Геологическая деятельность атмосферных осадков

На поверхность материков постоянно выпадают атмосферные осадки в виде дождей, снега и льда в количестве до 112 тыс. км3 в год. Наибольшую геологическую работу при этом совершает текучая вода, которая, растекаясь по поверхности в сторону падения рельефа, разрушает горные породы, переносит и откладывает

продукты разрушения. Разрушительная работа текучих вод носит название эрозии.
После дождя (или таяния снега) вода растекается по поверхности земли в виде многочисленных микроструек, каждая из которых не имеет фиксированного пути. Образуется сплошной поверх- ностньй поток и разрушительное действие воды осуществляется на всей поверхности земли. Так происходит плоскостной смыв (плоскостная эрозия), который ведет к выполаживанию местности.
Плоскостные потоки губительно сказываются на почвах, смывая их верхний плодородный слой. Одним из способов борьбы с почвенной эрозией являются лесополосы, регулирующие поверхностный сток.
Плоскостной поток в соответствии с рельефом местности постепенно разбивается на отдельные струи, создаются крупные потоки (ручьи), осуществляющие струйчатую эрозию (рис. 103). Это ведет к образованию промоин, оврагов и т. д.
Образование наносов. Продукты выветривания пород (элювий) плоскостными потоками смываются с возвышенностей на склоны и к их подножию. В зависимости от силы потоков и крутизны склонов в перемещении принимают участие частицы глинистые, пылеватые, песчаные и даже более крупные обломки.
Со временем на склонах и в пониженных частях рельефа накапливаются отложения наносов: на склонах и у их подошвы — делювий, в понижениях, примыкающих к склонам, — пролювий (рис. 104). Эти наносы почти сплошным покровом закрывают лежащие под ними более древние (коренные) породы.
Делювий (dQ) покрывает все склоны и их подошвы, за исключением обрывистых участков. По своему составу делювий разнообразен и в противоположность элювию отличается от подстилающих его коренных пород. В минералогическом отношении делювий связан с породами, расположенными выше по склону.
По литологическому составу делювий в горных и предгорных районах — это, главным образом, суглинки, супеси, пески с включениями щебня и более крупных обломков. На равнинах более широко распространены суглинки, супеси, реже глины. Особенно большое развитие имеют делювиальные суглинки в лессовых районах.
Делювиальные отложения в большинстве случаев представляют собой несортированный материал. Небольшую сортирован- ность имеют делювиальные лессовидные суглинки. Мощность делювия возрастает к основанию склонов, достигая в горных районах иногда несколько десятков метров, а на равнинах — нескольких метров.
Делювиальные отложения часто служат основанием для зданий и сооружений. Общим для них отрицательным свойством является способность к движению в виде сползания вниз по склонам. Интенсивность сползания зависит от крутизны склонов и состава наносов. Наиболее легко поддается сползанию глинистый делювий особенно при значительном увлажнении. Несорти- рованность делювия обуславливает пестроту свойств даже в пределах небольших участков. Плотность делювиального наноса зависит от материала, времени его отложения и климатических условий территории. Например, делювиальные суглинки севера всегда плотнее делювиальных суглинков южных районов.
Пролювий (pQ) представляет собой рыхлые образования неоднородного состава, особенно по вертикали. В толщах пролювия суглинки и супеси могут переслаиваться с более крупнозернистым материалом (песок и др.). В степных и предгорных районах суглинки и супеси по своим характерным признакам похожи на лессовые отложения.
Пролювий в виде отложений конусов выноса горных рек в больших количествах накапливается у подножья гор, частично содержит делювиальный материал. Конусы выноса пролювия нередко сливаются и образуют единую полосу наносов, окаймляющую подошву гор (предгорные шлейфы). Значительное количество пролювия образуется за счет временных грязекаменных потоков (селей).
Образование оврагов. При таянии снега и дождя на склонах рельефа отдельные струйки образуют временные ручьи. Возникает струйчатая эрозия, что приводит к образованию вытянутых понижений рельефа — оврагов (рис. 105).
Наиболее интенсивно возникают овраги в условиях расчлененного рельефа и сухого климата, при котором атмосферные осадки выпадают редко, но в виде коротких и сильных ливней. Развитию оврагов способствует отсутствие растительного покрова и наличие пород, способных к размыву. Наиболее легко размываются лессовые породы, поэтому в районах их распространения овраги имеют широкое развитие.
Овраг может вскрыть грунтовую воду. В этом случае возникает постоянный водоток, который, в свою очередь, усиливает рост оврага. Способствуют развитию оврагов устройство неукрепленных канав на склоне, нарушение дернового покрова и вырубка растительности (рис. 106, о).
В овраге различают устье, ложе и вершину (рис. 106, б). Овраг растет вершиной вверх по склону. Одновременно происходит и его углубление и расширение за счет размыва склонов оврага.
Предельной отметкой, до которой возможен размыв ложа оврага, является уровень бассейна: озеро, река и т. д., в который впадает водоток оврага. Этот уровень называют базисом эрозии.
В начале своего развития овраг имеет сравнительно небольшую ширину при большой глубине, с обрывистыми бортами и без растительности — это активный овраг (рис. 107). При достижении оврагом максимальной глубины рост оврага прекращается, склоны приобретают устойчивый естественный откос, задерновы- ваются. Ширина оврагов уже превышает глубину. Такой овраг не развивается и носит название балки.
Дальнейшая жизнь оврага зависит от положения базиса эрозии. Если базис будет понижаться, например, вследствие падения уровня реки, то овраг получит возможность к дальнейшему развитию, что следует учитывать при оценке оврагов.
Размывающая деятельность овражных водотоков приводит к накапливанию наноса — овражного аллювия, который накапливается в районе устья оврага в виде конуса выноса.
Размеры оврагов и балок самые различные. Длина их колеблется от десятков метров до многих километров. Глубина от 1—2 до 30—40 м. Скорость роста оврагов зависит от активности водотоков и характера размываемых пород и колеблется от 0,5—1 до 40 м в год.
Овраги имеют большое распространение, особенно в районах лессовых отложений. Они наносят значительный ущерб хозяйственной деятельности, сокращают полезные площади, разрушают дорожные сооружения.
Предотвратить появление оврагов можно проведением ряда профилактических мероприятий. Следует запрещать распахивать склоны и устраивать необлицованные канавы, ориентированные вниз по склону, вырубать на склонах растительность и нарушать дерновый покров.
Мелиоративные мероприятия на землях, подверженных овражной эрозии, включают:
• планировку приовражных и прибалочных склонов с мелкобугристыми оползнями и другими неровностями, засыпку мелких оврагов глубиной 1,5—2 м и их залужение;
• выполаживание оврагов с устройством гидротехнических сооружений, предотвращающих новые размывы (лотков, быстротоков, перепадов);
устройство распылителей стока и противоэрозионных гидротехнических сооружений (водозадерживающих и водоотводящих валов, нагорных канав, дамб-перемычек, донных запруд и полуза- пруд и др.) на вышележащем перед оврагом склоне (рис. 108);
• подсыпку откосов на склонах оврагов с целью повышения их устойчивости и подготовку к залесению (прилегающих участков к залужению);
• создание противоовражных (прибалочных) лесных полос и насаждений на отсыпанных откосах оврагов;
• выращивание береговых и донных насаждений на гидрографической сети (ложбинах, лощинах, балках), залужение пологих берегов и донных участков балок;
• строительство на базе оврагов и балок водоемов, дорожной сети, организацию рекреационных зон.
Противоэрозионную мелиорацию и планировку оврагов выполняют весной, затем выполаживают склоны оврагов у балок, сооружают водозадерживающие и водораспределяющие валы, нагорные каналы (канавы), быстротоки, перепады, руслоукрепляющие устройства. До сезона ливневых дождей проводят лугомелиоративные мероприятия, а осенью — лесопосадки.
Селевые потоки. Сель (или силь) по-арабски означает горный, быстро несущийся поток. Действительно, сели представляют собой временные, но бурные грязекаменные потоки, возникающие в горных районах.
Это грозное явление природы часто имеет катастрофический характер (рис. 109). В 1910 г. пострадал от селя г. Верный (Алма-Ата); сель обрушился на город в результате прорыва горного озера во время землетрясения. Сильное землетрясение в мае 1970 г. в Перу явилось причиной нескольких гляциальных селей, которые уничтожили поселок Репарика. Прорыв из горных озер без сейсмического воздействия также чреват селем, что, например, произошло 15 июля 1973 г. при прорыве моренного озера Туюксу в верховьях р. Малая Алмаатинка. Это был 15-метровый вал со скоростью 15 м/с, с максимальным расходом воды 5200 м/с, перено-
сивший пятиметровые валуны массой до 300 т. Общий объем селевой массы составил 5,5 млн м3. Иногда возникают ледниковые сели, как, например, в августе 1832 г. в долине р. Кобахи у подножья Казбека (Кавказ), возникший сель вынес в Дарьяльское ущелье огромную массу льда, снега и камней, образовав в р. Терек завал длиной 2 км и объемом 16 млн м3, при этом за счет завала на два года была закрыта Военно-Грузинская дорога.
Сели вызываются дождевыми ливнями или быстрым таянием снегов и ледников в горах. Огромная масса воды устремляется вниз по ущельям, смывая и захватывая по дороге элювий и делювий. В результате водный поток превращается в грязекаменный.
Большое разрушительное воздействие селевых потоков обусловлено большими скоростями движения и наличием в них обломков горных пород. Средняя скорость движения селевых потоков колеблется от 2 до 4 и даже 6—8 м/с. На своем пути сели часто прокладывают глубокие русла, которые в обычное время бывают сухими или содержат небольшие ручьи. Твердый материал селей откладывается в предгорьях. Полезные площади оказываются погребенными под толщей грязи, песка и камней.
Селевые потоки подразделяют на связные и несвязные. К связным относят грязекаменные потоки, в которых вода практически не отделяется от твердой части. Они обладают огромной разрушительной силой. Несвязные сели иначе называют водокаменны-
ми. Вода переносит обломочный материал и по мере уменьшения скорости откладывает в русле или в области конуса выноса.
Селевые потоки обычны для гор Алтая, Кавказа, Урала и т. д. При инженерно-геологических изысканиях для строительства объектов необходимо выявлять районы, где возможно появление селей. В селевом бассейне выделяют следующие зоны:
• площадь водосбора (область питания);
• возможный путь движения (канал стока);
• область, где происходит отложение каменного материала с образованием конуса выноса (рис. 110).
При определении селеопасных направлений следует учитывать возможность появления селей в районах, где они раньше не возникали. Чаще всего это связано с вырубкой горных лесов. Начиная с XIX в. и особенно в XX в. количество таких районов значительно возросло.
Каждое селеопасное направление изучается. Определяют количественные показатели селевых потоков — скорость движения, плотность массы и ударную силу. Плотность показывает насыщенность селя данного участка твердым материалом, а ударная сила дает представление о количестве воды и твердого материала, проходящих каждую секунду через данное сечение русла.
Борьбу с селями проводят по нескольким направлениям:
организационно-хозяйственные мероприятия: прогнозирование селей, оповещение населения об опасности; недопущение в пределах селеопасных русел строительства дорог, зданий, водозаборов;

Рис. 110. Зоны селевого бассейна:
1 — площадь водосбора; 2 — канал стока воды; 3 — район конуса выноса обломочного материала

• агротехнические и лесомелиоративные мероприятия: правильное использование горных склонов; сохранение дернового слоя на пастбищах; устранение пересыхания верхнего слоя почвы; недопущение поверхностей эрозии почв при осадках; регулирование пастбищного хозяйства; лесопосадки на склонах;
• строительство специальных гидротехнических сооружений (например, см. табл. 34) и террасирование склонов.

Таблица 34
Специальные гидротехнические сооружения для защиты территорий от селей

Селерегулирующие сооружения позволяют пропускать сель в обход защищаемого сооружения над или под ним (под оросительным каналом), селенаправляющие сооружения устраивают для пропуска селя вдоль защищаемого объекта; селеотстойные — перед сооружениями защитными дамбами и подпорными стенками.
Селеделительные сооружения позволяют задерживать крупные и пропускать мелкие фракции селевого потока. Их используют как временные защитные сооружения и делают в виде металлических заанкеренных сеток из толстого троса.
Глухие селезадерживающие сооружения задерживают сель полностью и обычно это железобетонные, реже фунтовые селехрани- лища. Плотины с отверстиями задерживают крупные камни и превращают поток в водный.
Селетрансформирующие сооружения позволяют при помощи подачи воды из водохранилища по трубам или каналам разжижать сель.
Снежные лавины. Это обрушение больших масс снега с крутых склонов гор. На высоких горных хребтах постоянно накапливается снег, образуя нависающие над склонами большие карнизы. Под действием собственной тяжести масса снега находится
в весьма неустойчивом состоянии. В определенный момент от перегрузки, порыва ветра и даже от звукового колебания воздуха огромная масса снега приходит в движение и обрушивается вниз по склону (рис. 111).
Лавины образуются при достаточном снегонакоплении на безлесных склонах крутизной 15° и более; при уклонах более 50° снег ссыпается и лавины не образуются. Считается, что ровный травянистый склон протяженностью 100—500 м и уклоне 30°—40°
(а иногда и 20°) является оптимальным для формирования лавин.
Снежные лавины бывают сухие и мокрые. Если на снежную поверхность, покрытую образовавшейся после оттепели коркой льда, ложится новая масса рыхлого снега, которая в силу определенных причин соскальзывает вниз, то это дает сухую лавину. Обрушение сопровождается огромным облаком снега. Мокрые лавины возникают в период оттепели. Вода проникает под снег и вызывает обрушение.
Скорость движения сухих лавин достигает от 100 до 400 км/ч. Движение мокрых лавин более медленное — 20—50 км/ч. Снежные лавины по мере движения вниз захватывают новые массы снега, а также различный обломочный материал. Лавины на своем пути сносят леса, разрушают здания и сооружения, засыпают жилые поселки многометровой толщей снега. Сила удара снежных лавин может достигать 60 т/м2.
Лавины перед собой образуют воздушную волну, которая, в свою очередь, обладает большой разрушительной силой.
По характеру движения лавины подразделяют на осовые, лотковые и прыгающие. Снежные осовы (или снежные оползни) наблюдаются на склонах южной экспозиции и представляют собой сползание снега на сравнительно большой площади склона. Осовы надвигаются на долины широким фронтом. Лотковые ла
вины двигаются по определенным ложбинам сравнительно узкой полосой. У подошвы склонов они создают снежные накопления, после таяния которых на месте остается разнообразный обломочный материал, остатки деревьев. Прыгающей называют снежную лавину, которая при своем движении падает с обрыва в долину.
В нашей стране снежные лавины возникают в горах Кавказа, Алтая, Кольского полуострова и в других районах. История знает много примеров лавин катастрофического характера. Так, снежная лавина в 1812 г. запрудила Дарьяльское ущелье. Обвал из снега и льда остановил течение р. Терека на 3 дня, уничтожил 14 км Военно-Грузинской дороги. В мае 1970 г. в Перу с горы Уаскарак сошла лавина объемом 50 млн м3, прошла она 15 км со скоростью 320 км/ч и уничтожила г. Юнгай, в котором из 20 тыс. жителей уцелело лишь несколько сотен. В марте 1910 г. в Каскадных горах (штат Вашингтон, США) лавина сбросила в ущелье пассажирский поезд (погибло 100 человек). Лавина, сошедшая в 1966 г. в бассейне р. Хелино (Алтай), уничтожила лес на площади 40 га. Зафиксированы случаи (Приэльбрусье, Кавказ), когда уничтожался лес с диаметром сосен в 90 см.
При инженерно-геологических изысканиях определяют лавиноопасные районы и направления, устанавливают пути и границы движения лавин. Область действия воздушной волны определяют расчетом. В настоящее время строители могут руководствоваться картой, на которую нанесены все лавиноопасные районы России. Для изучения лавин оборудованы наблюдательные станции.
Там, где снежные лавины представляют опасность для зданий и сооружений, с ними активно борются. Способы защиты разнообразны и зависят от особенностей местности и характера движения лавин. Большое внимание уделяется мерам предупреждения. Чтобы снег не соскальзывал, склоны террасируют, производят посадку леса, ставят подпорные стенки. В лавиноопасных местах не допускают опасного скопления снега, периодически его обрушивают взрывопатронами или обстрелом из орудий.
В населенных пунктах организуют инженерную защиту. Для отвода лавин строят отбойные и направляющие стенки, устраивают специальные дамбы и стены для прикрытия зданий от удара снежных масс. Дороги на склонах перекрывают каменными или железобетонными галереями, что обеспечивает надежное и безопасное движение транспорта.