Свойства, состав и происхождение песков

Свойства, состав и происхождение песков

Источник: Сборник информационных и нормативных материалов "Условия труда на геологосъемочных работах"

Редактор и составитель Лучанский Григорий

Москва, ФГУНПП «Аэрогеология», 2004 г.

С.В. Обручев «Справочника путешественника и краеведа» 

Физические свойства песка 

Песок – это скопление частиц горных пород и минералов, от 0,05 мм до 1-2 мм в диаметре, лишенных цементирующего вещества и потому не связанных, рыхлых, обладающих минимальными силами внутреннего сцепления.

Легкая подвижность песка сказывается как при передвижении его в водной среде (во взвешенном и влекомом состоянии в реках, морях и озерах), так и при насыщении водой в количествах, превышающих его пористость (насыщенные водой тонкозернистые пески-зыбуны морских заливов и пески-плывуны, обильные грунтовыми водами). Вода в количествах меньших пористости песков, благодаря силе поверхностного натяжения, делает пески уплотненными. Однако совсем лишенные пленочной воды пески являются легкоподвижными в другой среде – в воздушной. Легкая плывучесть и сыпучесть песков неразрывно связана с их высокой пористостью, колеблющейся в чистых песках от 26% до 87%, в среднем же в сыпучих равной 40,4%. Большая пористость песка порождает его высокую влагоемкость, способность жадно впитывать и удерживать в себе максимальные количества влаги (зависящие от механического состава песка). Угол естественного откоса в песках, в зависимости от формы и величины зерен и степени влажности песка, колеблется от 31 до 43°, но перевеянный эоловый песок в пустынях обычно удерживает откосы в 34°. Высота капиллярного поднятия воды в тонкозернистых аллювиальных и эоловых песках колеблется от 0,7 до 1,5м, в крупнозернистых песках уменьшается до 0,3 м. Пески обладают высокой теплоемкостью и быстрой теплоотдачей – свойствами, резко отличающими их от всех других почв и обусловливающими характерные климатические условия песчаных массивов.

Вещественный состав песков крайне разнообразен и зависит от характера процессов, формирующих песок из горных пород (преобладание химического или механического выветривания), факторов и условий транспортировки; среды, в которой происходило отложение толщи; от географической среды и факторов вторичного переотложения толщи и ее преобразования и стадии развития этого переотложения.

Факторы первичного накопления песков и вторичного их переотложения не всегда остаются одними и теми же; весьма часты случаи, когда пески аллювиальных равнин, отложенных реками, становятся достоянием ветров (Кара-кумы), а мощные плащи эоловых песков позднее  переоткладываются рекой (Жаны-дарья в Кызыл-кумах). Пески и их перемещение надо изучать комплексно, с полным учетом природной и хозяйственной обстановки района.

Названия песчаных массивов и урочищ. Приступая к исследованию отдельных массивов песков, выясняют значение их местных названий, т. к. обычно они очень метко отображают наиболее характерные черты массива и каждого урочища. В то же время искаженное толкование названия искажает и представление о самом характере массива и его хозяйственном значении. Так, напр., в Средней Азии имеется ряд массивов, называемых Кара-кумами, т. е. черными песками. Нередко встречающееся в популярной литературе толкование их названия в смысле злых (гибельных) так же неверно, как и перевод Кызыл-кумов в смысле красных – прекрасных. Черными эти пески называются из-за обилия в них кустарниковой растительности, обусловливающей темный цвет горизонта. Одни названия массивов действительно подчеркивают цвет песков (Кызыл-кумы—древние красные пески, Ак-кумы – молодые белые барханные пески), другие названия отмечают характерную растительность (Оджорли-кум, Черкезли-кум), третьи – характерные формы рельефа. Несколько массивов с названием Муюн-кум (шейные пески) соответствуют районам развития лунковых песков, в плане образующих дугообразно изогнутые валы, напоминающие изгиб верблюжьей шеи (аналогично излучинам рек, носящим названия Тюя-муюн – верблюжья шея). Наконец, имеются названия, отображающие стадии развития песков (Урпак-кум – кучевые пески и т. д.).

Роль климатических условий является первенствующей для выяснения возможностей хозяйственного освоения песчаных массивов – для их водообеспечения и развития растительного покрова. Оголенное состояние песков может зависеть не только от неправильной хозяйственной деятельности человека или от общего недостатка влаги, но и от неблагоприятного распределения ее по сезонам, от степени перевевания песков, затрудняющей приживаемость растения, от плодородности песков, суровости климатических условий, обилия выноса (поступления) песков и т. д. В силу этого оголенные пески встречаются в самых различных зонах, и в каждом случае надо выяснить причину их образования и незарастания. Климатические данные можно получить от метеостанций в окружающих пески районах; но термальные свойства песков вносят существенные изменения в климатическую обстановку, и для решения ряда вопросов необходима постановка дополнительных, хотя бы временных, наблюдений в самих песках над температурным режимом, осадками, влажностью и режимом ветров.

Происхождение песков накладывает настолько резкий отпечаток на все их черты, что, по существу, объясняет все особенности ландшафта каждого песчаного массива. Происхождение песков может быть в общих чертах выяснено по окружающей физико-географической обстановке. Этим путем – иногда лишь анализом гипсометрической и литолого-геологической карты – можно выяснить, является ли данный песок морским, озерным, речным, или принадлежит к типу материковых песков, обычно связанных с развеванием и перевеванием не современных, а более древних – четвертичных, но в ряде случаев и третичных песков, а иногда и еще более древних горных пород. В ряде случаев анализ гипсометрической карты, особенно детальной, может помочь восстановлению связи с древней гидрографией страны. Окончательное решение вопросов происхождения песков требует тщательного палеогеографического их анализа, опирающегося на минералогическое их исследование.

Выяснение связи с неперевеянными толщами может дать ответ о происхождении перевеваемых песков в случаях их сходства с этими толщами. Но пески могут мигрировать иногда за тысячи км от источников их питания при транспортировке реками и на сотни км при переносе их ветром. В этих случаях для выяснения генетических связей необходимо микроскопическое изучение песков.

Механический и гранулометрический состав. Выяснение этих свойств песков необходимо для определения промышленной их пригодности и дает также возможность установить факторы переноса песков. Зерна, перенесенные водой, обычно имеют остроугольную форму и лишь в крупных фракциях слегка окатаны; при длительной транспортировке ветром зерна бывают хорошо окатаны, иногда округлы и полированны. Аллювиальные речные пески наименее сортированы и содержат резко колеблющиеся количества илистых и глинистых фракций, иногда с постепенным переходом в песчаные глины. Пески эоловые, наиболее хорошо отсортированы: в них до 99% объема приходится на фракцию 0,25 – 0,05 мм, и более мелкие и крупные фракции встречаются лишь в долях процентов.

По механическому составу пески и пыль делятся на следующие группы:

Грубый песок                          1 – мм

Пыль крупная (алеврит)         0,05 – 0,125 мм

Крупный песок                       1 – 0,5 мм

Пыль мелкая (алеврит)           0,025 – 0,01 мм

Средний песок                        0,5 – 0,25 мм

Глина (пелит)                         менее 0,01 мм

Мелкий песок                         0,25 – 0,05 мм

В промышленности употребляются как грубо- и крупнозернистые пески с резкими остроугольными гранями (абразивы, сырье для бетонных работ, балластный материал), так и среднезернистые и мелкозернистые пески (стекольная, фарфоровая, формовочно-литейная промышленность). Тонкозернистые (алевритовые и глинистые) частицы – вредная примесь (кроме кирпичного производства).

Для определения механического состава песков наиболее принят метод разделения их на фракции при помощи набора сит с разным диаметром отверстий. Сита эти латунные и последовательно вставлены одно в другое, образуя единый набор (колонку), закрытый сверху и снизу.

В СССР был принят стандарт, состоящий из 11 сит.

Отверстия сит Усманского завода

Меши (№ сит)	6	12	20	30	40	50	70	100	140	200	270
Размер просвета ячейки сита (в мм)	3,36	1,68	0,84	0,59	0,42	0,297	0,210	0,149	1,105	0,074	0,053

Для производства анализа песка на ситах вес образцов мелкозернистых песков должен быть не менее 200 гр, а крупнозернистых – до 500 гр. Сита эти могут употребляться и в экспедиционной обстановке, но анализ на них довольно трудоемок (за 8 час. может быть разделено на фракции и взвешено 6 – 8 образцов бескарбонатных песков; при наличии карбонатов и необходимости их удаления растворением – требуется еще такой же срок). В полевых условиях чаще приходится ограничиваться предварительным определением преобладающих фракций; небольшую порцию песка, насыпанную на центральный кружок таблицы М. Васильевского (где по секторам круга даны изображения кругов различного диаметра), рассматривают в лупу.

Для решения вопросов генезиса песков механический анализ делается обычно не в полевых условиях (см. Рухин, 1947).

Типичные черты преобразования песков, подвергшихся эоловой переработке, таковы: а) полное отделение грубозернистых, а часто и среднезернистых фракций, остающихся в районах развевания и распределяющихся по гребешкам крайне крупной ряби с расстоянием между гребнями около 1 м и более; б) удаление из перевеянной толщи мелкозернистых фракций (меньше 0,05 мм); в) концентрация среднезернистых элементов механического состава, с содержанием фракции 0,25 – 0,05 мм в количестве 90% и более; г) преобразование зерен песка из угловатой формы в угловато-окатанную в мелкозернистых фракциях и до округло-окатанной в более крупных фракциях у ряда минералов, особенно у кварца; д) появление в мелких фракциях вторично раздробленных зерен, сочетающих остроугольность с одной округлой гранью; е) полировка поверхности кварцевых и некоторых других зерен.

Минералогический состав песков определяется для установления их практической пригодности и для решения вопросов палеогеографии, происхождения толщ, условий их транспортировки, отложения и диагенеза, источников выноса и сопоставления различных свит, толщ и пачек слоев. Минералогический анализ широко применяется при разведке на нефть.

Для большинства промышленных целей нужны чистые кварцевые пески с содержанием SiO2 в количестве от 75% до 100% (для бутылочного, аптекарского и оконного стекла – не менее 98,5%, а для оптических стекол – не менее 99,8%). В отдельных случаях стекольные заводы употребляют пески и с содержанием SiO2 от 90%. Для производства растворимого стекла, фарфора и фаянса требуется содержание SiO2 не ниже 98,5%, при производстве динаса – не менее 98%, для формовочных песков и при фильтровании воды – не менее 96%, при производстве портландцемента и силикатного кирпича – не менее 90%. Меньшие количества кварца допускаются лишь при приготовлении бетона, асфальтовых смесей, кровельных рулонных материалов, для дорожного балласта и паровозных песочниц, где лимитирующим является не столько минералогический состав, сколько механический.

Пески различного происхождения находят и различное применение. Кварцевые пески в большинстве случаев являются платформенными, прошедшими многократные переотложения, в результате которых в них сохранились лишь наиболее устойчивые минералы. Пески «молодые» – геосинклинальных и предгорных областей – весьма разнообразны и богаты по минералогическому составу, но кварца содержат мало и могут употребляться в тех производствах, где количество SiO2 не лимитируется. В зависимости от условий и факторов транспортировки, механический состав определяет пригодность песков, т. к. пески эоловые мелко- и тонкозернисты, а горноречные и некоторые морские дают крупнозернистые и острогранные зерна, необходимые для балластов, цемента, асфальта и т. д.

Пески пустынь наиболее разнообразны по своему минералогическому составу, т.к., образуясь в результате механического выветривания, они состоят часто из таких минералов, которые в более влажных условиях не могли бы сохраниться в виде песчинок. Таковы преобладающие в предгорных пустынях полевошпатовые пески, а также пески известковые из обломочков глины и гипсовые.

Взятия отдельных образцов для минералогического анализа не требуется, т. к. исследуются фракции, разделенные при механическом анализе; кроме того, образцы разделяются на легкую и тяжелую фракции. Выбор образцов песков делается согласно задачам исследования. Так, напр., аллювиальные пески одной и той же толщи, взятые даже по соседству, но из осадков дна и поймы прежних потоков, будут значительно отличаться не только по механическому, но и по минералогическому составу. Значительные изменения вносит и длительность транспортировки: от верховьев к низовьям аккумулировавшего потока количество менее твердых и химически легче разложимых минералов постепенно уменьшается. Еще большие изменения вносит эоловая переработка, не только изменяющая форму зерен, но и производящая разрушение легко выветривающихся минералов, приводящая к резкому обогащению наиболее устойчивыми и твердыми минералами в к полировке поверхности зерен. В древних эоловых песках характерна пленка пустынного загара из окисей железа.

Степень эоловой переработки бывает крайне разнообразна и зависит не только от активного фактора – интенсивности переотложения и от режима ветров, но и от длительности воздействия ветра и всех ландшафтных условий, и, в первую очередь, от растительного покрова. Пески, взятые на различных элементах рельефа, напр. в межгрядовом понижении, на склоне и вершине гряды, или на наветренной и подветренной сторонах бархана, будут также значительно отличаться по своему минералогическому составу.

Палеонтологическая характеристика песков крайне важна для установления их возраста и условий приноса и отложения. Обычно морские и озерные пески содержат остатки животных и растений (особенно микрофауны и микрофлоры) в большом количестве, в речных они встречаются редко и лишь в переотложенном виде (вымытые из более древних осадочных пород), а в эоловых песках отсутствуют.

Пыльца растений встречается как в эоловых, речных и озерных песках, так и в песках морских заливов. Раковины моллюсков весьма обильны в морских отложениях, особенно в заливах, и в песках пресноводных озер. В песках рек, с быстрым течением и большим количеством переносимого песка, раковины отсутствуют, появляясь лишь в дельтовых осадках, где течение значительно тише. Морские и речные моллюски иногда встречаются и на дюнах и барханах: ветер вкатывает не только мелкие раковинки, но даже створки Cardium edule Lam диаметром до 2 см, на барханы до 40 м высотой над морем; птицы, захватывая крупных моллюсков в зоне прибоя, расклевывают их иногда на дюнах, оставляя здесь раковины. Поэтому нахождение раковин моллюсков в песках не может являться доказательством их неэолового происхождения и требует тщательного исследования условий их залегания.

Слоистость и форма поверхностей напластования, характер переслаивания песков и состав переслаивающихся с песками осадков имеют весьма большое значение для познания генезиса песков. Надо делать не только фотографии типов слоистости, но и зарисовки и замеры, ориентируя фиксируемый материал по странам света и увязывая эти данные со строением и составом песков. Многие виды озерной, а тем более морской косой слоистости, весьма схожи с эоловой. Распространенное представление о том, что эоловая слоистость бывает обычно «перекрестной», состоящей как бы из маленьких синклиналей и антиклиналей, верно не для всех случаев. В эоловых песках гораздо шире распространена периклинальная слоистость крупного порядка, облекающая песчаные гряды, имеющие ширину до 100 и до 300 м с наклонами до 20° вдоль склонов гряд и до 10° по направлению ветра. Широко также распространена эоловая слоистость со средним углом падения в 32 – 34° по направлению ветра, отвечающая нарастанию заветренных откосов барханных цепей и барханов.

Химический состав песков весьма важен для определения их пригодности при сельскохозяйственном освоении и использовании в промышленности. Количество окислов железа, представляющих вредную примесь, дающую зеленый цвет стеклу, не должно превышать 0,3% при изготовлении бутылочного стекла и 0,012% – для оптического. Уже в полевых условиях можно частично судить о количестве окисей железа по интенсивности их окраски: желтый, оранжевый или красный цвет характерны для окисленных эоловых песков и зеленовато-синеватый цвет для аллювиальных песков, формировавшихся в водной среде и долго находившихся ниже уровня грунтовых вод с восстановительной средой, при которой образуются закисные соединения железа. Для силикатной промышленности чисто белые кварцевые пески обычно более пригодны, чем яркоокрашенные: но в этой промышленности лимитируется также содержание в песках СaCO3, Cr2O3 и TiO2, и поэтому нужны полные химические анализы сырья.

Для суждения о плодородии песков важны данные об общей составе песков и химические анализы растворимых в воде солей, наиболее легко и быстро усваиваемых растениями. Пески стран северных и умеренного и влажного климата, где господствует химическое выветривание и выщелачивание, обычно более бедны и мало плодородны и требуют обогащения. Пески сухих стран, где господствует механическое выветривание и выпотевание растворов с поверхности, более плодородны, если не содержат чрезмерных количеств вредных для растений солей. Отбор образцов для химических анализов песков должен производиться либо по методике, общей для полезных ископаемых, либо по методике почвенных исследований.

Образцы песка следует брать весом в 1 кг, упаковывая в мешочки из очень плотной материи; внутрь вкладывают хорошо упакованный пакет из проклеенной бумаги, с отдельной пробой для пыльцевого анализа. Каждый мешочек следует плотно завернуть в бумагу и перевязать. Образцы песков упаковывают в небольшие ящики так, чтобы они не могли рассыпаться и смешаться; особенно это относится к образцам для пыльцевого анализа.

Передувание песков и развитие их ветрового рельефа. 

Пески в сухом состоянии легко перемещаются ветрами, даже при скорости от 3 м/сек. Подвижные пески встречаются в тех местах, где растительность, либо в силу природных условий, либо вследствие вмешательства человека, отсутствует или разрежена. Этот площадной тип перемещения и рельефообразования песков пустынь резко отличается от площадно-очагового и чисто очагового типов перемещения песков пустынных степей (полупустынь) и внепустынных областей, где дерновый покров настолько уплотнен, что рельефообразование песков происходит лишь благодаря очагам развевания, лишенным (естественно или искусственно) дернового покрова. Такими очагами могут служить:

а) свежие выбросы песка на побережьях морей и рек, не успевшие закрепиться растительностью;

б) места, наименее закрепленные в силу аэродинамических причин – гребни дюн и гряд;

в) участки, где дерновый покров уничтожен распашкой, неумеренным выпасом, деятельностью грызунов, буреломами и т. п.

Широко распространенное представление о том, что в подвижности песков, даже пустынь, виновен один лишь человек, неверно и приводит в одних случаях к недооценке сложных и разнообразных природных условий, а в других – к неоправданным опасениям использования песчаных пастбищ.

Задачи закрепления песков, обогащения их растительного покрова и правильного их использования (виноградарство, садоводство, лесопосадки, травосеяние, выпас) требуют тщательного выяснения условий перемещения песков ветром, применительно к конкретным обстоятельствам не только данной местности или угодия, но и каждого элемента их рельефа в отдельности (западины, склоны, гребни). 

Перемещение оголенных песков. Существуют следующие методы наблюдений:

а) Метод сравнения топографических съемок одного или близких масштабов, но различной давности – наиболее показательный и решает вопрос сразу для целого участка или территории. Фактически применять этот метод можно, лишь имея крупномасштабные аэрофотоснимки, так как другие виды топографических материалов для таких сравнений недостаточно точны.

б) Учет количества песка, задержанного у искусственных препятствий за время их существования. Этот объем зависит не столько от интенсивности движения песка, сколько от способности препятствия удержать то или иное количество песка. Так, напр., наши наблюдения над развитием эоловых песков на прежних орошаемых полях древнего Хорезмского царства (к северу от Турткуля) показали, что пески взгромождаются у глинобитных крепостных стен до тех пор, пока не смогут преодолеть их высоту (16 м). Но это отнюдь не значит, что на это им требуется 1 500 лет, в течение которых там развивался эоловый рельеф. Об этом красноречиво говорят случаи засыпания и пересыпания песков через крыши неудачно расположенных домов высотой в 4 м уже через 3 года после их постройки (в районе г. Кара-Багаз-Гол). Этот метод, фиксируя объем задержанного песка, не может учесть всего количества перенесенного песка.

в) Установка многолетних фиксирующих знаков – железных прутьев, вбиваемых на определенную глубину и оставляемых до определенной высоты над фиксируемой поверхностью (напр., на 1,5 м), на уровне которой делается пометка (плотно прижимаемое металлическое кольцо, насечка, окраска). Надо ставить такие знаки не только по определенным профилям, но и по границам распространения песков и отдельных форм их скоплений. На стержнях обязательна надпись с точной датой установки.

г) Срочные наблюдения по рейкам производят в особо ответственных местах, в связи с предполагаемым строительством, особенно поселков, каналов и дорог. Многолетние наблюдения этим методом дали весьма важный материал для изучения колебательного движения песков в условиях сезонной смены ветров противоположных направлений.

Расстановка реек и частота наблюдений по ним должны сообразоваться с задачами работ и местными условиями. Важны внесрочные наблюдения в период особенно сильных ветров, т. к. иногда в течение коротких часов совершается более интенсивная работа, чем за ряд месяцев.

д) Краткосрочные наблюдения с пескоуловительными ящиками, легко выполнимые даже при маршрутных работах, позволяют довольно тщательно исследовать динамику перемещения песков по всем микроэлементам рельефа отдельного песчаного скопления и увязать форму его со структурой и насыщенностью песком ветропесчаного потока. Они дают возможность установить не только места развевания и навевания (что отражают и наблюдения по рейкам), но и количество песка, проносимое над почти неизменяющимися по рельефу местами. При недостатке специальных пескоуловителей, частично их могут заменить даже консервные банки, если наблюдения надо провести в большом количестве точек с неизменной поверхностью, по которой проносится незначительное количество песка (напр., по солончаку или такыру). Консервные банки могут употребляться как дополнительные точки наблюдений между основными, оборудованными ящиками. 

Интенсивность переноса сыпучего песка зависит не только от силы ветра, температуры воздуха и величины песчаных зерен, но и от их формы, удельного веса, наличия связующих песчинки веществ, влажности и степени шероховатости или полированности песчинок, а также от характера толщи, подвергающейся развеванию, и ее рельефа. Сама структура ветра настолько неоднородна, что ветропесчаный поток не может обладать одинаковой степенью насыщения песком по всей своей площади.

В среднем можно принять следующую зависимость переноса песчинок различного диаметра от скорости ветра.

Скорость ветра в м/сек.	0,25	0,6	1,5	3	4	5	6	7,5	11,5
Диаметр песчинок в мм	0-0,30	0,5	0,12	0,25	0,32	0,40	0,50	0,50	1,00

При однородном составе песка и одинаковой природной обстановке, при данной силе ветра, количество песка, переносимого ветром, различается как во времени, так и в пространстве – в частности, даже на разных местах одного и того же гребня барханной цепи.

В среднем, при 95%-ном составе фракции песка диаметром 0,25 – 0,05 мм и при скорости ветра в 7 м/сек., среди барханов, в ящиках, заложенных на гребне бархана, откладывается за 5 минут наблюдения слой от 1,25 до 1,75 см, т. е. 15 – 20 см в час. Конечно, это не значит, что за сутки может быть засыпана канава глубиной от 3,5 до 5м, т. к. ветер обычно в течение суток сильно варьирует как по скорости, так и по направлению, а песок, в зависимости от рельефа, приобретает часто крайне неравномерное движение.

Практически весьма важно, что песок не всегда движется только в одном направлении. В зависимости от режима ветров, он может перемещаться либо в одну сторону (наступательное движение), или часто отбрасываться назад ветрами противоположного направления (наступательно-колебательное движение); противоположными сезонными ветрами равномерно перемещаться то вперед, то назад (колебательное движение); при смене разных ветров одного сектора (напр. СВ и СЗ) – иметь зигзагообразное продвижение; при нисходящих потоках – радиальное центробежное движение; при восходящих токах – радиальное центростремительное. Траектории этих итоговых типов перемещения песков также весьма различны. 

Перемещение задернованных песков внетропических пустынь. Полузакрепленные негустым дерновым покровом пески наших пустынь перевеваются чрезвычайно медленно, но все же никогда не прекращают своего движения. При скоростях ветра и при ландшафте, типичных для туркменских Кара-кумов и Кызыл-кумов, понадобились тысячелетия для того, чтобы на послеледниковых террасах развились гряды в 2 – 4 м высоты, в течение десятков тысячелетий создались на террасах времени последнего оледенения гряды в 10 – 12 м высоты, за сотню тысячелетий, прошедших со времени максимального оледенения, выработались гряды до 15 – 20 м высоты, а за время более полумиллиона лет на плиоценовых песках создались гряды в 30 – 40 и, в отдельных случаях, до 60 и до 70м высоты, проделавшие весь путь своего развития при существовании дернового пустынного покрова.

Но итоговый результат выработки рельефа задернованных песков вовсе не свидетельствует о крайней медленности переноса на них песка. Этот перенос также неравномерен в пространстве (поскольку неравномерна и густота дернового покрова), но происходит достаточно интенсивно.

а) Лучший метод наблюдения – пескоуловительные ящики (с обязательным удалением вырытого песка по ветру и осторожным вырыванием ямок). Для установления зависимости перевевания песков от плотности и характера растительного покрова точно замеряется поверхность, на которой закладывается ямка, сосчитывается на этой площади и на 1 кв. м количество растений, а песок из ямки просеивается для раздельного взвешивания всей надземной и подземной растительной массы в каждом месте наблюдения.

б) Наглядные результаты получаются также при применении фиксирования поверхности песка на отдельных полосах капельным разбрызгиванием водно-битумной эмульсии. Закрепленная таким способом поверхность не подвергается дальнейшему развеванию, а отложенный поверх нее за определенный срок спой песка может быть вполне точно учтен. Даже в районе с плотным дерновым покровом пустынной осоки навевание песка на слой эмульсии в течение года дает наращивание возвышенных элементов рельефа местами до 10 – 12 см.

Нарастание закрепленных естественной растительностью песков в Средней Азии таково, что практически является безвредным для человека. Но оно идет все время и, в случае оголения песков, сказывается сразу же весьма энергично.

Формы рельефа песков и зависимость их от режима ветров. В зависимости от режима ветров, начиная от самых малых «эмбриональных» скоплений и до древних гигантских взгромождений, рельеф песков развивается по различному плану. Установление зависимости рельефа песков от режима ветров лишь в исключительных случаях возможно по данным метеостанций, отдаленных от изучаемых песков на десятки километров. При наличии орографических препятствий (напр., плато высотой всего только в сотню метров), данные рельефа песков и показания метеостанций обычно несопоставимы даже при расстоянии в сотни метров. Воздействие же горных хребтов высотой в 2 – 3 км сказывается на расстоянии до 100 – 150 км как за хребтами, так и в стороны от них, а особенно интенсивно перед хребтами (с наветренной стороны). Надежные сопоставления можно делать или среди равнин, в большом отдалении от гор, или для станций, непосредственно расположенных среди песков, особенно при фиксации рельефа песков при помощи аэрофотосъемки,

Для этих сопоставлений в пустынных районах обычно достаточны среднегодовые розы повторяемости ветров по восьми румбам. Для районов со снежным покровом, с сезонным выпадением дождей и с неравномерным распределением скоростей ветров по румбам, приходится составлять специальные «динамические розы» рельефообразующих ветров, где ветры, дующие в сезоны, когда песок увлажнен и не перевевается, исключаются, а скорости ветров по каждому румбу в отдельности помножаются на количество случаев повторяемости ветров по этому же румбу.

При экспедиционных работах вдали от метеостанций большую помощь могут оказать срочные наблюдение за силой и направлением ветров и барометрическим давлением по маршруту работ.

При однородном составе песка и одинаковой природной обстановке, при данной силе ветра, количество песка, переносимого ветром, различается как во времени, так и в пространстве – в частности, даже на разных местах одного и того же гребня барханной цепи.

В среднем, при 95%-ном составе фракции песка диаметром 0,25 – 0,05 мм и при скорости ветра в 7 м/сек., среди барханов, в ящиках, заложенных на гребне бархана, откладывается за 5 минут наблюдения слой от 1,25 до 1,75 см, т. е. 15 – 20 см в час. Конечно, это не значит, что за сутки может быть засыпана канава глубиной от 3,5 до 5м, т. к. ветер обычно в течение суток сильно варьирует как по скорости, так и по направлению, а песок, в зависимости от рельефа, приобретает часто крайне неравномерное движение.

Практически весьма важно, что песок не всегда движется только в одном направлении. В зависимости от режима ветров, он может перемещаться либо в одну сторону (наступательное движение), или часто отбрасываться назад ветрами противоположного направления (наступательно-колебательное движение); противоположными сезонными ветрами равномерно перемещаться то вперед, то назад (колебательное движение); при смене разных ветров одного сектора (напр. СВ и СЗ) – иметь зигзагообразное продвижение; при нисходящих потоках – радиальное центробежное движение; при восходящих токах – радиальное центростремительное. Траектории этих итоговых типов перемещения песков также весьма различны. 

Перемещение задернованных песков внетропических пустынь. Полузакрепленные негустым дерновым покровом пески наших пустынь перевеваются чрезвычайно медленно, но все же никогда не прекращают своего движения. При скоростях ветра и при ландшафте, типичных для туркменских Кара-кумов и Кызыл-кумов, понадобились тысячелетия для того, чтобы на послеледниковых террасах развились гряды в 2 – 4 м высоты, в течение десятков тысячелетий создались на террасах времени последнего оледенения гряды в 10 – 12 м высоты, за сотню тысячелетий, прошедших со времени максимального оледенения, выработались гряды до 15 – 20 м высоты, а за время более полумиллиона лет на плиоценовых песках создались гряды в 30 – 40 и, в отдельных случаях, до 60 и до 70м высоты, проделавшие весь путь своего развития при существовании дернового пустынного покрова.

Но итоговый результат выработки рельефа задернованных песков вовсе не свидетельствует о крайней медленности переноса на них песка. Этот перенос также неравномерен в пространстве (поскольку неравномерна и густота дернового покрова), но происходит достаточно интенсивно.

а) Лучший метод наблюдения – пескоуловительные ящики (с обязательным удалением вырытого песка по ветру и осторожным вырыванием ямок). Для установления зависимости перевевания песков от плотности и характера растительного покрова точно замеряется поверхность, на которой закладывается ямка, сосчитывается на этой площади и на 1 кв. м количество растений, а песок из ямки просеивается для раздельного взвешивания всей надземной и подземной растительной массы в каждом месте наблюдения.

б) Наглядные результаты получаются также при применении фиксирования поверхности песка на отдельных полосах капельным разбрызгиванием водно-битумной эмульсии. Закрепленная таким способом поверхность не подвергается дальнейшему развеванию, а отложенный поверх нее за определенный срок спой песка может быть вполне точно учтен. Даже в районе с плотным дерновым покровом пустынной осоки навевание песка на слой эмульсии в течение года дает наращивание возвышенных элементов рельефа местами до 10 – 12 см.

Нарастание закрепленных естественной растительностью песков в Средней Азии таково, что практически является безвредным для человека. Но оно идет все время и, в случае оголения песков, сказывается сразу же весьма энергично.

Формы рельефа песков и зависимость их от режима ветров. В зависимости от режима ветров, начиная от самых малых «эмбриональных» скоплений и до древних гигантских взгромождений, рельеф песков развивается по различному плану. Установление зависимости рельефа песков от режима ветров лишь в исключительных случаях возможно по данным метеостанций, отдаленных от изучаемых песков на десятки километров. При наличии орографических препятствий (напр., плато высотой всего только в сотню метров), данные рельефа песков и показания метеостанций обычно несопоставимы даже при расстоянии в сотни метров. Воздействие же горных хребтов высотой в 2 – 3 км сказывается на расстоянии до 100 – 150 км как за хребтами, так и в стороны от них, а особенно интенсивно перед хребтами (с наветренной стороны). Надежные сопоставления можно делать или среди равнин, в большом отдалении от гор, или для станций, непосредственно расположенных среди песков, особенно при фиксации рельефа песков при помощи аэрофотосъемки,

Для этих сопоставлений в пустынных районах обычно достаточны среднегодовые розы повторяемости ветров по восьми румбам. Для районов со снежным покровом, с сезонным выпадением дождей и с неравномерным распределением скоростей ветров по румбам, приходится составлять специальные «динамические розы» рельефообразующих ветров, где ветры, дующие в сезоны, когда песок увлажнен и не перевевается, исключаются, а скорости ветров по каждому румбу в отдельности помножаются на количество случаев повторяемости ветров по этому же румбу.

При экспедиционных работах вдали от метеостанций большую помощь могут оказать срочные наблюдение за силой и направлением ветров и барометрическим давлением по маршруту работ.

Зависимость между режимом ветров и рельефом песков столь тесна, что, обладая точными данными по рельефу песков, можно делать выводы и о самом режиме ветров, особенно о розе активных ветров. Зависимость эта заключается в следующем:

а) При наличии системы постоянных ветров одного или близких направлений песок сносится в направлении этих ветров, но вследствие их вихревого движения перемещается не равномерным слоем, а формируя взаимосвязанные продольные ветру гряды навевания и межгрядовые понижения развевания.

Такие гряды характерны для районов антициклональных пассатных ветров и слагают либо оголенные продольные барханные гряды, либо продольные полузакрепленные гряды, проходящие все свое развитие при наличии пустынного дернового покрова.

б) При наличии системы двух взаимно противоположных по направлениям ветров (муссоны, горные бризы или межгорно-котловинные ветры) развивается совершенно противоположный тип поперечного ветрам, рельефа песков. В оголенных песках такими формами являются серповидные барханы, барханные цепи и крупные комплексные барханные образования, имеющие до 10 – 20 км длины, 1 км ширины и 50 – 150 м высоты и повторяющиеся через 2 – 4 км. Эти сложные формы возникают в районах торможения ветра при встрече двух различных воздушных масс. К этим же поперечным формам принадлежат и простые серповидные барханы, могущие образоваться и при одном ветре, но возникающие в местах торможения ветрового потока о поверхность земли (завихрения трения).  

Формы рельефу оголенных и полузаросших песков.

А. Продольные ветру гряды: а—барханные, б—полузакрепленные. Б. Ячеисто-грядовый рельеф, у которого гряды продольны основному направлению ветров, а перемычки и ячеи выдувания обусловлены второстепенными ветрами. В. Поперечные ветру барханные пески (формы, связанные с торможением ветрового потока): а—щитовидная дюна, б—одиночные и двойные серповидные барханы, в—барханные цепи, г—комплексные барханы высшей категории величины. Г. Поперечные ветру полузакрепленные пески: а—поперечные гряды, б—лунковые пески. Д. Различные формы песчаных скоплений «равномерной системы ветров», а—ячеистые пески, б—комплексные пирамидальные пучки в местах пересечения воздушных волн, отраженных орографической преградой, в—одиночная барханная пирамида, связанная с восходящим вихрем. Е. Различные формы дюн умеренного пояса (внепустынных): а—кольцевая дюна при равномерной системе ветров; б—копиевидная дюна, вытягивающаяся вперед по ветру; в—оголенные параболические дюны; г—цепи полукруглых дюн; д—комплексная параболическая дюна: е—прямолинейно-параболические дюны.

В случаях более слабых ветров или более благоприятной климатической обстановки, поперечные ветрам скопления песков могут развиваться и при наличии дернового покрова. Образуются либо поперечные гряды (при равной силе ветров), либо граблевидные гряды (при небольшом преобладании ветров одного из направлений); лунковые формы с дугообразными грядами и с котловинами выдувания, расположенными внутри вершины дуги, образуются при значительном преобладании одного из двух прямопротивоположных ветров.

Поперечные формы развиты в Средней Азии в районах своеобразных муссонов восточных берегов Каспия (Небитдагский район) и северо-восточных берегов Арала (Приаральские Каракумы). Они располагаются также против обширных долин с горными бризами (приамударьинская полоса барханов и поперечных гряд, приголодностепная часть Кызыл-кумов, расширения долины р. Или), а также против горных хребтов (западная часть туркменских Кара-кумов, юго-западные Муюн-кумы), где развиты сложные вихревые движения.

в) При наличии системы равномерных ветров, дующих горизонтально с равной силой во всех направлениях или при резком преобладании вертикальных нисходящих потоков, или при господстве мощных восходящих движений, образуются разнообразные равномерные в плане формы рельефа песков (ячеистые пески, цирки развевания, пирамиды навевания), могущие формироваться как в оголенном, так и в полуоголенном состоянии.

г) Наряду с этими чистыми типами, в природе широко развиты и смешанные формы. Так, напр., в Кызыл-кумах, при господстве внутриматериковых «пассатных» ветров, частое вторжение с запада циклонов, с характерными для них ветрами быстро меняющихся направлений, приводит к формированию ячеистогрядового рельефа, в котором высокие гряды, продольные господствующим ветрам, сочетаются с низкими перемычками, разделяющими межгрядовые понижения на цепочки округлых западин – ячей. 

Влияние ландшафтной обстановки на интенсивность и характер перемещения песков. Главнейшими факторами, определяющими движение песков, помимо режима ветров данного района, являются:

а) Общая и частная аэродинаммческая обстановка. Соотношение с общей циркуляцией атмосферы. Воздействие крупных водных бассейнов и орографических преград и вызванные ими местные отклонения циркуляции атмосферы (местные ветры, отраженные вихревые движения, местные усиления и ослабления силы ветра, местные изменения направлений ветра, преобладание нисходящих и восходящих движений, степени турбулентности) и т. д.

б) Общие климатическая и гидропочвенная обстановки, определяющие способность оголенного песка к перевеванию: длительность и сезонность нахождения песка в неперевеваемом состоянии вследствие увлажненности, смерзания, погребения под плотным снежным покровом. Зонально-ландшафтные формы рельефа песков: дюны параболические, кольцевые, ячеи развевания и т. д. (рис. 3 Е).

в) Состояние растительности при естественных и искусственных условиях. Густота и характер древесно-кустарниковых насаждений, степень и интенсивность дернового закрепления: вне воздействия человека и животных, при воздействии колоний грызунов, выпасе стад с различной нагрузкой, использовании древостоя, заготовке трав и кустарников, распашке песков, охране растительности, подсеве трав, посадке кустарников и деревьев, установке защитных щитов.

г) Влияние механического и химического состава песков. Формирование рельефа в сплошной толще однородных сыпучих непылеватых песков, в пылеватых, в однородно-грубозернистых, в неоднородных песках с примесью крупного песка, гравия, щебня. Выравнивающая роль примеси щебня в песке. Влияние глинистых прослоев, естественной цементации песков и искусственного изменения состава на сыпучесть песка (добавление глины, битуминизация, гравиево-щебневая присыпка). Формирование рельефа из пыли и глинистых чешуек (обычно при наличии солей).

д) Влияние литологических и стратиграфических условий, орографических преград и аэродинамической обстановки на формирование:

1) дефляционно-аккумулятивных форм (песчаные гряды и комплексные барханы, в общих случаях состоящие наполовину из цоколя развевания и наполовину из плаща навевания);

2) чисто аккумулятивных форм (барханы и гряды поверх плотного такырного грунта или поверх мощного покрова навеянной песчаной толщи);

3) чисто дефляционных форм (коридоры – ярданги развевания при сильных ветрах в лессе и супесях, а также в песках, прикрытых сверху тонким слоем глины или такырным горизонтом). Зоны навевания и развевания перед и за орографическими препятствиями, участки навевания перед водными бассейнами, вызванные падением скорости ветра при встрече с холодной шапкой воздуха над морем; навевание и развевание как результат интерференции воздушных волн восходящих и нисходящих движений.

е) Влияние интенсивности ветров, давности перевевания и торможения воздушных масс на формирование рельефа песков. Соотношения между скоростью ветров в разных районах и степенью закрепленности песков. Отличия первичных (молодых) форм рельефа от древних – появление различных категорий величии песчаного рельефа, связанных с воздействием вихревых движений различных слоев атмосферы – сочетание мелких и крупных гряд, мелких и крупных форм лункового рельефа, мелких и крупных комплексных барханных форм.

 

Развевание и накопление пыли 

Перенос различного субстрата. Мелкий гравий переносится лишь сильнейшими ураганами на весьма незначительное расстояние, но песок в течение длительных геологических эпох переносится на сотни километров (300 – 800 км).

Пыль, поднимаясь во время бурь на высоты до 3 и более километров, переносится сразу на расстояние многих сотен и даже тысяч километров. Она оседает обычно на травяной покров, прилипает к нему, а при первом же дожде прибивается к земле, входя в состав почвенного покрова. Деятельность человека значительно видоизменяет течение этого процесса, обнажая и взрыхляя почву распашкой и оставляя ее в наиболее доступном ветру состоянии на весеннее время; происходит развевание посевов, сдувание пылевидного почвенного горизонта и унос этой пыли на значительные расстояния от пустынь по направлению ветра.

Наблюдения над переносом пыли. Так как перенесенную ветрами пыль трудно отделить от почвы, то изучение ее лучше вести в условиях, когда она изолирована во время выпадения от поверхности земли, что осложняет наблюдения. Еще более трудно определить источники выноса эоловой пыли, если они располагаются не на полях. Поэтому наиболее достоверны наблюдения над пылью, осевшей на снежном покрове или осаждающейся на поверхность моря.

Наблюдения на фирновых полях высокогорий дают возможность не только изучать состав и свойства эоловой пыли, но иногда определить и интенсивность ее выпадения по годам.

Весьма важна организация таких наблюдений в наших юго-восточных районах, где зачастую пыль оседает на снежный и растительный покров. Во время суховея в конце апреля 1950 г. белая пыль, осевшая на молодую листву деревьев в Пензенской области, оказалась состоящей из солей, принесенных из Прикаспия. Детальный анализ изменения гранулометрического состава пыли на площади ее оседания и измерения количества пыли, осевшей на единицу площади в разных районах, позволяют точно установить как общий объем выносимой пыли, так и направления ее выноса. Для этого полезно воспользоваться услугами корреспондентов – наблюдателей метеостанций, школьных преподавателей, пионерских и краеведческих кружков. Они должны регулярно собирать пыль с определенной площади снега – напр. от 1 до 4 кв. м. Взятый вместе с пылью снег складывают в таз, растапливают и воду фильтруют сквозь промокательную бумагу, на которой оседает пыль; бумагу вместе с пылью осторожно высушивают, снабжают подробным указанием места, времени и условий взятия пробы, адресом взявшего ее, заклеивают в конверт и высылают для исследования. Аналитические исследования пыли должны вестись в одном месте или одним исследователем, чтобы соблюсти однообразную методику определения количества пыли, ее состава и строения.

В летнее время материал для учета переноса пыли во время пыльных бурь можно получить, расставив миски или тазы с водой. Сосуды должны быть укреплены, чтобы ветер не мог их перевернуть или выплеснуть воду. Для предохранения от попадания случайной пыли сосуды ставят подальше от дорог и поселков, по возможности выше человеческого роста; можно использовать для этого триангуляционные вышки. Определение глубины дефляции почвенного горизонта можно делать на охраняемых участках опытных станций или делянок, но должно производиться преимущественно на открытых местах. Для этого сразу после весенней обработки поля или на озимых полях немедленно после просыхания почвы на отмеченных (стержнем) местах закладывают на определенную глубину (например, 15 см) металлическую пластинку. Почва над пластинкой и вокруг нее тщательно выравнивается (без комков) и не должна отличаться по структуре и плотности от окружающего поля. При наблюдениях после бурь пластинки не вынимают, а измерение производят, прокалывая почву в нескольких местах стальной заостренной спицей и определяя мощность оставшегося над пластинкой почвенного слоя.

 

 Карта рельефа песков пустынь бывшего СССР (составил Б. А. Федорович).

Основные географические характеристики пустынь мира