Экзогенные процессы. 
Инженерная геология и горные породы

Экзогенные процессы порождаются силами, действующими на поверхности Земли: суточными и сезонными колебаниями температуры, энергией движущихся масс воды, льда и ветра, химическими и физико-химическими реакциями, протекающими при участии организмов. Важнейшими из экзогенных процессов являются: выветривание; водная, ледниковая и ветровая эрозия.

Под процессом выветривания понимают разрушение и изменение состава пород физическими, химическими и органическими (биологическими) агентами. Физическое выветривание осуществляется такими агентами, как температура, замерзание и оттаивание воды в трещинах пород, химическое происходит под действием воды, кислорода воздуха, различных кислот, возникающих при разложении органических веществ. Органическое выветривание — разрушение пород корнями растений, лишайниками, различными макроорганизмами (черви, другие землерои) и микроорганизмами (бактериями, микроводорослями и др.) Иванов. И. П. Инженерная геодинамика. Учебник. Санкт-Петербург, 2001. 416 с.

Наибольшее значение имеют физическое и химическое выветривания, которые всегда действуют совместно, но в континентальном климате преобладает физическое выветривание, а во влажном, в особенности жарком, климате — химическое.

В результате воздействия разности температур породы могут дробиться до очень мелких частиц — до 0,01 мм в диаметре и мельче. Это способствует химическому разрушению и, прежде всего, растворению и прямомухимическому взаимодействию между частицами в присутствии воды.

Наиболее интенсивно идут процессы у поверхности земли, распространяясь на глубину до 5 -10 м и глубже, если для этого есть условия. К таким условиям относятся трещиноватость или пористость пород, способствующие проникновению агентов на глубину. Вся эта толща, где происходят указанные процессы и накапливаются продукты выветривания, называется корой выветривания.

Интенсивность процесса выветривания зависит не только от климатических условий, обводненности пород, химического состава поверхностных и подземных вод, трещиноватости, но и от минерального состава и структуры пород. Крупнозернистые полиминеральные породы легко разрушаются под воздействием температурных колебаний, так как слагающие их минералы часто имеют различный цвет, т. е. поглощают различное количество тепла, имеют различные коэффициенты расширения. Вследствие этого при нагревании на контактах между зернами создаются большие напряжения, что приводит к разрушению менее прочных минералов.

Химическое выветривание наиболее активно проявляет себя в растворимых породах, а также в породах, содержащих неустойчивые к процессам окисления и гидратации минералы. Например, пирит Ре82 легко окисляется в присутствии воды, переходя в гидроксиды железа — лимонит, гетит. Вода, содержащая в своем составе углекислоту, которая появляется в ней в результате окисления органических веществ, более интенсивно растворяет известняки и ускоряет химический процесс превращения полевых шпатов в глинистые минералы.

Наиболее устойчивы к процессам выветривания минералы кварц, мусковит, корунд, менее устойчивы кальцит, гипс, полевые шпаты, биотит и др.

Эрозионные процессы. Особую роль в геологической истории земной коры играют оледенения. Огромные площади на континентах в четвертичный период покрывались мощными толщами материковых льдов. В северном полушарии они двигались с севера на юг, наступая на материк, ломая скалы, сглаживая поверхность земли. Обломки пород размером от огромных валунов до глинистых частиц ледник двигал перед собой, нес на своей поверхности, волочил по поверхности земли. При потеплении климата он отступал, таял, оставляя эти обломки в виде скоплений, образующих положительные формы рельефа, называемые моренами; отложения, слагающие этот рельеф, называют моренными. Возникавшие при таянии ледников водные потоки разносили обломочный материал на большие расстояния, причем, чем дальше от края ледника, тем он был мельче. Так образовались обширные полосы гравийно-галечниковых, далее на юг — песчаных и затем пылевато-глинистых (лессовых) отложений, которые называются водно-ледниковыми, Эти отложения широко распространены в центре Русской равнины.

Большая роль в переносе мелких частиц, мелкозема, (< 0,1 мм) принадлежит ветру, или эоловому процессу. Эоловая аккумуляция в основном происходит на суше, в воздушной среде. К эоловым накоплениям относятся толщи большей части лессовых пород. Огромные площади в пустынях (Прикаспий, Кара-Кум и др.) заняты эоловыми песками, в том числе подвижными барханами. К подвижным эоловым формам относятся и формируемые ветром дюны на аккумулятивных побережьях морей (Прибалтика).Эоловые отложения высокопористы и сжимаемы, а лессовые породы обладают еще и просадочными свойствами.

Выдувание (дефляция) возникает в результате воздействия механической силы ветра. Это процесс иногда называют ветровой эрозией. От пород отрываются и уносятся частицы. Ветер выдувает котловины, борозды в солончаках, пылеватых суглинках, песках. Отдельные котловины выдувания в Казахстане достигают в длину 145 км, при ширине от 2 до 10 км и глубине от 100 до 142 м.

Ветер обычно переносит пыль, песок и даже гравий. Песчаные частицы, ударяясь о твердые породы, перетирают, сверлят и обтачивают их поверхность. Появляются борозды, желоба, углубления и другие формы микрорельефа. Этот процесс обтачивания получил название ветровой корразии. Она воздействует на поверхность отдельных форм рельефа подобно работе пескоструйного аппарата, применяемого в строительном деле.

Разрушительная работа текучих вод носит название водной эрозии. Их аккумулятивная деятельность приводит к образованию рыхлых пород, из вынесенных и отложенных в определенных условиях осадков.

После дождя (или таяния снега) вода растекается по поверхности земли в виде много численных микроструек, каждая из которых не имеет фиксированного пути. Образуется сплошной поверхностный поток, и разрушительное действие воды осуществляется на всей площади. Так происходит плоскостной смыв (или плоскостная эрозия), который ведет к увеличению пологости местности. Плоскостные потоки губительно сказываются на почвах, смывая верхний плодородный слой.

Русловые процессы. Совместная эрозионная и аккумулятивная деятельность русловых водных потоков — рек и ручьев называется флювиальными процессами. Разрушительная деятельность поверхностных потоков получила наименование речной эрозии, а процессы отложения разрушенных пород — аккумуляцией.

Флювиальные процессы представляют собой важнейшее звено в ходе миграции минеральных масс по поверхности суши к местам их аккумуляции во впадинах и морских бассейнах. Энергетической основой этих процессов является потенциальная энергия воды, стекающей под действием силы тяжести. Она прямо пропорциональна уклону ложа реки и расходу воды в единицу времени. Некоторая часть этой энергии воды тратится на размыв грунта и перенос твердого и растворенного материала в более пониженные места.

Работа текучей воды определяется кинетической энергией потока и зависит главным образом от скорости течения, которая прямо пропорциональна уклону ложа, а также от массы воды в потоке. Скорость течения зависит, кроме того, от шероховатости ложа, глубины и ширины потока. Главную роль, однако, играет уклон.

Эрозионная деятельность потоков представляет собой сложный процесс, включающий: снос водой обломочного материала; механическое разрушение горных пород в ложе потока и берегах; растворение водой встречающихся на ее пути растворимых пород.

Транспортирующая способность потоков зависит, прежде всего, от скорости течения воды. Так, при скорости течения 0,162 м/с начинает передвигаться по дну мелкий песок, при 0,216 м/с — крупный песок, при скорости 0,975 м/с — мелкая галька. На передвижение влияют также масса воды и турбулентность течения.

Переносимый водой обломочный материал образует так называемый твердый сток, играющий важнейшую роль в разрушительной работе потока. Основная часть этой работы связана с попутным процессом водной корразии, выражающимся в механическом истирании и царапании ложа потока влекомыми водой обломками. Однако при перегрузке потока твердым стоком размыв замедляется (так как на перенос затрачивается значительная часть кинетической энергии), и, наконец, эрозия может прекратиться, а затем смениться отложением наносов.

Первичным результатом эрозии является образование русла. Основным результатом всего эрозионного процесса является образование эрозионных долин, представляющих собой следствие длительного врезания русловых водных потоков в коренные породы водосборных площадей.

Различают два вида эрозии — глубинную и боковую. Глубинная эрозия характеризуется господством донного врезания потока, постоянно стремящегося углублять свое русло и долину. Боковая эрозия выражается в разрушении потоком бортов русла и долины, вследствие чего происходит расширение долины, возрастающее в зависимости от длительности развития процесса. Роль обоих видов эрозии на разных стадиях развития долины меняется, а в связи с этим меняется и форма долины.

Развитие флювиального процесса зависит от многих факторов, связанных с изменчивостью природных обстановок. Наиболее важные из них — особенности гидродинамики, гидрологический режим потока (периодические паводки), климатические условия и геологическое строение местности. Для горных рек определяющим в развитии русловых процессов является геологическое строение территории, для равнинных главенствующим является гидродинамика потока.

У равнинных рек продольные профили более выровнены. Они имеют вид волнообразной кривой с чередованием плёсов и перекатов.

Расположение плёсов и перекатов в плане тесно связано с излучинами русел равнинных рек, или меандрами. Плесы располагаются на выпуклой стороне излучины русла, несколько смещаясь вниз по течению от ее оси. На противоположной вогнутой ее стороне располагаются прирусловые (береговые) отмели. Перекаты размещаются по наиболее прямым отрезкам русла между плёсами. Поперечное сечение русла на плёсах становится резко асимметричным, на перекатах оно более симметрично, глубина реки здесь уменьшается.

Рис. Типы складок в поперечных разрезах. ав прямые, б — косые (наклонные), в — опрокинутые, г — лежачие, д — перевернутые, еизоклинальные, ж — веерообразные, з — сундучные, 1 — 11 возрастная последовательность пород (1 — наиболее древние, 11 — самые молодые). Сплошные прямые линии — положение в разрезах осевых поверхностей.

Складка это вид складчатого нарушения, изгиб слоя без разрыва его сплошности. В природе наблюдается большое разнообразие складок. Классифицировать их можно по разным признакам, но сначала следует остановиться на элементах единичной складки, часть которых может быть определена достаточно строго, а часть носит условный характер. В складке выделяются: крылья-пласты, боковые части складки, располагающиеся по обе стороны перегиба или свода; ядро — внутренняя часть складки, ограниченная каким-либо пластом; угол при вершине складки — угол, образованный продолжением крыльев складки до их пересечения; замок, или свод, — перегиб пластов; осевая поверхность — поверхность, делящая угол при вершине складки пополам; шарнир — точка перегиба в замке, или своде складки; шарнирная линия — линия пересечения осевой поверхности с кровлей или подошвой пласта в замке или своде складки. Осевая линия, или ось — линия пересечения осевой поверхности складки с горизонтальной поверхностью. Гребень — высшая точка складки, не совпадающая с шарниром в случае наклонных или лежачих складок.

Выделяются два основных типа складок: антиклинальная, в ядре которой залегают древние породы, и синклинальная, в ядре которой располагаются более молодые породы по сравнению с крыльями.

Сильно сжатые, или изоклинальные, складки, сложенные чаще всего глинистыми сланцами, аргиллитами, тонкими алевролитами, раскладываются на многочисленные, очень тонкие параллельные друг другу и осевой поверхности складки, пластинки и поперечный срез складки оказывается при этом рассеченным системой тонких трещин. Это явление называется кливажем. Образование кливажа связано с сильным сжатием, расплющиванием слоев по нормали к ним.

Классифицировать складки по их форме в поперечном сечении можно, основываясь на разных признаках, например по характеру наклона осевой поверхности. В этом случае выделяются складки: прямые (симметричные) — осевая поверхность вертикальна; наклонные — осевая поверхность наклонена, но крылья падают в разные стороны, хотя и под разными углами; опрокинутые — осевая поверхность наклонная, крылья падают в одну и ту же сторону под разными или одинаковыми углами; лежачие — осевая поверхность горизонтальная; ныряющие — осевая поверхность «ныряет» ниже линии горизонта.

По отношению осевой поверхности и крыльев выделяются складки: открытые — угол при вершине складки тупой; закрытые — угол при вершине складки острый; изоклинальные — осевая поверхность параллельна крыльям складки, что фиксирует сильную степень сжатия.

По форме замка складки подразделяются на: гребневидные-узкие, острые антиклинали, разделенные широкими пологими синклиналями; килевидные — узкие острые синклинали, разделенные широкими, плоскими антиклиналями; сундучные или коробчатые — широкие плоские антиклинали и синклинали.

По соотношению мощности пластов на крыльях и в замках выделяются подобные, концентрические, диапироидные и диапировые складки. Подобные — мощность на крыльях меньше, а в замках больше при сохранении угла наклона крыльев. Такая форма складки образуется при раздавливании крыльев и перетекании материала пластов в своды, или замки. Концентрические-мощность пластов в сводах и замках такая же, как и на крыльях, но с глубиной происходит изменение наклона слоев. Диапироидные — складки с утоненными замками и хорошо развитым ядром, образуются в пластичных толщах. Диапировые — складки с ядром из соли, гипса, глины и других пластичных толщ, которое, всплывая, в результате инверсии плотностей протыкает перекрывающие пласты, нередко выходя на поверхность.

Рассматривая складки, в плане можно выделить следующие их основные типы: линейные-длина складки намного превышает ее ширину; брахиморфные — овальные складки, длина которых в 2−3 раза больше ширины; куполовидные — антиклинальные складки — ширина и длина примерно равны; мульды — синклинальные складки, ширина и длина которых примерно одинаковы.

Сочетание антиклинальных и синклинальных складок создает более сложные складчатые формы. Так, если наблюдается преобладание антиклинальных складок и зеркало складчатости образует выпуклую кривую, такая структура называются антиклинорием и, наоборот, преобладание синклинальных складок и вогнутая кривая зеркала складчатости характерна для синклинория Пешковский Л. М. Перескокова Т. М. Инженерная геология, — М., Высшая школа. 1982. Взброс — одна из форм разрывных тектонических смещений горных пород, возникающая при их горизонтальном сжатии. При взбросе движение пород происходит по трещине, наклонённой к горизонту под углом свыше 45°. При этом породы висячего бока взброса, лежащие выше поверхности смещения, передвигаются по ней вверх, а породы лежачего бока (находящиеся под этой поверхностью) испытывают относительное перемещение вниз.