Table of Contents

Гидрологический цикл и происхождение рек

Каждая река начинается с воды, движущейся по ландшафту, и это движение обусловлено глобальным гидрологическим циклом. Солнечная энергия испаряет воду из океанов, озер и поверхностей суши; этот пар поднимается, охлаждается и конденсируется в облака; и осадки в конечном итоге падают на Землю. Когда дождь или снегопад достигают земли, некоторые из них проникают в почву, некоторые из них поглощаются растениями и возвращаются в атмосферу через транспирацию, а остальные потоки по поверхности в качестве стока.

Этот сток собирается в крошечные рилли и овраги, которые сливаются в более крупные потоки, и эти потоки в конечном итоге объединяются в реки. Начальный путь реки контролируется основной топографией: вода течет вниз по склону вдоль линии самого крутого спуска. Однако со временем сама река изменяет эту топографию через эрозию и осаждение, создавая долины, каньоны и поймы, которые мы наблюдаем сегодня.

Во многих регионах подземные воды также играют значительную роль в формировании рек. Во многих регионах родники и просачивается питают потоки верхнего течения, обеспечивая устойчивый базовый поток даже в засушливые периоды. Взаимодействие между поверхностным стоком и подпиткой подземных вод определяет, является ли река многолетней, прерывистой или эфемерной, классификация с глубокими последствиями для окружающего ландшафта и экологии.

Механика формирования рек

Речное образование — это не одно событие, а непрерывный процесс, который начинается с первого струйки воды по голой почве и продолжается тысячелетиями.Понимание этих механик имеет важное значение для интерпретации геологических особенностей, которые оставляют реки.

Дренажные бассейны и водосборные бассейны

Фундаментальной единицей речного образования является дренажный бассейн, также называемый водоразделом. Дронажный бассейн — это площадь суши, где все осадки в конечном итоге стекают к общему выходу, такому как озеро, море или океан. Границы между соседними дренажными бассейнами определяются топографическими хребтами, называемыми дренажными делениями. В континентальном масштабе Континентальный водораздел Америк отделяет водоразделы, которые стекают в Тихий океан от тех, которые стекают в Атлантический и Арктический океаны.

Размер и форма дренажного бассейна влияют на объем и сроки речного стока. Большие бассейны с многочисленными притоками имеют более последовательные режимы стока, в то время как небольшие, крутые бассейны быстро реагируют на отдельные штормовые события, производя внезапные наводнения. Плотность дренажа или общая длина ручьевых каналов на единицу площади отражает геологию, климат и растительный покров бассейна.

Потоковый заказ и развитие сети

Геоморфологи классифицируют потоки по их положению в дренажной сети с помощью системы, называемой порядком потока. Поток первого порядка — это небольшой, неразветвленный канал верхнего течения. Когда два потока первого порядка присоединяются, они образуют поток второго порядка; два потока второго порядка образуют поток третьего порядка и т. д. Река Миссисипи, например, представляет собой поток десятого порядка у её устья.

Порядок течения коррелирует с размером канала, разрядом и типами образующихся рельефов. Низкопорядковые потоки в верховьях обычно крутые, эрозивные и преобладают водопады и пороги. Высокопорядковые реки вблизи побережья широкие, глубокие и преобладают осаждения и извилистость осадков. Понимание порядка течения помогает геологам прогнозировать виды геологических особенностей, которые могут возникать вдоль различных пределов речной системы.

Эрозионные процессы и создание формы земли

Эрозия — двигатель, с помощью которого реки прокладывают себе путь через ландшафт. Скорость и стиль эрозии зависят от скорости реки, объема воды, типа породы или осадка, по которому она протекает, и нагрузки осадка, который она несет. В речных системах действуют четыре основных эрозионных механизма:

  • Гидральное действие: Очевидная сила движущейся воды вытесняет фрагменты горных пород и частицы почвы из русел канала и берегов.В турбулентном потоке вихри и вихри могут оказывать огромное давление на трещины и суставы в породе, вырывая рыхлые блоки камня.
  • Истирание:] Осадок, переносимый рекой, действует как наждачная бумага, прочесывание и полировка дна и стен канала. Частицы сбрасываются и катятся по дну, в то время как взвешенные осадочные абрады поверхности при более высоких скоростях потока. Иллюминаторы, бассейны погружения и гладкие горные каналы являются характерными чертами абразионно-доминируемых досягаемостей.
  • Атриция: Когда частицы осадка сталкиваются друг с другом при транспортировке, они распадаются и становятся постепенно меньше и более округлыми. Убыль уменьшает размер материала для постельного белья ниже по течению, шаблон, известный как фининг ниже по течению.
  • Решение: В регионах, лежащих под растворимыми породами, такими как известняк, доломит или гипс, реки химически растворяют коренную породу, удаляя материал в ионной форме.Решение является доминирующим эрозионным процессом в карстовых ландшафтах, где реки могут исчезать в подземных пещерах и появляться в виде источников далеко.

Долины и каньоны

Наиболее заметными геологическими особенностями, создаваемыми речной эрозией, являются долины и каньоны.В горных верховьях реки вырезают глубокие V-образные долины, когда они вырываются вертикально в ландшафт.Стены долины крутые, часто со склонами, приближающимися к углу упокоения местной породы.Со временем горные процессы, такие как оползни, ползание почвы и камнепад, расширяют долину, но река поддерживает узкий пол.

Каньоны и ущелья образуются, когда река быстро разрезается в стойкую породу, часто в ответ на тектонический подъём или падение базового уровня. Гранд-Каньон реки Колорадо является архетипическим примером: река прорезала почти два километра осадочных пород за последние пять-шесть миллионов лет, обнажая поперечное сечение геологической истории Земли. Вертикальные стены каньона поддерживаются твёрдостью слоев породы и засушливостью климата, что ограничивает эрозию склонов холмов.

Водопады и Knickpoints

Водопады происходят там, где река течет по стойкому слою скалы, который перекрывает более мягкий слой скалы. Мягкий камень быстрее разрушается, подрезая более твердый капрок и создавая вертикальную каплю. По мере отступления водопада вверх по течению он оставляет позади крутостенное ущелье. Ниагарский водопад, на границе США и Канады, активно отступает со скоростью примерно один метр в год.

Кникпоинты — резкие изменения продольного профиля реки, часто отмеченные водопадами или порогами. Они представляют собой места, где река ещё не полностью приспособилась к изменению базового уровня, тектоническому подъему или изменению типа породы. Кникпоинты мигрируют вверх по течению с течением времени, передавая эффекты изменения базового уровня по всей дренажной сети.

Депозиционные особенности и транспорт осадка

Когда река теряет энергию, она откладывает осадок, который она переносит. Опускание создает некоторые из самых плодородных и геологически значимых форм рельефа на Земле.

Поймы и природные дамбы

Пойма - это плоская, низменная область, прилегающая к речному каналу, который периодически затопляется во время событий высокого потока. Поймы строятся повторяющимися эпизодами осаждения над береговой линией, где вода, нагруженная осадками, вытекает из канала и откладывается на прилегающей земле. Самый грубый материал оседает ближе всего к каналу, создавая естественные дамбы - низкие хребты, которые параллельны реке и могут подниматься на несколько метров над окружающей поймой.

Поймы являются одними из самых сельскохозяйственных продуктивных ландшафтов на Земле, потому что они получают регулярные поступления богатого питательными веществами ила. Пойма реки Нил в Египте и пойма реки Миссисипи в Соединенных Штатах являются классическими примерами регионов, где человеческая цивилизация процветала на плодородии, обеспечиваемой осаждением реки.

Дельтас

Дельта образуется в устье реки, где она входит в стоячий водоем, такой как озеро, море или океан. Резкое снижение скорости потока заставляет реку откладывать свою нагрузку на осадок, создавая веерообразную или птичьего по форме форму суши, которая выступает в принимающий бассейн. Дельта классифицируются по их морфологии и доминирующим процессам, которые их формируют:

  • Дельта реки Миссисипи является классическим примером. Осадочное осаждение опережает перерабатывающие эффекты волн и приливов, производя лобат или форму птичьего фута с несколькими распределительными каналами.
  • Дельта реки Нил имеет гладкую, дугообразную береговую линию, потому что волны перераспределяют осадок вдоль побережья быстрее, чем река может его снабжать.
  • Дельта Ганга-Брахмапутры в Бангладеш и Индии сформирована сильными приливными течениями, которые создают обширные приливные равнины и мангровые леса.

Дельтас геологически эфемерны, они спадают под собственным весом и уязвимы к повышению уровня моря, что делает их чувствительными индикаторами изменения окружающей среды.

Любители Alluvial

Аллювиальные вентиляторы — конусообразные отложения, образующиеся там, где из горной местности на равнину или пол долины выходит замкнутый поток. Внезапное уменьшение градиента заставляет поток сбрасывать свою осадочную нагрузку, создавая вентилятор, который излучается наружу из устья каньона. Аллювиальные вентиляторы распространены в засушливых и полузасушливых регионах, где они часто связаны с эфемерными потоками и внезапными наводнениями.

Склон аллювиального вентилятора обычно уменьшается от вершины (около устья каньона) до пальца (где вентилятор встречается с соседней равниной). Размер осадка зерна также уменьшается дистально, с валунами и булыжниками около вершины и песком и илом около пальца. Аллювиальные вентиляторы представляют собой динамические формы рельефа, которые могут смещать свой активный канал во время отдельных наводнений, что делает их опасными местами для развития.

Оксбоу Лейкс и Миандр Катоффс

На извилистых реках непрерывная эрозия внешнего берега и осаждение на внутреннем берегу заставляет извилистые породы мигрировать поперек поймы.Со временем шея извилистой петли становится настолько узкой, что река прорезает ее во время наводнения, покидая старую петлю. Заброшенный канал становится оксующимся озером, полумесяцем-образным водоемом, который постепенно заполняет осадок и растительность.

Озёра Оксбоу являются общими чертами крупных пойм, таких как реки Миссисипи, Амазонка и Янцзы, они обеспечивают важную среду обитания водно-болотных угодий и служат архивами истории пойм, сохраняя осадочные породы и органический материал, который регистрирует прошлые условия окружающей среды.

Ривер-каналы и их геологическое выражение

Реки организуются в отдельные русла каналов, отражающие баланс между сбросом воды, нагрузкой на осадок, наклоном канала и устойчивостью берега.Главные русла каналов извилистые, плетеные, прямые и анастомосующие.

Блуждающие реки

Блуждающие реки характеризуются извилистыми однопоточными каналами, которые развиваются на низкоградиентных поймах с сплоченными берегами. Средневолновая длина волны обычно пропорциональна ширине канала, с отношением примерно 10:1 к 14:1. Миандры мигрируют боком через комбинацию эрозии на внешнем берегу (рубовой банк) и осаждения на внутреннем берегу (точечная планка).

Геологическое наследие извилистых рек — пойма, покрытая свитками, озёрами овец и заброшенными шрамами каналов, которые создают сложную мозаику рельефов с различной текстурой осадков, возрастом и высотами.

Плетеные реки

Плетеные реки состоят из множества переплетенных каналов, разделенных барами и островами, образующихся там, где река несет высокую нагрузку осадка относительно своего разряда, и где берега несвязны и легко размыты.Плетеные каналы распространены в ледниковых равнинах, высоких горных долинах и полузасушливых регионах.

Бары в оплетенных реках — динамические особенности, которые смещают положение во время каждого наводнения. Со временем повторяющаяся миграция баров и переключение каналов строят широкий, плоский пол долины с листообразной геометрией грубого осадка. Плетеные речные отложения отличаются в скальном послужном списке, характеризуются перекрёстными песками и гравиями с лентикулярной геометрией.

Прямые и анастомосинговые каналы

Прямые речные каналы редки по своей природе и обычно встречаются только там, где река контролируется коренных структур, разломов или человеческого инженерного.Большинство видимых прямых протяжений на самом деле сегменты извилистых рек, которые были искусственно канализированы.

Реки-анастомоссы представляют собой многопоточные каналы, которые текут между стабильными, растительнорастительными островами. В отличие от плетеных рек, анастомоссирующие каналы относительно стабильны и образуются в низкоградиентных, богатых осадками средах с сплоченными берегами. Анастомоссирующий рисунок распространен в крупных тропических речных системах, таких как Амазонка и Ориноко.

Типы рек, основанные на режиме потока

Постоянство течения является фундаментальной характеристикой, определяющей геологическое и экологическое воздействие реки.Географы и гидрологи классифицируют реки на три основные категории на основе их режима течения:

Вечные реки

Многолетние реки текут круглый год, поддерживаемые сочетанием подземных вод и регулярных осадков. Они являются наиболее геологически влиятельными реками, поскольку они оказывают непрерывную эрозионную и осажденную силу на ландшафт. Многолетние реки встречаются во влажных климатах и регионах с большими запасами подземных вод. Примерами являются реки Амазонки, Конго, Миссисипи и Дунай.

Непрерывный поток многолетних рек позволяет им поддерживать глубокие, устойчивые каналы и транспортировать осадочные породы на большие расстояния. Их поймы хорошо развиты и поддерживают продуктивные экосистемы. Многолетние реки также служат основными транспортными коридорами и источниками воды для использования человеком.

Прерывистые реки

Перемежающиеся реки текут только в определенные сезоны или после значительных осадков.Они распространены в средиземноморском климате, муссонных регионах и районах с сезонным таянием снега.В сухие периоды прерывистые реки могут сжиматься до серии изолированных бассейнов или полностью высыхать.

Несмотря на прерывистый поток, прерывистые реки могут нести высокие нагрузки осадков во время наводнений. Внезапный переход от сухого канала к бушующему потоку приводит к быстрой эрозии и драматическому переносу осадков. Эфемерные потоки в засушливых регионах, часто называемые вади или арроиос, могут перерезать глубокие каналы в одном наводнении и представлять значительную опасность внезапного наводнения.

Эфемерные реки

Эфемерные реки текут только в прямой реакции на осадки и являются сухими большую часть года. Их каналы обычно неглубокие и плохо определены, а в их осадочной нагрузке преобладает грубый материал, который движется только во время коротких, интенсивных событий потока. Эфемерные реки характерны для засушливых и полузасушливых сред.

Геологическое воздействие эфемерных рек сосредоточено в кратких высокоэнергетических событиях. Они могут транспортировать большие валуны и вырезать глубокие овраги в течение нескольких часов. Аллювиальные вентиляторы и байдасы (угольные аллювиальные вентиляторы) являются первичными осаждениями рельефа, связанными с эфемерными речными системами.

Тектоническое и структурное влияние на развитие рек

На путь и характер реки сильно влияют глубинное геологическое строение и тектоническая активность, реки часто используют зоны слабости земной коры, такие как разломы, стыки и складки, для установления своих курсов.

Утечка, контролируемая по умолчанию

Многие крупные реки следуют линиям разлома на значительные участки своего течения. Зоны разломов — это участки раздробленной и измельченной породы, которые разрушаются легче, чем окружающая неповрежденная порода. Разлом Сан-Андреас в Калифорнии влияет на дренажные узоры многочисленных ручьев, а Рио-Гранде следует за рифтовой долиной, созданной расширением коры. Подконтрольные разлому долины обеспечивают низкоградиентные коридоры, которые реки могут использовать для проруби гористой местности.

Наложенные и предшествующие реки

Наложенные реки — это те, которые первоначально протекали через осадочный покров, но с тех пор срезались в основную, более устойчивую породу. Курс реки был установлен на прежней поверхности и затем был «наложен» на структуру ниже. Реки плато Катскилл и Аппалачи в восточных Соединенных Штатах показывают наложенные характеристики, перерезая сложенную и поврежденную породу, которая не имеет никакого отношения к их поверхностному течению.

Предшествующие реки старше, чем горы, которые они прорубили. Они поддерживали свой курс, когда ландшафт поднимался под ними, поднимая глубокие ущелья, которые пересекают горные хребты. Река Инд, которая течет через Гималаи, и река Колумбия, которая прорезает Каскадный хребет, являются примерами предшествующего дренажа. Эти реки демонстрируют огромную силу воды, которая разрушается благодаря активно растущей топографии.

Реки и ландшафтная эволюция в течение геологического времени

Реки являются основными агентами, с помощью которых ландшафты обнажаются и спланируются в геологических временных масштабах.Понятие базового уровня, введенное геологом Джоном Уэсли Пауэллом в 19 веке, является центральным для понимания того, как реки формируют долгосрочную эволюцию топографии.

Базовый уровень и миграция через Knickpoint

Уровень базы является самым низким уровнем возвышения, до которого река может разрушить свой канал. Уровень моря является конечным базовым уровнем для большинства рек, но местные базовые уровни, такие как озера, устойчивые слои горных пород или притоковые соединения, также оказывают контроль. Когда базовый уровень падает (например, из-за падения уровня моря или тектонического подъема), река должна регулироваться путем инкреции своего канала. Эта корректировка распространяется вверх по течению в качестве точки опрокидывания, которая мигрирует вверх со скоростью, определяемой сбросом реки и эрозивностью породы.

Разрез рек в ответ на падение уровня базы создает речные террасы, которые представляют собой заброшенные пойменные поверхности, стоящие над современным каналом. Террасы фиксируют бывшие положения реки и дают свидетельства прошлых климатических и тектонических изменений. Летающие террасы, где сохранились множественные уровни террасы, указывают на повторяющиеся эпизоды изменения уровня базы или климатические колебания.

Инцинцированные меандры

Когда извилистая река подвергается быстрому разрезу, она может сохранить извилистую форму своего прежнего пойменного течения, создавая извилистые извилистые извилистые извилистые ущелья, где река сохраняет свой извилистый узор, вертикально врезаясь в ландшафт. Гусинек реки Сан-Хуан в Юте и укоренившиеся извилистые извилистые реки в Пенсильвании являются классическими примерами. Инкидные извилистые указывают на то, что река предшествовала текущей топографии и была в состоянии вырубить через поднимающуюся землю или падающий базовый уровень.

Риверс как инженер экосистемы

Реки не просто пассивные водоводы; они активно формируют экосистемы, которые от них зависят. Концепция рек как инженеров экосистем признает, что плавные процессы создают и поддерживают разнообразие среды обитания по всей пойме.

Концепция пульса потопа

Концепция импульса наводнения, разработанная экологами, изучающими крупные тропические реки, постулирует, что периодическое затопление поймы является основным драйвером продуктивности в системах поймы рек.В периоды высокой воды рыба и другие водные организмы перемещаются на пойму, чтобы питаться, нереститься и укрыться. Пойма обеспечивает богатую питательными веществами среду, где органическое вещество разлагается и поддерживает сложную пищевую сеть.

Ежегодный пульс наводнения реки Амазонки, который может поднять уровень воды на десять метров и более, затопляет территорию, большую, чем Франция, эта пойма, известная как варзея, является одной из самых продуктивных экосистем на Земле и поддерживает необычайное разнообразие рыб, птиц и млекопитающих.

Рипарские зоны и питательный велосипед

Прибрежные зоны, переходные зоны между речными каналами и нагорной средой, являются горячими точками экологической деятельности. Периодическое наводнение и высокий уровень грунтовых вод создают условия, которые поддерживают специализированные растительные сообщества, включая ивы, хлопковые леса и пойменные леса. Эти растительные сообщества стабилизируют берега, обеспечивают тень, которая снижает температуру воды, и поставляют органическое вещество в реку в виде листьев и древесного мусора.

Реки также играют важнейшую роль в круговороте питательных веществ, перевозя растворенные и твердые органические вещества из наземных экосистем в окружающую среду, а транспортировка углерода, азота и фосфора реками является основным компонентом глобальных биогеохимических циклов. Крупные реки, такие как Миссисипи, доставляют значительное количество питательных веществ в прибрежные океаны, где они могут питать цветение водорослей и создавать гипоксические мертвые зоны.

Человеческое взаимодействие и управление реками

Человеческие общества взаимодействовали с реками на протяжении тысячелетий, но масштаб и интенсивность человеческой модификации резко возросли в прошлом веке.Дамы, дамбы, канализация и водоотвод коренным образом изменили режимы стока, транспорт осадочных пород и экологическую функцию большинства крупных рек на Земле.

Дамбы и водохранилище

Дамбы накладывают глубокие изменения на речные системы, захватывая осадочные породы, регулируя поток и фрагментируя вниз по течению среды обитания.Сокращение осадочных пород ниже плотин может привести к разрезу канала и огрубению постельного материала, процесс, известный как осадочный голод.Река Колорадо ниже плотины Глен-Каньон больше не несет достаточного осадка для поддержания песчаных отложений в Гранд-Каньоне, что приводит к потере прибрежных мест обитания и эрозии археологических раскопок.

Плотины также нарушают естественный пульс наводнения, что оказывает каскадное воздействие на экосистемы пойменных пойм.Многие местные виды рыб требуют специфических сигналов потока для нереста и миграции, а изменение этих сигналов операциями по строительству плотин способствовало сокращению численности населения во всем мире.

Листья и контроль над наводнениями

Листья — искусственные набережные, построенные вдоль рек для сдерживания паводковых вод и защиты прилегающей земли. Пока дамбы обеспечивают кратковременную защиту инфраструктуры и сельского хозяйства, они имеют долгосрочные последствия для динамики реки. Ограничивая поток к каналу, дамбы увеличивают скорость потока и нагрузку на сдвига, приводя к разрезу канала и потере связи поймы. Система лиственных линий реки Миссисипи, одна из крупнейших в мире, привела к тому, что река разрезала свой канал на несколько метров, уменьшив способность поймы поглощать паводковые воды и увеличивая риск катастрофического отказа леви.

Восстановление и воссоединение

В ответ на экологический и геоморфический ущерб, причиненный речным машиностроением, растет интерес к восстановлению рек. Стратегии восстановления включают удаление плотин, отбрасывание или удаление дамб и восстановление связи рек с их поймами. Восстановление реки Киссимми во Флориде, которое было канализировано в 1960-х годах, включает в себя заполнение канала и восстановление естественного извилистого канала и поймы. Ранние результаты показывают восстановление водно-болотной растительности, популяций рыб и качества воды.

Практика восстановления рек основана на понимании того, что реки являются динамичными, самообразующимися системами, которые успешно восстанавливают природные процессы, а не против них, позволяя рекам восстановить свои геологические и экологические роли.

Заключение

Реки — одни из самых мощных и стойких сил, формирующих поверхность Земли.От самого малого водотока до самой могучей континентальной реки текущая вода размывается, транспортирует и откладывается осадок, создавая долины, поймы, дельты и террасы, определяющие ландшафт.Процессы речного образования регулируются фундаментальными физическими принципами, но каждая река развивает свой уникальный характер в ответ на климат, геологию, топографию и тектоническую настройку своего водораздела.

Понимание формирования рек и его влияния на геологические особенности — это не просто академическое упражнение. Оно обеспечивает базу знаний для управления водными ресурсами, прогнозирования опасностей наводнений, восстановления деградировавших экосистем и интерпретации осадочных пород, которые сохраняют историю Земли. По мере того, как человеческие популяции продолжают расти и изменение климата изменяет гидрологические режимы, потребность в глубоком понимании динамики рек никогда не была больше. Реки будут продолжать формировать ландшафт, и мы должны научиться жить и учиться на этих динамических и незаменимых особенностях нашей планеты.