Аккумуляция материала в реках

Основными факторами переноса и осаждения обломочных частиц являются движение жидкости и скорость осаждения. Причем скорость осаждения частиц влияет на многие следствия транспортировки. Существуют физические законы, определяющие осаждение окатанных сферических частиц. Это закон Стокса и закон толчка.

Закон Стокса выводит зависимость скорости осаждения частиц данного диаметра и данной плотности от ускорения силы тяжести и от разницы между плотностью частицы и плотностью жидкости для частиц диаметром меньше 0,1 мм. Простейшая форма закона Стокса для весьма малых частиц может быть выражена формулой:

V = C1· d2,.

где V — скорость осаждения, d — диаметр частицы, а C1 означает суммарное.

действие различных констант (плотности частицы и жидкости, ускорение силы тяжести, вязкость жидкости).

Закон толчка определяет величину скорости осаждения частиц диаметром от 0,1 до 1 мм и более. Если частица достаточно велика, то вязкость жидкости не оказывает на нее заметного влияния. Тогда скорость осаждения: V = C2· vd,.

где C2 отражает влияние тех же констант, что и в формуле закона Стокса, но без.

учета вязкости среды.

Для частиц диаметром 0,1−1 мм действует как закон Стокса, так и закон толчка, и скорость осаждения будет средней величиной расчета по этим законам.

Действие этих законов при переносе и отложении обломочной массы определяет дифференциацию материала осадков на путях переноса. Глинистые частицы (диаметр менее 0,01 мм) могут уноситься далеко от области сноса, так как они способны оставаться во взвешенном состоянии в спокойно текущих равнинных реках. Крупные частицы осаждаются на коротких расстояниях почти сразу же. Различие в скоростях переноса сказывается на особенностях сортировки материала по величине зерен по направлению от источника.

Аккумуляция материала в реках происходит в самом русле, по берегам реки во время половодья и в устьевой части реки, где образуется конус выноса или дельта (по греческой букве дельта). Весь обломочный материал, откладываемый реками, называется аллювием. Впервые он был выделен в 1823 г. английским геологом У. Баклендом, а в России введен В. В. Докучаевым в 1878 г. Гидрологический режим рек обуславливает формирование аллювия равнинных и горных рек.

Аллювий равнинных рек подразделяется на русловой, пойменный и старичный.

Русловой аллювий накапливается в обстановке непрерывно меняющегося русла, вода в котором характеризуется максимальной энергией, и поэтому аллювий обладает наибольшей грубостью материала — от разнозернистых песков, до гравия и крупных галек. Формирование руслового аллювия в реке, имеющей изгибы — меандры (от р. Меандр в западной Анатолии, в Турции) подчиняется сложной циркуляции воды в поперечном и продольном сечениях реки. Стрежень, т. е. максимально быстрое течение, приближено к вогнутому приглубому, берегу и, соответственно, отдалено от отмелого противоположного берега. В поперечном разрезе реки на изогнутых и прямолинейных участках наблюдается многоячеистая вторичная циркуляция. Поэтому у вогнутого, приглубого, берега, там, где располагается стрежень или плёс, формируется наиболее грубый аллювий. А на выпуклом, отмелом, берегу, образуется прирусловая отмель, или побочень, сложенная хорошо сортированными мелкои тонко зернистыми песками, ограниченная прирусловым валом, располагающимся ближе к руслу.

В случае отступания русла более молодые части прируслового аллювия накладываются друг на друга, образуя серию прирусловых валов.

На спрямленных участках реки, между изгибами образуются мелководные перекаты, река дробится на несколько рукавов, между которыми располагаются островки и аллювий характеризуется разнозернистостью и быстрой изменчивостью.

Рис. 13 Образование старицы. [2]

По мере развития равнинной реки ее извилины — меандры, становятся выраженными все резче, образуя раздувы и пережимы. При этом приглубые берега эродируются, а на отмелых наращивается отмель. Наконец, наступает момент, когда два пережима соединяются между собой и происходит перехват реки, русло которой спрямляется, а бывшая меандра отделяется от нового русла и образует старицу (старая часть реки)(рис.13), обычно узкой серповидной формы, в которой развит своеобразный аллювий, состоящий из проточной, озерной и болотной частей. Первая, нижняя часть состоит из чередования песков, супесей и глин, т.к. во время половодий старицы могут заливаться водой. Вторая, более молодая часть, сложена слоистыми глинами, илами, накапливавшимися во время озерной стадии развития старицы. И, наконец, верхний горизонт, как правило, сложен уже торфом, когда произошло заболачивание старицы и ее отмирание. Меандрирующая река может снова перекрыть русловым аллювием старичный, и тогда последний переходит в погребенное состояние.

Ежегодные паводки перекрывают наиболее низкие прирусловые отмели, называемые поймой, а особенно мощное половодье — еще более высокие участки низкой долины — высокую пойму. Пойменный аллювий, состоящий из тонкого материала, взвешенного в полой воде — тонких песков, суглинков, глин, чаще всего не превышает в мощности 1−2 м и перекрывает русловой грубый аллювий. Пойма, покрытая заливными лугами, очень важная в сельскохозяйственном отношении часть долины реки. На поймах всегда растут сочные, высокие травы — это пастбища и угодья для сенокоса. Стремление осушить, распахать пойму всегда приводило к ее гибели.

Аллювий горных рек отличается от равнинного аллювия своей грубостью, плохой сортированностью, наличием горизонтов пролювия из грязекаменнных — селевых — потоков. Реки начинаются обычно в высокогорной части у концов ледников, где имеют крутой уклон русла, а далее переходят в горную часть, располагаясь в троговых долинах. Там уклон русла уже меньше. Вырвавшись, наконец, из гор, реки текут по равнине — предгорной зоне, где рельеф уже слабо расчленен, течение воды замедлено, хотя все еще быстрое. Соответственно этим частям долин горных рек меняется и аллювий: от грубого, несортированного, плохо окатаного, содержащего валуны и глыбы, до сравнительно тонкого, песчаного и мелкогалечного пойменно-руслового аллювия.

Основная роль в формировании горного аллювия принадлежит новейшей тектонике и климату, которые определяют характер уклона русла, расход воды, скорость течения, гидродинамику потока и, особенно, турбулентно-вихревой характер течения.

Горные потоки обладают большой эродирующей силой и переносят много обломочного материала, до 50−60 кг/м3, тогда как в равнинных реках он не достигает и 0,5 -1 кг/м3.

Динамические фазы аллювиальной аккумуляции, выделенные Е. В. Шанцером, В. В. Ламакиным и И. П. Карташевым, позволили связать характер аллювия с фазами развития рек.

Инстративный, или выстилающий, аллювий характерен для ранних стадий развития реки, когда она врезается в горные породы и характеризуется наибольшей грубостью и плохой сортировкой. Такой аллювий располагается только в русле реки.

Субстративный, или подстилающий, аллювий связан с расширением боковой эрозией речной долины. Этот аллювий менее грубый, и он перекрывает выстилающий аллювиальный горизонт.

Констративный, или настилающий, аллювий характерен для участков реки, испытывающих тектоническое опускание и, вследствие этого, накопление аллювиальных отложений в условиях замедленного стока и постоянно мигрирующего русла. При этом русловые, пойменные и старичные фации перекрываются более молодыми фациями. Горизонты аллювия как бы настилаются один на другой и перекрывают друг друга.

И, наконец, перстративный, или перестилаемый, аллювий связан с хорошо разработанными, зрелыми долинами, для которых характерен очень пологий уклон и сильно развитое меандрирование с боковой эрозией. Перстаривный аллювий обычно хорошо сортирован, обладает наклонной слоистостью и знаменует собой определенный этап в развитии речной долины, когда несущая способность реки уравновешивается объемом поступающего в нее обломочного материала и переносимого в виде взвеси в воде.

Перечисленные динамические типы аллювия могут неоднократно сменять друг друга на протяжении речной долины в связи с меняющимися гидродинамическими условиями[1],[2],[7].