Неотектонические факторы формирования современного рельефа Восточно-Европейской равнины

SCIENCE TIME

НЕОТЕКТОНИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ ФОРМИРОВАНИЯ СОВРЕМЕННОГО РЕЛЬЕФА ВОСТОЧНО-ЕВРОПЕЙСКОЙ РАВНИНЫ

Чернова Инна Юрьевна, Лунева Ольга Викторовна, Нуриева Миляуша Рубиновна, Казанский (Приволжский) Федеральный университет , г. Казань

E-mail: Inna.Chernova@kpfu.ru

Аннотация. Цель исследования - расширить представления о влиянии эндогенных процессов на развитие эрозионных сетей на равнинах. Для территории Восточно-Европейской равнины авторы собрали множество фактов, которые свидетельствуют о том, что жизненный цикл эрозионных сетей помимо «очевидных» факторов (объем водного стока, уклон, состав горных пород и др.) контролируется более масштабными процессами, формирующими лик Земли. К таким масштабным процессам, по мнению авторов, прежде всего, необходимо отнести тектонические события, которые выражаются в вертикальных движениях блоков земной коры и отвечают за формирование высот, уклонов и форм склонов.

Для проверки своих предположений авторы использовали комплексную методику, включающую методы качественной и количественной оценки деформаций верхний части земной коры по данным архивной и исторической аэрофото- и космосъемки, и метод морфометрического анализа цифровой модели рельефа для создания модели неотектонической активности территории исследования (территория Республики Татарстан).

Авторы обнаружили, что существует прямая связь между проявлениями неотектонической активности и проявлениями современной геодинамики: области деградации или стабильного состояния эрозионной сети приурочены к областям неотектонического спокойствия, площади, где эрозионные сети развиваются активно, расположены в непосредственной близости к средне- и высокоамплитудным неотектоническим поднятиям.

Ключевые слова: рельеф, эрозионные сети, неотектоника.

Введение

Мировой опыт исследования оврагов показывает, что в разных частях света сценарий развития эрозионных форм одинаков. На ранней стадии своего формирования овраг растет очень быстро, может создавать множество отвержков, затем продольный профиль оврага приобретет устойчивую форму, эрозионная активность постепенно снижается и овраг превращается в балку. Но почему по старым балкам часто наблюдается возникновение вторичных молодых оврагов? Или почему овраг, который по всем признакам перешел в стадию равновесного состояния, вдруг начинает расти или формировать отвержки?

Есть и другие вопросы. Почему на одних участках, как бы ни боролись с оврагами, какие бы противоэрозионные меры не проводили, рост оврагов не прекращается, а в других местах, сколько бы ни пахали, овраги существенного прироста не дают? Все эти вопросы важны не только с познавательной точки зрения, но и чисто практической: ежегодно овраги наносят огромный урон и хозяйственной деятельности человека, и экологии ландшафта в целом.

Общая проблема изучения оврагов состоит в том, что в преобладающем большинстве случаев изучение процессов оврагообразования сосредотачивается на локальных участках (охватывает 2-3 оврага), и, кроме того, ограничено во времени наблюдения [1]. Получить новые знания можно лишь расширив каким -либо образом временные и пространственные границы исследования. Очевидно, что расширение временных и пространственных границ возможно путем сравнения разновременных данных, экстент которых позволяет охватить сотни (или даже тысячи) локальных эрозионных сетей. Это как раз такая задача, с которой хорошо справляются современные геоинформационные системы (GIS). Также весьма полезными в этом случае будут данные дистанционного зондирования Земли (ДДЗЗ) высокого разрешения, полученные на одни и те же участки Земли в разное время.

Мы использовали в качестве основного источника данных архивную аэрофото- и космосъемку, а в качестве основного инструмента исследования-GIS. Главную цель нашего исследования мы видели в получении новых сведений о процессах, формирующих рельеф и ландшафты равнинных территорий, а также в развитии методик извлечения информации о геодинамических процессах из данных дистанционного зондирования.

Методика исследования

Мы использовали комплексную методику, включающую методы качественной и количественной оценки деформаций верхний части земной коры по данным архивной и исторической аэрофото- и космосъемки, и метод создания схем неотектонической активности по цифровой модели рельефа. Сравнение качественных и количественных характеристик движений земной коры за разные

промежутки времени (от ~10 до ~1000000 лет) позволит приблизиться к решению вопроса о характере взаимосвязи современных геодинамических явлений и неотектонических процессов.

В качестве объекта исследования было выбрано холмистое плато на востоке Восточно-Европейской равнины (координаты центральной точки WGS 51028,43W 54°46'17"К). Территория (площадью 1370 км2) с весьма развитой аграрной инфраструктурой, с интенсивной добычей нефти. В проекте были использованы данные аэрофотосъемки 1953 года (масштаб съемки 1:17000, высота полета 1100 м), данные аэрофотосъемки 1980 года (масштаб съемки 1:50000, высота полета 7000 м), а также данные съемки 2008 года со спутника WorldView (панхроматический диапазон съемки, пространственное разрешение 60 см). В качестве программного обеспечения проекта были выбраны географическая информационная система ArcGIS 10 (ESRI,США), программа обработки фотоснимков Agisoft PhotoScan.

Методы обработки аэрофотоснимков 1953 и 1980 годов съемки сводились к подгонке планового изображения снимков к изображению мозаики WordView, т. е. к их геометрической коррекции и определению системы координат. Геометрическая коррекция выполнялась в Agisoft PhotoScan. Далее трансформированные изображения загружались в геоинформационный проект для визуального сравнения и анализа разновременных изображений аэрофотоснимков и космоснимков в плане.

Для создания схемы неотектонических движений был использован морфометрический метод анализа цифровых моделей рельефа (ЦМР). Морфометрический метод основан на предположении о том, что движения земной коры, взаимодействуя с экзогенными процессами, преодолевают их выравнивающую деятельность, и находят, в конечном счете, свое отражение в современном рельефе и характере речной сети [2]. При выполнении морфометрического анализа рельеф раскладывается на компоненты (уровни, или морфометрические поверхности разных порядков), каждая из которых соответствует определенному этапу неотектонической истории. В данном случае нас интересовала разность базисных поверхностей низших порядков. Базисной поверхностью называют поверхность, объединяющую местные базисы эрозии. Базисные поверхности различают по порядкам в соответствии с порядками долин. Долинами 1-го порядка называются долины, в которые не впадают ни какие другие долины, долины 2-го порядка образуются при слиянии двух долин 1-го порядка, долины третьего порядка образуются при слиянии долин 2-го порядка и т.д.[2]. В условиях умеренного климата речные долины с постоянным стоком воды обычно имеют 3-й или 4-й порядок. В долинах 1-го и 2-го порядков протекают лишь временные ручьи. Следует иметь в виду, что часть балок имеет молодой голоценовый возраст. Поэтому можно считать, что разность базисных

поверхностей 1-го и 2-го порядков показывает направленность и интенсивность тектонических движений, произошедших в период времени между современным и самым поздним этапами истории развития рельефа (не ранее плейстоцена, ~ 1.6 млн. лет [3]). Расчет базисных поверхностей и их разности был выполнен на основе цифровой модели рельефа масштаба 1:200 000 по методике, описанной в

[4].

Результаты

Для сравнительного анализа данных дистанционного зондирования были использованы 65 аэрофотоснимков архива 1980 года и 186 аэрофотоснимков архива 1953 года, а также мозаика снимков WorldView 2008 года съемки.

При сравнении разновременных данных обнаружилось, что за 55 лет рельеф и ландшафт территории может претерпевать существенные изменения. Часть изменений имеет явно техногенное происхождение (строительство плотин и запруд, строительство каналов и перенос русла реки). Другие изменения можно почти уверено отнести к проявлениям современной геодинамики. Известно, что если территория испытывает восходящие движения, ее ландшафт и формы рельефа приобретают специфические очертания [2]: возрастают абсолютные отметки высот, русла рек и других водотоков спрямляются или приобретают резкие повороты (вплоть до 90 градусов), объем выносимого материала увеличивается, стремительно развивается овражная сеть (увеличивается глубина и линейные размеры оврагов, промоины быстро превращаются в овраги). В случае тектонического опускания эрозионные процессы затухают, овраги зарастают, мелкие постоянные и временные водотоки исчезают, а крупные начинают меандрировать.

На исследуемой территории мы обнаружили все перечисленные признаки проявления современных геодинамических процессов. Тщательное сравнение разновременных данных было выполнено для 246 овражно-балочных сетей на территории исследования. Для некоторых участков отчетливо установить тенденции развития эрозионных сетей не удалось (например, в лесных массивах уверенно проследить рост овражной сети невозможно). Также часть информации была утеряна из-за низкого качества ряда аэрофотоснимков. Тем не менее, удалось сделать ряд интересных наблюдений и выявить десятки участков с проявлениями современной геодинамики, как положительного, так и отрицательного знака. 54 овражно-балочные сети демонстрируют признаки активного роста, 70 - деградации, состояние 122 эрозионных сетей не изменялось.

Вообще говоря, скорость роста оврагов нельзя использовать в качестве прямого признака геодинамической активности исследуемых территорий, т.к. развитие оврагов является многофакторным процессом, причем на разных

этапах развития роль этих факторов может существенно меняться. Но использовать скорость роста в качестве косвенного признака - вполне обосновано.

Исследования эрозионных процессов на территории Европейской России [5, 6, 7, 8] за последние 70 лет указывают, что общая продолжительность «жизни» оврагов в среднем составляет 100-150 лет, после чего они переходят в молодые балки. Считается, что современный этап овражной эрозии спровоцирован хозяйственной деятельностью человека. Получив первоначальный толчок для своего развития, эрозия на первых порах развивается весьма стремительно (первые 15-20 лет). Затем при стабильном положении всех факторов, влияющих на рост оврагов, происходит плавное и медленное затухание эрозионного процесса. С другой стороны, в тех же источниках указываются многочисленные примеры отклонения в истории развития оврагов от традиционной стадийности [5, 6, 7, 8]. Все эти примеры свидетельствуют о том, что жизненный цикл эрозионных сетей помимо «очевидных» факторов (объем водного стока, уклон, состав горных пород, залесенность, интенсивность и продолжительность снеготаяния, распашка земель и др.) контролируется более масштабными процессами, обуславливающими не только эти, но и все другие явления, формирующие лик Земли. К таким масштабным процессам, по нашему мнению, прежде всего, необходимо отнести тектонические события, периодические или событийные, которые в конечном итоге выражаются в вертикальных движениях блоков земной коры и отвечают за формирование высот, уклонов и форм склонов. В поисках причин активизации и затухания эрозионных процессов исследователи изучали зависимости параметров роста оврагов от метеорологических и др. показателей. Но, как указывается в работе [6], коэффициенты корреляции в большинстве случаев оказывались невысокими (<0.5), за исключением зависимостей показателей овражности от размываемости грунтов. Натурные наблюдения и результаты моделирования [8] приводят геоморфологов к выводу, что на интенсивность роста и размеры оврага наибольшее влияние оказывают глубина базиса эрозии и форма склона. По данным А.П. Дедкова и др. (1997) положительные и отрицательные аномалии роста оврагов в целом хорошо увязываются с аномалиями стока взвешенных наносов на реках ВосточноЕвропейской платформы, хотя полного соответствия нет [5]. Но при прочих равных условиях, скорости потока, изменение его транспортирующей способности также зависят от глубины базиса эрозии и формы склонов. При большой крутизне и большой глубине базиса эрозии верховья оврага могут настолько близко подходить к линии водораздела, что ширина зоны отсутствия эрозии становиться исчезающее малой. Конечно, нельзя забывать о

SCIENCE TIME

естественных колебаниях климата и общей увлажненности, которые, несомненно, вызывают изменения высоты глобального базиса эрозии. Но изменение формы склонов и относительных высот местных базисов эрозии может быть объяснено только с позиции неотектоники.

Соотношение проявлений современной геодинамики и неотектонических движений можно проанализировать, сравнивая результаты анализа развития эрозионных сетей (по данным ДЗ) с результатами морфометрического анализа.

Сравнение показало, что существует прямая связь между проявлениями неотектонической активности и проявлениями современной геодинамики: области деградации или стабильного состояния эрозионной сети приурочены к областям неотектонического спокойствия, области с положительной динамикой расположены в непосредственной близости к средне- и высокоамплитудным неотектоническим поднятиям. Этот факт, помимо того, что он еще раз подтверждает основные положения теории формирования современных форм рельефа, может быть использован и в чисто практических целях. Например, мы можем уверенно сказать, что при всех прочих равных условиях геологические предпосылки возобновления роста овражных сетей в областях низких амплитуд неотектонических движений отсутствуют, и ближайшем будущем здесь можно вести выращивание сельскохозяйственных культур без опаски серьезного разрушения почвенного покрова. Напротив, вырубка лесов на активно поднимающихся водоразделах может привести к быстрому росту оврагов и разрушению почв.

Заключение

Методические приемы, описанные выше, могут быть применены для любых участков платформенных областей с развитыми эрозионными сетями. Основным преимуществом данной методики является площадное представление результатов анализа. Было бы интересно получить подобные результаты и для других участков платформ. Больший объем накопленной информации позволил бы с большей уверенностью говорить о характере взаимосвязи между процессами современной геодинамики и неотектоники, которая, по мнению авторов, определенно существует.

Литература:

1. Namel N.A., Name2 S. T., Complete Title of the paper, Book/Scientific Journal/ Name of the Conference, Country, 1999, pp 45-51;

2. Namel N.A., Name2 S. T., Complete Title of the paper, International Scientific Event, Country, vol. 3, pp 185-193, 2000.

3. Namel N.A., Name2 S. T., Complete Title of the paper, Book/Scientific Journal, Country, vol. 1/issue 6, pp 9-10, 2005.

4. Poesen J., Nachtergaelea J., Verstraetena G., Valentin C. Gully erosion and environmental change: importance and research needs, Catena, Vol. 50/issues 2-4, pp 91-133, 2003

5. Filosofov V.P. Basics morphometric method in search of tectonic structures. Saratov Univ. Publ. House, Russia, 1975, p.232 (in Russian).

6. Chernova I.Yu., Nourgaliev D.K., Nurgalieva N.G., Nugmanov I.I., Chernova O.S., Kadyrov R.I. Reconstruction of history of the Tatar Arch in the Neogene-Quaternary time by means of the morphometric analysis, Neftyanoe Khozyaistvo - Oil Industry Issue 6, 2013, PP. 12 - 15

7.Чернова И.Ю., Нугманов И.И., Даутов А.Н. Применение аналитических функций ГИС для усовершенствования и развития структурно-морфологических методов изучения неотектоники Геоинформатика/ Geoinformatica. № 4, 2010, c.9-23

8. Овражная эрозия востока Русской равнины / Под ред. А.П. Дедкова. Казань: Изд-во Казан, ун-та. 1990. 141 с.

9. Бутаков, Г. П., Е. Ф. Зорина, И. И. Никольская, И. И. Рысин, И. А. Серебренникова, В. В. Юсупова Тенденции развития овражной эрозии в Европейской России. Эрозионные и русловые процессы. М.: МГУ, 2000. Вып. 3. 52-62.

10. Овражная эрозия / Под ред .Р.С. Чалова. М.: Изд-во МГУ1989. 168с.

11. Дедков А.П., Мозжерин В.И., Сафина Г.Р. Современная изменчивость эрозии степной и лесостепной зонах Восточно-Европейской равнины// Геоморфология, 1997,№2,С.39-43