Морфология долин
Горные реки имеют, как правило, выраженные в рельефе долины различного поперечного профиля (рис. 56), несущие комплекс аллювиальных, склоновых и элювиальных образований. Аллювиальные отложения занимают днище долин и слагают надпойменные террасы. Террасы наиболее распространены на пологих склонах и обычно отсутствуют на крутых. Их сохранности благоприятствует асимметрия долин. Для меандрирующих рек характерна меняющаяся асимметрия. Многие реки северного полушария имеют, как известно, крутые правые и пологие левые берега, что связано с направлением вправо ускорения Кориолиса. Субсеквентные реки (рис. 57), скатываясь по наклону моноклинально залегающего слоя коренных пород, образуют пологие склоны, совпадающие спадением, и крутые — противоположные.
Днище долин обычно сложено руслом и поймой, а нередко, и комплексом низких аккумулятивных террас. В узких, глубоко врезанных долинах, пойма и низкие террасы могут отсутствовать, и все днище в этом случае занято руслом.
Надпойменные террасы, как известно, представляют собой приподнятые днища долин, приподнятые поймы, в которых формирования аллювия уже не происходит. В этом отношении они «мертвы». Террасовый аллювий может лишь разрушаться. Отмеченный же процесс протекает на днище долин в русле и, в меньшей мере, на пойме. Поэтому данная часть долины представляет для нас наибольший интерес.
Эрозионный цикл и его фазы
Развитие рельефа горных стран имеет, как правило, цикличный характер, когда один эрозионный и связанный с ним денудационный цикл сменяется после некоторого перерыва, или без него, другим. В полном эрозионном цикле реки Ю.А. Билибин выделяет четыре стадии, или фазы. При этом он полагает, что конечной является стадия покоя, или переноса материала. В этом состоянии река находится до той поры, пока
тектонические подвижки или иные причины не нарушат ее покоя. Фазы эти следующие.
1. Фаза глубинной эрозии, или углубления долины. Она начинает цикл. Эрозионная деятельность реки направлена в основном на проработку в старой широкой долине новой долины, расположенной на более глубоком уровне. Углубление заканчивается, когда река снова приобретает нормальный профиль равновесия.
2. Фаза боковой эрозии, или расширения долины, либо частично перекрывает первую, либо сменяет ее во времени. Эрозионная деятельность реки направлена в основном на расширение вновь улубленной долины. Расширение заканчивается, когда река создает нормальную ширину долины, в которой свободно перемещаются образуемые ею излучины.
3. Фаза накопления наносов, или заполнения долины, начинается по окончании глубинной эрозии и протекает одновременно с боковой эрозией, оканчиваясь обычно позднее ее. Деятельность реки направлена на заполнение вновь разработанной долины по всей ширине. Процесс заканчивается, когда река приобретает определенный уклон, удовлетворяющий данному профилю равновесия.
4. Фаза покоя, или переноса, завершает эрозионный цикл. Энергия реки сосредоточена в основном на переносе твердого материала и выноса его за пределы участка или горной области.
He вдаваясь в разбор представленной схемы, отметим, что вторая и четвертая фазы по своей сути довольно близки между собой. Обе они являются, по существу, фазами динамического равновесия, в которые не происходит ни врезания русла, ни накопления аллювия, поскольку устанавливается равновесный баланс рыхлого материала (рис. 58). По мнению И.П. Картошова, разница состоит в картине перехода к этому состоянию от предшествующих. Так, в первом случае, т. е. при переходе от стадии врезания, происходит расширение долины и формирование аллювия нормальной мощности за счет незначительной аккумуляции. Переход же от накопления аллювия к динамическому равновесию сопровождается сужением поймы и некоторым сокращением мощности аллювия вследствие углубления пояса меандров. Кроме того, он подчеркивает, что «хотя случаи последовательной смены врезания равновесием, а равновесия аккумуляцией могут встречаться довольно часто, они вовсе не представляют собой непреложной закономерности. ...Основной закономерностью развития рек является их «стремление» к состоянию равновесия. И врезание, и накопление аллювия в реке само-развиваются в состояние динамического равновесия... основные стадии развития рек — врезание, накопление аллювия и динамическое равновесие — могут сменяться в самой различной последовательности. Среди них нельзя выделить ни начальных, ни конечных стадий».
Глубинная эрозия начинается в устье либо на участке тектонического воздымания, развивается вверх по течению, как бы уступом, в результате чего продольный профиль реки приобретает ступенчатый характер. Длина крутого участка, на котором происходит углубление реки, зависит от глубины врезания. При глубине врезания около 10 м эта длина равняется сотням и тысячам метров. Скорость распространения глубинной эрозии зависит от крепости пород и многоводности реки. Если на участке врезания развиты породы разной крепости, то в профиле может появиться дополнительная ступенчатость. Очень часто крутые и даже порожистые отрезки долин, характеризующиеся крепкими породами, чередуются с более пологими участками, сложенными легко разрушающимися разностями. При этом, чем река многоводнее, тем эрозия распространяется быстрее. На скорость распространения существенно влияет количество поступающего со склонов материала. Чем его больше, тем медленнее протекает эрозия. Это связано с тем, что если на склонах развит мощный рыхлый чехол или если в бортах обнажаются очень слабые породы, то врез и понижение днища долины повлечет за собой поступление большого количества обломочного материала, что сразу же приглушит процесс врезания. Если же в бортах развиты крепкие устойчивые породы, то они дают в реку немного материала, и она беспрепятственно вырабатывает свой профиль равновесия. Особенно заметно эта закономерность проявляется в небольших реках, которые не в состоянии одновременно «справиться» с выносом материала и углублением дна. В многоводных реках осуществляется и вынос склонового материала, и разработка днища. Поэтому здесь чаще встречаются скалистые берега. Между эрозионной работой реки и денудацией склонов устанавливается определенное динамическое саморегулирующееся равновесие. Если дно слишком углубится, то увеличатся уклоны склонов и резко усилится поступление обломочного материала, что затормозит врезание, и, наоборот, при увеличении притока материала со склонов река замедляет врезание, склоны выполажнваются и поступление материала со склонов уменьшается.
Ю.А. Билибин отмечает следующие признаки наличия в реке процессов глубинной эрозии: продольный уклон имеет ступенчатую форму; на протяжении крутого участка река обладает бурным течением, часто течет по коренным породам, в русле развиты грубообломочные галечновалунные отложения; ширина долины в крутом участке незначительна, долина почти лишена поймы; глубина долины возрастает от верхнего конца крутого участка к нижнему; на склонах иногда присутствуют террасы, причем их высота вниз по течению увеличивается; склоны молодой долины в крутых участках также очень круты; выше крутого участка долина широкая, книзу узкая; ниже по течению врезающегося участка профили притоков не согласованы с профилем главной реки, они имеют висячие долины.
Процессы глубинной эрозии имеют большое значение для формирования россыпей. В эту стадию происходит перемыв террасовых россыпей, перенос и концентрация ценных тяжелых минералов в основании и нижней части руслового аллювия.
Скорость боковой эрозии, а вместе с тем и скорость расширения долины зависят в основном от тех же факторов, что и скорость глубинной эрозии, т. е. от многоводности реки, твердости пород, интенсивности денудации, а также от глубины врезания. Нормальная ширина долины (ширина пояса меандрирования) тесным образом связана с размерами меандр, описываемых рекой, и грубо она равна удвоенному радиусу кривизны свободной излучины. Размеры же меандр тем больше, чем многоводнее река. По данным С.А. Сладкопевцева, радиус кривизны и шаг меандр пропорциональны корню квадратному из расхода воды в реке. Литературные данные свидетельствуют, что в равнинных реках умеренного пояса радиус кривизны свободных излучин обычно превосходит ширину русла в 5—10 раз. По Ю.А. Билибину, ширина зрелой долины относится к ширине русла как 18:1. Ho даже после выработки нормальной ширины долины в ней продолжается боковая эрозия. Река постоянно перемещает свое русло, перемывая аллювиальные отложения поймы. Поскольку режим рек в эту стадию спокойный, образующиеся в это время отложения менее валун исты.
В процессе образования россыпей боковая эрозия играет очень большую роль, так как при перемыве аллювиальных отложений поймы происходит перегруппировка и концентрация компонентов. Кроме того, в процессе боковой эрозии перемываются террасовые продуктивные отложения, которые не успели размыться в стадию глубинной эрозии.
Накопление осадков, и по своей сути, и по причинам, его вызывающим, есть процесс, обратный глубинной эрозии. Накопление более или менее значительных по мощности (констративных) аллювиальных толщ осуществляется в случае заметного повышения базиса эрозии. Такое повышение может быть вызвано, кроме обычной тектонической, и рядом других причин, например подпруживанием долин ледниками, ледниковыми отложениями, лавовыми потоками, выходом в долине относительно крепких пород, усиленным поступлением в долину крупнообломочного материала, ослаблением силы водотоков и другими внешними факторами.
Весьма существенной причиной образования констративных толщ может быть и изменение климата, например его аридизация, или существенное похолодание.
Важно подчеркнуть, что климатические и тектонические факторы действуют, как правило, одновременно.
Накопление или формирование осадков нормальной (а не избыточной) мощности происходит повсеместно как результат саморазвития реки без участия вышеупомянутых «внешних» сил. Именно такой вид накопления и имеется в виду, когда говорится о фазе накопления как обязательной для эрозионного цикла реки. Такое накопление обусловлено тремя причинами: отложением материала в нижнем течении реки (что несколько повышает ее базис эрозии), отодвиганием устья за счет наращивания дельты и образованием излучин. За счет последних двух причин продольный уклон как бы выполаживается. По мнению И.П. Карташова, удлинение реки благодаря появлению излучин является не только универсальной, но и наиболее важной причиной образования аллювия нормальной мощности.
Долины на участках, переживающих стадию накопления осадков, имеют, как правило, широкие днища, в которых располагаются сильно ветвящиеся русла. Берега низкие, легко заливаемые в паводки.
В процессе длительного и достаточно интенсивного накопления аллювиальных толщ, как правило, не происходит многократного перемыва осадков и концентрации тяжелых устойчивых минералов, а нередко, напротив, имеет место рассеяние «россыпных» минералов в толще констративного аллювия. Именно в силу указанных причин существующие в это время условия в целом следует считать малоблагоприятными для формирования более или менее богатых и крупных аллювиальных россыпей, хотя полностью исключить такую возможность в этот период нельзя. Однако вместе с тем необходимо помнить, что среди отложений констративных толщ нередко присутствуют горизонты осадков, возникшие в условиях динамического равновесия, либо даже глубинной эрозии, весьма благоприятных для образования повышенных россыпных концентраций.
Фазы эрозионного цикла последовательно сменяют друг друга в долине. Поскольку развитие идет по долине снизу вверх, участок, располагающийся выше по течению, находится в более поздней стадии развития по отношению к нижерасположенному участку. При этом самые верхние отрезки долин могут не охватиться новым эрозионным циклом.
Строение долинного аллювия
Как видно из схемы строения днища долины (рис. 59), среди аллювиальных отложений выделяются два типа аллювия — русловый и пойменный (или группы русловых и пойменных фаций соответственно). Первый тип возникает, главным образом, в результате перемещения обломков по дну. Аллювий выполняет русло и слагает нижнюю, нередко большую, половину разреза поймы. Пойменный аллювий формируется путем выпадения взвешенных частиц из полых вод, заливающих пойму. Он слагает верхнюю часть разреза последней.
Для горного аллювия в целом характерно преобладание группы русловых фаций, особенно для рек, находящихся в фазе врезания. В широких разработанных долинах пойменный аллювий развит лучше и в нем в этом случае иногда устанавливаются отложения старичной фации. Среди руслового аллювия, в свою очередь, выделяются отложения двух фаций: 1) пристрежневой и 2) кос и береговых отмелей (прирусловых отмелей, русловых отмелей). Первые слагают нижнюю часть аллювиального разреза и представлены грубообломочными разностями пород. Они образованы на стрежне или вблизи него, на максимальных глубинах и при максимальных скоростях водного потока. Отложения фации кос и береговых отмелей залегают на отложениях пристрежневой фации, от которых отличаются более мелкообломочным составом и лучшей промытостью. Вверх по разрезу они постепенно переходят в еще более мелкозернистые осадки пойменных фаций.
В основании аллювиального разреза иногда развиты крупные глыбы, попавшие в реку с бортов долины или иным путем (морена, паводковый лед). Река не в состоянии их сдвинуть. Этот материал В.В. Ламакин относит к «перлювию» (остаточному аллювию).
Кроме «перлювия», во многих золотоносных долинах в основании руслового аллювия выделяется горизонт глинисто-щебнево-галечных отложений, которые рядом исследователей выделяются в особые фации: донную и плотиковую. И.П. Карташов считает, что плотиковая фация (субфация) является характерной частью руслового аллювия, представляя одну из динамических фаз руслового аллювия и формируется в стадию глубинной эрозии реки.
Понятие о динамических фазах аллювия тесно связано с охарактеризованными выше фазами эрозионного цикла, на что впервые обратил внимание В.В. Ламакин. Исходя из того, что состав и строение аллювиальных отложений участков долин разных фаз развития различны, он выделяет 3 динамические фазы (субфации) аллювия и 3 типа пойм: инстративные, перстративные и констративные. Дальнейшее развитие этих вопросов нашло отражение в работах И.П. Карташова, который теснейшим образом связывает с этими динамическими фазами возникновение аллювиальных россыпей золота. Он считает, что динамические фазы (субфации) аллювия не только замещают друг друга по латерали, но и взаимно перекрываются, слагая различные части аллювиального разреза: плотиковая (инстративная) — нижнюю, а равновесная (перстративная) и покровная (констративная) — верхнюю. Следовательно, согласно представлениям И.П. Карташова, формирование плотиковой и закономерно сменяющей ее в разрезе пер-стративной субфации руслового аллювия происходило в разное время. Повышенная глинистость плотикового аллювия им объясняется тем, что во время врезания русла, более или менее выработанной поймы не существует и содержащийся в потоке тонкий материал не может сбрасываться на пойме. Изложенная схема предполагает обязательное наступление аккумуляции после врезания: равновесная фаза аллювия отлагается уже после некоторой аккумуляции.
Существенно иного взгляда на образование грубого базального (плотикового) слоя аллювия, лежащего под руслом, придерживается С.С. Воскресенский. Возражая против основных положений вышеприведенной концентрации (обязательность аккумуляции после врезания, отсутствия поймы в период образования базального слоя, разно-возрастность плотикового и перстративного аллювия), он полагает, что указанный плотиковый слой по возрасту не отличается от вышележащих галечников. При обычных паводках этот слой не вовлекается в движение. При катастрофических же паводках, которые бывают один раз в 10—50 лет, в движение приходит и базальный слой аллювия. При этом он, естественно, обогащается наиболее крупными и тяжелыми обломками. При спаде паводка материал, слагающий плотиковый аллювий, останавливается и перекрывается хорошо промытым перстративным аллювием. Глинистость заполнителя в нижнем горизонте С.С. Воскресенский объясняет высокой мутностью потока при катастрофических паводках. Подобная точка зрения на образование плотикового и надплотиковых горизонтов галечников выглядит, на наш взгляд, достаточно убедительно. Повышенная же глинистость базального слоя может быть связана с продолжительным нахождением его в неподвижном состоянии, с его «слежалостью», вследствие чего вмываемый в него тонкий материал не вымывается (в отличие от вышележащих галечников). Кроме того, повышенная глинистость самых низов аллювиального разреза может быть связана с влиянием глинистого элювия плотика. Во всяком случае Ю.А. Билибин еще в 1938 г. указывал, что в основании аллювия на границе его с элювием плотика могут залегать промежуточные образования — элювиальный щебень, перемытый рекою и несколько смещенный вниз по течению, в котором наблюдаются примесь гальки и значительное увеличение аллювиального песчано-илистого материала.
В свете вышесказанного естественным выглядит то, что для большинства аллювиальных разрезов характерно общее увеличение крупности обломков сверху вниз, хотя слои и линзы более крупного и более мелкого материала могут неоднократно чередоваться. В целом, в разрезе долинного аллювия, в том числе содержащего россыпи тяжелых минералов, сверху вниз выделяются три группы литологических типов отложений, каждая из которых соответствует определенной фации аллювия: 1) глины, илы, суглинки, супеси, пески — пойменные фации; 2) грубозернистые пески, гравийники, галечники, иногда валунники — русловые фации и 3) глинисто-песчанистые галечники со щебнем, иногда с валунами и глыбами — донная (плотиковая) фация. При этом в разных реках, так же как и на разных отрезках одной и той же реки, аллювий представлен то более грубообломочными, то более мелкозернистыми разностями.
Чаще всего россыпесодержащий аллювий представлен галечниками русловых фаций или, точнее, песчано-гравийно-галечными отложениями с примесью того или иного количества щебня, дресвы и илистого материала, а также крупных обломков и валунов, хотя нередко он имеет несколько иной состав. Примером может служить золотоносный аллювий малых и средних горных водотоков Северо-Восточного Приколымья, где, по данным Ю.В. Шумилова, развито 4 типа аллювия: валунно-галечный, крупногалечный, галечный и галечно-гравийный (рис. 60). В целом русловый аллювий горных рек характеризуется невысокой сортированностью, хотя и значительно большей, чем рассмотренные в предыдущих главах элювиальные образования и отложения склонового ряда (см. рис. 37).
Галечный материал молодого долинного аллювия имеет, как правило, полимиктовый состав и различную — от слабой и угловатой до хорошей — степень окатанности. В малых водотоках преобладает угловато-окатанная галька, в более крупных речках наряду с угловато-окатанной галькой широко развита галька средней и, в меньшей степени, хорошей окатанности. В областях развития сланцев и рассланцованных пород существенная доля аллювиальных обломков представлена плоскими плитками и плоской галькой этих пород. Последние часто залегают параллельно друг другу и наклонены навстречу течению реки.
Аллювиальные металлоносные галечники залегают либо на коренных породах — плотике, либо на его элювии. При этом такой тяжелый металл, как золото, проникает на некоторую глубину и в ту и в другую породу. Элювий плотика имеет чаще щебневый состав. В нижней части его, на границе с коренными породами, щебень наиболее однороден. Кроме последнего здесь присутствует примесь песчано-илисто-глинистого материала, образованного отчасти благодаря выветриванию плотиковых пород, отчасти в результате проникновения его из вышележащего аллювия. Верхняя часть элювия обладает более пестрым составом: кроме щебня плотика, здесь могут присутствовать щебень пород, слагающих вышележащие по течению участки, окатанная галька, а также существенное количество аллювиального песчано-илистого материала. Изверженные кристаллические породы, такие как гранит, при выветривании нередко образуют не щебенку, а дресву, в связи с чем, в некоторых золотоносных районах (Забайкалье, Дальний Восток) дресвяный элювий плотика также довольно распространен.
Многочисленные данные свидетельствуют о том, что хотя мощность долинного аллювия горных рек не остается постоянной, зависит от целого ряда трудно учитываемых факторов, в большей части долин, прошедших стадию врезания и не испытавших существенного тектонического опускания и накопления осадков, колебания этого показателя в целом незначительны. Так, Ю.А. Билибин считал, что нормальная мощность аллювия «обычных горных рек» в золотоносных районах Союза колеблется от 4 до 8 м. И.П. Карташов несколько расширяет диапазон нормальной мощности аллювия перстративных пойм, сформировавшихся при переходе от врезания к равновесию: нижний предел понижен им до 3 м и верхний повышен не менее чем до 12 м. В указанных пределах мощность наносов обычно меняется как в поперечном сечении, так и по продольному профилю долины. Нередко в плоском ровном коренном ложе, иногда несколько повышающемся к бортам долины, врезан довольно узкий тальвег, фиксирующий положения русла в конце стадии врезания, заполненный инстративным (плотиковым) аллювием. В продольном профиле мощность обычно несколько возрастает вниз по течению и от притоков — к более многоводной основной реке. Однако многочисленные факторы часто существенным образом влияют на это правило. На распределение наносов по длине заметное влияние, в частности, может оказать твердость подстилающих пород. Мощность их будет минимальной в верхнем конце крутого участка, сложенного твердыми породами; вниз по течению она постепенно возрастает. На пологих участках, сложенных мягкими породами, мощность больше, чем на крутых, и примерно равна по всей длине.
В долинах, испытывающих врезание, мощность аллювия русла и пойм, как правило, меньше вышеприведенного норматива. При этом устанавливается прямая зависимость от интенсивности врезания: чем интенсивность выше, тем мощность аллювия меньше. На наиболее врезающихся участках в руслах часто обнажаются коренные породы. По данным И.П. Карташова, показатель инстративного руслового аллювия на участках не слишком интенсивного врезания обычно не превышает 5, а чаще равен 2—4 м.
В более редких случаях мощность долинного аллювия рек горных районов достигает нескольких десятков и даже ста метров. Накопление мощных констративных толщ, как отмечалось выше, чаще связано с относительным тектоническим опусканием данного участка. Примером могут служить межгорные и высокогорные впадины, к которым чаще всего и приурочиваются наиболее мощные толщи констративного аллювия. Интересный пример (рис. 61) влияния неотектоники на резкое изменение мощности долинного аллювия р. Берелех дают О.В. Камшенская и З.В. Хворостова. Имеются и другие причины образования избыточного аллювия. Так, например, в верховьях притоков р. Аллах-Юны мощность его 4—6 м, а в приустьевых частях она достигает 18—20 м. Ю. А. Билибин объясняет это тем, что основная долина р. Аллах-Юны покрыта донной мореной последнего оледенения. Эти отложения подпрудили притоки и повысили их базисы эрозии, что повлекло накопление в них наносов большей мощности. Констративные толщи аллювия, по-видимому, должны накапливаться и на переуглубленных участках долин. Переуглубление же долин, по мнению С.А. Сладкопезцева, может быть вызвано процессами выдувания, ледникового выпахивания (рис. 62) и речной эрозии. Проявление последних обусловлено гидродинамическим режимом водного потока и литологическими особенностями подстилающих пород. Так, например, в русле р. Иртыш в районе Усть-Каменогорской ГЭС отмечается много эрозионных щелей глубиной до 12—22 м, образование которых связано с большей раздробленностью пород фундамента. Неровности ложа Днепра, достигающие 20—35 м, связываются с неоднородностью строения кристаллических пород и карманами коры выветривания на них. Благоприятными участками для образования таких аномально глубоких плесов являются сужения долин, где стесненный водный поток получает дополнительные возможности для углубления русла. Эрозионные котлы образуются в ряде случаев ниже сужений долин и порожистоводопадных участков (см. рис. 62, а) вследствие усиленной эрозии под влиянием так называемого гидравлического прыжка, в результате высверливающей деятельности падающей воды, а часто и в связи со сменой устойчивых пород более податливыми. Такой «подпорожный» эрозионный котел глубиной до 80 м, выполненный грубообломочным аллювием, известен в долине Ангары в начале Осиновского расширения. В случае, когда порожисто-водопадные участки не сопровождаются сужением, перед порогами в результате спада паводковой волны и увеличения скоростей течения также могут выработаться глубокие плесы (см. рис. 62, е). Аномальные углубления — так называемые приустьевые ямы — могут возникнуть в руслах рек вблизи их впадения в море, озеро или более крупную реку (см. рис. 62, б) в результате спада и увеличения скорости течения в половодье.
Говоря о строении развитых в долинах аллювиальных толщ, особенно о наиболее мощных из них, порядка десятков и даже первых сотен метров, нельзя не отметить, что очень часто они состоят из целой серии разновозрастных горизонтов, а молодой аллювий слагает лишь самую верхнюю часть толщи. Такие долины, по существу, являются погребенными. Они будут охарактеризованы несколько ниже.
Хорошей иллюстрацией отмеченных особенностей строения и состава Долинных аллювиальных отложений могут служить описания (рис. 63) конкретных разрезов, содержащиеся в книге Ю.А. Билибина.
- Перенос твердого материала реками
- Пролювиальные и делювиально-аллювиальные (ложковые) россыпи
- Делювиальные россыпи склонового ряда
- Дифференциация и дезинтеграция материала на склонах
- Состав и строение склоновых отложений
- Генетическая классификация склонов
- Россыпи кор химического выветривания
- Элювиальные и элювиально-делювиальные россыпи
- Зоны окисления сульфидных месторождений
- Коры выветривания, их строение и распространение