Селевой поток

Селевые потоки — это геологические явления, при которых насыщенные водой массы почвы и фрагментированных пород стекают по склонам гор, направляются в русла рек , увлекают объекты на своем пути и образуют густые илистые отложения на дне долин. Обычно они имеют объемную плотность, сравнимую с плотностью каменных лавин и других типов оползней (примерно 2000 килограммов на кубический метр), но из-за широко распространенного разжижения отложений, вызванного высоким давлением поровой жидкости , они могут течь почти так же текуче, как вода. [ 2 ] Потоки мусора, спускающиеся по крутым каналам, обычно достигают скорости, превышающей 10 м/с (36 км/ч), хотя некоторые крупные потоки могут достигать гораздо большей скорости. Селевые потоки объемом до 100 000 кубических метров часто возникают в горных регионах по всему миру. Крупнейшие доисторические потоки имели объёмы, превышающие 1 миллиард кубических метров (т.е. 1 кубический километр). Из-за высокой концентрации наносов и подвижности селевые потоки могут быть очень разрушительными.
Наиболее заметные селевые катастрофы двадцатого века привели к гибели более 20 000 человек в Армеро, Колумбия , в 1985 году и десятков тысяч в штате Варгас , Венесуэла , в 1999 году.
Особенности и поведение
[ редактировать ]В селевых потоках объемная концентрация осадков превышает 40–50%, а остальная часть объема потока состоит из воды. По определению, «мусор» включает в себя зерна отложений различной формы и размера, обычно от микроскопических частиц глины до огромных валунов . В сообщениях средств массовой информации часто используется термин «селевой поток» для описания селевых потоков, но настоящие сели состоят в основном из частиц, мельче песка . На поверхности суши сели встречаются гораздо реже, чем селевые потоки. Однако подводные сели преобладают на подводных окраинах континентов , где они могут порождать мутные течения . Потоки мусора в лесных регионах могут содержать большое количество древесного мусора, такого как бревна и пни. Водные наводнения, богатые наносами, с концентрацией твердых частиц от 10 до 40%, ведут себя несколько иначе, чем селевые потоки, и известны как гиперконцентрированные наводнения. [ 3 ] Обычные потоки рек содержат еще более низкие концентрации наносов.
Селевые потоки могут быть вызваны интенсивными дождями или таянием снегов, прорывом плотин или наводнениями, вызванными прорывом ледников, или оползнями, которые могут быть связаны или не связаны с интенсивными дождями или землетрясениями. Во всех случаях основными условиями, необходимыми для возникновения селей, являются наличие склонов крутизной более 25 градусов , наличие обильных рыхлых отложений, почвы или выветрелых пород, а также достаточное количество воды для доведения этого рыхлого материала до состояния практически полного насыщения. (все поры заполнены). Как показывает опыт южной Калифорнии, селевые потоки могут возникать чаще после лесных и кустарниковых пожаров. Они представляют значительную опасность во многих крутых горных районах и получили особое внимание в Японии, Китае, Тайване, США, Канаде, Новой Зеландии, Филиппинах, Европейских Альпах, России и Казахстане. В Японии крупный селевой поток или оползень называется ямацунами ( 山津波 ), буквально «горное цунами» .
Потоки мусора ускоряются вниз под действием силы тяжести и имеют тенденцию следовать по крутым горным каналам, которые выходят на аллювиальные конусы или поймы рек . Передняя часть, или «голова» селевого потока, часто содержит обилие грубого материала, такого как валуны и бревна, которые создают большое трение . За головкой потока с высоким коэффициентом трения следует тело потока с низким коэффициентом трения, в основном сжиженное, содержащее более высокий процент песка , ила и глины. Эти мелкие отложения помогают сохранять высокое давление поровой жидкости, что повышает подвижность селевых потоков. В ряде случаев за телом потока следует более водянистый хвост, переходящий в сверхконцентрированный поток ручья. Потоки мусора имеют тенденцию двигаться серией импульсов или дискретных всплесков, при этом каждый импульс или всплеск имеет характерную начало, тело и хвост.
На местности легко распознаются селевые отложения. Они составляют значительную часть многих аллювиальных конусов и конусов обломков вдоль крутых горных склонов. Полностью обнаженные отложения обычно имеют лопастную форму с богатыми валунами выступами, а боковые края селевых отложений и дорожек обычно отмечены наличием боковых дамб, богатых валунами . Эти естественные дамбы образуются, когда относительно подвижные, разжиженные, мелкозернистые обломки в теле обломков стекают в сторону от грубых обломков с высоким коэффициентом трения, которые собираются в головках селевых потоков в результате разделения зерен по размерам (известное явление в механике зернистых материалов). ). Боковые дамбы могут ограничивать пути последующих селевых потоков, а наличие более старых дамб дает некоторое представление о масштабах предыдущих селевых потоков на определенной территории. Датируя деревья, произрастающие на таких отложениях, можно оценить приблизительную частоту разрушительных селевых потоков. Это важная информация для освоения территорий в районах, где селевые потоки являются обычным явлением. Древние селевые отложения, обнаженные только в обнажения труднее распознать, но они обычно характеризуются наложением зерен сильно различающихся форм и размеров. Эта плохая сортировка зерен отложений отличает отложения селей от большинства отложений, отложенных водой.
Типы
[ редактировать ]Другим геологическим потокам, которые можно охарактеризовать как селевые потоки, обычно дают более конкретные названия. К ним относятся:
Лава
[ редактировать ]Лахар — это селевой поток , каким-то образом связанный с вулканической деятельностью либо непосредственно в результате извержения, либо косвенно в результате обрушения рыхлого материала на склонах вулкана. Спровоцировать лахар могут различные явления, в том числе таяние ледникового льда, обрушение сектора , интенсивные дожди на рыхлый пирокластический материал или прорыв озера, которое ранее было перекрыто плотиной пирокластических или ледниковых отложений. Слово лахар имеет индонезийское происхождение, но в настоящее время оно регулярно используется геологами всего мира для описания вулканогенных селевых потоков. Почти все крупнейшие и наиболее разрушительные селевые потоки на Земле — это лахары, берущие начало в вулканах. Примером может служить лахар, затопивший город Армеро в Колумбии.
Ледник
[ редактировать ]Йокульхлауп – это ледниковое наводнение. Jökulhlaup — исландское слово, и в Исландии многие ледниковые наводнения вызваны подледными извержениями вулканов. (Исландия расположена на вершине Срединно-Атлантического хребта, который образован цепью преимущественно подводных вулканов). В других местах более распространенной причиной йёкульхлаупов является прорыв озер, запруденных льдом или мореной . Такие прорывы часто вызываются внезапным откалыванием ледникового льда в озеро, что затем приводит к тому, что волна смещения прорывает морену или ледяную плотину. Вниз по долине от места разлома йёкульхлауп может значительно увеличиться в размерах за счет увлечения рыхлыми отложениями из долины, через которую он движется. Обширный унос может привести к тому, что наводнение превратится в селевой поток. Расстояния поездок могут превышать 100 км.
Теории и модели селевых потоков
[ редактировать ]селевых потоков использовалось множество различных подходов Для моделирования свойств, кинематики и динамики . [ 4 ] Некоторые из них перечислены здесь.
- Реологические модели, применимые к селевым потокам, рассматривают селевые потоки как однофазные гомогенные материалы (примеры: Бингама , вязкопластичная жидкость , Бэгнольда типа дилатантная жидкость , тиксотропная и т. д.).
- Волна прорыва плотины, например, Хант, [ 5 ] Сонг и др. [ 6 ]
- Катящаяся волна, например, Такахаши, [ 7 ] Дэвис [ 8 ]
- Прогрессивная волна [ 9 ]
- Разновидность переводящей каменной плотины. [ 10 ]
Калибровка и проверка таких сложных моделей требуют хорошо документированных данных полевых исследований или мельчайших лабораторных экспериментов. [ 11 ] [ 12 ]
Двухфазный
[ редактировать ]Теория смеси , первоначально предложенная Айверсоном. [ 2 ] а позже принятая и модифицированная другими, селевые потоки рассматриваются как двухфазные смеси твердого тела и жидкости.
В реальных двухфазных (мусорных) массовых потоках существует сильная связь между твердого тела и жидкости передачей импульса твердого тела , при которой нормальное напряжение уменьшается за счет плавучести , что, в свою очередь, уменьшает сопротивление трения , увеличивает градиент давления и уменьшает перетащите твердый компонент. Плавучесть является важным аспектом двухфазного селевого потока, поскольку она увеличивает подвижность потока (увеличивает расстояние перемещения) за счет снижения сопротивления трения в смеси . Плавучесть присутствует до тех пор, пока в смеси есть жидкость. [ 13 ] Это уменьшает твердое нормальное напряжение, твердое боковое нормальное напряжение и базальное напряжение сдвига (таким образом, сопротивление трения) в раз ( ), где плотностей – соотношение жидкой и твердой фаз. Эффект существенен, когда соотношение плотностей ( ) велика (например, в естественном селе).
Если поток имеет нейтральную плавучесть, т.е. , (см., например, Bagnold, [ 14 ] 1954) масса обломков псевдоожижается и перемещается на большие расстояния. Это может произойти в высоковязких природных селевых потоках. [ 15 ] Для течений с нейтральной плавучестью исчезает кулоновское трение , исчезает боковой градиент твердого давления, коэффициент сопротивления равен нулю, а также исчезает влияние базального наклона на твердую фазу. В этом предельном случае единственная оставшаяся твердая сила возникает из-за гравитации и, следовательно, силы, связанной с плавучестью. В этих условиях гидродинамической поддержки частиц жидкостью масса мусора полностью псевдоожижена (или смазана ) и движется очень экономично, способствуя перемещению на большие расстояния. По сравнению с плавучим потоком поток с нейтральной плавучестью ведет себя совершенно иначе. В последнем случае твердая и жидкая фазы движутся совместно, основная масса мусора ожижается, фронт перемещается существенно дальше, хвост отстает, а общая высота потока также уменьшается. Когда , поток не испытывает эффекта плавучести. Тогда эффективное напряжение сдвига трения для твердой фазы будет таким же, как для чистого зернистого потока. В этом случае сила, возникающая из-за градиента давления, изменяется, сопротивление становится высоким, и влияние виртуальной массы исчезает в импульсе твердого тела. Все это приводит к замедлению движения .
Предотвращение повреждений
[ редактировать ]
Чтобы предотвратить попадание селевых потоков на имущество и людей, можно соорудить мусорный бак. Бассейны для мусора предназначены для защиты почвы и водных ресурсов или предотвращения ущерба ниже по течению. Такие конструкции считаются крайней мерой, поскольку их строительство дорогое и требует ежегодного обслуживания. [ 17 ] Кроме того, селевые бассейны могут удерживать только селевые потоки части ручьев, дренирующих горную местность.
Перед ураганом, который потенциально может вызвать селевые потоки, системы прогнозирования часто могут количественно оценить вероятность того, что селевой поток может возникнуть в водоразделе; [ 18 ] тем не менее, по-прежнему сложно предсказать количество мобилизованных отложений и, следовательно, общий размер селевых потоков, которые могут образоваться в результате данного шторма, а также будут ли селевые бассейны способны защитить населенные пункты, расположенные ниже по течению. Эти проблемы делают селевые потоки особенно опасными для жителей горных районов. [ 19 ]
В популярной культуре
[ редактировать ]В 1989 году в рамках своей масштабной постановки « Соединённые Штаты Дэвида Гордона» , а позже, в 1999 году, в рамках «Автобиографии лжеца» , хореограф Дэвид Гордон соединил музыку Гарри Партча и слова Джона Макфи из «Контроля над «Природа» , прочитанная Нормой Файер, в танце под названием «Поток мусора», «мучительный записанный на пленку рассказ об испытаниях семьи в огромном Лос-Анджелесе». оползень..." [ 20 ]
См. также
[ редактировать ]- Коллювий
- Иллхорн , под которым находится Ильграбен, популярное туристическое место из-за селей.
- Реология
Ссылки
[ редактировать ]Примечания
[ редактировать ]- ^ Д. М. Мортон, Р. М. Альварес и Р. Х. Кэмпбелл. «Предварительные карты восприимчивости почвы к оползню, Юго-Западная Калифорния» (Отчет из открытого файла от 17 марта Геологической службы США, 2003 г.)
- ^ Перейти обратно: а б «Айверсон, Р.М., 1997, Физика селевых потоков, Обзоры геофизики, 35 (3): 245–296» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 3 июня 2013 г. Проверено 18 октября 2013 г.
- ^ Пирсон, Томас К. Различие между селями и наводнениями на основе полевых данных в небольших водоразделах . Министерство внутренних дел США, Геологическая служба США, 2005 г.
- ^ Трухильо-Вела, Марио Херман; Рамос-Каньон, Альфонсо Мариано; Эскобар-Варгас, Хорхе Альберто; Галиндо-Торрес, Серхио Андрес (2022). «Обзор математического моделирования селей» . Обзоры наук о Земле . 232 : 104135. Бибкод : 2022ESRv..23204135T . doi : 10.1016/j.earscirev.2022.104135 . S2CID 251268686 .
- ^ Хант, Б. (1982). «Асимптотическое решение проблем прорыва плотин». Jl из Гида. Отдел, Труды, ASCE, Том. 108, № HY1, стр. 115–126.
- ^ Юбер Шансон , Себастьен Жарни и Филипп Куссо (2006). «Волна прорыва плотины тиксотропной жидкости» . Журнал гидротехники . 132 (3): 280–293. дои : 10.1061/(ASCE)0733-9429(2006)132:3(280) .
- ^ Такахаши, Т. (1981). «Селевой поток» . Ежегодный обзор механики жидкости . 13 : 57–77. Бибкод : 1981АнРФМ..13...57Т . дои : 10.1146/annurev.fl.13.010181.000421 .
- ^ Дэвис, TRH (1986). «Крупные селевые потоки: явление макровязкости» . Акта Механика . 63 (1–4): 161–178. дои : 10.1007/BF01182546 . S2CID 122217532 .
- ^ Хунгр, О. 2000. Анализ селевых нагонов с использованием теории равномерно прогрессивного потока . Процессы на поверхности Земли и формы рельефа , 25, 483–495.
- ^ Коулман, П.Ф., 1993. Новое объяснение селевого потока. явления (аннотация), Eos Trans. АГУ, 74(16), Весна Встретиться. Приложение, 154.
- ^ Базельт, Иво; Оливейра, Густаво К. де; Фишер, Ян-Томас и Пудасаини, Шива П. (2021). «Эволюция каменистых селей в лабораторных экспериментах». Геоморфология . 372 : 107431. Бибкод : 2021Geomo.37207431B . дои : 10.1016/j.geomorph.2020.107431 . S2CID 225111202 .
- ^ Базельт, Иво; Оливейра, Густаво К. де; Фишер, Ян-Томас и Пудасаини, Шива П. (2022). «Морфология отложений в крупномасштабных лабораторных каменистых селях». Геоморфология . 396 : 107992. Бибкод : 2022Geomo.39607992B . дои : 10.1016/j.geomorph.2021.107992 . S2CID 239137775 .
- ^ Э.Б., Питман; Л. Ле (2005). «Двухжидкостная модель лавин и селевых потоков». Философские труды Королевского общества А. 363 (1832): 1573–1602. Бибкод : 2005RSPTA.363.1573P . дои : 10.1098/rsta.2005.1596 . ПМИД 16011934 . S2CID 17779815 .
- ^ Р. А. Бэгнольд (1954). «Опыты по негравитационному диспергированию крупных твердых сфер в ньютоновской жидкости под действием сдвига». Труды Королевского общества А. 225 (1160): 49–63. Бибкод : 1954RSPSA.225...49B . дои : 10.1098/rspa.1954.0186 . S2CID 98030586 .
- ^ Б.В., МакАрделл и П. Бартелт, Дж. Ковальски (2007). «Полевые наблюдения за базальными силами и поровым давлением жидкости в селевом потоке» . Геофиз. Рез. Летт . 34 (7): L07406. Бибкод : 2007GeoRL..34.7406M . дои : 10.1029/2006GL029183 .
- ^ Якоб, Матиас; Хунгр, Олдрич (2005). Селевые опасности и связанные с ними явления . Спрингер. стр. 38–39. Бибкод : 2005dfhr.book.....J . ISBN 3-540-20726-0 .
- ^ «Мусорные бассейны» . Служба рыболовства и дикой природы США. Архивировано из оригинала 27 мая 2016 года . Проверено 30 января 2013 г.
- ^ Стейли, Д.М., Негри, Дж.А., Кин, Дж.В., Лабер, Дж.Л., Тиллери, А.К. и Юберг, А.М., 2017. Прогнозирование пространственно явных пороговых значений интенсивности и продолжительности осадков для образования селевых потоков после пожара на западе Соединенных Штатов. Геоморфология, 278, стр. 149-162.
- ^ Кин, Дж.В.; Стейли, DM; Ланкастер, Джей Ти; Ренгерс, ФК; Суонсон, Би Джей; Коу, Дж.А.; Эрнандес, Дж.Л.; Сигман, Эй Джей; Альштадт, Кентукки ; Линдси, DN (01 августа 2019 г.). «Наводнение, динамика потока и ущерб в результате селевого потока в Монтесито 9 января 2018 года, Калифорния, США: возможности и проблемы для оценки риска после лесных пожаров» . Геосфера . 15 (4): 1140–1163. Бибкод : 2019Geosp..15.1140K . дои : 10.1130/GES02048.1 . ISSN 1553-040X . S2CID 197584816 . Геологическая служба США 70203874 .
- ^ Тобиас, Тоби. «Танец: сжигание флага» Нью-Йорк (20 ноября 1989 г.), стр.116; Джовитт, Дебора. «Спешите вперед. Оглянитесь назад». Архивировано 13 декабря 2014 г. в Wayback Machine Village Voice (21 декабря 1999 г.).
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- Макфи, Джон . Контроль над природой . Нью-Йорк: Noonday Press (Фаррар, Штраус и Жиру, 1989). ISBN 0-374-12890-1 )
Внешние ссылки
[ редактировать ]
- Станция наблюдения и исследования селевых потоков Дунчуань, Китай
- Видеодокументация экспериментов на селевом лотке Геологической службы США, Орегон, США
- Массовые движения. Раздел информационной платформы «Природные опасности в Швейцарии» [ постоянная мертвая ссылка ]
- Информация штата Вашингтон о потоках мусора и сопутствующие материалы
- Ассоциация селевых потоков