Геологическая деятельность ветра

Методические рекомендации

Ветер – один из наиболее могущественных природных факторов, изменяющих лик Земли. Геологическая деятельность ветра связана с динамическим воздействием воздушных струй на горные породы и выражается в разрушении, размельчении пород, сглаживании и полировке их поверхностей, перенесении обломочного материала и отложении его на поверхности Земли (континентов и океанов). Интенсивность эолового процесса зависит от типа и скорости ветра. При скорости ветра 4,5–6,7 м/с переносится пыль, 9,3–15,5 м/с – песок, 19 м/с – гравий, а во время сильных ураганов со скоростью ветра более 23 м/с может переноситься гравий.

О значительной силе ветра по переносу взвешенных частиц свидетельствует перемещение пепла от извержения вулкана Кракатау (1935) в верхних слоях тропосферы, вокруг земного шара в течение почти двух лет. В 1935 году в районе города Линкольн штата Небраска за 4 дня ветер принес пыльную бурю, из которой выпал осадок пыли до 40 т на 1 км2.

Скорость ветра быстро изменяется в пространстве, вследствие чего продолжительность нахождения в воздухе частиц разной величины сильно различается. Частицы размером больше 1 мм быстро осаждаются на небольшом расстоянии от места захвата. Частицы мельче 0,1 мм могут находиться в тропосфере во взвешенном состоянии в течение нескольких дней и даже недель, переносясь воздушными массами на большие расстояния. Обнаружено, что пыль из пустынь Северо-Восточного Китая не только разносится над окружающей территорией Азии, но даже доносится до Гавайских островов, находящихся в центре Тихого океана.

Установлено, что тонкие пылеватые и высокодисперсные частицы, попадая в тропосферу, образуют аэрозоли. Средняя продолжительность нахождения в тропосфере терригенных (от лат. terra — земля, суша) аэрозольных частиц, поступивших туда с поверхности суши, около 5-7 дней, а затем они вымываются атмосферными осадками. По этой причине на поверхности высокогорных ледников постоянно осаждается тонкая атмосферная пыль. Замечательно то, что в тропосфере все время поддерживается одинаковое содержание аэрозолей над континентами. Следовательно, между поверхностью суши и тропосферой непрерывно происходит циклическая миграция твердого вещества в форме мельчайших твердых частиц. Суммарный захват ветром тонких твердых частиц с поверхности всей мировой суши составляет более 5 млрд т в год. Из этого количества примерно 4 млрд т возвращается с атмосферными осадками на поверхность континентов, а свыше 1,5 млрд т выпадает на поверхность Мирового океана и затем входит в состав морских осадков.

Ветер может разрушать горные породы, переносить обломочный материал, отлагать его в определённых местах. Чем больше скорость ветра, тем сильнее производимая им работа. Благоприятные условия для проявления деятельности ветра: 1) резкие суточные изменения температуры; 2) незначительное количество осадков, выпадающих редко, нерегулярно; 3) превышение испарения над осадками (в5-15 раз); 4) разрежённость или отсутствие растительного покрова; 5) частые ветры большой силы; 6) наличие материала, способного перемещаться ветром.

Все геологические явления, связанные с деятельностью ветра, называются эоловыми процессами (Эол - бог ветра у древних греков), а образовавшиеся при помощи ветра отложения - эоловыми.

Разрушительная работа ветра производится путём воздействия на рыхлый материал воздушных струй (дефляция) и при помощи тех твёрдых частиц, которые он несёт (корразия).

Дефляция (лат. Deflare - выдувание, развевание) особенно сильно проявляется в районах, не защищённых растительностью, в узких горных долинах или котловинах, где от неравномерного нагрева возникают смерчи. Грандиозно воздействие ветра на незащищённую почву. Бедствием для земледельцев юга России были чёрные бури - суховеи. Они обрушивались на высушенный распаханный чернозём и уносили его на запад, оставляя бесплодную пустыню. Выдувание такого типа называется плоскостной дефляцией или эоловой абляцией.

Кроме плоскостной дефляции существует ещё и бороздовая дефляция. В узкой щели или борозде сила ветра больше и весь рыхлый материал развевается оттуда в первую очередь. Таким образом растут и углубляются колеи дорог, узкие расщелины, особенно в мягких породах. В Средней Азии в лёссах можно видеть выемки дорог глубиной до 6 м, а в лёссах Китая на месте дорог образуются узкие каньоны глубиной до 30 м.

Корразия (лат. Corrasus - обтачивать) - разрушение горных пород под действием переносимых ветром мелких песчинок (не путать с коррозией). Корразия может быть точечная, царапающая (бороздящая), плоскостная и сверлящая.

В результате корразии в породах возникают ниши, борозды, царапины. Максимальное насыщение ветрового потока песком наблюдается в нескольких сантиметрах (до 1-2 м) от земли. Поэтому именно на небольшой высоте в породах, однородных по составу, выбиваются ветром наиболее крупные ниши, скалы как бы подрезаются. В слоистых породах истираются и выдуваются в первую очередь более мягкие прослои, в которых образуются ниши, крепкие прослои создают карнизы. Корразия способствует расширению трещин, постепенно приводя к созданию характерных округлых и причудливых образований, подобных красноярским Столбам. При эоловой обработке слоистых пород создаются очень разнообразные формы: грибы, пирамиды, обелиски и т.д.

Эоловый перенос. Работа ветра особенно заметна при переносе мелкого обломочного материала. Ветер способен перенсить пылеватые частицы, песчинки и даже камешки. Материал переносится ветром порой на огромные расстояния (пыль и песок из Афганистана переносится в Каракумы, из Сахары пассатным ветром в Атлантический океан на расстояние 2-2,5 тыс. км. Особенно далеко может переноситься пыль, поднятая на большую высоту. Например, пепел вулкана Кракатау во время извержения 1883 года облетел земной шар и держался в воздухе около трёх лет, вызывая в ряде мест розовые зори, "кровавые" дожди.

Эоловая аккумуляция и эоловые отложения. В составе переносимых ветром частиц преобладает кварц, полевые шпаты, глинистые породы; могут быть частицы и органического происхождения - споры, пыльца, грибы, бактерии. Кроме продуктов разрушения горных пород, в небольших количествах встречается пепел вулканов и космические частицы (метеоритная пыль). Переносимые ветром частицы рано или поздно выпадают на землю и либо примешиваются к различным осадочным породам, либо дают начало особым эоловым отложениям. Среди этих отложений выделяются глинистые, пылеватые и песчаные.

Глинистые и пылеватые эоловые отложения возникают за счёт осаждения мелких частиц, переносимых во взвешенном состоянии, иногда очень высоко. Такие отложения могут отлагаться на значительном удалении от областей развевания. Песчаные эоловые отложения образуются из крупных частиц, перемещаемых или перекатываемых ветром у самой поверхности. Поэтому эоловые пески распространены в непосредственной близости от областей развевания.

Процесс цементации и уплотнения эоловых отложений происходит менее интенсивно, чем у водных осадков, поэтому первые из них преимущественно рыхлые. Сортировка эоловых отложений обычно хуже речных или морских. Равнозернистые пески среди эоловых отложений отсутствуют. Наиболее типичный цвет - жёлтый, серый, белый. Эоловые пески часто имеют косое напластование. По направлению наклона слоёв можно определить направление ветра, формировавшего эти слои. Максимальная площадь эоловых песков наблюдается в областях пустынь

По окраинам песчаных пустынь часто происходит накопление пылеватых частиц размером 0,05-0,01 мм. При уплотнении они образуют лёсс. Это очень пористая порода (пористость 42-50%). Многие поры появляются в результате разложения стеблей и корешков растений. В результате образуются вертикальные канальцы. Типичный лёсс не имеет слоистости. Характерна сильная карбонатность и присутствие известковых стяжений, называемых журавчиками. В отличие от песков лёсс мало сыпуч, в связи с чем при дефляции и размыве в нём образуются овраги с очень крутыми склонами. Мощность достигает 100 м. Встречается лёсс в Китае, Средней Азии и др.

Формы эоловой аккумуляции.

Дюна - удлинённый асимметричный холм с более-менее округлой вершиной. Склон холма, обращённый к ветру (наветренный) более полог (5-12^о), противоположный (подветренный) соответствует углу естественного откоса, равному для песков 30-35^о. Высота дюн различна: 5-30 м, но бывают и выше 100 м. В Сахаре даже до 500 м.

Во многих областях Европы с песчаным покровом широко распространены древние дюны, уже не перерабатываемые ветром и заросшие сосновыми лесами (Припятское Полесье, Мещерская низина к востоку от Москвы). Это свидетельство иного климата в недавнем геологическом прошлом.

Бархан - характерная эоловая форма пустыни - холм, имеющий в плане форму полумесяца, рога которого обращены по направлению движения ветра. Наветренный склон более пологий (10-15^о) и длинный, подветренный крутой, гребень обычно острый. Между вершинами рогов происходит завихрение воздуха, способствующее образованию выемки и определяющее крутизну подветренного склона. Высота барханов обычно 1-15 м; в Ливийской пустыне до 30 м. Барханы бывают, как и дюны, одиночные и грядовые.

Грядообразные валы - длинные симметричные песчаные валы с пологими склонами, вытянутые в направлении движения ветра. Высота 15-30 м, в Сахаре до 200 м.

Эоловая рябь наблюдается на поверхности всех отмеченных форм, а часто и на выровненных участках песков. Это мелкие валики, образующие также серповидно изогнутые цепочки, напоминающие мелкую рябь на воде.

Под влиянием ветра эоловые формы способны перемещаться. Скорость перемещения дюн и барханов - несколько сантиметров и метров в год.

Пустыни. Геологическая работа ветра наиболее сильно проявляется в пустынях, распространённых на всех континентах в тропиках, субтропиках и южной части умеренных поясов. Резкие колебания температуры создают в пустынях условия для возникновения постоянных или периодических сильных ветров.

По преобладанию того или иного типа эоловой геологической работы пустыни можно разделить на дефляционные и аккумулятивные. К первым относятся каменистые пустыни (гаммады), ко вторым - песчаные, глинистые (такыры), лёссовые (адыры) и солончаковые (шоры).

Песчаные пустыни наиболее распространены вследствие большой устойчивости кварца, из которого состоят песчинки. В песчаных пустынях особенно хорошо выражены все те бугристые и грядовые Формы, о которых говорилось ранее.

Глинистые пустыни располагаются по краям или внутри песчаных пустынь. Глинистые частицы, принесённые ветром или водой во время паводков, быстро уплотняются. Выпадающая на поверхность такыра дождевая вода не проникает в глубину, скапливается, образуя обширные, но очень мелкие озёра. После испарения такого озера разбухшая поверхность дна высыхает, сокращается в объёме, в связи с чем образуются многочисленные трещинки высыхания, разбивающие поверхность на многоугольники. Трещины часто забиваются песком и пылью, но на гладкой поверхности последние обычно сносятся ветром. Вот почему среди песчаных пустынь такыры хорошо сохраняются.

Лёссовые пустыни получают материал путём выдувания из каменистых пустынь или намыва водой с окрестных гор. Воды, стекающие во время дождей и снеготаяния по поверхности адыров, обычно расчленяют её густой системой ветвистых оврагов, так что чаще всего рельеф неровный. Эти пустыни при использовании искусственного оршения могут быть превращены в очень плодородные земли.

Солончаковые пустыни - наиболее безжизненный вид пустынь. Поверхность их покрыта корочкой соли, которая вытянута испаряющейся водой из глубины. Роль ветра в этих пустынях сводится к выдуванию солей и пыли с поверхности шора. Очень часто поверхность шора разбивается трещинами.

Геологическая работа ветра в основном вредна для человека, т.к. в результате неё уничтожаются плодородные земли, разрушаются постройки, нарушаются транспортные коммуникации. Выделяются два вида борьбы: пассивная и активная. Первый вид сводится к мерам, направленным на закрепление песчаных полей, подвергающихся перевеванию, деревьями. Второй вид - управление ветровой энергией. Создаются преграды, ослабляющие силу ветра или изменяющие направление переноса: плетни, заборы, лесополосы и др.

Таким образом, геологическая работа ветра состоит из следующих процессов:

1) разрушения горных пород (дефляция и корразия);

2) переноса – транспортировки разрушенного материала;

3) эолового отложения (эоловая аккумуляция).

 

Дефляция (от лат. deflatio - выдувание) – это выдувание и развивание ветром твердых частиц рыхлых горных пород на поверхности Земли вследствие непосредственного давления воздушных струй. Разрушительная способность струй увеличивается в случаях, когда они насыщены водой или твердыми частицами – песком и др. Разрушение с помощью твердых частиц носит название корразии (от лат. korrazio – обтачиваю).

Дефляция наиболее сильно проявляется в узких горных долинах, в сильно нагреваемых пустынных котловинах, где часто возникают пыльные вихри. Именно дефляцией объясняется происхождение бессточных глубоких котловин в пустынях Средней Азии, Аравии и Северной Африки, дно которых опущено на многие десятки и сотни метров ниже уровня Мирового океана. Классическим примером проявления локальной дефляции служит котловина Катар в Сахаре, дно которой находится ниже уровня Мирового океана на 134 м, или впадина Карагие в Закаспии, дно которой опущено ниже отметки уровня Мирового океана на 132 мм. Часто днища таких эоловых котловин покрыты тонким слоем солей, которые образуются в виде кристаллов при испарении подземных и поверхностных вод во время сильнейших засух.

Наибольшее количество песка, гонимого ветром, наблюдается в нижних, приземных слоях воздушного потока (до 1-2 м), где и происходит максимальная корразия. Сильные и частые удары песка подтачивают скалы в основании. Так в результате корразии и дефляции возникают скалы-останцы своеобразных очертаний, когда верхние расширенные части покоятся на относительно тонких и коротких подставках. Нередко встречаются грибообразные формы (рис. 1).

 

Рис. 1. Грибообразная форма корразии

При ветрах одного направления часто образуются корразионно-дефляционные ниши, небольшие пещеры, котлы. В неоднородных породах, состоящих из минералов различной стойкости, под ударами песчинок, получающих вращательное движение (вследствие турбулентного, или вихревого, характера движения атмосферы), высверливаются небольшие углубления — ячеи. Так возникают ячеистые скальные поверхности, напоминающие пчелиные соты в несколько увеличенном виде (рис. 2).

 

Рис. 2. Ячеистая поверхность туфов – результат выветривания и деятельности ветра

В результате корразии возникают эоловые ограненные камни в виде трехгранников или многогранников с блестящими отполированными гранями и относительно острыми ребрами между ними. Но корразия проявляется и на горизонтальной глинистой поверхности пустынь.

Захвату ветром тонких частиц с поверхности рыхлых отложений и почвы препятствует только густая древесная растительность. Поэтому развевание почв в лесной зоне минимально, а на территории степей ветровая эрозия возрастает по мере уменьшения степени покрытия почвы травянистой растительностью. Большой ущерб почвам степей наносят сильные сухие ветры, развевающие рыхлый плодородный слой распаханных почв, так называемые черные бури. Свое название они получили из-за сильного потемнения атмосферы, насыщенной черной пылью развеянного верхнего горизонта почв. Черные бури возникают при скорости ветра 10-12 м/сек, но наибольшей интенсивности они достигают при скорости 15 м/сек и больше. В 1928 г. подобная буря охватила пространство от Дона до Днепра, причем площадь выдувания составила около 200 тыс. км2, а область потемнения атмосферы — 470 тыс. км2. Ветер, дувший со скоростью 10 м/сек, выдувал почву в отдельных местах до глубины 12 см и более. Количество выдуваемой почвы достигало 120-124 т с гектара.

Наиболее сильно воздействие ветра проявляется в пустынях, где защитная роль растительности минимальна. Тонкая пыль постоянно присутствует в воздухе пустынь, снижая его прозрачность. Постоянные ветры выносят огромное количество пыли из пустынных регионов, вызывая запыленность тропосферы соседних областей. Эти ветры в разных странах получили особые названия. Таковы афганец, поражающий равнины Средней Азии, североафриканский сирокко, периодически иссушающий прибрежные районы Средиземного моря.

Действие ветра в пустынях настолько сильно, что оно распространяется не только на пылеватые частицы, но также вызывает непротяженный перенос и перекатывание более крупных песчаных частиц. При этом образуются особые эоловые формы рельефа (Эол — бог ветра в греческой мифологии) – формы рельефа, возникающие в результате деятельности ветра: корразии, дефляции, аккумуляции, к которым относят дюны, барханы, гряды и др. Примером может служить барханно-грядовый рельеф песчаных пустынь Средней Азии, образованный в результате перевевания аллювиальных отложений, песчаных пустынь Аравийского полуострова и африканской Сахары. Наиболее распространенными формами эолового рельефа являются барханы, гряды, дюны и эоловая рябь (рис. 3).

 

Рис. 3. Барханы Аравийской пустыни: а – эоловая рябь, б - барханы

 

Одновременно с дефляцией и переносом (транспортировкой) частиц ветром происходит и аккумуляция, в результате которой образуются особые типы континентальных эоловых отложений. Выделяют два главных генетических типа эоловых отложений: эоловые пески и эоловые лессы.

Эоловые пески – характеризуются хорошей окатанностью и отсортированностью, размер зерен преимущественно 0,25–0,1 мм. В составе преобладает минерал кварц – весьма устойчивый к длительной транспортировке эоловым путем, в отличие от менее стойких минералов гидрослюды и полевых шпатов. По косой и перекрещивающейся слоистости можно определить преобладающее направление транспортировки.

Эоловый лесс – поверхностные покровные отложения палевого (буровато-желтого) цвета, пористые и водопроницаемые, состоящие на 80–90% из обломочных частиц размером от 0,01 до 0,1 мм, с небольшим количеством высокодисперсных минералов. В минеральном составе мелкообломочных частиц преобладает слабоокатанный кварц, в составе пылеватых частиц присутствует кварц, полевой шпат, роговая обманка, слюда. Для лессов характерна высокая пористость (до 70%) и высокая просадочность под нагрузкой и при увлажнении. В естественных обнажениях часто обнажаются в виде столбчатых вертикальных отдельностей (рис. 4).

 

Рис. 4. Вертикальные обрывы, сложенные лессом

Лессы залегают сплошным покровом на водоразделах и междуречных пространствах, занимают огромные площади в Европе, Азии, Северной Америке, но не распространяются в пределы тропического пояса. Мощность эолового лесса составляет от нескольких метров до 1000 и более метров. Наибольшая мощность лессовых пород зафиксирована в Китае, где лесс сформировался за счет выноса пылевого материала из пустынь Центральной Азии. Состав атмосферных пылеватых осаждений весьма близок, практически аналогичен составу лессов.

Образование лессов происходило на протяжении последнего миллиона лет. В мощных толщах лесса присутствует несколько горизонтов древних погребенных почв. Это указывает на то, что периоды активного накопления аэральных пылеватых осадков прерывались периодами прекращения дефляции и ветрового переноса минеральной пыли, а аэрально-пылеватые осадки преобразовались под воздействием почвенных и гипергенных процессов и приобретали микростроение, характерное для лессов. В процессе формирования лессов в них возникали специфические карбонатные конкреции (так называемые лессовые куколки), присутствие которых свидетельствует о том, что формирование лессов происходило в условиях засушливых, но не пустынных ландшафтов.

Таким образом, формирование лессовых толщ происходило в две стадии: стадия накопления аэральных пылеватых осадков и стадия превращения их в лессы. На протяжении плейстоцена имело место несколько эпох лессообразования. Есть основания предполагать, что активное развеивание и аккумуляция аэральной пыли происходили во время стабилизации и отступания покровных ледников, а преобразование пылеватых аккумуляций в лессы — в межледниковые периоды.

Экологическая роль геологической деятельности ветра. В результате площадной дефляции в областях многих стран возникают суховеи, способные «поднять и перенести» рыхлый почвенный материал и отложить его на новом месте. Например, от суховеев сильно страдают черноземы России в Воронежской, Тамбовской областях и др., а на территории Калмыкии ветер выносит рыхлый материал, и местами формируется почти каменистая пустыня, в Украине интенсивно развивающаяся дефляция уничтожает огромные площади посевов. Наиболее интенсивно дефляция проявляется в местах деятельности человека: сельскохозяйственное освоение земель, вырубка леса, выпас скота. Почвы лишаются зеленой защиты. К примеру, в низовьях Миссисипи вырубка леса в Коста-Рике обусловила снижение уровня рек, изменение климата и появление сильных ветров.

Дюны и барханы под действием ветра перемещаются и наносят ущерб человеку. Известны примеры, когда наступающие пески засыпали целые города. Например, в Африке в XIV в. был засыпан большой оазис Абиуэр и другие города. В настоящее время пески движутся в Африке, Азии, Прибалтике и других местах. Ряд районов Средней Азии, Закаспия и Калмыкии подвергаются нашествию песков, которые засыпают сады, огороды, дома, водоемы; при этом понижается уровень грунтовых вод, и люди вынуждены уходить с обжитых мест.

В основном эоловая деятельность наносит ущерб среде обитания человека. Разработаны специальные меры по защите от эоловой деятельности: сажают деревья, кустарники, травы, корни которых скрепляют рыхлые образования, а сам растительный покров защищает коренные породы от прямого действия ветра; на пути преобладающего направления ветра строят преграды, ослабляющие силу ветра и изменяющие его направление; пески покрывают защитной полимерной пленкой; в районах ветров-суховеев создаются специальные посадки – лесозащитные полосы и т.д.