» » Перенос твердого материала реками

Перенос твердого материала реками

11.08.2016

Строение русла и руслового потока

Река имеет извилистую в плане форму. Она представляет собой цепь излучин (меандр), изгибающихся то в одну, то в другую сторону. Соответственно каждый берег реки становится то выпуклым, то вогнутым. Соседние излучины соединяются небольшим прямолинейным участком, в пределах которого один берег переходит из вогнутого в выпуклый, а противоположный — наоборот (рис. 51). Строение излучин зависит от характера реки; чем крупнее и многоводнее последняя, тем больше их размеры.
Перенос твердого материала реками

Русло на излучинах имеет асимметричное поперечное сечение, что обусловлено распределением скоростей течения. Главное и максимальное течение (стрежень) и соответствующая ему линия максимальных глубин (фарватер) прижимаются к вогнутому подмываемому берегу. Выпуклый намываемый берег обычно пологий. Подмыванию одного берега и отложению материала у другого способствует винтообразное движение потока на поворотах реки и присущие ему поперечные токи. Последние направлены в поверхностном слое в сторону вогнутого берега, а в придонном слое — в сторону выпуклого (рис. 52). В продольном профиле реки максимальные глубины (плёсы) приурочиваются к излучинам, а минимальные (перекаты) — к участкам перехода одной излучины в другую (см. рис. 51). Распределение скорости течения в продольном профиле русла зависят от уровня воды.
В малую воду скорости на перекатах выше, чем на плёсах; в половодье картина становится обратной: максимальные скорости наблюдаются на плёсах, а минимальные — на перекатах. Ю.А. Билибин подчеркивает, что отмеченное распределение скоростей так же, как и размещение самих плёсов и перекатов вдоль русла, характерно для рек, русло которых сложено рыхлыми наносами, относительно легко поддающимися размыву.
Перенос твердого материала реками

В реках, русло которых располагается в крепких коренных породах, может наблюдаться иная картина: относительно прямолинейная форма в плане, слабое влияние поперечных токов и т. д. Скорости течения речного потока варьируют в местах сужения и расширения русла, изменения продольного уклона, впадения притоков и т. д. В целом для руслового потока характерны турбулентность течения, возникновение водоворотов, завихрений, противотоков и восходящих токов, чему способствуют неровности дна и берегов, а также наличие разнообразных естественных и искусственных преград. Турбулентность облегчает перенос твердого материала. Ламинарный характер движения вода имеет в ограниченном числе случаев: у уреза воды, главным образом по отлогим песчаным берегам и косам равнинных рек в тонком граничном слое при незначительной скорости течения воды, и на заливаемых поймах. Ламинарное движение, на наш взгляд, играет большую роль при формировании концентраций тяжелых минералов в песках. Как показали замеры, скорость продольного течения речного потока возрастает от дна к поверхности в гиперболической зависимости. Причем придонная скорость по одним данным имеет конечное значение (например, 0,43 и 0,05 м/с), по другим — равна пулю.
Способы переноса и транспортирующая способность рек

Обломочный материал, в зависимости от скорости течения реки и гидравлической крупности обломков (т. е. скорости их свободного падения в воде, которая определяется удельным весом, размерами и формой обломков), может переноситься различными способами: путем перемещения по дну, во взвешенном и полувзвешенном состоянии. Частица, находящаяся на дне, в общем случае испытывает влияние главным образом, четырех сил: силу лобового сопротивления, подъемную силу, силу тяжести и силу сопротивления (зацепления). «Причем по данным теоретических и экспериментальных исследований сумма вертикальных гидравлических сил оказывается меньше кажущегося веса частиц, и поэтому объяснить отрыв частиц от дна можно, только вводя в рассмотрение вертикальную пульсацию скорости при турбулентном движении жидкости». Как показывают наблюдения и опыты, взвешивание частиц происходит при скоростях, превосходящих начальные скорости «трогания» в 5 раз и более.
Известно, что транспортирующая способность потока (т. е. вес перемещаемых обломков) пропорциональна шестой степени скорости течения (закон Эри), а их диаметр соответственно пропорционален квадрату скорости. Вследствие этого даже небольшое возрастание последней резко усиливает эту способность. На рис. 53 и 54 и в табл. 36 приведены некоторые данные по начальным скоростям трогания («критическим скоростям сдвига») и скоростям перемещения («передвигающим скоростям») для зерен разного размера. Из рис. 54 хорошо видно, что для того, чтобы осадок начал эродироваться, необходимы скорости больше, чем те, которые требуются для перемещения уже сдвинутых частиц того же размера. Причем разница между ними очень значительна для тонкого алевропелитового материала и не существенна для крупнообломочных не связанных отложений (табл. 36).
Перенос твердого материала реками
Перенос твердого материала реками

Наносы в основном перемещаются в половодье, когда масса воды и скорость течения в реке значительно возрастают. При скорости течения, близкой к «передвигающей», обломки перекатываются и волочатся по дну. При возрастании скорости частицы отрываются, приподнимаются, сносятся вниз по течению и, описав дугу, снова опускаются на дно; движение приобретает скачкообразный характер (сальтация). Чем больше скорость течения, тем высота подъема частиц выше. При достаточно высокой скорости песок, например, может переноситься по существу во взвешенном состоянии. Е.В. Шанцер, в частности, пишет: «...даже на равнинных реках во время паводка вихревыми возмущениями нередко к самой поверхности воды выносится большое количество песчаных кварцевых частиц, среди которых весьма заметную долю может составлять фракция 1—0,25 мм. На горных реках с гораздо более бурным течением это происходит нередко и с крупным песком, указывая на то, что потолок его взвешивания значительно превышает глубину потока».
На очень быстрых перекатах крутых горных рек Ю.А. Билибин отмечал скачкообразное (в полувзвешенном состоянии) движение крупной гальки величиной с кулак. Близкую картину нам удалось наблюдать летом 1965 г. на кл. Беспрозванном (бассейн р. Учур). Почти исчезнувший в засушливое время ключ за одну ливневую ночь превратился в бурную реку глубиной около метра, которая с грохотом тащила валуны средних размеров. Этому, вероятно, способствовал крутой продольный уклон долины. По свидетельству А.В. Кожевникова, в Дарьяльском ущелье р. Терек передвигает глыбы до 4 м в диаметре, постепенно сглаживая их с помощью более мелких обломков. На таких участках преобладают валуны размером 0,5—1,5 м; галька же встречается лишь «в тени» крупных глыб.
Перенос твердого материала реками

По мере возрастания массы и скорости потока (т. е. его живой силы) в движение вовлекается придонный слой речных отложений всё на большую глубину. Мощность движущегося (активного) слоя для большей части горных речек во время половодья измеряется, по данным Ю.А. Билибина, несколькими дециметрами и в редких случаях, как например, на р. Рейн, может достигать 3 м. По подсчетам Л.В. Зорина, мощность активного слоя составляет для р. Унда — 0,2—0,3, для р. Кручина — 0,5—0,7 и для Зен — 1,5—2,0 м. Как отмечают М. Жиньо и Р. Барбье, мощность перемещаемого в половодье аллювия в теснине Грезен на р. Рона равняется 8 м. Скорость и характер движения в разных частях активного слоя неодинаковы. Максимальную скорость имеют обломки в приповерхностной части слоя. С глубиной она падает до нуля. Если в самом приповерхностном слое обломки могут перемещаться прыжками, в по-лувзвешенном состоянии, а несколько ниже — перекатыванием, то в более глубоких частях они в основном скользят друг по другу. Чем глубже, тем плотнее прилегают обломки. В поперечном сечении русла максимальная скорость активного слоя располагается под фарватером. В большую воду, в связи с изменением скорости течения на плёсах и перекатах, мощность активного слоя и скорость его движения максимальны на плесах, вследствие чего наносы смываются с последних и отлагаются на перекатах. В межень массового движения наносов обычно не происходит, поскольку оно протекает, по данным С.А. Сладкопевцева, при скоростях, превышающих «размывающие», более чем в 4 раза (см. рис. 53). В это время имеет место грядовая форма перемещения материала на перекатах, в процессе которого обломки сносятся с перекатов на плесы.
В руслах равнинных рек обломочный материал иногда перемещается в виде подвижных поперечных гряд («песчаньих волн»). Здесь устанавливается несколько фаз массового перемещения песка в зависимости от скорости потока. Одной из начальных является фаза образования рифелей, или песчаных волн. Для мелкозернистого песка (0,1—0,3 мм) она начинается при придонных скоростях 20 см/с. Высота рифелей равна обычно 2—5 см, а расстояние между гребнями — 20—30 см. Частицы передвигаются с «наветренной» стороны на «подветренную», в результате чего волна медленно смещается вниз по течению. Далее в результате усиления турбулентности потока стираются рифели, наступает «гладкая фаза» перемещения (при V = 80—125 см/с для зерен 0,25 мм в диаметре). При дальнейшем возрастании скорости на дне образуются крупные симметричные гряды, двигающиеся сначала навстречу течению (так как песчинки смываются с подветренной стороны гряды и откладываются на наветренной), а затем — по течению. Ширина таких гряд достигает нескольких метров. Поскольку течение в придонном слое уменьшается от стрежня к берегу, в том же направлении снижается крупность наносов, и донные гряды значительных размеров постепенно сменяются мелкопесчаной рябью.
Скорости переноса рекой взвешенных частиц значительно превосходят таковые донного перемещения обломочного материала и приближаются к скорости течения реки (тем ближе, чем частица тоньше).
Кроме отмеченных основных форм перемещения наносов, реки умеренного пояса могут переносить обломочный материал включенным во льду. Хотя эта форма и имеет подчиненное значение, она в ряде случаев объясняет некоторые литологическне особенности речных наноса и россыпей, и в первую очередь присутствие в них несоразмерно крупных обломков и валунов.
Износ обломков в процессе их переноса

В процессе передвижения обломков в потоке происходит их окатывание, сглаживание, истирание и разрушение. Легче подвергаются механической обработке обломки при массовом передвижении по дну, когда они трутся, соударяются, истирая и сглаживая друг друга, особенно крупные. Экспериментально установлено, что угловатый обломок с большей скоростью теряет вес на первых этапах его обработки. Естественно, что менее прочные минералы и породы измельчаются быстрее и на более коротких дистанциях. В.И. Смирнов для галек различного состава приводит следующие расстояния, на которых объем их уменьшается вдвое: гальки мергеля — 30 км, известняка — 50, доломита — 60, гранита — 100—150, кварца — 150 км.
Устойчивость обломочных частиц при переносе определяется их абразивной прочностью, которая, в свою очередь, зависит от твердости минерала, его хрупкости, числа и совершенства возможных плоскостей спайности. В первом приближении абразивная прочность минералов прямо пропорциональна их твердости и вязкости и обратно пропорциональна количеству направлений и степени совершенства их спайности.. Большое влияние на устойчивость минералов оказывает также степень, их сохранности: минералы, даже слегка затронутые выветриванием, характеризуются резко пониженной абразивной прочностью.
А.А. Кухаренко дает следующий возрастающий ряд абразивной прочности тяжелых минералов: золото, киноварь, вольфрамит, шеелит, моноклинные пироксены, лимонит, колумбит, платина, эпидот, обыкновенная роговая обманка, дистен, оливин, апатит, монацит, ставролит, андалузит, железный блеск, пирит, ильменит, магнетит, касситерит, хромшпинелиды, циркон, турмалин, осмистый иридий, альмандин, топаз, рутил, шпинель, корунд, алмаз.
В условиях длительного переноса происходит постепенное обеднение осадков минералами, абразивно нестойкими, и обогащение — минералами, абразивно прочными.
Суммарный эффект истирания зерен при переносе потоком зависит не только от абразивной прочности минералов и длительности их транспортировки, но и от интенсивности процессов изнашивания, которая зависит от величины сил трения, механических ударов и пр. В общем виде указанную зависимость можно выразить формулой: К = f{[D3(d—1)V2l]/H}, где К — степень изношенности (окатанности) частиц; D — их средний диаметр; d — плотность; H — абразивная прочность минералов; V — средняя скорость движения частиц и l — дальность их переноса. Хорошо видно, что степень окатанности обломочных частиц в значительной степени зависит от их размеров. При прочих условиях она пропорциональна кубу диаметра, из чего следует, что крупный материал подвергается названному процессу несравненно быстрее, чем мелкий. В частности, крупные валуны, как правило, хорошо окатаны даже в очень коротких водотоках. Крупная галька заметно окатана в речках длиной в несколько десятков километров. Напротив, песок остается неокатанным даже в приустьевых частях крупных рек.
В этой связи представляют интерес выводы Ф.X. Кюyена о слабой окатываемости песчаных зерен, основанные на экспериментах. В частности, потеря веса в частично окатанном среднезернистом кварцевом песке на 200 тыс. км переноса составит не больше 1%, что «на глаз» не фиксируется. Заметнее изменяются угловатые зерна. Тем не менее для того, чтобы неокатанное 0,5-миллиметровое зерно кварца стало полуокатанным (что вызовет 20% потери веса), ему необходимо, по мнению исследователя, пройти путь, равный 400 тыс. км. Ф. К. Кюнен считает, что в одной реке зерна песчаной размерности окататься не могут. Для каждого минерала существует наименьший размер частиц, ниже которого они не окатываются в водном потоке. Этот размер определяется той величиной, при которой объект перемещается в водном потоке во взвешенном состоянии даже при малых скоростях движения. Силы, возникающие при столкновении взвешенных в воде частиц, недостаточны, чтобы нарушить поверхностные буферные пленки воды вокруг них. В условиях речного потока критические размеры зерен для минералов с удельным весом 4—5 (циркон, рутил, магнетит, монацит и др.) составляют 0,05—0,07 мм, для более легких минералов тяжелой фракции (апатит, турмалин, пироксен, амфиболы, эпидот и др.) — 0,12—0,15 и для зерен кварца и других близких к нему по удельному весу легких минералов — 0,20—0,25 мм. Ф.X. Кюнен также констатирует, что песок кварц-полевошпатового состава после опыта не изменил свой состав, т. е. что в мелких свежих зернах избирательное истирание практически не осуществляется.
Вместе с тем па путях миграции обломочный материал продолжает выветриваться. Этому способствует то, что обломок не сразу проходит весь путь от вершины до устья крупной реки. Он может долгое время находиться на отмели, попасть в террасу, а затем в склоновые отложения и снова в речной поток. Естественно, что при этом он подвергается интенсивному воздействию агентов физического и химического выветривания. Влияние последнего на состав осадков, особенно мелкозернистых, в целом более значительное, чем влияние отбора минералов по степени абразивной прочности невыветрелых зерен. На приведенной диаграмме (рис. 55) нижняя часть отвечает областям активного тектонического режима — геосинклинальным зонам, передовым прогибам, предгорным и межгорным впадинам, активизированным участкам платформ. Сюда же попадают и осадки, образованные в результате разрушения горных сооружений и отложения этого материала на соседних площадях.
Таковы, например, четвертичные, аллювиальные пески предгорных рек. Левая половина поля диаграммы образуется, как отмечает Н.М. Страхов, при размыве основных эффузивных и метаморфических пород, а правая — при разрушении гранитоидов. Верхняя часть треугольной диаграммы характерна для относительно спокойного тектонического режима и широкого проявления процессов химического выветривания. Такие мономинеральные существенно кварцевые отложения, являющиеся часто вместилищем комплексных титано-цирконневых россыпей, называют продуктивными (на россыпи) формациями. Отличительная их особенность — высокое значение коэффициентов мономинеральности и устойчивости как результат преобладания химически устойчивых минералов соответственно в легкой и тяжелой фракциях.
Перенос твердого материала реками

Для понимания условий формирования аллювиальных россыпей золота (и касситерита) очень важен вопрос о поведении рудных обломков в аллювии. Выше отмечалось, что золоторудные образования часто содержат то или иное количество сульфидов и потому в поверхностных условиях легко выветриваются. Рудные выветрелые обломки, попав в русловый поток, на коротком пути своего перемещения относительно быстро разрушаются, высвобождая содержащийся в них металл. В дальнейшем они уже не дробятся, а истираются вместе с содержащимся в них золотом. Эта точка зрения была высказана Ю.А. Билибиным и поддерживается многими исследователями.
Н.А. Шило, напротив, считает, что в условиях субполярного климата золотоносных областей Северо-Востока, рудные обломки, передвигаемые рекой, подвергаются интенсивному морозному выветриванию, вследствие чего они крошатся до полного высвобождения золота. В результате формируются протяженные и крупные аллювиальные россыпи, столь характерные для этих областей. Эта точка зрения в настоящее время также имеет многих сторонников. Тем не менее приниматься она может, на наш взгляд, с определенными оговорками.
Роль морозного выветривания в дезинтеграции рудных обломков в случае, если они представлены малосульфидными жильными кварцами (что как раз характерно для Северо-Востока), весьма вероятно, доминирует на четвертичном этапе геологической истории. Однако проявиться это должно главным образом в доаллювиальную стадию экзогенного преобразования вещества, значительно более продолжительную, чем аллювиальная (имеется в виду время прохождения обломочным материалом золотоносных отрезков долин, связанных с конкретными источниками, т. е. равных нескольким километрам). При этом выветривание выражается частью в дезинтеграции породы, частью же в потере ею крепости, образовании микротрещин и т. д., что и сказывается на устойчивости обломков при последующем речном их переносе. Это подтверждается, например, новейшими исследованиями оловянных россыпей, показывающими, что «на ранних стадиях транспортировки (касситерита.— Г. H.) преобладает распадение агрегатов и раскалывания дефектных зерен; при дальнейшей транспортировке происходит обкалывание углов, истирание и сепарация по крупности». В случае же развития сульфидсодержащих золоторудных пород, что также весьма типично для эндогенного оруденения вообще, на первое место в выветривании руд во всех климатических поясах гумидных областей выступает химический фактор.
И последний, пожалуй наиболее серьезный аргумент, не позволяющий согласиться с исключительной ролью морозного выветривания в образовании аллювиальных долинных россыпей золота (и олова), состоит в признании большой продолжительности их формирования и широкого участия в нем дочетвертичных процессов и в первую очередь древних зон окисления и кор выветривания.