جریانهای واریزه ای ویرجینیا

   نویسندگان: Louis Scott Eaton, Benjamin A. Morgan, R. Craig Kochel, Alan D. Howard
   مترجم: مسعود مافی، کارشناس گروه بلایای طبیعی و مدیریت بحران پایگاه ملی داده های علوم زمین کشور
  

    چکیده:
  
   چهار طوفان اصلی که باعث تحریک جریانهای واریزه ای در کوههای آپالاش ایالت ویرجینیا- غرب ویرجینیا شدند، دیدگاهی را نسبت به نقش سیلابهای عظیم دارای فراوانی اندک در برهنه سازی دراز مدت و تکامل مناظر کوهستانی ایجاد کرده اند. برهنه سازی ناشی از طوفانها در حوضه های آبریز Blue Ridge Mountain از نظر بزرگی در مقایسه با حوضه هایی که در کوههای ایالت Valley and Ridge واقع شده اند، تقریباً بیشتر است. این تفاوت احتمالاً نتیجه بارندگی طوفانی تر در Blue Ridge است. تعیین سن رادیو کربن نهشته های جریانهای واریزه ای در Blue Ride نشان می دهد که سن آنها در حوضه های رودخانه ای مناطق کوهستانی بیشتر از 2 الی 4 هزار سال نیست.

تلفیق این یافته با انداگیریهای میزان برهنه سازی حوضه ها، نشان میدهد که حدوداً نیمی از برهنه سازی مکانیکی دراز مدت همراه با جریانهای واریزه ای رخ داده است. اگرچه اغلب سیلابهای با بزرگای متوسط عامل نقل و انتقال رسوبات در رودخانه های کم شیب هستند ولی داده های ما نشان میدهد سیلابهای بزرگ دارای فراوانی کم، با اهمیت ترین عامل در انتقال رسوبات دانه درشت از شکافها و کانالهای کوهستانی به سمت دشت های سیلابی پست است.
  
   واژه های کلیدی: برهنه سازی، جریانهای واریزه ای، کار زمین ریختی، اثر گذاری زمین ریختی، کوههای آپالاش.
   مقدمه:
  
   زمین شناسان تا دهها سال دربارة اثر گذاری طوفانهای فاجعه آمیز در شکل دهی مناظر و چشم اندازها به بحث و گفتگو پرداخته اند. تغییرات عوارض زمین تدریجاً توسط حجم رسوباتی که طی یک واقعه انتقال می یابند (کار زمین ریختی؛ Wolman and Miller, 1960) و نیز توانایی یک واقعه در اثر گذاری بر شکل و عوارض مناظر زمین (اثرگذاری زمین ریختی؛ Wolman and Gerson, 1978 ) کمی شد.
   محققان دریافته اند که وقایع بزرگ دارای فراوانی کم، تنها بخش اندکی از کل رسوبات سالیانه نهشته شده در حوضه های رودخانه ای بزرگ و کم شیب را جابجا میکنند (به عنوان مثال Wolman and Miller, 1960 ؛ Moss and Kochel, 1978). در مقابل، مطالعات حوضه های رودخانه ای کوهستانی کوچکتر مشخص کرده است که وقایع بزرگ در جابجایی رسوبات و برهنه سازی زمین مؤثرترند (Hack and Goodlett, 1960; Williams and Guy, 1973; Kochel, 1987, 1988,1990; Jacobson et al., 1989; Miller, 1990; Eaton, 1999) و مقدار زیادی از برهنه سازی دراز مدت در طی این وقایع انجام می پذیرد. بررسیهای چهار طوفان مختلف که باعث آغاز فعالیت جریانهای واریزه ای در کوههای آپالاش ایالت ویرجینیا- غرب ویرجینیا شده است، اطلاعاتی را فراهم کرده است که میتواند در تخمین تأثیر سیلابهای عظیم بر کار زمین ریخت شناسی در منطقه مورد استفاده قرار گیرد (Hack and Goodlett, 1960; Williams and Guy, 1973; Jacobson, 1993; Wieczorek et al., 2000).
   پژوهشی که در اینجا ارائه شده است، داده های جدید به دست آمده از فراوانی جریانهای واریزه ای و برهنه سازی ناشی از سیلابهای فاجعه آمیز را به منظور تخمین اهمیت جریانهای واریزه ای در برهنه سازی دراز مدت منظره زمین، تلفیق مینماید.
  
   نرخ برهنه سازی در آپالاش مرکزی:
  
   نرخ فرسایش در محدوده میانگین قاره ایالات متحده قرار دارد. Judson and Ritter (1964) نرخ برهنه سازی نسبت داده شده به رسوبات شیمیایی و مکانیکی را 1/4 سانتی متر در هر 1000 سال برای حوضه های اطلس جنوبی و 8/4 سانتی متر در هر 1000 سال برای حوضه های اطلس شمالی برآورد کرده اند. Hack (1979) نرخ برهنه سازی را در رودخانه هایی که آپالاش را زهکشی میکنند به صورت خلاصه ارائه کرده است که از 5/0 سانتی متر در هر 1000 سال تا 8/4 سانتی متر در هر 1000 سال متغیر است. به هر حال مقداری خطا در استفاده از داده های تاریخی رسوبات بارگذاری شده به منظور پیش بینی نرخ برهنه سازی دراز مدت وجود دارد؛ زیرا بارگذاری رسوبات در اثر فرونشست تراکمی اروپا شتاب بیشتری پیدا کرده است. (Trimble, 1969; Meade, 1982). Trimble (1969) ارزیابی کرد که بار رسوبات رودخانه ای کنونی علیرغم نظارتهای شدید بر فرسایش خاک که در قرن بیستم اجرا شده است بیشتر از میزان ما قبل تاریخ باشد. بر خلاف نظرات Trimbe و سایر محققان، شواهد مختلف نشان میدهند میانگین نرخ کنونی برهنه سازی به نرخ سنوزوئیک نزدیک است. همچنین داده های کمکی بر اساس مطالعات حجم رسوبات نهشته شده در دشت ساحلی اطلس یا خارج از آن (Mathews, 1975; Poag and Sevon, 1989; Pazzaglia and Brandon, 1996) و یافته های مربوط به نرخهای همزمان بالاآمدگی قاره ای و برهنه سازی (Durrant, 1978; Zimmerman, 1979) به دست آمده است. مطالعات مختلف نرخهای برهنه سازی حوضه های کوچک رودخانه ای در آپالاش (به عنوان مثال Osterkamp and Costa, 1986; Berry, 1977; Cleaves et al., 1970; Wolman, 1967) نرخهای فرسایش را مشخص کردند که از نظر بزرگا با میانگین نرخ برهنه سازی ناحیه ای تفاوت دارند. به استثنای کار Berry که در یک جنگل به صورت آزمایش انجام شده بود، سایر اندازه گیریها مربوط به حوضه های شهری است که آشفتگی خاک قابل توجه بوده و احتمالاً منعکس کننده شرایط دراز مدت نیست.
  

   برهنه سازی ناشی از طوفانهای فاجعه آمیز و منحصر به فرد:
  
   چهار طوفان اصلی، آپالاش مرکزی در ویرجینیا و غرب ویرجینیا را در نیمه پایانی قرن بیستم تحت تأثیر قرار داده و جریانهای واریزه ای متعددی را تحریک نمودند. آنها شامل دو طوفان در کوههای Blue Ridge ویرجینیا و دو طوفان در زمینهای کوهستانی ایالت Valley and Ridge در غرب ویرجینیا و شرق ویرجینیای غربی میباشند (تصویر 1).
  

    تصویر 1: محدوده هایی در ویرجینیا و غرب ویرجینیا که از سال 1949 تا 1996 توسط جریانهای واریزه ای تحت تأثیر قرار گرفته اند. 1- طوفان 17 الی 18 ژوئن 1949 در غرب ویرجینیا و شرق ویرجینیای غربی؛ 2- طوفان 19 الی 20 آگوست 1969 در غرب شهرستان Nelson ویرجینیا؛ 3- طوفان 3 الی 5 نوامبر 1985 در غرب ویرجینیا و شرق ویرجینیای غربی؛ 4- طوفان Rapidan 27 ژوئن 1995 در بخشهای مختلفی که کوههای Blue Ridge را محصور کرده اند.

   طوفانهای منطقه Blue Ridge:
  
   در ساعات پایانی عصر نوزدهم آگوست 1969 بقایای طوفان Camille ، کوههای Blue Ridge را از طرف غرب در نوردید و در تپه های سخت و ناهموار شهرستان Nelson از حرکت باز ایستاد. 711 میلی متر باران ظرف بیش از 7 الی 8 ساعت در اوایل صبح روز 20 آگوست بارید (Camp and Miller, 1970). طوفان باعث تحریک هزاران جریان واریزه ای شد و بیش از 125 نفر، معادل تقریباً 1% جمعیت شهرستان را به کام مرگ فرو برد. Williams and Guy (1973) میزان کاهش خالص رسوبات را در سه حوضه اندازه گیری کرده اند که میانگین برهنه سازی 3/4 سانتی متر بوده است (جدول 1).
  

    جدول 1- چکیده برهنه سازی حوضه ای

   در 27 ژوئن 1995، طوفان بر فراز حوضه Rapidan River در شهرستان Madison ویرجینیا تمرکز پیدا کرد و به علت ترکیب جبهه سرد بازمانده و هوای پر از رطوبت که به سمت غرب در حال حرکت بود، گسترش پیدا کرده و به سمت دامنه های شرقی کوههای Blue Ridge حرکت کرد (Smith et al., 1996).
   حداکثر کل بارندگی سیستم طوفانی به 775 میلی متر طی بازه زمانی 16 ساعت رسید. طوفان بیش از 1000 جریان واریزه ای را تحریک نمود (تصاویر 1و2) و سیلاب فاجعه آمیزی در منطقه به وقوع پیوست. Springer et al. (2001) در منطقه ای که بارندگی حداکثر بوده است، میزان رسوبات از دست رفته از دو حوضه زهکشی با مساحت کمتر از 1 کیلومتر مربع را اندازه گیری نمودند. میانگین برهنه سازی حوضه توسط طوفان 7/2 سانتی متر بوده است (جدول 1). بعد از عصر آن روز شاخه شمالی رودخانه Moormans در غرب شهرستان Albemarle که در 45 کیلومتری جنوب غرب حوضه Rapidan قرار دارد، همچنان تحت تأثیر سیستم طوفانی قرار داشت. میزان بارش از 279 میلی متر فراتر رفت (Morgan and Wieczorek, 1996)، و احتمال میرفت که به 635 میلی متر برسد (Carlton Frazier, 1996, Personal commun.).
  

    تصویر2- کوه Kirtley در غرب شهرستان Madison ویرجینیا، بعد از طوفان سال 1995 شهرستان .Madison فعالیت جریانهای واریزه ای، آبراهه های مرتبه پایین متعددی را تحت تأثیر قرار داده و دچار برهنگی نمود. فلشها خانه ها را به عنوان مقیاس نشان میدهند.

   قریب به 100 جریان واریزه ای در محدوده کوچکتر (13 کیلومتر مربع) نسبت به حوضه Rapidan (100 کیلومتر مربع) ثبت شد. جریانهای واریزه ای به طور بخشی سد Sugar Hollow را پر کرد و ظرفیت ذخیره آب آن را تا 15% کاهش داد. این میزان معادل با دست کم 9/0 سانتیمتر برهنه سازی است (جدول 1). این میزان، حداقل برهنه سازی است، زیرا حدوداً 50% سنگپوش (regolith) زمین های مرتفع از ذرات در اندازه های سیلت و رس تشکیل شده است که نشان میدهد بیشتر مواد حاصل از جریان واریزه ای ممکن است در خارج از مخزن سد تراز شده باشند.

    طوفانهای ایالت Valley and Ridge:
  
   طوفانهای فاجعه باری در سالهای 1949 و 1985 ایالت Valley and Ridge را در امتداد مرز ویرجینیا- ویرجینیای غربی مورد هجوم قرار دارند (تصویر 1). طوفان ژوئن 1949 نتیجه عملکرد سلولهای طوفانی انتقال دهنده گرما بود که محدود به تنها چند حوضه کوهستانی می شد. بارندگی سیل آسا باعث 229 میلیمتر بارندگی در غرب ویرجینیا و بیش از 380 میلیمتر بارندگی در شرق ویرجینیای غربی شد (Stringfield and Smith, 1956) و 12 لغزش و جریان واریزه ای را تحریک نمود (Hack and Goodlett, 1960). طوفان نوامبر 1985 محدوده وسیعتری را پوشش می داد و شدت بارندگی آن در حد متوسط بود که به مدت 3 روز باعث ایجاد برهنه سازی گردید. طوفان باعث 250 میلیمتر بارندگی شد و در ابتدا تحت تأثیر دو سیستم کم فشار و به میزان کمتر تحت تأثیر بقایای هوریکان Juan بود ((Colucci et al., 1993. این طوفان باعث نطفه بندی هزاران جریان واریزه ای شد که در همان منطقه ای که تحت تأثیر سیل سال 1949 قرار گرفته بود، به وقوع پیوستند. Cenderelli and Kite (1998) حوضه های آبریزی که هم در سیل 1949 و هم در سیل 1985 تحت تأثیر قرار گرفته بودند را از نظر اثرات زمین ریختی جریانهای واریزه ای بر شکل کانالها مورد بررسی قرار دادند.
   میانگین برهنه سازی دو حوضه که توسط طوفان 1949 تحت تأثیر قرار گرفته بودند، 2/0 سانتیمتر بود و مقادیر مشابهی نیز برای حوضه هایی که در طوفان 1985 تحت تأثیر قرار گرفته اند، ذکر شده است (جدول 1).
  

   روند برهنه سازی در حوضه ها:
  
   داده های به دست آمده از مطالعات مختلف (Williams and Guy, 1973; Cenderelli and Kite, 1998; Springer et al., 2001) برای تعیین مقادیر برهنه سازی در Blue Ridge و Valley and Ridge استفاده شده است. انطباق و هماهنگی برهنه سازی با فیزیوگرافی و زمین شناسی اندک بوده است که احتمالاً به علت داشتن داده های بسیار محدود میباشد. بیشترین انطباق بین برهنه سازی و کل بارش طوفانی وجود دارد (R2=0.71) (تصویر 3).
  

    تصویر 3- نمودار کل بارندگی طوفانها در مقابل برهنه سازی حوضه های آبریز کوهستانی ایالتهای Blue Ridge وValley and Ridge

   حوضه های Blue Ridge نسبت به حوضه های Valley and Ridge طی جریانهای واریزه ای اخیر میزان بارش بیشتری را دریافت کرده اند، که احتمالاً منجر به برهنه سازی بیشتری شده است. همچنین شدت بارندگی عاملی است که برهنه سازی را تحت تأثیر قرار میدهد. کارهای Wieczorek et al. (2000) حد آستانه ای برای شدت بارندگی و برهنه سازی در تحریک جریانهای واریزه ای در Blue Ridge مشخص کرده است. این حد برابر است با 2 ساعت بارندگی با شدت 70 میلیمتر در ساعت.

    فراوانی وقایع فاجعه بار:
  
   تحقیق منتشر شده ای در مورد فراوانی جریان واریزه ای حوضه های کوهستانی کوچک در ایالت Valley and Ridge وجود ندارد. Clark (1987) گزارشهای منتشر نشده ای از فعالیتهای جریانهای واریزه ای قبل از 1949 در این ایالت پیدا کرد.
  
   به هر حال داده های فراوانی جریان واریزه ای در مورد دو محل طوفان زده ایالت Blue Ridge وجود دارد. Kochel (1987) تخمین زد که فعالیت جریان واریزه ای در حوضه های مرتبه پایین شهرستان Nelson توسط هوریکان Camille که دوره بازگشت آن بیشتر از 3 هزار سال نیست، تحت تأثیر قرار گرفته است. کارهای انجام شده بوسیله Eaton and McGeehin (1997) و Eaton et al. (2001) شامل 39 مورد تعیین سن کربن رادیومتری است که از جریان واریزه ای، شیب شست و نهشته های رودخانه ای و خاکهای قدیمی (پالئوسل) در حوضه Upper Rapidan واقع در غرب شهرستان Madison ویرجینیا به دست آمده است. این تحقیق نشان میدهد دوره بازگشت فعالیتهای جریان واریزه ای، از آغاز گسترش یخچالهای ویسکانسین ]تا حالا[ ، بیشتر از 2500 سال نبوده است.
   اگرچه دوره بازگشت فعالیتهای جریان واریزه ای در مورد حوضه های آبریز مرتبه اول هزاران سال است، ولی احتمال فعالیت جریان واریزه ای با افزایش وسعت محدوده مورد نظر افزایش می یابد. در منطقه ویرجینیای مرکزی- شرق ویرجینیای غربی، 8 مکان جدا از هم توسط جریان واریزه ای ظرف 50 سال تحت تأثیر قرار گرفته اند (تصویر 1). طی این دوره، طوفانها باعث ایجاد جریان های واریزه ای در ناحیه ای بزرگتر از کوههای آپالاش ویرجینیا و غرب ویرجینیا شده اند (Hack and Goodlett, 1960; Williams and Guy, 1973; Jacobson et al., 1989; Morgan and Wieczorek, 1996; Wieczorek et al., 2000) که دوره بازگشت آنها 10 الی 15 سال بوده است. قطعی و مشخص نیست که میانگین دوره بازگشت در بازه تاریخی حدوداً 300 سال ثابت بوده است، زیرا جریانهای واریزه ای در مناطق کوهستانی که در این بازه زمانی دارای پراکندگی جمعیت اندک بوده اند، اتفاق افتاده و بنابراین اغلب وقوع آنها گزارش نشده است.
   در صورتی که کل زمینهای غیر یخچالی آپالاش مدنظر باشد، فراوانی فعالیتهای جریان واریزه ای تاریخی برابر با یک واقعه در هر 3 الی 7 سال است (Kochel, 1990; Clark, 1987).
   مطالعه Clark نشان داد که بخش بزرگی از فعالیت جریان واریزه ای در کوههای آپالاش در تنسی و کارولینای شمالی اتفاق افتاده است. اگرچه بررسیهای منتشر نشده ای در مورد فراوانی جریان واریزه ای در این منطقه وجود دارد ولی مطالعه Clark بیان میکند که فعالیت در جنوب آپالاش نسبت به سایر مناطق بسیار بیشتر است و یا این که وقایع جریان واریزه ای در جنوب منطقه بهتر گزارش و ثبت شده اند.
  
   بحث و نتیجه گیری:
  
   در چشم اندازهای دارای پستی و بلندی اندک مانند سنگفرشها (پدیمنت)، جریانهای واریزه ای نادرند که دلیل آن شیب اندک دامنه و پستی و بلندی اندک و همچنین نیروی کمتر کوه ناشی از بارندگیهای شدید است. محققان (به عنوان مثال Kochel, 1987, 1988; Jacobson et al., 1989; Miller, 1990) اظهار نموده اند که وقایع بزرگ به طور چشمگیری چشم اندازهای دارای پستی و بلندی زیاد را تغییر میدهند، ولی این اظهارات فاقد داده های کمّی است تا فرضیه های آنان را آزمایش نماید. داده هایی که در این مقاله گزارش شده است نشان میدهد که کار زمین ریختی و اثر گذاری در زمینهای کوهستانی عمدتاً توسط وقایع بزرگ و کم تعداد انجام میشود.
   در بحثی که در ادامه می آید به نظر میرسد بار مکانیکی عامل اولیه برهنه سازی زمین در سیلابهای بزرگ باشد، زیرا مقدار بار شیمیایی که در طول بازه زمانی کوتاه جابجا میشود باید خیلی اندک باشد.
   Kochel (1987) میانگین فراوانی جریان واریزه ای در شهرستان Nelson را طی 3500 سال تخمین زد. نرخ برهنه سازی مکانیکی دراز مدت تخمین زده شده در شهرستان Nelson، 6/2 سانتیمتر در هر 1000 سال است (Judson and Ritter, 1964). 1/9 سانتیمتر از برهنه سازی مکانیکی طی دوره 3500 ساله اتفاق افتاده است. مقادیر فرسایش ناشی از هوریکان Camille در سال 1969 نشان میدهد که میانگین برهنه سازی مناظر زمین، 3/4 سانتیمتر بوده است (جدول 1)؛ به عبارت دیگر 47% مقدار برهنه سازی مورد انتظار ناشی از جابجایی رسوب (1/9 سانتیمتر) طی 3500 سال. تقریباً نیمی از برهنه سازی دراز مدت به فعالیت جریانهای واریزه ای نسبت داده شده است. در مورد طوفان سال 1995 شهرستان Madison، نرخ برهنه سازی حوضه ای ارائه شده که به بار مکانیکی نسبت داده شده است، 1/2 سانتیمتر در هر 1000 سال است (Judson and Ritter, 1964).
   طی طوفان شهرستان Madison به طور میانگین 3/3 سانتیمتر رسوب از حوضه مورد مطالعه انتقال یافت؛ یعنی 63% برهنه سازی مورد انتظار طی دوره 2500 ساله.
   در آپالاش و احتمالاً سایر زمینهای کوهستانی که آب و هوای مرطوب دارند، نقش وقایع بزرگ در اثر گذاری زمین ریختی و تکامل چشم اندازها مورد ارزیابی قرار گرفته است. حضور بار بستر درشت دانه که در کانالهای زمین های مرتفع جمع شده است، سنگپوش متخلخل که دامنه ها را پوشانده است، و پادگانه با پوشش گیاهی متراکم، اثر گذاری طوفانهای کوچک و فراوان در رسوبات انتقالی را در حاشیه و مرتبه دوم اهمیت قرار داده است. در مقابل وقایع بزرگ، جریانهای واریزه ای را -که باعث قطع و بریده شدن رودخانه ها، خروج رسوبات از زمین های مرتفع و نهشته شدن سنگپوش بر روی مخروطهای واریزه ای یا درون کانالهای رودخانه ای زمینهای پست یا دشتهای سیلابی میشوند- تحریک میکنند. بسیاری از کانالهای آبراهه های زمینهای مرتفع متأثر از جریانهای واریزه ای که در این مقاله توصیف شده اند، به آرامی بازسازی میشوند.
   بازسازی در این کانالها به منظور برقرار کردن هندسه هیدورلیکی بهتر ادامه می یابد. در بخش اعظم آپالاش حضور گسترده و همزمان پدیده ها و نهشته های خاص، شامل مخروطهای واریزه ای و خاکریزهای طبیعی، سدهای شنی و پادگانه ها، دره های آبرفتی خطی و عریض که از پایانه مخروطهای واریزه ای سرچشمه گرفته اند و دشتهای سیلابی تک کانالی که طی سیلابهای فاجعه آمیز شاخه شاخه شده اند، نشان میدهند که کار زمین ریختی و تأثیر گذاری در زمینهای کوهستانی به طور چشمگیری توسط وقایع بزرگ با فراوانی اندک صورت می پذیرد.
   تحقیقات آتی در مورد زمینها و آب و هوای مشابه به آزمایش این مدل کمک خواهد کرد.
  
منبع:http://www.ngdir.ir