Обвалы, оползни и грязевые потоки: геологические явления и опасности.

Введение

Геологические явления

Грязевые потоки – это геологические явления, при которых насыщенные водой массы почвы и обломков горных пород стремительно спускаются по склонам гор, направляются в русла рек, увлекают на своем пути различные объекты и формируют толстые илистые отложения на дне долин. Они обычно имеют объемную плотность, сопоставимую с плотностью скальных обвалов и других типов оползней (примерно 2000 килограммов на кубический метр), но благодаря широко распространенному разжижению грунта, вызванному высоким давлением поровой воды, они могут течь почти так же свободно, как вода. Грязевые потоки, спускающиеся по крутым руслам, обычно достигают скорости более 10 м/с (36 км/ч), хотя некоторые крупные потоки могут развивать значительно более высокие скорости. Грязевые потоки объемом до 100 000 кубических метров часто встречаются в горных районах по всему миру. Объемы крупнейших доисторических потоков превышали 1 миллиард кубических метров (то есть 1 кубический километр). В результате высокой концентрации осадочных пород и подвижности, грязевые потоки могут быть крайне разрушительными. Крупные катастрофы, связанные с грязевыми потоками, произошли в 1985 году в Армеро (Колумбия), где погибло более 20 000 человек, и в 1999 году в штате Варгас (Венесуэла), где погибли десятки тысяч людей.

Особенности и поведение

Потоки обломков характеризуются объемной концентрацией твердых частиц, превышающей примерно 40-50%, при этом остальная часть объема потока состоит из воды. По определению, “обломки” включают в себя частицы осадочного материала разнообразной формы и размера, обычно варьирующиеся от микроскопических частиц глины до крупных валунов. В средствах массовой информации часто используется термин “грязевой поток” для описания потоков обломков, однако истинные грязевые потоки состоят преимущественно из частиц размером меньше песка. На земной поверхности грязевые потоки встречаются гораздо реже, чем потоки обломков. Тем не менее, подводные грязевые потоки широко распространены на подводных континентальных склонах, где они могут генерировать мутные течения. Потоки обломков в лесных районах могут содержать значительное количество древесного материала, такого как бревна и пни. Водные потоки, насыщенные осадком, с концентрацией твердых частиц в диапазоне от 10 до 40%, ведут себя несколько иначе, чем потоки обломков, и называются гиперконцентрированными потоками. Обычные речные потоки содержат еще меньшую концентрацию осадочного материала. Потоки обломков могут быть вызваны интенсивными дождями или таянием снега, прорывом плотин или наводнениями, вызванными сходами ледниковых озер, или оползнями, которые могут быть связаны или не быть связаны с сильными дождями или землетрясениями. Во всех случаях основные условия, необходимые для начала потока обломков, включают наличие склонов с углом наклона более 25 градусов, обилие рыхлого осадочного материала, почвы или выветренной породы, а также достаточное количество воды для доведения этого рыхлого материала до состояния почти полной насыщенности (с заполнением всего пористого пространства). Потоки обломков могут возникать чаще после лесных и кустарниковых пожаров, что подтверждается опытом, полученным в южной Калифорнии. Они представляют значительную опасность во многих крутых горных районах и получили особое внимание в Японии, Китае, Тайване, США, Канаде, Новой Зеландии, на Филиппинах, в Европейских Альпах, России и Казахстане. В Японии крупный поток обломков или оползень называют яматсунами (山津波), что буквально означает “горное цунами”. Поток обломков ускоряется вниз под действием силы тяжести и, как правило, движется по крутым горным руслам, выходящим на аллювиальные веера или поймы. Передняя часть, или “голова” потока обломков, часто содержит большое количество крупного материала, такого как валуны и бревна, что создает значительное трение. За высокофрикционной головной частью следует низкофрикционная, преимущественно сжиженная основная масса потока, содержащая более высокую концентрацию песка, ила и глины. Эти мелкие осадочные частицы способствуют поддержанию высокого давления жидкости в порах, что повышает подвижность потока обломков. В некоторых случаях за основной массой потока следует более водянистый хвост, переходящий в гиперконцентрированный поток. Потоки обломков обычно движутся серией импульсов или дискретных волн, при этом каждый импульс или волна имеет отчетливую голову, основную массу и хвост. Отложения потоков обломков легко узнаваемы в полевых условиях. Они составляют значительную часть многих аллювиальных вееров и конусов обломков вдоль крутых горных склонов. Полностью обнаженные отложения обычно имеют лопастевидную форму с богатыми валунами окончаниями, а боковые границы отложений и русел потоков обломков часто отмечаются наличием боковых дамб, богатых валунами. Эти естественные дамбы образуются, когда относительно подвижные, сжиженные, мелкозернистые обломки в основной массе потока оттесняют в стороны более грубые, высокофрикционные обломки, которые скапливаются в головной части потока обломков в результате гранулометрической сегрегации (известное явление в механике зернистых сред). Боковые дамбы могут ограничивать русла последующих потоков обломков, а наличие более старых дамб дает некоторое представление о масштабах предыдущих потоков обломков в данной местности. Путем датировки деревьев, растущих на этих отложениях, можно оценить приблизительную частоту разрушительных потоков обломков. Эта информация важна для землеустройства в районах, где потоки обломков распространены. Древние отложения потоков обломков, обнажающиеся только в выходах горных пород, труднее распознать, но обычно характеризуются смешением зерен с сильно различающимися формами и размерами. Такая плохая сортировка осадочных зерен отличает отложения потоков обломков от большинства водно-осадочных отложений.

Debris flows have volumetric sediment concentrations exceeding about 40 to 50%, and the remainder of a flow's volume consists of water. By definition, “debris” includes sediment grains with diverse shapes and sizes, commonly ranging from microscopic clay particles to great boulders. Media reports often use the term mudflow to describe debris flows, but true mudflows are composed mostly of grains smaller than sand. On Earth's land surface, mudflows are far less common than debris flows. However, underwater mudflows are prevalent on submarine continental margins, where they may spawn turbidity currents. Debris flows in forested regions can contain large quantities of woody debris such as logs and tree stumps. Sediment rich water floods with solid concentrations ranging from about 10 to 40% behave somewhat differently from debris flows and are known as hyperconcentrated floods. Normal stream flows contain even lower concentrations of sediment. Debris flows can be triggered by intense rainfall or snowmelt, by dam break or glacial outburst floods, or by landsliding that may or may not be associated with intense rain or earthquakes. In all cases the chief conditions required for debris flow initiation include the presence of slopes steeper than about 25 degrees, the availability of abundant loose sediment, soil, or weathered rock, and sufficient water to bring this loose material to a state of almost complete saturation (with all the pore space filled). Debris flows can be more frequent following forest and brush fires, as experience in southern California demonstrates. They pose a significant hazard in many steep, mountainous areas, and have received particular attention in Japan, China, Taiwan, USA, Canada, New Zealand, the Philippines, the European Alps, Russia, and Kazakhstan. In Japan a large debris flow or landslide is called yamatsunami (山津波), literally mountain tsunami. Debris flows are accelerated downhill by gravity and tend to follow steep mountain channels that debouche onto alluvial fans or floodplains. The front, or 'head' of a debris flow surge often contains an abundance of coarse material such as boulders and logs that impart a great deal of friction. Trailing behind the high friction flow head is a lower friction, mostly liquefied flow body that contains a higher percentage of sand, silt and clay. These fine sediments help retain high pore fluid pressures that enhance debris flow mobility. In some cases the flow body is followed by a more watery tail that transitions into a hyperconcentrated stream flow. Debris flows tend to move in a series of pulses, or discrete surges, wherein each pulse or surge has a distinctive head, body and tail. Debris flow deposits are readily recognizable in the field. They make up significant percentages of many alluvial fans and debris cones along steep mountain fronts. Fully exposed deposits commonly have lobate forms with boulder rich snouts, and the lateral margins of debris flow deposits and paths are commonly marked by the presence of boulder rich lateral levees. These natural levees form when relatively mobile, liquefied, fine grained debris in the body of debris flows shoulders aside coarse, high friction debris that collects in debris flow heads as a consequence of grain size segregation (a familiar phenomenon in granular mechanics). Lateral levees can confine the paths of ensuing debris flows, and the presence of older levees provides some idea of the magnitudes of previous debris flows in a particular area. Through dating of trees growing on such deposits, the approximate frequency of destructive debris flows can be estimated. This is important information for land development in areas where debris flows are common. Ancient debris flow deposits that are exposed only in outcrops are more difficult to recognize, but are commonly typified by juxtaposition of grains with greatly differing shapes and sizes. This poor sorting of sediment grains distinguishes debris flow deposits from most water laid sediments.

Типы

Другие геологические потоки, которые можно отнести к обвальным потокам, обычно имеют более специфические названия. К ним относятся:

Лахар

Лахар – это обвальный поток, связанный с вулканической деятельностью, либо напрямую как результат извержения, либо косвенно из-за обрушения рыхлых отложений на склонах вулкана. Различные явления могут спровоцировать лахар, включая таяние ледникового льда, обрушение сектора вулкана, сильные дожди на рыхлых пирокластических отложениях или прорыв озера, ранее перегороженного пирокластическими или ледниковыми отложениями. Слово «лахар» имеет индонезийское происхождение, но сейчас геологи во всем мире регулярно используют его для описания вулканогенных обвальных потоков. Почти все самые крупные и разрушительные обвальные потоки на Земле – это лахары, формирующиеся на вулканах. Примером является лахар, затопивший город Армеро в Колумбии.

Йокульхлауп

Джёкюльхлауп – это внезапное ледниковое наводнение. Джёкюльхлауп – исландское слово, и в Исландии многие такие наводнения вызываются субледниковыми извержениями вулканов. (Исландия расположена на Срединно-Атлантическом хребте, образованном цепью преимущественно подводных вулканов). В других местах более распространенной причиной джёкюльхлаупов является прорыв ледниковых или мореновых озер. Такие прорывы часто вызываются внезапным обрушением ледникового льда в озеро, что порождает волну вытеснения, разрушающую морену или ледяную плотину. Вниз по долине от точки прорыва джёкюльхлауп может значительно увеличиваться в объеме за счет вовлечения рыхлого осадочного материала из долины, по которой он течет. Интенсивное вовлечение материала может привести к превращению наводнения в обвальный поток. Расстояние, которое может преодолеть поток, может превышать 100 км.

Двухфазный

Теория смеси, первоначально предложенная Иверсоном, уменьшает нормальное напряжение в твердой фазе, боковые нормальные напряжения в твердой фазе и касательное напряжение у основания (следовательно, сопротивление трению) на коэффициент , где – отношение плотности между жидкой и твердой фазами. Эффект существенен, когда отношение плотности велико (например, в естественных оползнях обломков). Если поток нейтрально плавуч, то есть , (см., например, Bagnold, 1954), масса обломков флюидизируется и перемещается на большие расстояния. Это может происходить в высоковязких естественных оползнях обломков. Для нейтрально плавучих потоков кулоновское трение исчезает, боковой градиент давления в твердой фазе исчезает, коэффициент сопротивления равен нулю, а также исчезает влияние уклона основания на твердую фазу. В этом предельном случае единственной оставшейся силой, действующей на твердую фазу, является сила тяжести и, следовательно, сила, связанная с выталкивающей силой. В этих условиях гидродинамической поддержки частиц жидкостью масса обломков полностью флюидизируется (или смазывается) и движется очень эффективно, способствуя перемещению на большие расстояния. По сравнению с потоком с выталкивающей силой, нейтрально плавучий поток демонстрирует совершенно иное поведение. В последнем случае твердая и жидкая фазы движутся совместно, масса обломков флюидизируется, передний фронт перемещается значительно дальше, задняя часть отстает, а общая высота потока также уменьшается. Когда , поток не испытывает никакого эффекта выталкивающей силы. Тогда эффективное касательное напряжение трения для твердой фазы соответствует чисто гранулярному потоку. В этом случае изменяется сила, обусловленная градиентом давления, сопротивление возрастает, а эффект виртуальной массы исчезает в импульсе твердой фазы. Все это приводит к замедлению движения.

Предотвращение ущерба

Для предотвращения выхода обвальных потоков к населенным пунктам и людям может быть построен мусороуловитель. Мусороуловители предназначены для защиты почвенных и водных ресурсов или для предотвращения ущерба ниже по течению. Такие сооружения рассматриваются как крайняя мера, поскольку их строительство дорогостоящее и требует регулярного ежегодного обслуживания. Кроме того, мусороуловители могут задерживать обвальные потоки лишь с небольшой части ручьев, стекающих с горной местности. Перед штормом, способным вызвать обвальные потоки, системы прогнозирования часто могут оценить вероятность их возникновения в водосборном бассейне; однако, остается сложной задачей предсказать объем мобилизованного грунта и, следовательно, общий размер обвального потока, который может сформироваться при данном шторме, а также хватит ли емкости мусороуловителя для защиты населенных пунктов ниже по течению. Эти трудности делают обвальные потоки особенно опасными для населенных пунктов, расположенных у подножия гор.

В популярной культуре

В 1989 году, в рамках своей масштабной работы "Соединенные Штаты Дэвида Гордона", а позже, в 1999 году, в рамках "Автобиографии лжеца", хореограф Дэвид Гордон объединил музыку Гарри Парча и текст Джона Макфи из книги "Контроль над природой", зачитанный Нормой Файр, в танце под названием "Дэбрис Флоу" – "мрачный записанный рассказ об испытаниях семьи во время мощного оползня в Лос-Анджелесе".