Геоморфология: процессы, создающие рельеф

Большой Кавказ всё ещё поднимается, а сели и оползни каждый год сносят с его склонов миллионы тонн горных пород. Значит, любая гора — результат «борьбы» двух сил: одна создаёт рельеф, другая его разрушает. Геоморфология — наука о рельефе, его происхождении и развитии.

Эндогенные и экзогенные процессы

Изменение высоты в любой точке можно записать как простой баланс: поднятие (тектоническое и изостатическое) минус денудация — понижение поверхности за счёт выветривания и эрозии. Если поднятие идёт быстрее денудации, горы растут; если медленнее — разрушаются; если скорости равны, рельеф находится в динамическом равновесии.

Выветривание

Выветривание — разрушение и изменение горных пород на месте, без переноса. При физическом выветривании порода распадается, не меняя химического состава: вода, замерзая в трещинах, расширяется примерно на 9% и раскалывает породу, как клин; суточные колебания температуры отслаивают поверхностный слой; растущие кристаллы соли раздвигают зёрна. При химическом выветривании минералы реагируют с водой, CO₂ и кислородом: известняк растворяется (карстовые пещеры и воронки), полевой шпат превращается в глину, железосодержащие минералы окисляются и дают красные почвы. Биологическое выветривание связано с корнями и микроорганизмами.

Тип выветривания зависит от климата. В жарком влажном климате химическое выветривание очень интенсивно: реакции ускоряются в тепле, а воды много, поэтому в тропиках образуется мощная кора выветривания. В холодных влажных горах преобладает морозное выветривание, в жарких пустынях — температурное и солевое. В холодных сухих районах оба вида слабы.

Эрозия и перенос: мощность водотока

На суше рельеф сильнее всего изменяют текучие воды. Работу реки измеряют скоростью потери потенциальной энергии — мощностью водотока. Когда за секунду объём воды Q (масса ρQ) стекает по уклону S, на каждый метр русла выделяется энергия ρgQS. Она идёт на трение, размыв дна и перенос наносов. Согласно кривой Хьюлстрема, легче всего размывается песок средней крупности: крупный гравий тяжёл, а мелкие частицы глины слипаются друг с другом.

Кроме рек, рельеф создают сила тяжести (оползни, обвалы, сели), ледники (троги, морены), ветер (барханы, дефляция) и морские волны (абразия, пляжи). Сели на южном склоне Большого Кавказа и грязевые вулканы Апшерона и Гобустана — характерные явления рельефа Азербайджана.

Изостазия и развитие рельефа

Земная кора «плавает» на более плотной и медленно текущей мантии. По модели Эйри, у горы есть корень, погружённый в мантию. На глубине компенсации давление везде одинаково: под горой оно равно ρc·(h + T + r)·g, а под равниной — ρc·T·g + ρm·r·g (T — нормальная мощность коры). Приравнивая, получаем ρc·h = (ρm − ρc)·r.

Изостазия замедляет и денудацию: когда смывается слой породы толщиной e, кора облегчается и поднимается примерно на e·ρc/ρm. Поэтому поверхность понижается лишь на Δz = e·(1 − ρc/ρm) ≈ 0,15·e: чтобы уменьшить среднюю высоту на 1 км, нужно снести около 6,6 км породы. Вот почему древние горы, например Урал, существуют и через сотни миллионов лет.

Первую общую теорию развития рельефа выдвинул У. М. Дэвис в 1899 году: после поднятия рельеф проходит стадии «юности», «зрелости» и «старости» и превращается в почти плоскую поверхность — пенеплен. Позднее исследователи предложили идею параллельного отступания склонов и концепцию динамического равновесия (Дж. Хэк, 1960): при равенстве поднятия и эрозии форма рельефа долго не меняется. Современная геоморфология изучает эти процессы с помощью скоростей эрозии, измеренных по космогенным изотопам, и компьютерных моделей.