Селевой поток - Debris flow

Селевой канал с отложениями, оставшимися после 2010 штормы в Ладакх, Северо-запад Индийских Гималаев. Борта канала образуют грубые валунные дамбы. На дне канала лежат плохо отсортированные породы.
Селевой поток в Сен-Жюльен-Мон-Дени, Франция, Июль 2013
Шрамы, образовавшиеся в результате селей в Вентуре, большой Лос-Анджелес, зимой 1983 года. Фотография была сделана в течение нескольких месяцев после селей.[1]

Селевые потоки геологические явления, в которых водные массы почва и фрагментированный Скала мчаться по горным склонам, врезаться в ручей каналы, увлекают объекты на своем пути и образуют толстые илистые отложения на дне долин. У них обычно есть насыпные плотности сравнимо с таковыми из каменные лавины и другие виды оползни (примерно 2000 килограммов на кубический метр), но из-за обширных отложений разжижение вызвано высоким давление поровой жидкости, они могут течь почти так же плавно, как вода.[2] Селевые потоки, 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. Объемы крупнейших доисторических потоков превышали 1 миллиард кубических метров (то есть 1 кубический километр). Из-за высокой концентрации наносов и их подвижности селевые потоки могут быть очень разрушительными.

Известные стихийные бедствия двадцатого века, связанные с селевыми потоками, привели к гибели более 20 000 человек в Армеро, Колумбия в 1985 г. и десятки тысяч в Государство Варгас, Венесуэла в 1999 году.

Особенности и поведение

Селевые потоки имеют объемные осадок концентрации более 40-50%, а остальная часть объема потока состоит из воды. По определению, «обломки» включают зерна отложений различной формы и размера, обычно от микроскопических до микроскопических. глина частицы к большим валуны. В сообщениях СМИ часто используется термин селевой поток для описания селевых потоков, но настоящие сели состоят в основном из зерен размером меньше песок. На земной поверхности сели встречаются гораздо реже, чем селевые потоки. Однако на подводных лодках преобладают подводные сели. континентальные окраины, где они могут появиться токи мутности. Селевые потоки в лесных районах могут содержать большое количество древесный мусор например, бревна и пни. Водные паводки, богатые наносами, с концентрацией твердых веществ в диапазоне от 10 до 40% ведут себя несколько иначе, чем селевые потоки, и известны как сверхконцентрированный наводнения.[3] Нормальные водотоки 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 быть связаны с сильными дождями или землетрясениями. Во всех случаях главные условия, необходимые для возникновения селевого потока, включают наличие склонов круче примерно 25 градусы наличие обильного рыхлого осадка, почвы или выветрившейся породы и достаточного количества воды, чтобы привести этот рыхлый материал в состояние почти полного насыщения (с заполнением всего порового пространства). Как показывает опыт южной Калифорнии, селевые потоки могут быть более частыми после лесных и кустарниковых пожаров. Они представляют значительную опасность во многих крутых горных районах и привлекают особое внимание в Японии, Китае, Тайване, США, Канаде, Новой Зеландии, на Филиппинах, в Европейских Альпах, России и Казахстане. В Японии большой селевой поток или оползень называется Ямацунами (山 津 波 ), буквально гора цунами.

Отложения древних селевых потоков на перевале Рестинг-Спрингс, Калифорния

Селевые потоки ускоряются под действием силы тяжести и, как правило, движутся по крутым горным каналам, выходящим на аллювиальные вееры или поймы. Передняя часть, или «голова» селей, часто содержит обилие грубого материала, такого как валуны и бревна, которые передают большое количество трение. За головкой потока с высоким коэффициентом трения следует тело потока с меньшим трением, в основном сжиженное, которое содержит более высокий процент песок, ил и глина. Эти мелкие отложения помогают удерживать высокое давление поровой жидкости, что увеличивает подвижность селей. В некоторых случаях за телом потока следует более водянистый хвост, который переходит в сверхконцентрированный поток. Селевые потоки имеют тенденцию двигаться сериями импульсов или дискретных скачков, при этом каждый импульс или волна имеет отличительную головку, тело и хвост.

Сел в Ладакхе, вызванный штормом в 2010 году. Плохая сортировка и дамб. На заднем плане виден крутой водосбор.

Селевые отложения легко распознаются в поле. Они составляют значительную часть многих наносных вееров и конусы мусора по крутым горным склонам. Полностью обнаженные отложения обычно имеют лопастную форму с обильными валунами мордами, а боковые границы отложений и троп селей обычно отмечены наличием богатых валунами боковых сторон. дамбы. Эти естественные дамбы образуются, когда относительно подвижный, сжиженный, мелкозернистый мусор в теле обломков течет в сторону от крупных обломков с высоким коэффициентом трения, которые собираются в головках для отвода мусора в результате сегрегации по размеру зерен (знакомое явление в гранулярная механика ). Боковые дамбы могут ограничивать пути последующих селей, а наличие более старых дамб позволяет получить некоторое представление о масштабах предыдущих селевых потоков в конкретном районе. Посредством датировки деревьев, растущих на таких отложениях, можно приблизительно оценить частоту разрушительных селевых потоков. Это важная информация для освоения земель в районах, где часто встречаются селевые потоки. Древние селевые отложения, обнаженные только в обнажения их труднее распознать, но обычно для них характерно сопоставление зерен с сильно различающимися формами и размерами. Этот бедный сортировка крупинок наносов отличает селевые отложения от большинства отложений, отложенных водой.

Типы

Другой геологический потокам, которые можно охарактеризовать как селевые потоки, обычно дают более конкретные названия. Они включают:

Лахар

Основная статья: лахар

А лахар это селевой поток, каким-то образом связанный с вулканическая активность, либо прямо в результате извержения, либо косвенно в результате обрушения рыхлого материала на склонах вулкана. Спровоцировать лахар могут различные явления, включая таяние ледникового льда, интенсивные дожди на рыхлых участках. пирокластический материал или прорыв озера, которое ранее было перекрыто пирокластическими или ледниковыми отложениями. Слово лахар имеет индонезийское происхождение, но в настоящее время оно обычно используется геологами во всем мире для описания потоков вулканогенных селей. Почти все крупнейшие и самые разрушительные селевые потоки на Земле - это лахары, которые берут начало на вулканах. Примером может служить лахар, затопивший город Армеро, Колумбия.

Jökulhlaup

Основная статья: Jökulhlaup

А Jökulhlaup это ледниковый прорыв. Йокульхлауп - это исландское слово, и в Исландии многие ледниковые прорывы вызваны извержениями подледниковых вулканов. (Исландия расположена на вершине Срединно-Атлантического хребта, который образован цепью в основном подводных вулканов). В других местах более частой причиной йёкулхлаупов является прорыв ледяной плотины или морена Проклятые озера. Такие события прорыва часто вызываются внезапным отколом ледникового льда в озеро, которое затем вызывает волну смещения, прорывающую морену или ледяную плотину. Внизу от точки прорыва, jökulhlaup может значительно увеличиться в размере через увлечение рыхлого осадка из долины, по которой он движется. Обильный унос может привести к тому, что наводнение превратится в селевой поток. Расстояния проезда могут превышать 100 км.

Теории и модели селевых потоков

Для моделирования свойств селей использовалось множество различных подходов, кинематика, и динамика. Некоторые из них перечислены здесь.

  • Реологические модели, применяемые к селевым потокам, рассматривают селевые потоки как однофазные однородные материалы (примеры включают: Bingham, вязкопластичный, Типа Багнольда дилатантная жидкость, тиксотропный, так далее.)
  • Волна прорыва плотины, например Охота,[4] Шансон и др.[5]
  • Катящаяся волна, например, Такахаши,[6] Дэвис[7]
  • Прогрессивная волна[8]
  • Тип переводящей каменной дамбы[9]

Двухфазный

В теория смеси, первоначально предложенный Айверсоном[2] и позже принят и модифицирован другими, рассматривает потоки селей как двухфазные твердые и жидкие смеси.

В реальных двухфазных (обломочных) массовых потоках существует сильная связь между твердый и жидкость передача импульса, где нормаль твердого тела стресс уменьшается на плавучесть, что, в свою очередь, уменьшает фрикционный сопротивление, усиливает градиент давления, и уменьшает тянуть на твердом компоненте. Плавучесть является важным аспектом двухфазного обломочного потока, поскольку она увеличивает подвижность потока (увеличивая расстояние перемещения) за счет снижения сопротивления трения в смесь. Плавучесть присутствует, пока в смеси есть жидкость.[10] Он снижает твердое нормальное напряжение, твердое поперечное нормальное напряжение и базальное напряжение сдвига (таким образом, сопротивление трения) на коэффициент (), где это плотность соотношение между жидкой и твердой фазами. Эффект существенный, когда отношение плотностей () большая (например, в естественном селе).

Если поток нейтрально плавучий, т. Е. , (см., например, Bagnold,[11] 1954) масса обломков псевдоожижается и перемещается на большие расстояния. Это может произойти в очень вязкий естественные селевые потоки.[12] Для нейтрально плавучих течений Кулоновское трение исчезает, боковой градиент твердого давления исчезает, коэффициент сопротивления равен нулю, и эффект базального наклона для твердой фазы также исчезает. В этом предельный случай, единственная оставшаяся твердая сила связана с сила тяжести, и, следовательно, сила, связанная с плавучестью. гидродинамический поддержка частицы жидкостью масса обломков полностью псевдоожижается (или смазанный ) и перемещается очень экономично, способствуя дальним поездкам. По сравнению с плавучим потоком нейтрально плавучий поток ведет себя совершенно иначе. В последнем случае твердая и жидкая фазы движутся вместе, основная масса обломков псевдоожижается, передняя часть перемещается значительно дальше, хвост отстает, и общая высота потока также уменьшается. Когда , поток не испытывает эффекта плавучести. Тогда эффективное напряжение сдвига при трении для твердой фазы равно напряжению чистого гранулированный течь. В этом случае сила из-за градиента давления изменяется, сопротивление велико, и влияние виртуальной массы исчезает в импульсе твердого тела. Все это приводит к замедлению движение.

Алматы, Казахстан, после катастрофического селей 1921 года. Ряд объектов, в том числе Плотина Медеу, были построены с тех пор, чтобы предотвратить попадание подобных потоков в город.[13]

Предотвращение повреждений

Чтобы предотвратить попадание селей на имущество и людей, можно построить бассейн для мусора. Бассейны для мусора предназначены для защиты почвы и водных ресурсов или предотвращения повреждений в нижнем течении. Такие конструкции считаются крайней мерой, потому что они дороги в строительстве и требуют ежегодного обслуживания.[14] Кроме того, водосборные бассейны могут удерживать селевые потоки только из части ручьев, дренирующих гористую местность.

Перед штормом, который потенциально может вызвать зарождение селевых потоков, системы прогнозирования часто могут количественно оценить вероятность того, что селевой поток может произойти в водоразделе;[15] тем не менее, по-прежнему сложно предсказать количество мобилизованных наносов и, следовательно, общий размер селевых потоков, которые могут образоваться при данном шторме, а также будут ли бассейны для мусора способными защитить сообщества, расположенные ниже по течению. Эти проблемы делают селевые потоки особенно опасными для жителей горных районов.[16]

В популярной культуре

В 1989 году в рамках его масштабного произведения Соединенные Штаты Дэвида Гордона, а позже, в 1999 г., в рамках Автобиография лжеца, хореограф Дэвид Гордон объединил музыку Гарри Партч и слова Джон Макфи от Контроль над природой, прочитанная Нормой Файер, в танце под названием "Debris Flow", "мучительном записанном на пленку повествовании о семейном испытании во время массивного оползня в Лос-Анджелесе ..."[17]

Смотрите также

  • Коллювий
  • Illhorn, ниже которого находится Илльграбен, популярное туристическое место с селевых потоков.
  • Реология

использованная литература

Заметки

  1. ^ D.M. Мортон, Р. Альварес и Р.Х. Кэмпбелл. «ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЕ КАРТЫ УСТОЙЧИВОСТИ ПОЧВЫ, ЮГО-ЗАПАДНАЯ КАЛИФОРНИЯ» (Отчет открытого файла от 03-17 USGS 2003)
  2. ^ а б "Айверсон, Р.М., 1997, Физика селевых потоков, Обзоры геофизики, 35 (3): 245–296" (PDF). Архивировано из оригинал (PDF) на 2013-06-03. Получено 2013-10-18.
  3. ^ Пирсон, Томас С. Отличие селевых потоков от паводков по полевым свидетельствам в небольших водосборах. Министерство внутренних дел США, Геологическая служба США, 2005 г.
  4. ^ Хант, Б. (1982). «Асимптотическое решение проблем прорыва плотины». Jl Hyd. Div., Proceedings, ASCE, Vol. 108, No. HY1, стр. 115–126.
  5. ^ Хьюберт шансон, Себастьян Ярни 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).
  6. ^ Takahashi, T., 1981. Селевой поток, Annu. Rev. Fluid Mech., 13, 57–77.
  7. ^ Дэвис, T.R.H. 1986. Крупные селевые потоки: проблема макровязкости. Acta Mechanica, 63, 161–178.
  8. ^ Hungr, О. 2000. Анализ нагонов селей с использованием теории равномерно поступательного потока.. Процессы земной поверхности и формы рельефа, 25, 483–495
  9. ^ Коулман, П. Ф., 1993. Новое объяснение явлений селей (аннотация), Eos Trans. АГУ, 74 (16), SpringMeet. Приложение, 154.
  10. ^ Э. Б., Питман; Л. Ле (2005). «Двухжидкостная модель лавинно-селевых потоков». Философские труды Королевского общества A. 363 (1832): 1573–1602. Bibcode:2005RSPTA.363.1573P. Дои:10.1098 / rsta.2005.1596. PMID  16011934. S2CID  17779815.
  11. ^ Р. А. Багнольд (1954). «Эксперименты по рассеиванию без гравитации больших твердых сфер в ньютоновской жидкости при сдвиге». Труды Королевского общества А. 225 (1160): 49–63. Bibcode:1954RSPSA.225 ... 49B. Дои:10.1098 / rspa.1954.0186. S2CID  98030586.
  12. ^ Б. В., Макарделл и П. Бартельт, Дж. Ковальский (2007). «Полевые наблюдения базальных сил и порового давления жидкости в селевом потоке». Geophys. Res. Латыш. 34 (7): L07406. Bibcode:2007GeoRL..34,7406M. Дои:10.1029 / 2006GL029183.
  13. ^ Якоб, Матиас; Hungr, Oldrich (2005). Опасность селей и связанные с ними явления. Опасности, связанные с селевыми потоками, и связанные с ними явления. Springer. С. 38–39. Bibcode:2005dfhr.book ..... J. ISBN  3-540-20726-0.
  14. ^ «Мусорные бассейны». Служба рыболовства и дикой природы США. Получено 30 января 2013.
  15. ^ Стейли Д.М., Негри Дж. А., Кин Дж. У., Лабер Дж. Л., Тиллери А. К. и Юберг А. М., 2017. Прогнозирование пространственно явных пороговых значений интенсивности и продолжительности дождя для образования селевых потоков после пожаров в западных Соединенных Штатах. Геоморфология, 278, с. 149-162.
  16. ^ Кин, Дж. У., Стейли, Д. М., Ланкастер, Дж. Т., Ренгерс, Ф. К., Суонсон, Б. Дж., Коу, Дж. А., Эрнандес, Дж. Л., Сигман, А. Дж., Олштадт, К. и Линдсей, Д.Н., 2019. Затопление, динамика потока и ущерб в результате селей в Монтесито 9 января 2018 г., Калифорния, США: возможности и проблемы для оценки риска после лесных пожаров. Геосфера, 15 (4), с. 1140-1163.
  17. ^ Тобиас, Тоби. «Танец: сжигание флага» Нью-Йорк (20 ноября 1989 г.), стр.116; Джовитт, Дебора. «Беги вперед. Оглянись назад». Village Voice (21 декабря 1999 г.)

дальнейшее чтение

внешние ссылки