Жер бетінің тозу процестері

Кіріспе

Жер бедерін тозу процесін сипаттайтын геологиялық термин.

Денудация – жылмалы су, мұз, жел және толқындардың Жер бетін тозуына алып келетін геологиялық процесс, нәтижесінде жер бедерінің биіктігі және бедері төмендейді. Эрозия және денудация терминдері жиі алмастырылып қолданылса да, эрозия – топырақ пен тау жыныстарын бір жерден екінші жерге тасымалдау, ал денудация – эрозияны қоса алғанда, Жер бетінің төмендеуіне әкелетін процестердің жиынтығы. Эндогендік процестер, мысалы, жанартаулар, жер сілкіністері және тектоникалық көтерілу, континенттік қабықты экзогендік процестерге – ауа райының өзгеруіне, эрозияға және массалық ысырапқа ұшыратуы мүмкін. Денудацияның әсері мыңдаған жылдар бойы тіркеліп келеді, бірақ оның механизмдері соңғы 200 жыл бойы талқыланып, тек соңғы онжылдықта ғана түсінік ала бастады. Денудацияға әсер ететін факторлар:

Антропогендік (адам) қызмет, оның ішінде ауыл шаруашылығы, су тоғандары, кен өндіру және орманды жою;
Биосфера, жануарлар, өсімдіктер және микроорганизмдер арқылы химиялық және физикалық тозуға ықпал ету;
Климат, негізінен жаңбырдан болатын химиялық тозу арқылы, сондай-ақ климат қандай тозудың пайда болатынын анықтайды;
Литология, яғни тау жыныстарының түрі;
Жер бетінің топографиясы және жер бетінің топографиясына енгізілетін өзгерістер, мысалы, массалық ысырап және эрозия; және тауларды қалыптастыру процесі.

Тарихи теориялар

Денудацияның әсері туралы ежелгі заманнан бері жазылған, бірақ «денудация» және «эрозия» терминдері тарихтың көп бөлігінде бірін-бірі алмастырып қолданылған. Ағарту дәуірінде ғалымдар мифтік немесе діни түсіндірмелерсіз денудация мен эрозияның қалай пайда болатынын түсінуге тырысты. XVIII ғасыр бойы ғалымдар аңғарлардың су тасқынынан немесе басқа да катастрофалардан емес, олар арқылы ағып өтетін өзендердің әрекетінен пайда болатынын болжады. 1785 жылы шотланд дәрігері Джеймс Хаттон шектеусіз уақыт аралығында байқалатын процестерге негізделген Жер тарихын ұсынды, бұл сенімге негізделген болжамдардан логика мен байқауға негізделген ойлауға көшуді білдірді. 1802 жылы Хаттонның досы Джон Плейфэр Хаттонның идеяларын түсіндіретін, жер бетіндегі судың негізгі процесін сипаттайтын және эрозия мен химиялық тозуды түсіндіретін мақала жариялады. 1830 және 1833 жылдар аралығында Чарльз Лайелл «Геология қағидалары» атты үш томдық еңбегін жариялады, онда Жер бетінің үнемі жүріп жатқан процестер арқылы қалыптасуы сипатталды, және ол ғылыми қоғамда біртіндеп денудацияны қолдап, бекітті. Денудация кеңінен санаға енген сайын, денудацияның қалай пайда болатыны және оның нәтижесі қандай деген сұрақтар туындады. Хаттон мен Плейфэр уақыт өте келе ландшафт теңіз деңгейінде немесе оған жақын жерде эрозиялық жазықтыққа дейін тозығып кетеді деп болжады, бұл теорияға «планизация» деген атау берді. Дэвистің эрозия циклының жариялануы көптеген геологтарды бүкіл әлемде планизацияның дәлелін іздеуге мәжбүр етті. Дэвистің циклына қанағаттанбаған, АҚШ-тың батыс бөлігінен алынған мәліметтерге байланысты, Гроув Карл Гилберт беткейлердің кері тозуы ландшафттарды педипланаларға айналдырады деп ұсынды, ал В. Дж. МакГи бұл ландшафттарды педимент деп атады. Бұл кейіннен Л. С. Кинг оны әлемдік деңгейде қолданған кезде бұл тұжырымдамаға педипланация атауын берді. Дэвистік циклдің үстемдігі планизацияны түсіндіру үшін бірнеше теорияларды тудырды, мысалы, эолиялық және мұздық планизация, бірақ тек эчпланация ғана уақыт пен сынақтан өтті, өйткені ол әлемнің әртүрлі климаттарында жасалған байқаулар мен өлшемдерге негізделген және ландшафттағы бұзушылықтарды түсіндірді. Бұл тұжырымдамалардың көпшілігі сәтсіз болды, өйткені танымал геолог және профессор Джозеф Жукс 1862 жылы геоморфологияға елеулі әсер еткен жарияланымда денудацияны және көтерілуді бөліп көрсетті. Бұл тұжырымдамалар да сәтсіз болды, өйткені циклдер, әсіресе Дэвистің, жалпылау және егжей-тегжейлі өлшемдер емес, ландшафттың кең байқауларына негізделген; көптеген тұжырымдамалар өңірлік процестерге емес, жергілікті немесе нақты процестерге негізделген және олар ұзақ уақытқа созылатын континенттік тұрақтылықты қабылдады. Пенк теориясы, ақыр соңында елемеуге ұмтылып, бір мезгілде денудация мен көтерілуге оралды және континенттік қозғалысқа сүйенді, тіпті Пенк континенттік дрейфті қабылдамаса да. Дэвистің және Пенктің модельдері бірнеше онжылдықтар бойы қызу талқыланды, бірақ Пенктің модельдері елемеліп, Дэвистің модельдерін қолдау оның өлімінен кейін, көптеген сын-пікірлер жасалғаннан кейін азайды. Бір сыншы Джон Лили болды, ол геологтардың жер бедері қалай пайда болғанын білмейтінін, сондықтан Дэвистің теориясы шайқау негізге салынғандығын айтты. 1945-1965 жылдар аралығында геоморфология зерттеулерінің өзгеруі негізінен дедуктивті жұмыстан жетілдірілген технологиялар мен әдістерді қолданатын егжей-тегжейлі тәжірибелік жобаларға ауысуды көрді, бірақ бұл жаңа теорияларды зерттеудің орнына қалыптасқан теориялардың егжей-тегжейін зерттеуге әкелді. 1950-1960 жылдары мұхит геологиясы мен геофизикасының жетістіктері нәтижесінде Вегенердің құрлықтардың дрейфі туралы теориясы дұрыс екендігі және Жер бетінің бөліктерінің (пластиналардың) үнемі қозғалысы бар екендігі анық болды. Геоморфологияда еңіс формаларын және дренаж желілерін өлшеу үшін, сондай-ақ форма мен процесс, геоморфтық процестердің көлемі мен жиілігі арасындағы қатынастарды табу үшін жетілдірілімдер жасалды. Осы зерттеулер мен геофизикадағы жетістіктер арқылы денудацияны зерттеу планизациядан денудацияға қандай қатынастар әсер ететінін зерттеуге ауысты, соның ішінде көтерілу, изостазия, литология және өсімдіктер, сондай-ақ бүкіл әлем бойынша денудация деңгейін өлшеу. Бұл көрсеткіш шамамен есептелген және есептеулерді жеңілдету үшін, басқа да нәрселермен қатар біртекті эрозия деп есептеуге болады. Есептеулерде жасалған болжамдар зерттеліп отырған ландшафт үшін ғана жарамды. Үлкен аумақтардағы денудацияны өлшеу үшін бөлімдердің көрсеткіштерін орташа ету арқылы жүзеге асырылады. Көбінесе, адамның әсері ескерілмейді, бұл өлшемдерді жоғарылатуға әкеледі. Есептеулер көрсеткендей, адам қызметінен туындаған топырақ жоғалуы бұрын есептелген денудация деңгейін 30%-дан кем өзгертеді. Денудация мен көтерілу деңгейі тең болатын жалғыз аумақтар – белсенді пластина шеттері, ұзақ мерзімді үздіріссіз деформация кезеңімен сипатталатын жерлер. Денудацияны су жиналатын алапта өлшеуге болады және басқа эрозия өлшемдерін пайдалануға болады, олар әдетте датировка және зерттеу әдістеріне бөлінеді. Эрозияны және денудацияны өлшеуге арналған техникаларға өзен жүктемесін өлшеу, космогендік әсерге ұшырау және көмілу датировкасы, эрозияны қадағалау, топографиялық өлшемдер, су қоймаларындағы шөгіндіні зерттеу, көшкін картасын жасау, химиялық іздерді анықтау, термохронология және шөгінді жазбаларын талдау кіреді. Денудацияны өлшеудің ең көп таралған тәсілі – өлшеу станцияларында алынған өзен жүктемесін өлшеу. Денудация үшін маңызды теңдеу – өзен қуаты заңы: , мұнда E – эрозия деңгейі, K – эрозиялану тұрақтысы, A – дренаж алабы, S – арна градиенті, ал m және n – әдетте алдын ала берілетін немесе орналасқан жерге байланысты қабылданатын функциялар. Космогендік изотоптарды қолданып, тозуды өлшеуге алғашқы зерттеулер фельдшпат пен вулканиктік шыны тозуын зерттеу арқылы жүргізілді, олар Жердің жоғарғы қабығында кездесетін көптеген материалдарды қамтиды. Ең көп қолданылатын изотоптар – 26Al және 10Be; алайда, бұл талдауларда 10Be көбірек қолданылады. 10Be оның көптігіне және тұрақсыз болмаса да, 1,39 миллион жылдық жартылай өмірі денудация өлшенетін мыңдаған немесе миллиондаған жылдарға қарағанда салыстырмалы түрде тұрақты болғандықтан қолданылады. 26Al кварцта Al-дың аз болуына және атмосфералық 10Be-дің ластану қаупі болмауына байланысты қолданылады. Бұл техника бұрынғы денудация деңгейін зерттеулер эрозияның тұрақты деңгейін болжады, тіпті мұндай біртектілік өрісте растау қиын және көптеген ландшафттар үшін жарамсыз болса да, дамытылды; денудацияны өлшеуге және геологиялық оқиғаларды датировкалауға көмектесу маңызды болды. Орташа есеп бойынша, белгілі бір алаптан шығатын тұнбадағы бұзылмаған космогендік изотоптардың концентрациясы сол алаптың эрозия деңгейіне кері пропорционал. Жылдам эрозияланатын алапта тау жынысының көп бөлігі эрозия мен алаптан шығу алдында аз ғана уақытқа ғарыштық сәулелерге ұшырайды; нәтижесінде, изотоп концентрациясы төмен болады. Баяу эрозияланатын алапта интегралдық ғарыштық сәулелерге ұшырау әлдеқайда жоғары болады және изотоп концентрациясы әлдеқайда жоғары болады. Денудацияны өлшеудегі қиындықтар технология мен ортаға байланысты. Дәлеу әдістерімен байланысты екі негізгі мәселе – жабдықпен және өлшеу кезінде жасалған болжамдармен байланысты өлшемдердегі белгісіздіктер; және өлшенген жас пен маркерлер тарихы арасындағы қатынас. Джеймс Гилулли жасаған зерттеуде ұсынылған мәліметтер геологиялық дәлелдерге негізделген Кенozoй дәуірі бойы денудация деңгейі шамамен бірдей болғанын көрсетті; алайда, Гилулли зерттеуінің уақытында денудация деңгейінің бағалаулары мен АҚШ-тың биіктігін ескерсек, Солтүстік Американы тозуға 11-12 миллион жыл кетеді.

The effects of denudation have been written about since antiquity, although the terms "denudation" and "erosion" have been used interchangeably throughout most of history. In the Age of Enlightenment, scholars began trying to understand how denudation and erosion occurred without mythical or biblical explanations. Throughout the 18th century, scientists theorized valleys are formed by streams running through them, not from floods or other cataclysms. In 1785, Scottish physician James Hutton proposed an Earth history based on observable processes over an unlimited amount of time, which marked a shift from assumptions based on faith to reasoning based on logic and observation. In 1802, John Playfair, a friend of Hutton, published a paper clarifying Hutton's ideas, explaining the basic process of water wearing down the Earth's surface, and describing erosion and chemical weathering. Between 1830 and 1833, Charles Lyell published three volumes of Principles of Geology, which describes the shaping of the surface of Earth by ongoing processes, and which endorsed and established gradual denudation in the wider scientific community. As denudation came into the wider conscience, questions of how denudation occurs and what the result is began arising. Hutton and Playfair suggested over a period of time, a landscape would eventually be worn down to erosional planes at or near sea level, which gave the theory the name "planation". Publication of the Davisian cycle of erosion caused many geologists to begin looking for evidence of planation around the world. Unsatisfied with Davis's cycle due to evidence from the Western United States, Grove Karl Gilbert suggested backwearing of slopes would shape landscapes into pediplains, and W. J. McGee named these landscapes pediments. This later gave the concept the name pediplanation when L. C. King applied it on a global scale. The dominance of the Davisian cycle gave rise to several theories to explain planation, such as eolation and glacial planation, although only etchplanation survived time and scrutiny because it was based on observations and measurements done in different climates around the world and it also explained irregularities in landscapes. The majority of these concepts failed, partly because Joseph Jukes, a popular geologist and professor, separated denudation and uplift in an 1862 publication that had a lasting impact on geomorphology. These concepts also failed because the cycles, Davis's in particular, were generalizations and based on broad observations of the landscape rather than detailed measurements; many of the concepts were developed based on local or specific processes, not regional processes, and they assumed long periods of continental stability. Penck's theory, while ultimately being ignored, returned to denudation and uplift occurring simultaneously and relying on continental mobility, even though Penck rejected continental drift. The Davisian and Penckian models were heavily debated for a few decades until Penck's was ignored and support for Davis's waned after his death as more critiques were made. One critic was John Leighly, who stated geologists did not know how landforms were developed, so Davis's theory was built upon a shaky foundation. From 1945 to 1965, a change in geomorphology research saw a shift from mostly deductive work to detailed experimental designs that used improved technologies and techniques, although this led to research over details of established theories, rather than researching new theories. Through the 1950s and 1960s, as improvements were made in ocean geology and geophysics, it became clearer Wegener's theory on continental drift was correct and that there is constant movement of parts (the plates) of Earth's surface. Improvements were also made in geomorphology to quantify slope forms and drainage networks, and to find relationships between the form and process, and the magnitude and frequency of geomorphic processes. Through these findings and improvements in geophysics, the study of denudation shifted from planation to studying which relationships affect denudation–including uplift, isostasy, lithology, and vegetation–and measuring denudation rates around the world. This rate is intended as an estimate and often assumes uniform erosion, among other things, to simplify calculations. Assumptions made are often only valid for the landscapes being studied. Measurements of denudation over large areas are performed by averaging the rates of subdivisions. Often, no adjustments are made for human impact, which causes the measurements to be inflated. Calculations have suggested soil loss of up to caused by human activity will change previously calculated denudation rates by less than 30%. The only areas at which there could be equal rates of denudation and uplift are active plate margins with an extended period of continuous deformation. Denudation is measured in catchment scale measurements and can use other erosion measurements, which are generally split into dating and survey methods. Techniques for measuring erosion and denudation include stream load measurement, cosmogenic exposure and burial dating, erosion tracking, topographic measurements, surveying the deposition in reservoirs, landslide mapping, chemical fingerprinting, thermochronology, and analysis of sedimentary records in deposition areas. The most common way of measuring denudation is from stream load measurements taken at gauging stations. An important equation for denudation is the stream power law: , where E is erosion rate, K is the erodibility constant, A is drainage area, S is channel gradient, and m and n are functions that are usually given beforehand or assumed based on the location. Preliminary research into using cosmogenic isotopes to measure weathering was done by studying the weathering of feldspar and volcanic glass, which contain most of the material found in the Earth's upper crust. The most common isotopes used are 26Al and 10Be; however, 10Be is used more often in these analyses. 10Be is used due to its abundance and, while it is not stable, its half life of 1.39 million years is relatively stable compared to the thousand or million year scale in which denudation is measured. 26Al is used because of the low presence of Al in quartz, making it easy to separate, and because there is no risk of contamination of atmospheric 10Be. This technique was developed because previous denudation rate studies assumed steady rates of erosion even though such uniformity is difficult to verify in the field and may be invalid for many landscapes; its use to help measure denudation and geologically date events was important. On average, the concentration of undisturbed cosmogenic isotopes in sediment leaving a particular basin is inversely related to the rate at which that basin is eroding. In a rapidly eroding basin, most rock will be exposed to only a small number of cosmic rays before erosion and transport out of the basin; as a result, isotope concentration will be low. In a slowly eroding basin, integrated cosmic ray exposure is much greater and isotope concentration will be much higher. Problems in measuring denudation include both the technology used and the environment. The tow main problems with dating methods are uncertainties in the measurements, both with equipment used and with assumptions made during measurement; and the relationship between the measured ages and histories of the markers. In a study by James Gilully, the presented data suggested the denudation rate has stayed roughly the same throughout the Cenozoic era based on geological evidence; however, given estimates of denudation rates at the time of Gilully's study and the United States' elevation, it would take 11 12 million years to erode North America;

Денудация зерттеулері негізінен өзен алаптарында және Гималай сияқты геологиялық жағынан белсенді таулы аймақтарда жүргізіледі, себебі бұл аймақтарда...