Селевые потоки — это геологические явления, при которых наполненные водой массы почвы и обломков горных пород стекают по склонам гор, попадают в русла рек , увлекают за собой предметы на своем пути и образуют толстые, грязевые отложения на дне долин. Обычно они имеют объемную плотность, сопоставимую с плотностью каменных лавин и других типов оползней (примерно 2000 килограммов на кубический метр), но из-за широко распространенного разжижения осадков , вызванного высоким давлением поровой жидкости , они могут течь почти так же текуче, как вода. [2] Селевые потоки, спускающиеся по крутым руслам, обычно достигают скорости, превышающей 10 м/с (36 км/ч), хотя некоторые крупные потоки могут достигать скорости, которая намного больше. Селевые потоки объемом до 100 000 кубических метров часто встречаются в горных районах по всему миру. Самые большие доисторические потоки имели объемы, превышающие 1 миллиард кубических метров (т. е. 1 кубический километр). В результате высокой концентрации осадков и подвижности селевые потоки могут быть очень разрушительными.
Известные селевые катастрофы двадцатого века унесли жизни более 20 000 человек в Армеро, Колумбия , в 1985 году и десятков тысяч в штате Варгас , Венесуэла , в 1999 году.
В грязевых потоках объемная концентрация осадка превышает 40–50 %, а остальная часть объема потока состоит из воды. По определению, «грязь» включает в себя зерна осадка с разнообразными формами и размерами, обычно от микроскопических частиц глины до больших валунов . В сообщениях СМИ часто используется термин «грязевой поток » для описания грязевых потоков, но настоящие грязевые потоки в основном состоят из зерен, меньших, чем песок . На поверхности суши Земли грязевые потоки встречаются гораздо реже, чем грязевые потоки. Однако подводные грязевые потоки преобладают на подводных континентальных окраинах , где они могут порождать мутные потоки . Грязевые потоки в лесных районах могут содержать большое количество древесного мусора, такого как бревна и пни деревьев. Богатые осадками водные потоки с концентрацией твердых веществ в диапазоне от 10 до 40 % ведут себя несколько иначе, чем грязевые потоки, и известны как гиперконцентрированные наводнения. [3] Обычные речные потоки содержат еще более низкие концентрации осадка.
Потоки селя могут быть вызваны интенсивными дождями или таянием снега, прорывом плотины или ледниковыми наводнениями или оползнями, которые могут быть связаны или не связаны с интенсивными дождями или землетрясениями. Во всех случаях основными условиями, необходимыми для возникновения потока селя, являются наличие склонов круче примерно 25 градусов , наличие обильных рыхлых осадков, почвы или выветренных пород и достаточное количество воды для приведения этого рыхлого материала в состояние почти полного насыщения (со всем заполненным поровым пространством). Потоки селя могут быть более частыми после лесных и кустарниковых пожаров, как показывает опыт южной Калифорнии. 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 большой поток селя или оползень называется ямацунами (山津波), буквально горное цунами .
Потоки селя ускоряются под действием силы тяжести и, как правило, следуют по крутым горным каналам, которые выходят на аллювиальные конусы выноса или поймы . Фронт или «голова» волны селя часто содержит обилие грубого материала, такого как валуны и бревна, которые создают большое трение . За головой потока с высоким трением следует тело потока с низким трением, в основном сжиженное, которое содержит более высокий процент песка , ила и глины. Эти мелкие отложения помогают удерживать высокое давление поровой жидкости, что повышает подвижность потока селя. В некоторых случаях за телом потока следует более водянистый хвост, который переходит в гиперконцентрированный поток. Потоки селя, как правило, движутся серией импульсов или дискретных волн, где каждый импульс или волна имеет отличительную голову, тело и хвост.
.JPG/1280px-Debris_flow_deposit,_Ladakh,_NW_Indian_Himalaya_(2).JPG)
Отложения селевых потоков легко распознаются в полевых условиях. Они составляют значительную часть многих аллювиальных конусов выноса и конусов выноса вдоль крутых горных фронтов. Полностью обнаженные отложения обычно имеют дольчатую форму с богатыми валунами носами, а боковые границы отложений и путей селевых потоков обычно отмечены наличием богатых валунами боковых валов . Эти естественные валы образуются, когда относительно подвижный, разжиженный, мелкозернистый мусор в теле селевых потоков оттесняет в сторону грубый, высокофрикционный мусор, который собирается в головах селевых потоков в результате сегрегации по размеру зерен (знакомое явление в зернистой механике ). Боковые валы могут ограничивать пути последующих селевых потоков, а наличие более старых дамб дает некоторое представление о масштабах предыдущих селевых потоков в определенной области. Путем датирования деревьев, растущих на таких отложениях, можно оценить приблизительную частоту разрушительных селевых потоков. Это важная информация для освоения земель в районах, где селевые потоки являются обычным явлением. Древние отложения селевых потоков, которые выходят только на поверхность, труднее распознать, но обычно они характеризуются сопоставлением зерен с сильно различающимися формами и размерами. Эта плохая сортировка зерен осадка отличает отложения селевых потоков от большинства отложений, отложенных водой.
Другие геологические потоки, которые можно описать как селевые потоки, обычно имеют более конкретные названия. К ним относятся:
Лахар — это грязевой поток, каким-то образом связанный с вулканической активностью , либо напрямую в результате извержения, либо косвенно в результате обрушения рыхлого материала на склонах вулкана. Разнообразные явления могут вызвать лахар, включая таяние ледникового льда, обрушение сектора , интенсивные осадки на рыхлом пирокластическом материале или прорыв озера, которое ранее было перекрыто пирокластическими или ледниковыми отложениями. Слово лахар имеет индонезийское происхождение, но в настоящее время геологи во всем мире регулярно используют его для описания вулканогенных грязевых потоков. Почти все самые крупные и разрушительные грязевые потоки на Земле — это лахары, которые берут начало на вулканах. Примером является лахар, затопивший город Армеро , Колумбия.
Jökulhlaup — ледниковый прорыв. Jökulhlaup — исландское слово, и в Исландии многие ледниковые прорывные наводнения вызваны подледниковыми вулканическими извержениями. (Исландия расположена на вершине Срединно-Атлантического хребта, который образован цепью в основном подводных вулканов). В других местах более распространенной причиной jökulhlaup является прорыв ледяных или моренных озер . Такие прорывы часто происходят из-за внезапного откола ледникового льда в озеро, что затем заставляет волну смещения прорывать морену или ледяную плотину. Ниже по долине от точки прорыва jökulhlaup может значительно увеличиваться в размерах за счет захвата рыхлых осадков из долины, по которой он движется. Обильный захват может позволить наводнению трансформироваться в сель. Расстояние перемещения может превышать 100 км.
Для моделирования свойств, кинематики и динамики селевых потоков использовались многочисленные различные подходы . [4] Некоторые из них перечислены здесь.
Калибровка и проверка таких сложных моделей требуют хорошо документированных данных, полученных в ходе полевых исследований или мельчайших лабораторных экспериментов. [11] [12]
Теория смешения , первоначально предложенная Айверсоном [2] и позднее принятая и модифицированная другими, рассматривает селевые потоки как двухфазные смеси твердого тела и жидкости.
В реальных двухфазных (мусорных) массовых потоках существует сильная связь между твердым телом и переносом импульса жидкости , где нормальное напряжение твердого тела уменьшается плавучестью , что, в свою очередь, уменьшает сопротивление трения , увеличивает градиент давления и уменьшает сопротивление твердого компонента. Плавучесть является важным аспектом двухфазного потока мусора, поскольку она увеличивает подвижность потока (большие расстояния перемещения) за счет уменьшения сопротивления трения в смеси . Плавучесть присутствует до тех пор, пока в смеси есть жидкость. [13] Она уменьшает твердое нормальное напряжение, твердое боковое нормальное напряжение и базальное напряжение сдвига (таким образом, сопротивление трения) в коэффициент ( ), где - отношение плотностей между жидкой и твердой фазами. Эффект существенен, когда отношение плотностей ( ) велико (например, в естественном потоке мусора).
Если поток нейтрально плавучий, т. е . (см., например, Bagnold, [14] 1954), масса обломков псевдоожижена и перемещается на большие расстояния. Это может произойти в высоковязких природных потоках обломков. [15] Для нейтрально плавучих потоков исчезает кулоновское трение , исчезает боковой градиент твердого давления, коэффициент сопротивления равен нулю, и базальный уклон в твердой фазе также исчезает. В этом предельном случае единственная оставшаяся сила твердого тела обусловлена гравитацией и, следовательно, силой, связанной с плавучестью. В этих условиях гидродинамической поддержки частиц жидкостью масса обломков полностью псевдоожижена (или смазана ) и перемещается очень экономично, способствуя большим расстояниям перемещения. По сравнению с плавучим потоком, нейтрально плавучий поток демонстрирует совершенно иное поведение. В последнем случае твердая и жидкая фазы движутся вместе, основная масса обломков псевдоожижается, фронт перемещается существенно дальше, хвост отстает, а общая высота потока также уменьшается. Когда поток не испытывает никакого эффекта плавучести. Тогда эффективное напряжение сдвига трения для твердой фазы равно напряжению чистого гранулярного потока. В этом случае сила, вызванная градиентом давления, изменяется, сопротивление велико, а эффект виртуальной массы исчезает в твердом импульсе. Все это приводит к замедлению движения .
Чтобы предотвратить попадание селевых потоков на имущество и людей, можно построить мусорный бассейн. Мусороотводящие бассейны предназначены для защиты почвы и водных ресурсов или предотвращения ущерба ниже по течению. Такие конструкции считаются крайней мерой, поскольку их строительство обходится дорого и требует ежегодного обслуживания. [17] Кроме того, мусорные бассейны могут удерживать селевые потоки только из части ручьев, которые стекают с горной местности.
Перед штормом, который может потенциально вызвать селевые потоки, прогнозные структуры часто могут количественно оценить вероятность того, что селевой поток может возникнуть в водоразделе; [18] однако остается сложной задачей предсказать количество мобилизованных осадков и, следовательно, общий размер селевых потоков, которые могут образоваться для данного шторма, а также будут ли селевые бассейны иметь возможность защитить сообщества ниже по течению. Эти проблемы делают селевые потоки особенно опасными для сообществ, расположенных на переднем крае гор. [19]
В 1989 году в рамках своей масштабной постановки « Соединенные Штаты Дэвида Гордона» , а позднее, в 1999 году, в рамках «Автобиографии лжеца » хореограф Дэвид Гордон объединил музыку Гарри Парча и слова Джона Макфи из «Контроля природы» , прочитанные Нормой Файер, в танце под названием «Поток мусора», «душераздирающем записанном на пленку рассказе о тяжелом испытании семьи во время огромного оползня в Лос-Анджелесе...» [20]
