Лекция 18. Гравитационные процессы

Понятие гравитационные геологические процессы включает в себя разрушение горных пород или осадков в верхних частях склонов, перемещение разрушенного материала вниз по склону под действием силы тяжести и накопление сто в пониженных участках рельефа. Эти процессы происходят на склонах гор, берегов морей и рек; на наклонном морском дне. Перемещающийся материал может находиться в твердом или полужидком состоянии. Все перемещения такого рода происходят эпизодически — в одни периоды склон относительно устойчив, в дру­гие он теряет устойчивость и начинается движение материала.

Причинами, вызывающими гравитационный перенос горных пород и осадков, могут являться природные регулярно повторяющиеся события, такие как сезонные дожди, таяние снега, оттаивание грунта, удаление пород из основания склона в результате подмывания рекой (эрозия) и морем (абразия). В число причин могут быть включены также землетрясения и воздействие человека на окружающую среду.

Главной движущей силой, перемещающей массы вещества из повышенных участков рельефа в пониженные, является сила тяжести. Эффект действия силы тяжести зависит от характера склона, по которому происходит движение, и от внутреннего сцепления и прочности горных пород и осадков, участвующих в этом переносе.

Сила Р, направленная вдоль склона и перемещающая тела вниз, является результирующей при сложении силы тяжести (Р) и силы реакции опоры (М), ориентированной нормально к поверхности склона. Сила трения (Р), удерживающая тело, направлена по склону вверх. До тех пор пока сила трения больше силы Р, тело остается в устойчивом положении и не перемещается по склону.

Сила трения (Р) является функцией реакции опоры (N) и свойств соприкасающихся поверхностей материала, лежащего на склоне, и са­мого склона. Величина реакции опоры зависит исключительно от угла наклона. По мере увеличения наклона величина силы N (и, следовательно, сила трения) уменьшается, а Р возрастает.

На вертикальной поверхности N равна пулю, следовательно, сила трения, препятствующая перемещению по склону, тоже равна нулю. На горизонтальной поверхности величина реакции опоры равна величине силы тяжести, а сила Р, перемещающая тела по склону, равна нулю. Таким образом, чем круче склон, тем сильнее он разрушается в результате гравитационных процессов и стремится приобрести боль­шую устойчивость за счет общего уменьшения угла наклона. Гравита­ционный перенос пород будет совершаться до тех пор, пока не сформируется пологий склон, на котором материал находится в равновесии. Для сыпучих пород это угол естественного откоса.

Крутизну склона увеличивают такие процессы и явления, как волновая деятельность у морских берегов, вынос материала из основания склонов в результате подрезания его реками и ледниками, открытая разработка месторождений и строительство зданий, сооружений и дорог.

Влияние окружающей среды на устойчивость склонов в основном зависит от климата. Засушливый климат благоприятен для создания и сохранения крутых склонов, а выпадение большого количества осадков способствует выполаживанию склонов из-за сползания рыхлых отложений. Отсутствие растительности на склонах, покрытых чехлом рыхлых отложений, также приводит к их быстрому выполаживанию. С другой стороны, корневая система растений, проникая в трещины и другие полости, расклинивает и расшатывает глыбы массивных пород, активизирует гравитационные процессы.

Привести обломки пород в неустойчивое состояние могут роющие организмы и даже шаги животных, проходящих по склону,

Однако самая быстрая дезинтеграция пород па суше идет в условиях холодного климата в самом высоком ярусе гор (гляциально-нивальных и субнивальных областях), где господствует физическое, преимущественно морозное выветривание. Например, в горах Центрального Алтая скорость отступления разрушаемых ледниками склонов состав­ляет 7-8 мм в год. На той же высоте в условиях аридного климата (плато Колодаро в районе Гранд Джанкшен, США) скорость снижения склонов равна 0,7 мм в год. В то же время в условиях жаркого влажного климата она составляет всего 0,092 мм в год.

Большое влияние на интенсивность гравитационных процессов оказывают особенности структуры, текстуры и сила сцепления между отдельными частицами пород, подвергающихся переносу.

Взаимное прорастание или хорошая цементация минералов и обломков препятствуют гравитационному переносу. Перенос материала может облегчить наличие ослабленных зон в породах, таких как плоскости напластования, сланцеватость, трещиноватость и отдельность.

Сцепление между зернами, обломками или блоками может уменьшиться при наличии веществ, выполняющих роль смазки. Таким веществом чаще всего является природная вода из подземных источников, дождь и талый снег или вода антропогенного происхождения при неправильной ирригации или утечке из водохранилищ.

Подземные воды выщелачивают и вымывают отдельные минералы, образуя пустоты и ослабляя связи между выше- и нижележащими слоями пород. Поверхностные воды пропитывают рыхлые и полурыхлые массы, обволакивают отдельные частицы пленкой, уменьшающей трение и нарушающей связи между ними. Породы разжижаются и начинают сползать по склону. Если вода абсорбируется глинистым веществом, то это вызывает его разбухание и образование пластов скользкой грязи, которые облегчают движение. В других случаях гравитационный перенос облегчается за счет увеличения веса, обусловленного накопившейся водой в порах породы или осадка.

Первоначальный состав пород почти не влияет на их поведение при гравитационных процессах: крутые склоны (до 90°) наблюдаются в различных генетических тинах магматических, метаморфических и осадочных пород. Тем не менее наиболее часто очень крутые, высокие (более 100 м) склоны встречаются в массивах магматических пород, что объясняется отсутствием слоистости и сланцеватости, наиболее характерных для осадочных и метаморфических пород.

Таким образом, для формирования гравитационных процессов первостепенное значение имеют текстурные особенности и интенсивность процессов выветривания.

Важно отмстить, что гравитационное перемещение может совершаться с различной скоростью (быстро, мгновенно или весьма медленно). Скорость процессов зависит от механизма перемещения вещества и изменяется в широких пределах: от 100 м/с и более (при обвалах и камнепадах) до практически незаметных смещений, связанных с мед­ленным оползанием, или крипом. Скорость такого медленного течения вниз по склону измеряется лишь несколькими метрами в столетие.

Существуют различные способы перемещения вниз по склону горных пород, подвергшихся разрушению. К ним относятся падение, скатывание и скольжение обломков по крутым склонам, вызывающие дробление материла материнских пород.

Может происходить соскальзывание по склону больших масс пород. При этом деформация внутри самих этих масс будет небольшой. И, наконец, перемещение может носить характер пластического течения, или течения полужидкой массы, в результате чего форма и внутреннее строение первичного материала изменяются как незначительно, так и коренным образом. На одном и том же склоне эти процессы могут чередоваться во времени. Так, склон, на котором происходит медленное пластическое течение (крип), может внезапно обрушиться и превратиться в оползень. В его пределах могут сохраниться как участки с ненарушенным первичным строением, так и участки, на которых оползень имеет вид несцементированной массы беспорядочно перемешанных фрагментов. к быстрому течению или к скольжению, поэтому чаще при классификации гравитационных процессов главным образом учитывается влияние силы тяжести и воды.

Крип — это медленное перемещение поверхностных дезинтегрированных отложений как вглубь Земли (глубинный крип) в виде просадок и прогибов, так и вниз по склонам возвышенностей (склоновый крип).

Крип обусловлен уплотнением рыхлых пластичных пород на глубине (лёсса, глины), образованием там разуплотненного вещества вследствие таяния и замерзания воды (криогенный крип), выщелачиванием отдельных минералов, оттоком подземной воды при откачках, извлечении нефти, газа и т. п. (антропогенный крип).

Признаки склонового крипа имеются почти па каждом склоне, покрытом почвой. Он проявляется в наклоне изгородей и телеграфных столбов, разрушении и смещении подпорных стенок, искривлении стволов деревьев. Оползание почвы отклоняет деревья вниз по склону, тогда как в процессе роста они стремятся снова вернуться в вертикальное положение. Часто образуются оголенные склоны с холмистым нагромождением коллювия у их подножия.

В результате проявления крипа на задернованных склонах развиваются серповидные уступы и трещины, от очень маленьких до крупных, достигающих 30 м, концы которых («рога») направлены вниз по склону. Такие формы рельефа возникают из-за неодинаковой скорости движения материала по наклонной поверхности.

В результате глубинного крипа па поверхности формируются плоские блюдцеобразные котловины. Иногда может нарушаться линейность полотна дороги и железнодорожных путей.

Скорость крипа зависит от изменения температуры, количества атмосферных осадков, угла склона, типа почв и характера материнской породы. Наиболее медленно крип развивается в породах типа лёсса, которые могут держать почти отвесные склоны. В слабо сцементированных песчаных отложениях с высоким содержанием окатанных зерен проявление крипа заметнее.

Крип в коренных породах представляет медленное скольжение вниз по склону крупных монолитов или блоков, которое происходит в местах обнажения трещиноватых массивных пород. В слоистых осадочных или сланцеватых метаморфических толщах крип приводит к загибанию сло­ев вниз по склону или даже их наклону, обратному истинному падению.

Сползание осыпей — это медленное перемещение вниз по склону средних по размеру неправильной формы обломков, образующих каменный поток (курумы, каменный глетчер, каменная река). Это явление наблюдается в областях развития склонов крутизной от 3-5 до 40-45°. Скорость движения определяется климатическими условиями: в районах с сильными колебаниями суточной температуры она выше, чем в районах со слабыми изменениями температуры. Самое быстрое сползание осыпей свойственно холодным районам, где интенсивно проявляется морозное выветривание.

Свободное падение обломочного материала, или камнепады, наиболее широко развито в областях с сильно расчлененным рельефом и большой крутизной склонов. При свободном падении скорость перемещения материала определяется только ускорением силы тяжести и сопротивлением воздуха. Обломки после падения разбиваются при ударе о поверхность внизу, а потом могут катиться, сползать или скользить до тех пор, пока энергия движения не израсходуется на преодоление сил трения. Продукты разрушения могут накапливаться в виде масс конусообразной формы до тех пор, пока не образуется угол естественного откоса, характерный для данного материала (угол естественного откоса¹ зависит от размера обломков и изменяется от 21 до 32°).

В горных странах, особенно в зонах аридного и семиаридного климата, широко развиты обвалы и осыпи.

Обвалами (их еще называют обломочной лавиной) является быстрое перемещение обломочного материала без участия воды на крутых склонах (угол больше угла естественного откоса) в гористой местно­сти вследствие потери сцепления (в результате выветривания) или потери опоры (выветривание, эрозия и абразия у основания склона). Крупные блоки горных пород обрушаются внезапно, а обвальная масса (коллювий) образует завал. С обломками пород может смешиваться значительное количество снега и льда, тогда па заснеженных склонах обломочная лавина постепенно сменяется снежной лавиной. Иногда коллювиальпые массы, спустившись по склону в долину, начинают подниматься вверх по противоположному склону на значительные расстояния.

Обвалы, как правило, происходят в районах с влажным климатом. Обломочный материал обрушается в пределах сравнительно узких зон вслед за обильными дождями, которые увеличивают вес рыхлого материала на крутых склонах. Причиной же наиболее крупных обвалов являются землетрясения.

Осыпи — это перемещение по склону щебня и мелких обломков, отделяющихся от скальных пород склона в результате физического выветри­вания и перемещающихся вниз под действием силы тяжести.

Обрушения масс горных пород под действием силы тяжести над подземными полостями или пустотами естественного или антропогенного происхождения называются провалами. Причинами возникновения провалов могут служить землетрясения, взрывы, резкое увеличение нагрузки на «крышу» подземной полости. Последствием провалов является появление на поверхности Земли отрицательных форм рельефа (ям, колодцев, котловин), размеры и форма которых зависят только от объемов подземных пустот.

В скалистых горах некоторых областей снежные лавины являются главным агентом переноса обломочного материала на крутых склонах выше верхней границы леса. Снежные лавины — массы снега, падающие или соскальзывающие с крутых склонов гор под действием силы тяжести, обладают большой разрушительной силой из-за образования воздушной предлавинной волны. Во время движения лавины снежная масса захватывает пылевато-щебнисто-глыбовый материал со склонов, оставляя на своем пути рытвины и лавинные желоба, сложенные коренными породами. Сброшенные лавиной обломки пород аккумулируются в долинах в виде лавинного конуса. Среднегодовая скорость накопления обломочного материала колеблется от 0,7 до 5 мм в год.

Солифлюкция — медленное пластично-вязкое течение почв и увлажненных масс дисперсных отложений па склонах, наблюдающееся там, где грунт сезонно промерзает па значительную глубину. Поскольку оттаивание распространяется с поверхности на глубину, талые воды не могут просочиться вниз и верхний оттаявший слой почвы насыщается водой, приобретая свойства вязкой жидкости. Для развития солифлюкции необходимо наличие трех факторов (Романовский, 1983):

• супесчано-суглинистых пылеватых отложений, часто с включе­ниями довольно крупных глыб;

• высокой влажности отложений;

• уклонов, обеспечивающих течение увлажненных пород (обычно от 3 до 10-15°, но иногда — 0,5°).

В процессе солифлюкции образуются натечные формы рельефа — солифлюкционные языки различной протяженности и ширины, солифлюкционные террасы, покровы и другие формы.

Солифлюкция особенно эффективна в горных районах выше линии развития древесной растительности и в полярных и приполярных областях, где существует вечная мерзлота.

Отрыв масс горных пород и перемещение их со скоростью от 0,1 до 100 м/год вниз по склону под действием силы тяжести называются оползнем. В оползневых перемещениях могут участвовать крупные блоки твердых горных пород (блоковые оползни) и отдельные глыбы, сохранившие первичную текстуру (глыбовые оползни), слоистые трещиноватые горные породы; рыхлые и раздробленные склоновые отложения коллювиального, делювиального и почвенного про­исхождения.

Скольжение происходит по искривленной поверхности, которая проходит внутри склона и называется поверхностью скольжения (или ложем оползня). Она имеет, как правило, вогнутую форму: более крутую в верхней части склона и положе к его подножию.

По углу наклона ложа различают четыре типа оползней.

1. Очень пологие — углы, не превышающие 3-5° (в подводных условиях).

2 Пологие — 5-15°.

3. Крутые — 15-45°

4. Очень крутые — более 45°.

По глубине залегания поверхности скольжения оползни подразделяются на:

• поверхностные — не глубже 1 м (оплывины, сплывы);

• мелкие — до 5 м;

• глубокие — до 20 м;

• очень глубокие — глубже 20 м.

Размеры оползней зависят главным образом от высоты склонов. В горах оползневые блоки могут достигать нескольких километров в поперечнике, а на равнинах их ширина не превышает нескольких сотен метров. Отдельные части оползневого тела перемещаются с различной скоростью и подвергаются различным видам деформации. В верхней (тыльной) части оползневого тела и вдоль его поверхности обычно развивается хрупкая деформация, а внутри его преобладает пластическая. Это приводит к образованию трещин, стенок отрыва и уступов (эскарпов) в тыльной части и бугров выпирания, гряд сжатия и впадин в лобовой (фронтальной) части оползневого тела.

По форме оползневого тела в плане и строению стенок отрыва вы­деляется несколько типов оползней.

Террасовидный оползень имеет линейную форму, ровную поверхность и прямую ступенеобразную стенку отрыва, расположенную поперек склона.

У цирковидного оползня стенка отрыва дугообразно изогнута и напоминает полуцирк, а само тело имеет изометричную округлую форму.

Ложкообразные оползни по строению сходны с циркообразными, но в плане вытянуты вдоль склона.

Перемещение оползней обычно происходит неравномерно: быстрое движение сменяется медленным или даже длительным состоянием покоя. Движение оползневых тел обычно происходит по глинистым породам, играющим роль смазки. Вода, проникающая на ложе ополз­ня в результате таяния снегов, ледников и после сильных дождей, улучшает скольжение вышележащих пород.

В качестве примера можно привести Южную Калифорнию, где ураган и дожди, давшие 25 см осадков, стали в январе 1969 г. причиной целой серии оползней, под которыми погибло около 100 человек. Общий ущерб составил более 60 млн долл. Порядка 9000 домов были разрушены или серьезно повреждены.

Причинами возникновения или активизации оползневых процессов могут послужить усиление давления на верхнюю часть оползневого тела (детрузивный тип); образование полостей в нижней части склона (деляпсивиый тип); подмыв склона рекой или морскими волнами (со­ответственно эрозионный и абразионный типы): землетрясения (сейсмический тип); деятельность человека (антропогенный тип).

Сели (от араб, «сель» — бурный поток; син. грязевые потоки, муры) представляют собой кратковременные разрушительные потоки, перегруженные грязекаменным материалом, которые появляются внезапно и движутся с большой скоростью (иногда более 3 м/с). Причиной их возникновения является выпадение обильных ливней или интенсив­ное таяние снега в предгорных и горных районах. Сели обычно текут по руслам существовавших прежде водотоков или логов с большими уклонами тальвега.

По преобладающей размерности переносимого материала селевые потоки разделяются на водно-каменные с преобладанием валунов и глыб, грязевые, состоящие в основном из тонких глинистых частиц, и грязекаменные, насыщенные поровну мелкими и крупными обломками (сели альпийского типа). Содержание обломочного материала в грязекаменных селях зависит от крутизны склона, по которому он дви­жется. Например, при крутизне ложа 15° его количество в потоке до­стигает 40-45 % от массы селя, при крутизне 36° масса обломков достигает 70 %. В передовой части потока собирается твердый материал, образуя крутую стену — фронтальную дамбу.

Разрушительная сила грязевых потоков может быть катастрофичесой. Так, в ноябре 1963 г. селевые потоки, вызванные тропическими ливнями, в Северной Гранд-Ривьере (Гаити) унесли около 500 жизней, затопили деревни грязью, забросали валунами, сровняли с землей по­стройки и полностью уничтожили урожай на территории целого района. В пашей стране за последнее время самые крупные грязекаменные потоки были зафиксированы в городе Тырныаузе (Кабардино-Балкарская республика) в июле 2000 г., в результате схода которых погибло восемь человек, было затоплено пять жилых домов до уровня третьего этажа, разрушен автомобильный мост через реку Баксан и около 1000 человек остались без крова.

В гляциально-нивалыюм (выше снеговой линии) поясе гор, а также в районах Субарктики и Арктики зарождаются специфические гляциальные сели, представляющие собой стремительно движущуюся водно-снежно-ледовую массу, перемешанную с грязекаменным ма­териалом в количестве от 4-6 до 50 % и более. Такие сели возника­ют при прорывах воды либо из озер, подпруженных ледниками, либо из моренных озер. Причинами прорыва могут быть как внешние процессы (интенсивное снеготаяние, дожди и т.д.), так и процессы внутренней динамики (извержения вулканов и землетрясения).

Отложения селей называются селевым коллювием, представляющим собой несортированную породу, в которой в одних случаях преобладает грубообломочный материал, в других — глины, пески, почва. Иногда в устьевой части потока происходит вторичная сортировка материала, связанная с вымыванием из него мелких частиц, и переотложение их ниже по течению.

На крутых склонах действующих вулканов, засыпанных мощными, еще рыхлыми отложениями пепла и пыли, после сильных дождей, таяния снега и льда или прорыва вулканических озер образуются лахары (индонез.), представляющие собой разновидность грязекамеиных потоков, несущих с собой мелкие обломки и угловатые глыбы пород преимущественно вулканического происхождения. Различают горячие и холодные лахары.

Горячие лахары возникают при эксплозивном извержении вулканов и образованы горячим пирокластическим материалом с большим количеством пепла, смешанным с водой. Отложения хаотичны, со слабой слоистостью. По бокам потока наблюдаются гряды грубого материала, подобные краевым моренам ледника. Характерным признаком горячего лахара является наличие пузырей или трубчатых полостей в пепловом материале.

Холодные лахары — грязевые потоки, состоящие из рыхлого мате­риала вулканического происхождения. Их возникновение не связано непосредственно с извержениями, а является результатом внезапного поступления золы из кратерного озера при разрушении стенок кратера или после длительных ливней.

Подводные обвалы, оползни, мутьевые потоки имеют место на подводных обрывистых склонах, когда под действием собственного веса осадки начинают сползать, создавая оползневые формы, похожие на поверхностные. Причиной возникновения этого процесса может быть дополнительная нагрузка на морские осадки, которую вызывают обвалы берегов или оползневые тела, спускающиеся с берега в море. Подводные оползни могут охватывать весь склон или перемещаться по подводным каньонам и ложбинам стока. Спускаясь по каньонам или ложбинам, подводный оползень может превратиться сначала в грязе­вой, а затем и в мутьевой поток, перенося материал на расстояния в сотни километров и развивая скорость 90 км/ч.