Конус выноса

Конус выноса — это скопление осадков, расходящееся веерообразно от концентрированного источника, например, от узкого каньона, выходящего из эскарпа. Эта формация напоминает участок неглубокого конуса^[1], с вершиной в месте выхода осадков^[2].

Размеры конусов выноса сильно варьируются: от нескольких метров у основания до 150 км в поперечнике, с уклоном от 1,5 до 25 градусов^[1]. Некоторые гигантские конусы выноса достигают площади почти 20 000 км²^[3]. Уклон, измеряемый от вершины, обычно вогнутый: самый крутой участок — у вершины (проксимальный конус^[4] или голова конуса^[5]), далее уклон уменьшается (медиальный конус или средний конус), а на краях становится ещё более пологим (дистальный конус или внешний конус). Ситовидные отложения — лопасти крупной гальки — могут присутствовать на проксимальной части. Осадки в конусе выноса обычно крупные и плохо отсортированы, при этом самые крупные частицы находятся ближе к вершине^[6][7].

Если на аллювиальной равнине достаточно места для свободного распространения всех осадков без контакта с другими стенками долины или реками, формируется неограниченный конус выноса. В этом случае осадки свободно расходятся, и форма конуса не зависит от других топографических особенностей. Если же равнина ограничена, и конус соприкасается с топографическими барьерами, формируется ограниченный конус выноса^[8].

Волновая или речная эрозия края конуса (боковая эрозия) иногда приводит к образованию «обрезанного носка», когда край конуса отмечен небольшим эскарпом^[9]. Такие конусы могут фиксировать климатические изменения или тектонические процессы, а боковая эрозия может повышать потенциал конуса как водоносного горизонта или нефтяного резервуара^[10]. Конусы с обрезанным носком на Марсе свидетельствуют о существовании древних речных систем^[11].

Когда множество рек и ручьёв выходят из гор на равнину, их конусы могут сливаться, образуя сплошной покров — бахада или предгорную аллювиальную равнину^[12][13].

Конусы выноса обычно формируются там, где ограниченный питающий канал выходит на передний край гор^[14][15] или на край ледника^[6]. При выходе потока из канала на поверхность конуса он может растекаться по широким, мелким каналам или просачиваться в поверхность, что снижает транспортирующую способность потока и приводит к осаждению материала^[15].

Поток в проксимальной части конуса, где уклон максимален, обычно ограничен одним каналом^[6] (траншея головы конуса^[3]), который может достигать глубины до 30 метров^[6]. Этот канал может быть заблокирован накопившимися осадками или селями, что приводит к периодическим прорывам потока из старого канала (узловая авульсия) и смещению на участок конуса с более крутым уклоном, где осаждение возобновляется^[15]. В результате обычно активна только часть конуса, а покинутые участки могут подвергаться почвообразованию или эрозии^[6].

Конусы выноса могут быть доминированы селевыми потоками (селевые конусы) или речным потоком (флювиальные конусы)^[4][16][17]. Тип конуса определяется климатом, и типом коренных пород в области, питающей поток^[18].

Селевые конусы получают большую часть осадков в виде селевых потоков. Селевые потоки — это суспензии воды и частиц всех размеров, от глины до валунов, напоминающие жидкий бетон. Они характеризуются наличием предельного напряжения сдвига: при низких скоростях потока вязкость высока, но с увеличением скорости вязкость снижается. Это означает, что селевой поток может остановиться даже на умеренно наклонённой поверхности, после чего он уплотняется под собственным весом^[19].

Селевые конусы встречаются во всех климатах, но чаще там, где исходная порода — аргиллит или матрично-обогащённый сапролит, а не более грубый и проницаемый реголит. Изобилие мелкозернистых осадков способствует начальной дестабилизации склонов и последующему когезионному движению селевого потока^[20]. Насыщение глинистого коллювия локальными ливнями инициирует обрушение склонов. Образовавшийся селевой поток движется по питающему каналу и выходит на поверхность конуса^[21].

Селевые конусы имеют сеть в основном неактивных распределительных каналов в верхней части, переходящих в лопасти средней и нижней части. Каналы обычно заполняются последующими когезионными селями. Обычно активна только одна лопасть, а неактивные могут покрываться пустынным лаком или почвенным профилем, формирующимся за счёт эоловых отложений за 1 000-10 000 лет^[22]. Благодаря высокой вязкости селевые потоки ограничиваются проксимальной и медиальной частью даже в селедоминантных конусах, а в дистальной части преобладают паводки^[23]. Однако некоторые селедоминантные конусы в засушливом климате почти полностью состоят из селевых потоков и гравийных остатков, образовавшихся в результате эолового выдувания, без признаков паводковых или ситовидных отложений^[24]. Такие конусы обычно крутые и слабо заселены растительностью^[25].

Флювиальные конусы (доминирующие речным потоком) получают большую часть осадков в виде речного потока, а не селевых потоков. Они менее резко отличаются от обычных речных отложений, чем селевые конусы^[14].

Флювиальные конусы формируются там, где имеется постоянный, сезонный или эпизодический речной поток, питающий систему распределительных каналов на конусе. В засушливом или полузасушливом климате осаждение обусловлено редкими, но интенсивными дождями, вызывающими внезапные паводки в питающем канале^[23]. Это приводит к листовым паводкам на конусе, когда насыщенная осадками вода выходит за пределы канала и растекается по поверхности. Такие потоки могут быть гиперконцентрированными (20-45 % осадков), промежуточными между листовыми паводками (≤20 %) и селями (>45 %)^[25]. После спада паводка часто остаётся гравийный остаток, напоминающий сеть разветвлённых русел^[23].

При более постоянном потоке, например, при весеннем таянии снега, врезанные каналы высотой 1-4 м формируют сеть разветвлённых русел^[25]. Такие конусы имеют меньший уклон, но могут быть огромными^[23]. Примеры гигантских флювиальных конусов — Коси и другие вдоль Гималаев на Индо-Гангской равнине, иногда называемые мегафанами^[26]. Здесь движение по Главному Гималайскому разлому за последние 10 млн лет сосредоточило сток с 750 км горного фронта в трёх огромных конусах^[3].

Конусы выноса широко распространены в геологической летописи, особенно до появления наземных растений в середине палеозоя^[27]. Они характерны для тектонически ограниченных котловин и могут достигать толщины 5 000 м из-за тектонического опускания котловины и поднятия горного фронта. Большинство из них окрашены в красный цвет из-за образования гематита при диагенетическом изменении железосодержащих минералов в окислительной среде. Примеры древних конусов — Триасовые бассейны восточной Северной Америки, Новый красный песчаник южного Девона^[23], Девонский бассейн Хорнелен в Норвегии и девонско-карбоновые отложения на полуострове Гаспе в Канаде^[27]. Такие отложения, вероятно, содержат крупнейшие скопления гравия в геологической истории^[28].

В конусах выноса встречаются различные типы осадочных отложений (фации).

Конусы выноса характеризуются грубым материалом, причём по мере удаления от вершины размер частиц уменьшается. Галька часто ориентирована с наклоном к вершине^[23]. Отложения обычно демонстрируют хорошо выраженную обратную градацию: более мелкие осадки откладываются по краям, но по мере роста конуса всё более крупные осадки перекрывают более ранние мелкие. Однако некоторые конусы показывают нормальную градацию, что указывает на неактивность или даже регресс конуса, когда всё более мелкие осадки перекрывают более ранние крупные. Последовательности нормальной или обратной градации могут достигать сотен и тысяч метров толщины^[27]. Для конусов выноса описаны фации селевых потоков, листовых паводков и верхнережимных паводков, ситовидных отложений и разветвлённых русел, каждая из которых оставляет характерные осадочные структуры, распознаваемые геологами^[23][29].

Отложения селевых потоков распространены в проксимальной и медиальной части^[23]. Они лишены осадочных структур, кроме редкой обратной градации у основания, и плохо отсортированы^[30]. В проксимальной части могут встречаться гравийные лопасти, интерпретируемые как ситовидные отложения, где сток быстро инфильтрируется, оставляя только крупный материал. Однако эти лопасти также трактуются как отложения селевых потоков^[30]. Конгломераты, образовавшиеся как селевые потоки на конусах выноса, называют фангломератами^[31].

Речные отложения обычно пластинчатые, лучше отсортированы, чем селевые, и иногда имеют хорошо выраженные структуры, такие как косая слоистость. Они преобладают в медиальной и дистальной части^[25]. В дистальной части, где каналы очень мелкие и разветвлённые, речные отложения представлены песчаными прослоями с плоской и желобчатой косой слоистостью^[32]. Медиальная часть флювиального конуса почти не отличается по фациям от обычных речных сред, поэтому идентификация древних конусов выноса основывается на радиальной палеоморфологии в предгорных условиях^[33].

Конусы выноса характерны для горных районов в засушливом и полузасушливом климате^[34][6], но встречаются и во влажных областях, подверженных интенсивным осадкам^[7], а также в районах современного оледенения^[6]. Они также обнаружены на других телах Солнечной системы^[35][36].

Конусы выноса формируются в результате эрозии, вызванной тектоническим поднятием^[37]. Укрупнение частиц в слоях отражает циклы эрозии в горах, питающих конус. Однако климат и изменения базиса эрозии могут быть столь же важны, как и тектоника. Например, в Гималаях более старые конусы врезаны и перекрыты более молодыми. Молодые конусы, в свою очередь, рассечены глубокими долинами с двумя террасами. Датирование методом оптически стимулированной люминесценции показывает перерыв 70-80 тыс. лет между старыми и новыми конусами, с признаками тектонического наклона 45 тыс. лет назад и окончанием осаждения 20 тыс. лет назад. Оба события связывают с периодами усиления юго-западного муссона. Климат также влиял на формирование конусов в Долине Смерти (Калифорния, США), где пики осаждения за последние 25 тыс. лет приходились на периоды резких климатических изменений — как от влажного к сухому, так и наоборот^[38].

Конусы выноса часто встречаются в пустынных районах, подверженных периодическим внезапным паводкам от близлежащих гроз в горах. Типичное русло в засушливом климате имеет в верхней части большую воронкообразную котловину, переходящую в узкое ущелье, которое внизу раскрывается в конус выноса. Обычно присутствует несколько разветвлённых русел, активных во время паводков^[34]. Фреатофиты (растения с длинным стержневым корнем, достигающим глубокой грунтовой воды) иногда образуют извилистые полосы, расходящиеся от носка конуса. Эти фреатофитные полосы носка отмечают засыпанные каналы крупнообломочных осадков, перемежающихся с непроницаемыми плейяными отложениями^[39].

Конусы выноса формируются и во влажных климатах, если рядом с низменностями расположены возвышенности^[37]. В Непале река Коси сформировала мегафан площадью около 15 000 км² ниже выхода из Гималайских предгорий на равнину, по которой река течёт в Индию и далее к Гангу. В верховьях Коси тектонические силы ежегодно поднимают Гималаи на несколько миллиметров. Подъём примерно уравновешен эрозией, поэтому река ежегодно выносит около 100 млн м³ осадков при выходе из гор. Такое накопление за миллионы лет более чем достаточно для образования мегафана^[40].

В Северной Америке потоки, впадающие в Калифорнийскую Центральную долину, сформировали меньшие, но всё же обширные флювиальные конусы выноса, например, конус реки Кингс, выходящей из Сьерра-Невады^[41][42].

Конусы выноса обнаружены и на Марсе. В отличие от земных, марсианские конусы редко связаны с тектоническими процессами, но гораздо чаще встречаются на краях кратеров^[43][44]. Конусы на краях кратеров, по-видимому, сформированы листовыми потоками, а не селями^[45].

В кратере Сахеки обнаружено три конуса выноса. Они подтверждают существование флювиальных потоков на планете и поддерживают гипотезу о наличии жидкой воды на поверхности Марса в прошлом^[46]. Кроме того, наблюдения за конусами в кратере Гейла со спутников были подтверждены находкой флювиальных отложений марсоходом Curiosity^[47]. Конусы в кратере Холдена имеют профиль с обрезанным носком, что связывают с флювиальной эрозией^[11].

Немногие конусы, связанные с тектоническими процессами, включают те, что в Копратес-Хасма и Ювента-Хасма, входящие в систему каньонов Валлес Маринерис. Они свидетельствуют о существовании и характере разломов в этом регионе Марса^[48].

Конусы выноса были обнаружены миссией Кассини-Гюйгенс на Титане с помощью радара с синтезированной апертурой. Эти конусы чаще встречаются в более сухих средних широтах на концах рек метана/этана, где, как предполагается, часто происходят смачивание и высыхание из-за осадков, подобно засушливым конусам на Земле. Радиолокационные данные указывают, что материал конусов, вероятно, состоит из округлых зёрен водяного льда или твёрдых органических соединений диаметром около 2 см^[49].

Конусы выноса являются важнейшими резервуарами подземных вод во многих регионах. Многие города, промышленные и сельскохозяйственные районы расположены на конусах выноса^[50], включая агломерации Лос-Анджелеса, Солт-Лейк-Сити и Денвера в западной части США, а также во многих других частях мира^[51]. Однако наводнения на конусах выноса создают особые проблемы для предотвращения и ликвидации последствий стихийных бедствий^[52].

Пласты крупнообломочных осадков, связанных с конусами выноса, формируют водоносные горизонты, которые являются важнейшими резервуарами подземных вод во многих регионах^[50]. Это касается как засушливых районов, например, Египта^[53] или Ирака^[54], так и влажных, например, Центральной Европы^[55] или Тайваня^[56].

Конусы выноса подвержены редким, но часто очень разрушительным наводнениям, отличающимся от обычных речных паводков. Особенности таких наводнений: большая неопределённость пути потока, вероятность резкого осаждения и эрозии осадков, принесённых с верховьев, а также сочетание наличия осадков, уклона и топографии, создающее чрезвычайные опасности. Эти риски нельзя надёжно снизить только за счёт поднятия зданий на насыпи (до 1 м) и строительства новых фундаментов^[57]. Минимум — необходимы крупные инженерные меры по контролю паводков, а иногда единственный выход — ограничить застройку поверхности конуса. Такие меры могут быть политически спорными, поскольку опасность неочевидна для владельцев недвижимости^[58]. В США зоны риска наводнений на конусах выноса обозначаются как зона AO на картах страхования от наводнений^[59].

Наводнения на конусах выноса обычно кратковременны (несколько часов), но очень мощны и возникают почти без предупреждения. Обычно они вызваны сильными и продолжительными дождями, характеризуются высокой скоростью и способностью переносить большие массы осадков. Потоки варьируются от паводков до гиперконцентрированных и селевых потоков в зависимости от содержания осадков. Селевые потоки напоминают свежезалитый бетон, в основном состоят из крупного материала. Гиперконцентрированные потоки занимают промежуточное положение, содержат 40-80 % воды по массе. Паводки могут переходить в гиперконцентрированные потоки по мере захвата осадков, а селевые потоки — становиться гиперконцентрированными при разбавлении водой^[60]. Из-за большого количества осадков каналы быстро забиваются, что увеличивает неопределённость путей потока и опасность^[58].

Наводнения на конусах выноса в Апеннинах (Италия) неоднократно приводили к человеческим жертвам. 1 октября 1581 года наводнение в Пьедимонте Матезе унесло 400 жизней. Жертвы от наводнений на конусах выноса отмечались и в XIX веке, и эта опасность сохраняется в Италии^[61].

1 января 1934 года рекордные осадки в недавно выгоревшем районе Сан-Габриэль (Калифорния) вызвали сильное наводнение на конусе выноса, на котором были построены города Монтроуз и Глендейл. Наводнение привело к значительным жертвам и разрушениям^[62].

Река Коси в Индии сформировала мегафан при выходе из Гималаев на Гангскую равнину. Река часто и непредсказуемо меняет русло, из-за чего её называют Горе Бихара — она вносит наибольший вклад в число жертв наводнений в Индии (лидирует Бангладеш)^[63]. За последние столетия русло смещалось на запад, и к 2008 году основное русло находилось на крайнем западе мегафана. В августе 2008 года высокие муссонные воды прорвали дамбу, и большая часть реки ушла в древнее русло, затопив центральную часть мегафана — густонаселённую зону, стабильную более 200 лет^[64]. Более миллиона человек остались без крова, около тысячи погибли, тысячи гектаров посевов были уничтожены^[65][66][67].

Погребённые конусы выноса иногда встречаются на окраинах нефтяных бассейнов. Селевые конусы — плохие резервуары, а флювиальные могут быть перспективными. Хотя флювиальные конусы обычно уступают по качеству резервуарам в центре бассейна из-за сложной структуры, эпизодические паводковые каналы могут быть выгодными объектами для разведки нефти^[68]. Конусы, подвергшиеся обрезке носка (боковой эрозии) осевой рекой, могут иметь повышенный потенциал как резервуары: река откладывает более пористые и проницаемые осевые осадки, чередующиеся с слоями конуса^[69].