Эрозионная деятельность подземных вод

Там, где в породах развиты многочисленные трещины, вода быстро проникает вниз. Если породы легко растворяются, как, например, известняки, доломиты, гипсы и каменная соль, то просачивающаяся вода постепенно расширяет трещины. На пересечении трещин с пластами легкорастворимых пород могут образоваться горизонтальные камеры значительных размеров.
Одним из наиболее достойных упоминания результатов растворения являются карстовые воронки и впадины. Карстовая воронка представляет собой впадину на поверхности земли, образовавшуюся либо в результате растворения пород без какого-либо физического их разрушения, либо за счет проседания пород над небольшими пустотами или участками пещер. Последний механизм – проседание - наиболее важен; к тому же он может привести к материальным потерям. В округе Орандж, шт. Индиана, на площади 2,5 км2 насчитывается более 1000 карстовых воронок. Иногда они настолько закупорены органическим детритом, обломками пород и почвенным материалом, что в них образуются озера. Примером может служить озеро Алачуа-Лейк во Флориде. До 1871 г. сток поверхностных вод, дренировавших прерию Алачуа, происходил через крупную карстовую воронку. В 1871 г. отверстие на дне воронки засорилось и образовалось озеро длиной 13 км и шириной 6 км. Примерно через 20 лет отверстие снова открылось, и вода из озера ушла под землю.
Формирование одной из самых больших карстовых воронок в шт. Алабама, а может быть, и на всей территории США произошло в декабре 1972 г. Жители округа Шелби, шт. Алабама, 2 декабря были испуганы грохотом, от которого задрожали дома и вслед за которым стали ломаться и падать деревья. В результате обследования местности была обнаружена карстовая воронка длиной 140 м, шириной 115 м и глубиной 50 м. Она находится в пределах площади в 16 км2, на которой развито свыше 1000 карстовых воронок и участков проседания. Коренные породы в этом районе представлены известняками и доломитами, выше которых располагается зона сильно выветрелых пород, где и происходит обрушение. Непосредственной причиной образования этой карстовой воронки было, возможно, то, что в ноябре здесь выпало очень много дождей, гораздо больше, чем обычно; кроме того, могла сказаться откачка грунтовых вод в карьерах, расположенных восточнее. Пещеры. В зонах тектонических нарушений и у поверхностей напластования, где известняки растворяются легче всего, выносится почти вся порода и остается лишь немного песка и глины. В результате этого в твердых породах с течением времени формируются узкие и широкие тоннели и полые камеры.
Наиболее интенсивное растворение происходит у зеркала грунтовых вод или непосредственно ниже его. На сводах многих пещер наблюдаются такие характерные особенности, как карманы и сложные сетчатые рисунки, которые заставляют предположить, что проходы во время их формирования были заполнены водой, размывавшей породу. Вероятно, сеть цилиндрических тоннелей, образуется в результате течения воды под напором ниже зеркала грунтовых вод. План тоннелей во многом на-поминает водоразборную систему большого города.
Наиболее крупные пещеры бывают почти горизонтальными даже при наклонном залегании пластов растворимых пород; это заставляет думать, что их положение контролируется зеркалом грунтовых вод. Породы легче всего растворяются около верхней границы зоны насыщения, потому что смешивание просачивающихся сверху вод с теми, которые находятся
внизу, всегда создает условия для дополнительного растворения карбоната кальция.
После образования главной пещеры уровень грунтовых вод может понизиться, пещера станет сухой и, возможно, даже доступной для наблюдения. Такое понижение уровня грунтовых вод обычно является результатом врезания сети местных рек, происходящего в течение длительного времени. Следовательно, образующиеся в такой последовательности пещеры могут рассказать и об истории развития подземных уровней, и об изменениях на поверхности. Считают, что примерами именно такого типа развития могут служить Карлсбадская пещера в шт. Нью-Мексико и многие пещеры шт. Миссури.
Примером системы пещер, расположенных ниже зеркала грунтовых вод, является пещера Биг-Спринг на плато Озарк, шт. Миссури, находящаяся сейчас в стадии формирования. Расход воды источника Биг-Спринг, стекающей в реку Каррент, составляет около 950 000 м3 (примерно 1 млрд. л) в сутки; в этом количестве воды содержится приблизительно 190 т растворенного вещества. Вода начала поступать под напором из заполненной доверху системы пещер, когда река Каррент, углубляя свою долину, пропилила кровлю этих пещер. Положение прежних подземных водотоков можно наблюдать в скалах над источником Биг-Спринг. Запасы воды в источнике пополняются за счет атмосферных осадков и в меньшей степени за счет просачивания из рек. Источником растворенного вещества являются известняки, через которые течет подземный поток. Через описываемую систему пещер вода будет течь до тех пор, пока долина реки Каррент не углубится ниже современного уровня главного подземного канала.
Одной из самых крупных пещер, известных на Земле, является система пещер Карлсбадского национального парка пещер в шт. Нью-Мексико. Она расположена в известняках и гипсах гор Гвадалупе. Из-за гигантского размера пещер и великолепного зрелища, которое являют собой выделившиеся из подземных вод породы и минералы, здесь в 1930 г. был организован государственный заповедник. Одна из галерей, Большой зал, достигает примерно 1200 м в длину, 190 м в ширину и около 90 м в высоту.
Из других американских пещер хорошо известна Мамонтова пещера в шт. Кентукки. Некоторые ее участки изучены подробно, другие еще никогда не исследовались. Этот обширный лабиринт состоит из нескольких сотен километров соединяющихся друг с другом галерей с подземными озерами, реками и водопадами. Высота галерей колеблется от менее чем 1 м до 30 м и больше. В некоторых местах галереи расположены одна над другой. Расширение пещеры-Маммот-Дом («Мамонтовый купол») имеет длину около 130 м, ширину 50 м и высоту от 25 до 80 м.
В некоторых районах мало что указывает на существование сети подземных коридоров. Такого рода сеть подземных проходов обнаружена около города Ханнибал в шт. Миссури (возможно, именно там заблудился Том Сойер). Длина их достигает почти 6 км, а площадь, которую они занимают, составляет не более 50 акров. Здесь есть только два свободных входа, остальные 24 входа на склонах холма завалены щебнем. В результате неполного обрушения кровли пещер могут возникать естественные мосты. Хорошим примером является мост в шт. Виргиния. Естественный тоннель в округе Скотт, шт. Виргиния, представляет собой остаток пещеры длиной 300 м, по которому в настоящее время течет река Сток-Крик и проходит Южная железная дорога.
Карст. Причудливые формы земной поверхности в местах развития карстовых воронок называются карстовым рельефом. Этот необычный тип рельефа получил свое название по плато Карст, расположенному к северо-востоку от северного побережья Адриатического моря, где хорошо развит рельеф этого типа. Сходный рельеф встречается в областях развития известняков в шт. Флорида, в центральной части шт. Теннесси, в шт. Кентукки и в некоторых местах на юге шт. Индиана.
При развитии карста склоны многочисленных воронок становятся крутыми и скалистыми. На поверхности может, кроме того, образоваться сеть многочисленных коротких овражков и ложбин, которые резко обрываются там, где поверхностные воды уходят в подземные каналы; поэтому поверхность здесь очень неровная. Постепенное растворение известняков в карстовых областях проявляется в виде карстовых воронок и впадин, из которых при их увеличении образуются карстовые долины Длительное разрушение территории, сложенной известняками, может привести к тому, что на ней останутся изолированные холмы или группы холмов, называемые скирдовидными холмами. Местность с холмами такого происхождения в Пуэрто-Рико, где они на 100 м возвышаются над окружающей равниной, носит специальное название «КокПит кантри» (Cockpit Country- место петушиных боев).

Дождевая эрозия

Влияние дождевых капель. Эрозия начинается, как только дождевые капли ударяются о землю. Может быть, вы обращали внимание на обнаженную поверхность земли после сильного дождя?
Хорошо видно, что каждый маленький камешек на этой поверхности лежит на бугорке земли, так как он защищал находящийся под ним крошечный участок почвы от размыва. Незащищенная почва вокруг таких камушков вынесена водой. Падающие дождевые капли обладают неожиданно большой кинетической энергией, которая расходуется при ударе на разрыхление и вынос мелких частиц незащищенной почвы.
Если принять, что каждая дождевая капля имеет в диаметре 0,25 см, то ее конечная скорость будет равна 7 м/с. Общей кинетической энергии одного ливня, во время которого выпадает 10 см осадков, достаточно для того, чтобы поднять слой почвы мощностью 10 см на высоту более 2 м (Linsley et а11., 1949). В действительности почва не поднимается на 2 м, но как только она разрыхлится, сопротивление ее частиц дальнейшей эрозии прекращается. Склоновый сток, плоскостная эрозия и формирование оврагов. Когда атмосферных осадков выпадает больше, чем может впитаться в почву на склонах, избыток воды стекает по поверхности. На пологих склонах поверхностный сток развивается в виде склонового стока, при котором тонкая пленка воды движется вниз по склону, вызывая плоскостную эрозию (плоскостной смыв). Тщательное изучение смыва почвенного слоя с обрабатываемых полей указывает на то, что плоскостная эрозия в сочетании с ударами дождевых капель за год перемещает вниз по склонам десятки тонн почвы с одного акра площади. Обычно склоновый сток способен эродировать только гонкий алевритовый и глинистый материал, оставляя на месте в виде остаточных продуктов (элювия) песок и гальку.
Вода,движущаяся по неровной поверхности земли в виде склонового стока, может скапливаться в неровностях поверхности, образуя небольшие ручейки. Собравшаяся в ручьи вода обладает более сильным течением, т.е. имеет больший объем и большую скорость, и эффективнее действует не как склоновый сток, а как агент эрозии. Ручьи изменяют конфигурацию первичных склонов, размывают мелкие овражки, превращая их в маленькие долины с крутыми склонами. Продолжающееся увеличение объема воды, переносимой ручьями, приводит к наступательной эрозии и врезанию русел потоков. В конце концов образуются ветвящиеся дренажные системы, в каждую из которых стекает вода из собственного небольшого водосборного бассейна. Водосборный бассейн-это площадь поверхности земли, с которой вода и осадки выносятся в поток. Граница водосборного бассейна называется водоразделом, так как он отделяет сток одной речной системы от стока другой.
Наиболее сильная эрозия происходит на склонах, лишенных защитного растительного покрова. Растительность предохраняет поверхность земли от эрозии благодаря тому, что дождевые капли разбиваются и движение их приостанавливается прежде, чем они ударяются о землю, и, таким образом, поверхностный сток ограничивается. Корни и растительный материал на земле предохраняют почву от размыва теми дождевыми каплями, которые достигают поверхности склонов.
В природных условиях больше всего осадочного материала выносится там, где в год выпадает 25-35 см атмосферных осадков; при этом большую роль играет скорость испарения. Такого количества воды достаточно для того, чтобы возник значительный поверхностный сток, и слишком мало для того, чтобы способствовать произрастанию защитного растительного покрова. С уменьшением или увеличением количества влаги вынос осадочного материала становится заметно меньше. При более высоком среднегодовом количестве атмосферных осадков растительность обычно хорошо защищает грунт.
Таким образом, первоначальное понижение поверхности суши происходит под действием выветривания, гравитационного переноса, ударов дождевых капель и плоскостного смыва. После развития речных долин процессы выравнивания продолжают поставлять осадочный материал в реки. Каждая река непрерывно углубляет и расширяет свою долину и увеличивает водосборный бассейн посредством наступательной эрозии. Развитие долины вызывает формирование новых склонов, что усиливает процессы выравнивания. Эрозионные процессы, действуя на склоны водосборного бассейна, оказывают чрезвычайно большое влияние на понижение поверхности земли, так как русла рек занимают лишь около 5% поверхности суши. Почва и частицы пород, которые попадают в реки в результате этих процессов, затем выносятся в море.
Понижение поверхности суши в результате эрозии хорошо видно в бассейне реки Миссисипи и ее притоков на площади приблизительно 3,2 • 10(6 степени) км2. Бассейн Миссисипи понижается со средней скоростью около 1 м за 30 000 лет. Однако следует помнить, что значительная часть водосборного бассейна Миссисипи перекрыта легко размывающимися неконсолидированными ледниковыми наносами и эоловыми алевритовыми отложениями. Скорость понижения водосборных бассейнов в коренных породах гораздо меньше.

Эрозионные формы рельефа

Столовые горы и останцы. В областях, где горизонтально залегающие пласты прочных осадочных пород, галечниковые террасы или лавовые потоки перекрывают мягкие глины или слабо уплотненные осадки, регрессивная (попятная) эрозия притоков вырезает в рельефе изолированные возвышенности с плоскими вершинами, которые называются столовыми горами или месами. Плоская вершина столовой горы образована прочным слоем, который защищает более мягкие слои, лежащие под ним. Останцы представляют собой небольшие изолированные холмы; некоторые из них остались от существовавших прежде столовых гор.
Бедленд - это топографический термин, который используется для обозначения обширной системы оврагов, чаще всего образующихся на относительно мягких слабо сцементированных горизонтальных или полого наклоненных слоях алевритов или глин. Бедленды хорошо развиты на северо-западе Великих равнин в США и Канаде, особенно на территории Северной и Южной Дакоты. Для формирования бедлендов благоприятен полуаридный климат, при котором все годовое количество осадков выпадает в виде нескольких сильных ливней. В районах с сухим климатом развитию оврагов способствует отсутствие растительности на склонах, открытых вследствие этого действию русловой эрозии.
Куэсты и гряды. На полого наклоненных слоях горных пород образуются асимметричные хребты с крутыми эрозионными уступами, секущими слоистость вкрест простирания на одной стороне хребта, и длинным пологим склоном, параллельным напластованию, на другой стороне. Там, где угол падения пластов равен 30° и больше, формирующийся хребет, который называют грядой, имеет с обеих сторон одинаково крутые склоны.
Водопады и пороги. Водопады и пороги по форме никак не различаются; крутые пороги часто называют водопадами. Если на разных участках русла эрозия происходит с разной скоростью, то в более крепких породах всегда образуются пороги и водопады. Форма и развитие водопада зависят от того, как лежат прочные породы-горизонтально, наклонно или вертикально.
Прекрасным примером водопада, который низвергается с уступа, сложенного крепкими породами, является Ниагарский водопад. Этот огромный водопад обрушивается с высоты 55 м с бронирующего пласта доломита мощностью 25 м, который перекрывает мягкие глинистые породы. Водопадом прорезано узкое ущелье глубиной 65 м ниже уровня воды в месте ее падения, так что общая глубина ущелья от верхнего края водопада до дна реки равна примерно 120 м. По мере того как масса низвергающейся воды и турбулентное течение у основания водопада разрыхляют слабые глинистые породы, последние вымываются из-под бронирующего пласта доломитов. Затем крупные глыбы породы периодически отламываются и падают в котел под водопадом. Метр за метром водопад отступал вверх по течению реки и сместился в общем примерно на 12 км от Ниагарского уступа, который находился в 13 км к югу от озера Онтарио. Согласно проводимым время от времени измерениям, средняя скорость отступания Ниагарского водопада с 1875 г. составляет приблизительно 1 м в год.

В случае Йеллоустонского водопада зертикальная дайка крепких пород сечет 5олее податливые породы, в которых река Иеллоустон прорезала живописный каньон. Водопады такого типа не могут отступать, так как более мягкий материал, находящийся выше по течению, может размываться не быстрее, чем вода пропиливает находящиеся впереди него крепкие породы.
Водопады часто образуются в горных лолинах ледникового происхождения. Там. где долины главных рек благодаря существовавшим прежде ледникам эродированы глубже, чем долины их притоков, вода из висячих боковых долин падает
в главную долину с крутых обрывов. Йосемитский водопад в шт. Калифорния обрушивается с гранитной скалы в углубленную ледником долину реки Мерсед сначала с высоты 475 м. Затем вода низвергается каскадом по крутым уступам еще примерно на 260 м и, наконец, падает с вертикальной скалы высотой свыше 110 м на дно долины. Точно так же образовались многочисленные водопады на притоках в районе озера Фингер в шт. Нью-Йорк.
Несколько водопадов и порогов сосредоточены по краю географической области Пидмонт на востоке США. Крепкие породы Пидмонта на востоке окаймляются осадками прибрежных равнин, представленными довольно слабо сцементированными песками и глинами. На реках, текущих с Аппалачей к Атлантическому океану, вдоль линии контакта этих столь различных пород образуются пороги и водопады. Из-за того что здесь в сравнительно узкой полосе имеется много водопадов, ее называют линией или поясом водопадов.
Некоторые пороги обязаны своим происхождением исключительным условиям. Иногда они образуются там, где на дне долины возникают преграды в результате сгруживания материала оползней, ледников, боковых притоков и потоков лавы. В Большом каньоне на реке Колорадо пороги возникли возле устьев ее притоков, куда пересыхающие потоки с крутым уклоном русел принесли во время половодья огромные валуны.
Водобойные колодцы и котлы. Падающая масса воды и взвешенный в ней осадочный материал обычно вырывают у основания водопада впадину, которая называется водобойным колодцем. В такой впадине старого, ныне пересохшего водопада в районе Драй-Фолс в Большом сухом русле ниже города Гранд-Кули, шт. Вашингтон, образовалось озеро Фол-Лейк. Если водопад отступает, то водобойный колодец разрастается вверх по течению реки, удлиняя таким образом долину каньонообразной формы.
Там, где переносимый водой материал вращается в водоворотах, он стремится выточить в коренных породах дна долины возле порогов или у основания водопадов округлые или котлообразные углубления. Они называются котлами. Скорость, с которой эти котлы углубляются, увеличивается в период высокой воды, когда скорость течени я и турбулентность движения воды максимальны. Некоторые котлы имеют спиральную форму, их диаметр внизу больше, чем вверху. Они могут формироваться в твердых магматических породах, например в гранитах или базальтах, или в более мягких осадочных породах, например в известняках или глинистых сланцах. Ширина котлов меняется от нескольких сантиметров до нескольких метров, так же изменчива и их глубина. Один из самых больших котлов в национальном парке Интерстейт у водопада Тейлорс-Фолс в шт. Миннесота диаметром 6 м и глубиной 17 м образован в твердых базальтах; сначала в нем находилось несколько кубометров хорошо окатанной гальки.
Каменные мосты. Каменный мост, или арка, может образоваться несколькими способами. При глубоко врезанных речных меандрах река посредством боковой эрозии скальных стенок может подрезать перемычку между меандрами на уровне воды. Если этот процесс идет с обеих сторон и продолжается до тех пор, пока
река не пропилит перемычку насквозь и не потечет через образовавшееся отверстие, то над рекой сохранится арка из пород в виде моста. Именно так возник знаменитый каменный мост Рейнбоу в округе Сан-Хуан, шт. Юта.
Если породы речного ложа выше водопада разбиты трещинами, то часть воды может просачиваться сначала по трещинам, а затем по поверхности напластования до тех пор, пока она не вольется в главное русло ниже водопада или позади образованной им водяной завесы, как происходит у водопада Трик-Фолс в национальном парке Глейшер-Бей в шт. Монтана. Трещины, по которым просачивается вода, могут расширяться, и в конце концов весь поток потечет через них; тогда прежний уступ водопада станет естественным каменным мостом.
Ряд других каменных мостов сформировался за счет неполного обрушения кровли лавовых трубок и пещер, в результате волновой эрозии и истирания песком с помощью ветра, под действием избирательного выветривания.