Общие закономерности развития и распространения почвы

Одним из важнейших факторов, определяющих условное начало круговорота, является испарение воды с поверхности океанов, морей и поступление влаги в атмосферу. Наибольшее поступление влаги в атмосферу происходит за счет испарения в океанах. Часть образующегося водяного пара над океаном, конденсируясь, выпадает в виде осадков над самим океаном, завершая так называемый малый круговорот. В отличие от малого большой круговорот обусловлен водообменом между океанами и сушей, когда значительная часть водяных паров с океана переносится воздушными течениями на материки, где при благоприятных условиях, они конденсируются и выпадают в виде атмосферных осадков. Большая часть атмосферных осадков, выпадающих на материки, стекает по поверхности и вновь непосредственно или через реки попадает в океан, часть же осадков просачивается (фильтруется) в горные породы и идет на пополнение подземных вод, образующих подземный сток, и, наконец, некоторый объем вновь испаряется в атмосферу.

Геологическое действие подземных вод

К подземным водам относятся все природные воды, находящиеся под поверхностью Земли в подвижном состоянии. Вопросы происхождения, движения, развития и распространения подземных вод являются предметом изучения специальной отрасли геологической науки - гидрогеологии (греч. "гидро" - вода). Подземные воды тесно связаны с водой атмосферы и наземной гидросферы - океанами, морями, озерами, реками. В природных условиях происходит непрерывное взаимодействие этих вод, так называемый гидрологический круговорот.

Таким образом, распределение выпадающих атмосферных осадков может быть представлено следующей схемой: испарение, поверхностный сток, инфильтрация, или просачивание, подземный сток. Соотношение между указанными составляющими изменяется в зависимости от конкретных природных условий: рельефа, температуры воздуха, растительности, водопроницаемости горных пород и др. Наибольшая водопроницаемость наблюдается в галечниках, гравии, в крупных песках, сильно закарстованных известняках и сильно трещиноватых породах разного генезиса. Относительно слабая проницаемость отмечается в тонкозернистых песках, супесях, еще меньшая в лёссах, легких суглинках, слаботрещиноватых породах. Почти непроницаемыми (водоупорными) являются глины, тяжелые суглинки, сцементированные и другие массивные породы с ничтожной трещиноватостью.

Вода в форме пара содержится в воздухе, заполняющем пустоты и трещины горных пород, свободные от жидкой воды. Парообразная вода находится в динамическом равновесии с другими видами воды и с парами атмосферы. Прочносвязанная вода образуется непосредственно на поверхности частиц горных пород в результате процессов адсорбции молекул воды из паров и прочно удерживается под влиянием электрокинетических и межмолекулярных сил. Вследствие этого она и получила название прочносвязанной или гигроскопической. Капиллярная вода частично или полностью заполняет тонкие капиллярные поры и трещинки горных пород и удерживается в них силами поверхностного натяжения (капиллярных менисков). Гравитационная (свободная) вода образуется в породах при полном насыщении всех пор и трещин водой, что соответствует полной влагоемкости. Вода в твердом состоянии находится в горных породах или в виде отдельных кристаллов, или в виде линз и прослоев чистого льда. Она образуется при сезонном промерзании водонасыщенных горных пород, но особенно широко развита в областях распространения многолетнемерзлых горных пород (в Сибири, Канаде и других районах). Кристаллизационная вода свойственна ряду минералов, где она входит в их кристаллическую решетку. Из таких минералов можно назвать гипс CaSO₄^.2Н₂O- до 20,9% и др. Кристаллизационная вода в ряде случаев может быть выделена при высоких температурах. При этом в процессе нагревания могут образовываться промежуточные соединения с меньшим содержанием воды, что видно из рассмотрения превращения гипса в ангидрит.

Геологическая деятельность подземных вод.

Подземные воды - часть гидросферы Земли и предмет изучения гидрогеологии. Для подземных вод, как и для других полезных ископаемых, подсчитываются запасы и производится учёт их расходования. Химизм подземных вод является критерием для поисков некоторых полезных ископаемых. Тёплые и горячие подземные воды могут использоваться в целях теплофикации и энергетики. Но в нашем курсе больше внимания уделяется деятельности подземных вод как фактора денудации и меньшее - вопросам их происхождения, условий залегания, динамики.

По поводу происхождения подземных вод существует несколько гипотез. Первая - гипотеза Мариотта (начало XVIII в.) - инфильтрационная, согласно которой атмосферные воды попали внутрь путём просачивания по порам и трещинам горных пород. Вторая гипотеза - конденсационная, или гипотеза "подземной росы", выдвинутая в 1877 г. немецким учёным О.Фольгером. Имеется в виду проникновение в грунт водяных паров, которые затем, сгущаясь, переходят в жидкое состояние. Эта гипотеза хорошо объясняет происхождение горизонтов пресных вод в пустынях и полупустынных областях. Третья гтпотеза была высказана известным австрийским геологом Э.Зюссом, отметившим возможность поступления водяных паров непосредственно из магмы, при её остывании в недрах земной коры. Эти воды Зюсс называл ювенильными, т.е. девственными, не участвовавшими ещё в круговороте воды на поверхности Земли, в противовес водам вадозным, "блуждающим" в поверхностном круговороте. Во внутренних частях земной коры могут оказаться и "седиментационные воды" - погребённые при осадконакоплении морские воды.

В настоящее время установлено, что подземные воды могут образоваться всеми указанными способами.

Вода может находиться под землёй в свободном и химически связанном состоянии. Химически связанная вода входит в состав минералов в виде конституционной, кристаллизационной и гидратной воды. Эти типы воды являются предметом изучения минералогии, т.к. представляют собой составные части минералов.

Химически несвязанная вода может присутствовать в виде гигроскопической, плёночной, капиллярной и гравитационной воды. Когда говорят о подземных водах, то имеют в виду воды гравитационные. Только они практически доступны для эксплуатации и служат объектом изучения гидрогеологии. Гравитационная вода содержится в крупнопористых породах, с порами более 1 мм в диаметре. В таких порах вода начинает перемещаться под влиянием силы тяжести даже при неполном их заполнении. Только эти воды и являются практически свободными, т.к. капиллярные, а особенно плёночные воды, хотя и слабо, но всё же связаны с породой.

Важнейшие гидрогеологические свойства горных пород - водопроницаемость и влагоёмкость. Водопроницаемость определяется наличием пустот в породе, т.е. пористостью у зернистых пород и скважистостью или трещиноватостью у пород массивных. По степени водопроницаемости горные породы разделяют на 5 категорий (по другим данным на 3). Плотные глины пропускают воду в таком ничтожном количестве, что их практически можно отнести к водоупорным. Влагоёмкостью горных пород называют их способность вмещать и удерживать определённое количество воды при данных температуре и давлении.

Типы подземных вод и их динамика.

По условиям залегания, питания и движения среди подземных вод выделяются следующие типы: почвенные воды, верховодка, грунтовые воды, межпластовые воды.

Почвенные воды располагаются в поверхностной зоне промачивания дождевыми осадками и конденсации влаги из воздуха. Это воды висячие, не подстилаемые водоупорами. Они играют большую роль в питании растений, но добыть их колодцами невозможно.

Ниже зоны почвенных вод располагается толща практически сухих пород, содержащих только в небольших количествах плёночную воду. Но если в этой толще имеются прослои или линзы водоупоров, то во влажные сезоны года на них очень долго задерживается некоторое количество воды. Эти временные водоносные горизонты называются верховодки.

В областях с влажным климатом над первым сверху сплошным водоупорным слоем обычно располагается уже более постоянный горизонт подземных вод, насыщающий нижнюю часть проницаемой толщи. Этот первый от поверхности постоянный водоносный горизонт называется горизонтом грунтовых вод. Питаются они за счёт атмосферных осадков и находятся в зависимости от распределения осадков по временам года. В сельской местности используются для водоснабжения (колодцы).

Если ниже горизонта грунтовых вод лежит толща переслаивания водопроницаемых и водоупорных пород, то над каждым водоупором может располагаться особый водоносный горизонт, называемый межпластовым. Областью питания межпластовых вод служат очень удалённые районы, в которых питательный водоносный горизонт выходит на поверхность. Межпластовые воды не зависят от сезонных изменений количества осадков и отличаются большим постоянством в режиме, чем грунтовые воды.

Напор межпластовых вод может иметь региональное распространение и проявляться на обширной площади. Межпластовые воды с большим региональным напором носят название артезианских вод, а содержащие их горизонты - артезианских водоносных горизонтов. Большие скопления артезианских вод приурочены к так называемым артезианским бассейнам, которые в большинстве случаев представляют собою огромные мульды или прогибы пластов земной коры. Крупные артезианские бассейны служат важными источниками водоснабжения больших промышленных и сельскохозяйственных районов.

Источники. В местах пересечения водоносного горизонта оврагами и речными долинами или разрыва водоупорной кровли трещинами происходит вскрытие подземного потока. Подземные воды начинают вытекать в виде ключей, родников или источников на поверхность. По способу истечения воды различают источники нисходящие и восходящие. В первом случае вода спокойно стекает по склону, во втором выходит под напором и всегда бьёт ключом.

Температура подземных вод. Неглубоко залегающие грунтовые воды испытывают сезонные колебания температуры. Воды, залегающие глубже, в поясе постоянных температур, сохраняют неизменную температуру в течение всего года, равную среднегодовой температуре местности. Там, где средние годовые температуры отрицательные, вода в поясе постоянных температур круглый год застывшая. Так образуется многолетняя ("вечная") мерзлота. В Областях, где среднегодовая температура положительная, подземные воды пояса постоянных температур, наоборот, не замерзают даже зимой. Юг Западной Сибири относится к таким областям.

Воды, циркулирующие ниже пояса постоянной температуры, нагреты выше среднегодовой температуры местности и тем выше, чем они глубже залегают. Здесь начинает действовать тепло земных недр.

Химический состав подземных вод. Подземные воды всегда содержат растворённые газы и соли. Образуясь за счёт атмосферных осадков, они заносят с поверхности Земли растворённые в них кислород, азот, углекислоту. Проходя через почву и горные породы, содержащие органическое вещество, они обогащаются сероводородом, метаном и др. углеводородами. Циркулируя по трещинам горных пород, воды обогащаются карбонатами, сульфатами, хлоридами, а также и трудно растворимыми веществами: кремнезёмом, окислами железа и др. Грунтовые воды сильнее зависят от климата, чем межпластовые. В областях с влажным климатом грунтовые воды обычно пресные или слабо минерализованные. В засушливых областях с замедленной циркуляцией вод они обычно сильнее минерализованы, вплоть до солёных, в которых наряду с карбонатами содержатся сульфаты Na, K, Ca, а также хлористые соли.

Характер минерализации подземных вод сильно зависит от состава пород, по которым они циркулируют. Состав растворимых в воде веществ часто определяет её лечебные свойства. В местах выхода подземных вод с лечебными свойствами, так называемых бальнеологических вод, создаются курорты.

Геологическая работа подземных вод.

Подземные воды на своём пути по порам и трещинам производят в определённых условиях весьма значительную работу химического растворения (коррозию), механического переноса и переотложения вещества. Различают три вида геологической деятельности подземных вод: карст, суффозию и грязевый вулканизм.

Карст. На своём подземном пути вода встречает растворимые породы, к которым относятся галогены (каменная соль), карбонатные породы (известняк, доломит, мрамор), а также сульфаты (гипс, ангидрит). Протекая по трещинкам, вода растворяет породы, отчасти механически размывает их, расширяя путь, часто образуя большие подземные полости и пещеры. Подобную работу производят и атмосферные воды, стекающие по поверхности выходов растворимых прод и просачиваясь в их трещины. Вся совокупность этих процессов носит название карста или карстообразования. Термин происходит от названия известнякового плато Карст к северу от Триеста, в Словении, на северном побережье Адриатического моря. Развитие карста может происходить лишь у поверхности или на сравнительно небольшой глубине от неё, там, где циркуляция подземных вод интенсивна. Более всего распространён карст в карбонатных породах, тогда как соляной и гипсовый карст - явление сравнительно редкое. Это объясняется тем, что соли и гипс обычно залегают среди водоупорных глинистых пород, не пропускающих к ним воду. Кроме того, эти породы обычно массивны, не трещиноваты. В дальнейшем речь пойдёт о карбонатном карсте.

Подземные карстовые ходы начинаются обычно с поверхности Земли, поскольку их появление связано с проникновением под землю атмосферных вод. Поверхностной формой проявления карста являются неглубокие рытвины или борозды, вскрытые на поверхности выхода породы дождевыми водами и называемые каррами. Карры иногда покрывают обширные площади, превращая их в неудобную для обработки и даже труднопроходимую местность - карровые поля. Иногда вода стекает со всех сторон к какому-либо ходу, образуя вокруг него воронкообразное понижение, называемое карстовой воронкой. На дне воронки располагается водопоглощающее отверстие в виде вертикального или наклонного хода, проделанного водой - понор.

В тех областях, где карст очень древний, на дне воронок накапливается много смытых остаточных глинистых продуктов растворения известняков. Они часто бывают богаты окислами железа и окрашены в красный цвет, почему получили название "terra rossa". Они очень плодородны, покрыты пышной растительностью и являются настоящими оазисами среди голых известковых скал. Ещё более крупные и глубокие карстовые котловины, достигающие глубины многих десятков и сотен метров и занимающие иногда площади в десятки км², называются полья.

Растворяющая работа воды создаёт целую систему подземных карстовых форм в виде различных полостей. Среди последних можно выделить прежде всего группу вертикальных и наклонных карстовых ходов, являющихся путями движения воды. К ним относятся карстовые колодцы, достигающие иногда 10-20 м в поперечнике и 200-300 м глубины. Эти ходы ведут в сплошную систему связанных между собой горизонтальных и наклонных туннелей и галерей, нередко расположенных в несколько ярусов и получивших название карстовых пещер. Они бывают весьма велики. Так, суммарная длина всех ходов величайшей в мире Мамонтовой пещеры в США превышает 300 км. По таким пещерам протекают целые подземные реки и ручьи, в их залах умещаются подземные озёра. Вода, проникающая сюда за счёт просачивания атмосферных осадков, содержит много растворённого СО₂. Она поэтому легко растворяет известняк, насыщаясь углекислым Са в виде бикарбоната. Попадая на стену или потолок пещеры, вода выделяет часть растворённого СО₂ и бикарбонат вновь переходит в среднюю соль. Она трудно растворима и частично выпадает в осадок в виде кальцита.

Са(НСО₃)₂ СаСО₃ + Н₂О + СО₂

На потолке, стенах и дне пещер постепенно отлагается известковый натёк, часто образующий причудливые формы. Известковые сосульки, растущие с потолка, называются сталактиты, а поднимающиеся им навстречу с пола столбы - сталагмиты. Сливаясь, они образуют колонны, украшенные натёками. Карбонат кальция, выносимый источниками и отлагаемый у выхода на поверхность, образует скопления пористого и губчатого кальцитового натёка, называемого известковым туфом или травертином.

Суффозия. Наряду с растворением подземные воды способны в определённых условиях выносить из горных пород твёрдые частички чисто механическим путём. Это процесс суффозии. Она особенно проявляется на выходе восходящих источников напорных вод. Вынос источником глины и песка из водоносного слоя уменьшает постепенно объём слагающей его породы и вызывает тем самым просадку и обрушение части склона, расположенной под источником. Осевшая порода размокает и уносится водой. Постепенно над источником в склоне образуется полукруглая выемка с крутыми склонами - суффозионный цирк - обычно небольших размеров. Суффозия на выходе подземных вод является одним из существенных факторов, способствующих возникновению оползней (см. далее). Процесс суффозии, например, интенсивно проявлялся в районе Лагерного сада города Томска.

Грязевый вулканизм. Для возникновения грязевых вулканов необходимы следующие условия: наличие напорных подземных вод, подземных скоплений нефтяных газов и способных разжижаться сильно трещиноватых глинистых пород, дислоцированных и перетёртых до состояния тектонической брекчии. Сущность грязевого вулканизма заключается в следующем. Горючие газы, выделяемые из нефтяных залежей (метан и др.), поднимаются вдоль тектонических разрывов к поверхности и, встречая разжиженные напорными водами глинистые брекчии, выносят их на поверхность. Таким образом, давление нефтяных газов является главной причиной грязевого вулканизма, но без подземных вод, создающих извергающуюся грязь, он также был бы немыслим. Режим извержения грязевых вулканов разнообразен. Иногда извержение происходит спокойно, с переливом через край кратера жидкой грязи. Над кратером вулкана вздувается газово-грязевый пузырь, который лопается и, если в этот момент поднести спичку, газ загорится. В других случаях грязь медленно выдавливается из кратера. Но извержение может сопровождаться и взрывом с самовозгоранием газа. Грязевые вулканы приурочены к залежам нефти, например, они встречаются на Апшеронском полуострове.

Гравитационные явления.

Это перемещение горных пород под влиянием силы тяжести. Продукты выветривания, скапливаясь, начинают перемещаться вниз по склону. Рыхлая порода, движущаяся по склону, образует делювий, а накапливающаяся у подножия склона в виде шлейфа - коллювий. Большую роль в формировании некоторых видов гравитационных накоплений играют подземные воды. Гравитационные явления разделяются на следующие категории: 1) собственно гравитационные; 2) гравитационно-аквальные; 3) аквально-гравитационные; 4) гравитационно-субаквальные.

Собственно гравитационные явления обусловлены полностью действием силы тяжести и происходят в горах, имеющих обрывистые склоны. Масса породы отрывается по трещинам, заранее подготовленным физическим выветриванием, землетрясением или другими факторами. Иногда бывает достаточно выстрела или громкого крика. Обломки летят вниз, дробясь и разрушаясь. Возникает обвал. У подножия склонов образуются осыпи. Обвалы подготавливаются длительное время, а совершаются мгновенно и нередко вызывают значительные катастрофы. К этой категории относятся и снежные лавины. Здесь обрушивающаяся масса состоит из снега.

Гравитационно-аквальные явления наиболее широко распространены. К ним относятся оползни различных типов, при которых отделившаяся по трещинам масса пород скользит по склону, а не падает, как при обвале. Первичная структура породы при этом не нарушается.

В оползнях, как и обвалах, различают стенку отрыва, т.е. тот участок склона, откуда произошло смещение, путь оползня и оползневое тело. Чаще всего оползневое тело ограничено сверху ровной или бугристой площадкой - оползневой террасой. Оползневое тело обычно движется по глинистой породе, служащей водоупором и смоченной водой. Если оползающий склон покрыт лесом, деревья на разных блоках наклоняются ("пьяный лес"). Оползни распространены очень широко в горных и равнинных областях, где есть чередование различных пород с глинистыми породами. На равнинах они приурочены к долинам рек, берегам морей, озёр (правый берег р. Томи в районе Лагерного сада, правый берег Волги в районе Ульяновска, Саратова и др., берег Чёрного моря в районе Одессы).

Борьба с оползнями заключается в укреплении склонов деревьями, кустами, кольями, В нижней части склонов создаются упорные стенки. Поверхностные воды в оползневом районе отводятся по желобам, подземные воды перехватываются канавами, пускаются по трубам. В г. Томске под Лагерным садом уже несколько лет ведётся сооружение штольни с целью канализировать подземные воды и предотвратить промачивание оползневого тела и увлажнение глинистого водоупора. На берегах моря. Строят защитные дамбы, волноломы, препятствующие размыву.

Аквально-гравитационные явления. Основную роль в них играет вода. Различают оползневые потоки, оплывины и сели. Вода пропитывает горные породы, нарушая связи между отдельными частями их и даже отдельными зёрнами. Породы при этом разжижаются и начинают скользить или даже стекать по склону. Так образуются оползневые потоки, обычно вытянутые вдоль какой-либо долины. В этом случае основная масса вещества теряет свою первоначальную структуру и после высыхания представляет собой скопление отдельных комков земли, среди которых местами сохраняются мелкие оползневые тела в первоначальной структурой. Поверхность оползневого потока всегда бугристая. Оплывины имеют меньшие размеры, чем оползневые потоки и не линейные, а округлые в плане очертания.

Своеобразные гравитационные течения совершаются в полярных и высокоширотных областях, где грунт, насыщенный водой, сильно промерзает. В случае его оттаивания вся масса разрыхленной породы под влиянием силы тяжести начинает ползти по склону. Этот процесс называется солифлюкцией. В результате него на склонах образуются холмы плоскоконусовидной формы и ступенчатые террасы, сложенные несортированными обломками пород, сцементированных засохшей грязью.

Крайнюю форму аквально-гравитационных явлений составляют сели и селевые потоки. Сели - бурные горные грязекаменные потоки, насыщенные массой глинистых и песчаных частиц, щебнем, глыбами.Материал мелевого потока скапливается в нижней части долины или у подножия склона в виде шлейфообразного конуса выноса. Селевые потоки образуются чаще всего после сильных дождей или таяния снега в условиях континентального климата. Выносы селевых потоков могут заполнять межгорные впадины, образуя многометровые толщи рыхлых грубообломочных отложений. Сели широко распространены на Кавказе, в Крыму и особенно в горах Средней Азии, где вызывают серьёзные бедствия (уничтожение оз. Иссык близ Алма-Аты и др.).

Борьба с селями сводится, во-первых, к выявлению скопившихся в высокогорье водяных масс и своевременному опорожнению этих резервуаров путём мелких направленных взрывов. Во-вторых, в долине по пути следования селя расставляют металлические и бетонные "ловушки", призванные задержать большую часть крупных обломков потока и смягчить его разрушительную силу. Уникальной в мировой практике защитной мерой является сооружение в г. Алма-Ате специальной противоселевой плотины в урочище Медео по долине реч. Мал. Алмаатинки в 1966-67 годах. В 1973 году плотина задержала крупный селевой поток и была впоследствии надстроена, достигнув высоты 150 м.

Гравитационно-субаквальные явления. К ним относятся оползни, происходящие под водой на морских и речных склонах. Совершаются они в основном под действием силы тяжести. Масштабы их самые различные, на морском дне они бывают гораздо обширнее, чем на суше (мутьевые потоки). Формы близки к поверхностным. Часто встречаются среди отложений древних морей. Очень богаты ими так называемые флишевые отложения, формирующиеся в морских впадинах с относительно крутыми склонами.

Дата добавления: 2014-01-06