переработку берегов, зависит от горных пород. С боковой эрозией и аккумуляцией связана асимметрия  долин, когда террасы могут быть только с одной стороны. Асимметрия долин объясняется также законом Бэра (1857), согласно которому силы Кориолиса создают подмыв правых берегов рек, текущих в  северном полушарии. Скорость на экваторе 1666 км/ч (40000км: за 24часа), на 60^о – в 2 раза меньше, на полюсе – 0.

       Борьба  с эрозией рек. Основная опасность – боковая эрозия, подмыв и обрушение берегов, появление обвалов, оползней (с. Кочубеевское, г. Георгиевск, ст-ца Григорополисская). Скорость размыва лессовых берегов достигает 20 м/год.  Методы борьбы: 1) Укрепление берегов (набережные, подпорные стенки, каменная наброска, укладка ж/б плит), 2) Струенаправляющие стенки, дамбы, буны, регулирующие направление течения реки. Весенние (паводковые) воды часто заливают пойму, ее можно защитить земляными дамбами.

     Аллювиальные отложения. Основные виды аллювия: 1) русловой, 2) пойменный, 3) старичный, 4) дельтовые осадки (в море). Состав аллювия отражает скорость транспортирующего потока. Выпадение осадка происходит при уменьшении скорости.  Русловые осадки самые грубые (галечник, гравий, крупнозернистый песок). Пойменные осадки образуются во время паводков (мелкозернистые пески, суглинки, глины). Старичные – илы, часто с органическими остатками. Аллювиальные отложения очень изменчивы по вещественному составу и свойствам. В челом наблюдается уменьшение крупности по длине долины от истока к устью. 

6.2. Геологическая деятельность  морей и океанов.  Морские отложения.  Берегоукрепительные  сооружения. 

      Моря  и океаны занимают ⅔ поверхности планеты и являются мощным экзогенным геологическим фактором. В море образуется большинство осадочных пород в виде мощных толщ известняков, мергелей, солей, глин, гравия, гальки, песков. Их образованию предшествовало разрушение других (материнских) пород, перенос  морскими течениями и отложение на новом месте. Поэтому геологическую деятельность моря надо рассмотреть с его разрушительной работы. Разрушительная работа моря лучше всего выражена по берегам. Море редко бывает спокойным. Ветер создает морской прибой, который разрушает берег. Этот процесс называется абразией. Сила морских волн создает давление до Р=10 тс/м², а океанических – до Р=30 тс/м². Морская волна может перемещать глыбы весом до 40 т.

      В вертикальном разрезе склона океана выделяются следующие участки:

      1) зона шельфа (англ. – мель, полка, уступ). Это прибрежная мелководная (до  глубины 200 м) зона, которая окаймляет сушу полосой иногда на сотни км,

      2) материковый склон (200-2000 м),

      3) океаническое ложе (2-6 км),

      4) глубоководные впадины (> 6 км).

      В зоне шельфа разрушение берега происходит за счет ударов морских волн и за счет морских течений (прибрежных, донных, приливов и отливов). По отвесным берегам высота волн достигает 20м. С глубиной действие волн ослабляется. Эта глубина примерно равна расстоянию между двумя волнами. Устойчивость берега зависит от состава и напластования пород. Быстро разрушаются берега из рыхлых осадочных пород. На глинистых берегах часто образуются оползни (Сочи, Туапсе).

      Образование абразионных и аккумулятивных террас объясняется вертикальными тектоническими движениями с остановками. Террасы выше пляжа свидетельствуют о поднятии берега, а подводные террасы – о его опускании.  Пляж – это берег, перекрываемый морской волной или приливом. Каждый берег приспосабливается к действию морских волн и течений.

      Транспортирующая  деятельность морских волн и течений. Постоянные течения (теплые и холодные) имеют V < 1 м/сек, лишь Гольфстрим – 2,5 м/с. Эти течения переносят лишь очень мелкие частицы. Гораздо существеннее действие береговых косых волн на пляже, которые перемещают пляжный материал в зависимости от направления ветра. В районе г. Сочи обломки Д=5-6 см перемещаются вдоль берега со скоростью до 100 м/сутки, иногда до 700 м/сут. Перенос обломочного материала разрушает берег, если не поступает новый. Основным поставщиком крупнообломочного материала  являются реки. Песчано-гравийно-галечниковый пляж – защита берега. Вывоз гравия – опасность для берега. Уклон пляжа зависит от крупности материала: валуны – 20-35^о, галька – 10-20^о, крупнозернистый песок – 5-7^о, мелкозернистый песок 2-5^о.

      Берегоукрепительные сооружения могут быть пассивными и активными. Пассивные – волноотбойные стенки из монолитного железобетона вдоль берега, но они испытывают сильное истирание песчано-гравийным материалом. Активные – буны и волноломы. Буны – поперечные ж/б стенки, опирающиеся на сваи, которые задерживают наносы, переносимые вдоль берега. Они могут быть в виде ж/б ящиков-понтонов, заполненных бетоном или бутобетоном. Волноломы создают вдоль берега из ж/б коробов или монолитного бетона, притопленных у поверхности моря на 0,3-0,5 м на глубине 3-4 м. Чтобы мягко гасить волны со стороны моря волнолом имеет пологую грань.

      Тетраподы -  бетонные фигуры с 4-мя усеченными конусами. Они хорошо закрепляются в грунте или каменной наброске (как армирующий элемент).

      Морские отложения – обломочные, химические (хемогенные), органогенные (биогенные), смешанные, вулканогенные. В шельфовой зоне: у берегов, на пляже и мелководье накапливается грубообломочный материал – галечник, гравий, крупнозернистый песок. Дальше от берега на мелководье (20-40 м) живут кораллы – кишечнополостные животные с известковым скелетом. Их около 6 тыс. видов. Кораллы требуют чистой и теплой воды. Наибольшая мощность коралловых рифов образуется при постепенном опускании дна моря, где скорость их роста достигает 1 см/год (до 800 м атолл Бикини, Маршальские о-ва, но на них нет пресной воды). В прошлые геологические эпохи кораллы были широко распространены. Теплое море карбона оставило мощные толщи кораллов в р-не Москвы. На глубине 20-40 м в теплом сарматском море накопился фортштадский песок Ставрополя и химически осажденные, опесчаненные карабиновские и холоднородниковские известняки с ракушками. В мелководных закрытых морских бассейнах типа лагун  (участках моря, отделенных от него барьером) осаждаются соли согласно закона их растворимости – CaCO₃, CaSO₄, NaCl, Na₂SO₄, MgSO₄. Если имеется привнос глинистого материала реками, то в зоне шельфа отлагаются глинистые осадки, иногда с прослоями песка (мощные толщи майкопских и сарматских глин Ставрополя). Совместное осаждение карбонатов и глин частиц дает мергель (КМВ, Ставрополь).

      Континентальный, материковый склон (200-2000 м), где свет проникает только в верхнюю часть, имеет постоянную, стабильную соленость, его фауна бедна и однообразна, в нижней части наблюдается обилие фосфоресцирующих животных. Среди отложений преобладают илы – синие, красные, зеленые, серые, вулканогенные, известковистые, кремнистые.

      Океаническое  ложе (2-6 км) имеет абсолютную темноту, слабое движение воды, температуру около 4^оС, высокое давление. Органический мир своеобразен, много бактерий. Осадки – красная океаническая глина (смесь вулканического пепла, космической пыли), кремнистые скелеты инфузорий, остатки скелетов глобигерин (мел, СаСО₃), диатомеи и радиолярии (SiO₂).

      Дно океана покрывает в основном синий  ил, который содержит до 97 % глинистых минералов. Есть красный ил за счет окислов железа, зеленый ил за счет глауконита – зеленого Fe минерала-силиката. 

6.3. Геологическая деятельность  озер и водохранилищ. Озерные отложения. 

      Озера – замкнутые углубления суши, заполненные  водой и не имеющие связи с  Мировым океаном. Они могут быть весьма крупными – Каспий (Н=945 м), Байкал (Н=1741 м), Ладожское, Сенгилеевское. Происхождение озер различное: 1) тектонические впадины-сбросы в земной коре (Байкал, Иссык-Куль), 2) вековые опускания суши (Каспий), 3) ледниковые и речные озера с плотинами-запрудами, образованные в результате обвалов, 4) карстовые.  По условиям питания могут быть: 1) атмосферными, 2) за счет стока поверхностных вод, 3) за счет подземного питания.

      По  химическому составу озера могут быть хлоридными, сульфатными, содовыми. По содержанию солей: 1) пресные - до 1 г/л, 2) солоноватые - 1-3,5 г/л, 3) соленые – более 3,5 г/л.

      Разрушение  берегов озер менее значительное, чем морей, т.к. меньше волны. Борьба с разрушением берегов – та же, что и на морских побережьях (подпорные и волноотбойные стенки, волноломы, буны и другие сооружения, но  меньшего размера).  Созидательная деятельность озер состоит в накоплении озерных осадков – обломочных, химических и биогенных. В пресноводных озерах по мере удаления от берега образуются галечники, пески, глины, озерный мергель. Органические породы в виде торфа образуются у берегов, а в центре мелководных озер идет осаждение органического (гнилостного) ила – сапропеля. Сапропель – это вязкая студнеобразная масса темно-серого цвета, насыщенная микроорганизмами. Есть гипотеза образования нефти из сапропели.

      Мелководные озера обычно заиливаются, заторфовываются, и затем переходят в болота (пример Кравцова озера). Заболачивание начинается с берегов озера в результате разрастания болотной растительности – осоки, тростника, кувшинки, водяного хвоща. Отмирая, растения падают на дно водоема, но не сгнивают, а скапливаются и образуют торф. Водоем (зеро) постепенно мелеет, его водная поверхность сокращается и полностью заторфовывается. Под торфом обычно находится сапропель.  Иногда на поверхности озер образуется сплавина – растительный покров из мха, осоки, кустарников (Кравцово озеро). Так образуются низинные болота. Но есть и верховые болота, которые образуются за счет избытка атмосферных осадков и талых вод. Кроме этого, могут быть и мелиоративное, техногенное заболачивание территорий, когда грунтовые воды выходят на поверхность (Ставропольский край).