ГРАВИТАЦИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ

 

Гравитационные процессы (от латин. gravitas – тяжесть) – это процессы, связанные со смещением обломков коренных пород под действием силы тяжести. Динамические агенты (текучая вода, ветер и др.) при этом участия или не принимают вовсе, или роль их невелика. Следовательно, для протекания гравитационных процессов требуются особые условия: пересеченный рельеф местности со значительными уклонами поверхности, наличие обломков на склонах, сквозная трещиноватость коренных пород, существование подземных пустот. Гравитационные процессы заключаются в оползании или скатывании, осыпании или обрушении единичных обломков и крупных массивов пород, или же пластичного течения насыщенных водой грунтов. В результате объемы горных пород перемещаются вниз по склону и несколько удаляются от него, изменяя крутизну склона и рельеф подножья. Возникающие накопления по петрографическому составу идентичны породам склона. Им свойственна несортированность обломков, в силу чего слоистость не выражена, а если изредка и проявляется, то связана с медленным скольжением пропитанных водой мелкодисперсных пород. Форма крупных обломков также определяется породами склона: если обрушиваются продукты выветривания скальных пород, то накапливаются угловатые обломки (глыбы, щебень), если же осыпается накопленный рекой аллювий, то осыпь будет сложена окатанными зернами гравия или гальки.

Гравитационные процессы разделяют на обвальные, осыпные, оползневые, солифлюкционные, провальные и другие. Составной частью этих процессов, как правило, служит явление крипа.

Крип (от англ. creep – ползти, сползать) – это медленное гравитационное сползание по склону горных пород под влиянием периодического изменения объема грунтов. Выделяют следующие виды крипа:

- температурный крип (обусловлен колебаниями температуры);

- мерзлотный крип (вызванный попеременным промерзанием и оттаиванием);

- гигрогенный крип (из-за набухания и усадки глин при увлажнении и высыхании).

 

Обвальные и осыпные процессы про­текают на крутых склонах под действием одной лишь силы тяжести. После обвалов и осыпей на склонах и у подножий скапливаются несортированные массы обломков, формируя конусы и шлейфы разной мощности и площади. Обвальные и осыпные отложения иначе называются коллювием (от латин. colluvio – скоп­ление).

Обвалы приурочены к обрывистым, отвесным склонам гор, районов развития поверхностного карста, берегов морей и водоемов, горных выработок. Обвальным процессам способствуют трещины, рассекающие породы параллельно поверхности склона. Выветривание расширяет такие трещины, в результате блок горных пород отделяется от склона, со временем наклоняется все сильнее и, наконец, обрушивается целиком или частями. После обвала крутизна склона резко увеличивается – возникают отвесные плоскости срыва. Если же в обрушение вовлекаются и внутренние части склона, то формируются плоскости с отрицательным наклоном и ниши срыва. Падая с большой высоты, тяжелые блоки дробятся на более мелкие обломки угловатой формы, поэтому обвальный коллювий, как правило, представлен крупными и средними глыбами, щебнем. Значительно реже встречаются накопления, сложенные песчаными, алевритовыми или глинистыми фракциями.

Крупнейшие обвалы наблюдаются в поясах землетрясений. Сейсмические обвалы отличаются гигантскими объемами вовлеченных в них грунтов, большим расстоянием смещения и катастрофическими последствиями. Такие особенности обусловлены следующими причинами. При сильных землетрясениях через земную кору проходят серии сейсмических волн с короткими периодами и большой амплитудой. В результате земная поверхность начинает вибрировать, подобно гигантскому грохоту. Массы грунтов, обрушиваясь на трясущуюся поверхность, приобретают высокую подвижность. Этот эффект может усилиться, если обвал сжимает под собою большой объем воздуха – тогда массы обломков мчатся на своеобразной воздушной подушке, получая возможность преодолевать даже встреченные горные хребты. Вероятно, крупнейший из сейсмообвалов произошел около 2 000 лет назад на юго-западе Ирана, в горах Загрос. Со скалистых склонов обрушилась и раздробилась 300-метровой мощности толща известняков. Скальный обвал ворвался в долину реки Сеймерре, срезал и захватил аллювиальные отложения, и помчался далее колоссальным валом высотой до 400 м. Пройдя около 13 км, этот вал натолкнулся на 600-метровой высоты горный хребет, но не остановился, а перехлестнул через него и двинулся дальше, преодолев еще 3 км. В итоге пройденное расстояние составило 16 км, объем перемещенных пород достиг 20 км³, а их смещение по вертикали превысило 1 500 м.

Обвальные и сейсмообвальные отложения формируют беспорядочно-холмистый рельеф со значительными перепадами высот (до 25 м и более) и крутыми склонами.

 

Осыпями называют процессы постепенного скатывания или скольжения обломков по склону. В отличие от обвалов, осыпи не носят катастрофического характера. Чаще всего происходят в горах; на равнинах приурочены к крутым берегам морей, рек, озер, склонам оврагов и стенкам горных выработок. В горах осыпанию способствуют трещины, параллельные поверхности склона. Выветривание расширяет и разветвляет эти трещины, ускоряя дезинтеграцию пород и делая их все более рыхлыми и неустойчивыми. При осыпании обломков формируется коллювиальный конус, прислоненный к нижней части склона. Накопление осыпного коллювия нередко сопровождается камнепадами, особенно активными во время дождей и таяния снегов.

Движение обломков регламентируется силой сцепления между ними:

F = m · g · sin α,

где m – масса обломка, g – ускорение свободного падения, α – угол наклона поверхности склона.

Следовательно, чем крупнее размер обломков, слагающих конус, тем прочнее они связаны друг с другом, а значит, тем меньше вероятность осыпания конуса. Осыпание продолжается до тех пор, пока наклон поверхности склона не достигнет угла естественного откоса – своеобразной кривой равновесия. Угол естественного откоса щебнистой осыпи не превышает 40°, а дресво-песчаной 33°. Если же камнепад начался, то быстрее всего движется крутая вершина конуса: отсюда скачками мчатся вниз валуны, дробясь при ударах и разрушая каменный материал поверхности. В результате, к подножью осыпи скатываются наиболее крупные обломки, а на вершине сохраняются самые мелкие. Таким образом, в разрезе осыпи закладываются некоторые признаки сортированности: чем ближе основание конуса, тем крупнее и тяжелее обломки. Со временем коллювиальные конусы срастаются друг с другом, формируя шлейфы, обрамляющие подножье.

 

Оползнем называют отрыв и моментальное скользящее смещение вниз по склону монолитных блоков грунтовых масс и слоистых горных пород. Толчком к началу смещения могут послужить разные причины: ликвидация упора слоя в основании склона (например, подмыв склона рекой); землетрясение; рост массы и пластичности осадков при насыщении их водой; возникновение дополнительных нагрузок при строительстве инженерных сооружений.

Для образования оползня необходимы следующие условия:

- крутизна склона должна составлять от 15 до 35°;

- на поверхности склона должны залегать массы рыхлых осадков;

- рыхлые осадки должны подстилаться наклонным водоупором с гладкой поверхностью.

Тогда, при смачивании водоупора подземными водами, нарушится сцепление между грунтами, и возникнет опасность скольжения. Во время скольжения верхняя часть склона устремляется вниз единым массивом, оказывая дислоцирующее воздействие на нижележащие слои и, иногда, даже на верхнюю часть водоупора. Низвергнувшись к подножью, оползень ударяется о породы ложа долины, и выдавливает их, создавая бугор выпирания. При скольжении и ударе верхняя часть оползня рассекается трещинами и разбивается на отдельные блоки, осложняясь сбросами. В составе оползневых отложений выделяют три зоны: верхнюю, нижнюю и зону брекчирования (рис. 1).

§ Верхняя зона представлена сместившимися блоками (слоями) рыхлых коренных пород склона. Эти блоки (слои) не испытали нарушений внутренней текстуры.

§ Нижняя зона также сложена породами склона. Но слои здесь раздроблены, смяты в складки, рассечены взбросами и надвигами.

§ Зона брекчирования формируется на границе оползневого тела и плоскости скольжения. Ее слагают перенасыщенные водой обломки рыхлых и водоупорных пород.

В рельефе оползни выражены бугристыми или ступенчатыми склонами, напоминающими террасы.

 

 

Рис. 1. Схематический разрез оползня

(по А. К. Агаджаняну и др., 1987):

А – верхняя зона, Б – нижняя зона, В – зона брекчирования.

 

Солифлюкция (от латин. solum – грунт, почва; fluxus – течь) – процесс медленного сползания по склону протаивающих переувлажненных грунтов под действием гравитации и попеременного промерзания – оттаивания. Наиболее активна солифлюкция в высоких и умеренных широтах, и соответствующих поясах в горах. При переходах температуры через 0 °С коренные породы подвергаются дезинтеграции. Талые воды пропитывают рыхлые продукты выветривания, последние переходят в пластичное состояние и начинают медленно скользить по мерзлой поверхности непротаявшей сердцевины холма. Накапливающиеся на склоне продукты называют солифлюксием. Под действием солифлюкции поверхность склона осложняется натечными образованиями: солифлюкционными террасами, валами, потоками и др. Крупные обломки в солифлюксии всегда ориентированы длинными осями по направлению склона. Интенсивность солифлюкции определяется уклоном поверхности, составом грунтов и степенью их обводненности. Так, активность процесса возрастает по мере уменьшения размера обломков и увеличения содержания воды. В зависимости от конкретных условий скорость движения составляет от нескольких десятков метров в год до долей миллиметра. Соответственно различают солифлюкцию быструю и медленную.

Быстрая солифлюкция связана с избытком талых вод: грунты приобретают жидкотекучую консистенцию и начинают быстро – до десятков метров за сутки – скользить по склону. В осадках преобладают глинистые, алевритовые и песчаные фракции, суммарная доля которых нередко превышает 50 % от объема породы. Характерны текстуры полосчатые и ленточные, ориентированные субпараллельно склону.

Медленная солифлюкция протекает при меньшем количестве воды и вязкотекучей консистенции грунта. Продукты отличаются лучшей сортировкой и еще большим участием глинистых частиц. В результате формируется равномерный по мощности чехол с вогнутой поверхностью: крутизна склона уменьшается по направлению к подножью.

 

Провальные процессы распространены ограниченно, свойственны районам развития подземных пустот: карстовых полостей и горных выработок. Провал кровли над полостью происходит по разным причинам (образование и расширение трещин, рост нагрузки, землетрясение и проч.). Провальный коллювий представлен несортированными обломками пород кровли. Рельеф поверхности провальных накоплений зависит от их объема и рельефа дна пещеры или выработки.