Геоинформационный анализ ареала распространения ребристых морен в Ивановской области

ВЕСТНИК УДМУРТСКОГО УНИВЕРСИТЕТА

БИОЛОГИЯ. НАУКИ О ЗЕМЛЕ

Исследования физико-географических особенностей региона

УДК 551.435.432

Д.С. Марков

ГЕОИНФОРМАЦИОННЫЙ АНАЛИЗ АРЕАЛА РАСПРОСТРАНЕНИЯ РЕБРИСТЫХ МОРЕН В ИВАНОВСКОЙ ОБЛАСТИ

Приведены результаты геоморфологического изучения и геоинформационного анализа рельефа в ареале распространения ребристых морен на равнинных территориях Ивановской области. Показан возможный механизм образования ребристых морен. Охарактеризованы функциональные возможности геоинформационных систем по сбору, хранению, анализу и визуализации пространственной и атрибутивной геоморфологической информации. Построена и проанализирована цифровая модель рельефа ареала распространения ребристых морен в Ивановской области.

Ключевые слова: ребристые морены, геоинформационные системы, дистанционное зондирование, цифровая модель рельефа, геоморфология, гляциальная геология.

В 2008 г. по материалам данных дистанционного зондирования Земли (ДДЗЗ) и радарной топографической съемки (SRTM) на территории Шуйского муниципального района Ивановской области впервые был обнаружен мезорельеф «стиральной доски» или ребристых морен [10]. По публикациям Б.А. Борисова и Е.А. Мининой [1; 2] подобные образования были известны в Северной Америке, в Канаде, а также в Гренландии и Фенноскандии под названием «роген-морены» («rogen-moraines»), «морены де-Гера», «типа стиральной доски» и т.д. В Азии они были изучены на Алтае, в Туве и на Памире [6]. На равнинных территориях Центральной России ребристые морены ранее не выделялись [3]. В Ивановской области ребристые морены хорошо проявляются в рельефе, что позволяет говорить о важности их изучения для анализа истории формирования ландшафтов территории и характеристики современного рельефа региона. Проведение геоморфологического анализа предполагает активное использование методов и моделей, реализуемых в геоинформационных системах (ГИС) [8; 9]. Особенно эффективно использование ГИС-технологий при анализе рельефа равнинных территорий, характеризующихся незначительными амплитудами высот и уклонами поверхности [4]. Исходя из этого, целью работы является геоморфологическое изучение и геоинформационный анализ ареала распространения ребристых морен на территории Ивановской области.

Материалы и методика исследований

Работа выполнена по материалам полевых исследований, проведенных в период с 2008 по 2011 г. Визуализация и моделирование рельефа проведены с использованием методов геоинформационных систем. В качестве базовой информации использовалась топографическая карта масштаба 1:50000 (проекция Pulkovo 1942 N7 Transverse Mercator), а также ДДЗЗ Landsat с пространственным разрешением 15 м (Landsat 7 ETM+). Для обзорного анализа поверхности использовалась цифровая модель рельефа SRTM (Shuttle radar topographic mission - радарная топографическая съемка). SRTM - автоматическая съемка земного шара, за исключением самых северных (>60°), самых южных широт (>54°), а также океанов, которая была произведена совместными усилиями космических агентств США (NASA), Италии и Германии в феврале 2000 г. Векторизация слоев топографической карты, моделирование и анализ рельефа проводились с использованием возможностей модулей 3D Analyst и Spatial Analyst ГИС ArcGIS 9.3, ГИС ArcView GIS 3.2 (ESRI, США), ГИС MapInfo 7.5 Professional (MapInfo), Global Mapper 10.02 (GM) и Surfer 8.04 (Golden Software). Обработка цифровой модели рельефа позволила получить производные морфометрические данные, включая вычисление углов наклона и экспозиции склонов, построение трехмерного изображения, профилей поперечного сечения (cross section, profile), оценку формы склонов через кривизну (curvature) их поперечного и продольного сечения, генерацию линий сети тальвегов (ravines, ravine-lines) и водоразделов (watersheds, ridge-lines), интерполяцию высот, автоматизацию аналитической отмывки рельефа (hill shading) [11]. На первом этапе исследования прово-

дился сбор первичной информации о состоянии ландшафтов территории распространения ребристых морен. Второй этап был связан с анализом данных дистанционного зондирования и ЗЯТМ. Третьим этапом являлась векторизация картографических материалов и построение цифровой модели рельефа. Четвертый этап был посвящен проведению полевых исследований по анализу рельефа территории. На завершающем этапе проводилось обобщение полученных материалов.

Результаты и их обсуждение

По классификации континентальных ледниковых образований [3] ребристые морены выделяются в ранге субфации, входящей в группу фаций тиллов компрессионных зон (сжатых). На примере изучения ребристых морен горных областей показано, что базальные тиллы чешуйчато-надвигового строения распространяются в периферической зоне оледенения [1; 2]. Обычно они генетически связаны с последним оледенением данной местности и отчетливо проявляются в рельефе в виде поперечных к движению ледника моренных форм. Образованию ребристых морен способствует наличие краевых лопастей ледяных потоков, окаймляющих гляциодепрессии с дистальной стороны. В рельефе ребристые морены представлены множественными серповидными или дугообразными (реже прямыми) грядами, которые в плане образуют рисунок, напоминающий рыбью чешую или стиральную доску (см. рис 2.).

Общепринятой точки зрения на вопрос о механизме образования ребристых морен до сих пор не существует [3]. По-видимому, основное требуемое условие - это наличие продольных сжимающих напряжений в мореносодержащем льду, которые могут приводить к его смятию и образованию надвигов (трещин скалывания). Сжатие льда связывается с окаймляющей талое ложе краевой мерзлой базальной зоной, достигая которую ледник теряет способность к слайдингу. В краевой зоне ледника вследствие малой мощности сжатие охватывает всю его толщу, и чешуи мореносодержащего льда выходят на поверхность, подвергающуюся абляции (рис. 1). Последующая стагнация базального льда осуществляется последовательными порциями, чешуя за чешуей, причем ранее отмершие чешуи льда служат дополнительным упором для следующих. Возможны и другие варианты образования ребристых морен [3]. После отступания ледника формируется покров чешуйчатого тилла с грядовым рельефом, который перерабатывается и перекрывается водно-ледниковыми отложениями. Ареалы развития ребристых морен маркируют последовательное изменение положения границы между талой и мерзлой зоной ледника при его отступании [14]. Наличие отдельных пятен ребристых морен связано с островами мерзлого ложа во внешней зоне примерзания [13].

Рис. 1. Образование множественных выходов мореносодержащего льда (показано жирными линиями) на поверхности ледника в прикраевой полосе при развитии складчатых и надвиговых структур в условиях сжимающего течения [12]: а, б, в - в разрезе; г, д - в плане; г - надвиговые поверхности простираются параллельно складчатости; д - под углом к ней

БИОЛОГИЯ. НАУКИ О ЗЕМЛЕ

На территории Восточной Европы ребристые морены впервые обнаружены в районе г. Шуя Ивановской области и одновременно в районе Рыбинского водохранилища. Наиболее четко этот мезорельеф проявляется восточнее г. Шуи, в междуречье р. Тезы и ее левого притока - Люлеха (рис. 2), по обе стороны небольшой р. Матня (Е41.61902, N56.84553). В геоморфологическом отношении этот район является частью аккумулятивной моренной равнины ранней фазы московского оледенения. По данным В.В. Писаревой и др. [7], он относится к Фурмановскому ледниковому языку, который активно двигался на одном из участков территории распространения московского оледенения. Ледниковый язык оставил пологие разрозненные конечные и краевые моренные образования, такие как крупные холмы вблизи г. Шуи (урочища «Осиновая гора», «Танковые горы» и др.), в основании которых залегают отторженцы пестроцветных нижнетриасовых пород [7]. По материалам доизучения геологической съемки, выполненной под руководством А.М. Миледина в 2000 г. [5], в этом районе, западнее и восточнее долины р. Матня, выделяются разрозненные моренные гряды московского возраста, длиной от 2,5 до 4,5 км, в одном случае (самая южная) - 7,5 км. В действительности на территории Шуйского района Ивановской области прослеживаются ритмично расположенные взаимопа-раллельные моренные гряды (рис. 2). Грядообразные возвышенности имеют протяженность от 9 до 15-16 км.

Рис. 2. Фрагмент SRTM снимка области распространения ребристых морен с гипсометрическим

профилем

Гипсометрические профили, построенные с использованием ГИС MapInfo 7.5 Professional и Global Mapper 10 (SRTM) по линии от пос. Михалево до пос. Клетино (рис. 2), показывают, что высота гряд составляет 8-15 м. Ширина их в основании 0,9-2,2 км. Наиболее широкие гряды построены попарно, между сближенными грядами глубина раздела составляет от 3 до 8 м, а его ширина 0,6-0,8 км. Гряды представляют собой слабоизогнутые дуги, располагаются субширотно. Ось дуг направлена к юго-юго-востоку, под углом около 15°. К востоку от р. Матни они изгибаются очень плавно к восток-северо-востоку, а к западу от реки - к запад-северо-западу. Гряды пологие, с почти плоским верхом. Ареал распространения ребристых морен пересечен долиной р. Матня, которая разделяет его практически поровну. Подобные ребристые морены наблюдаются и на правобережье р. Тезы южнее г. Шуя [10]. По линии простирания четко выделяемых в плане гряд через 1-2 км наблюдаются отдельные удлиненные возвышенности, направление и ширина которых соответствуют строению рассмотренных ребристых морен у р. Матня. Можно предполагать, что гряды ребристых морен протягиваются в обе стороны от этой площади, как к востоку, так и к западу от неё.

Снимки SRTM позволяют эффективно проводить анализ рельефа (рис. 2), однако при их использовании нужно учитывать то, что на изображении не всегда отображается фактическая поверхность Земли. В случае зондирования облесенной территории фиксируется высота ближайшей отражающей сигнал аппаратуры точки, которая может являться вершиной дерева или другого объекта. Поэтому для проведения объективного анализа ареала распространения ребристых морен была создана цифровая модель рельефа по изогипсам и отметкам высот топографической карты масштаба 1:50000 и данным дистанционного зондирования с использованием возможностей модуля ArcScene ArcGIS 9.3, ГИС ArcView GIS 3.2 и Surfer 8.04 (рис. 3). Периметр проанализированного участка со-

Геоинформационный анализ ареала распространения ребристых морен.

119

БИОЛОГИЯ. НАУКИ О ЗЕМЛЕ 2011. Вып. 2

ставляет 52,6 км, площадь - 158 км2, он охватывает практически всю центральную и западную части исследуемой территории. На цифровую модель рельефа был наложен космический снимок системы Landsat 7 ЕТМ+ с пространственным разрешением 15 м (рис. 4). Это позволило провести визуальный анализ поверхности и точно определить морфологические характеристики ребристых морен.

7656000 7658000 7660000 7662000 7664000

90

Рис. 3. Аналитическая отмывка рельефа района исследования с определением экспозиции и крутизны склонов (абсцисса - географическая долгота, м; ордината - географическая долгота, м; аппликата -

абсолютная высота, м)

Рис. 4. Фрагмент цифровой модели рельефа области распространения ребристых морен с наложенными на нее ДДЗЗ системы Landsat 7 ETM+

Аналитическая отмывка рельефа была выполнена в программе Surfer 8.04 (Golden Software). По векторизованным изогипсам и отметкам высот с помощью внутреннего механизма генерации методом Kriging был создан GRID-файл, содержащий регулярную матрицу высот. С использованием GRID-файла была подготовлена компоновка, содержащая рельефную карту (Shaded Relief Map) с нанесенными на нее векторами, показывающими экспозицию и крутизну склонов (Vector Map), а также

БИОЛОГИЯ. НАУКИ О ЗЕМЛЕ

цифровую модель рельефа (3D Surface). Проведение геоинформационного анализа территории позволило определить, что максимальная амплитуда высот на исследуемой территории составляет 29,3 м (от 90,0 до 119,3 м). Анализ крутизны склонов (Slope of Aspect), проведенный с помощью ГИС Arc-View GIS 3.2, показал, что средняя ее величина составляет 24,6° (от 0 до 69,3°) с преобладанием ровных участков с уклонами менее 2° (18% площади). Экспозиция склоновых элементов рельефа (Aspect) характеризуется незначительным преобладанием северо-западных (292,5-337,5°), юговосточных (112,5-157,5°) и юго-западных (202,5-247,5°) уклонов, что определяется общим направлением простирания моренных гряд.

Наземное изучение ребристых морен было выполнено в Шуйском районе Ивановской области у пос. Пустошь в карьере и долине р. Матня (рис. 5). На одной из гряд в центральной части ареала распространения ребристых морен в пос. Пустошь (E41.61015, N56.84785) обследован выход четвертичных пород в канаве (мелком шурфе) протяженностью 10 м, шириной 0,5 м и глубиной 1 м. Канава ориентирована поперек моренной гряды. В ней под почвенным слоем на глубине 30-35 см вскрыта морена. Она состоит из красновато-коричневого суглинка с включениями валунов и угловатоокатанных галек. Валуны в поперечнике не превышают 30 см. Округлые валуны состоят из белого известняка. Валуны красного, розового и светло-серого гранита и черные валуны основных пород являются угловато-сглаженными, а иногда имеют утюгообразную форму. Удлиненные обломки валунов ориентированы поперек гряды - в направлении движения ледника. Метаморфизованные породы представлены розовыми кварцитами и филлитами. В моренном суглинке содержатся кварциты в виде уплощенных мелких валунов и сглаженного щебня, реже в виде угловатой гальки. Филлиты имеют почти такую же форму, осложненную расщеплением породы по слойкам. В отдельных случаях валуны филлита представляют собой будины, длиной около 35 см. Галька в морене угловатая мелкая состоит из обломков известняков. Скопления белой гальки выделяются в отдельных частях морены и подчеркивают ее своеобразную неоднородность.

На другой гряде, проходящей в пос. Леньково, вблизи моста через р. Матня находится небольшой карьер (E41.65379, N56.84381). Он расположен за бровкой правого крутого берега на высоте около10 м над урезом воды. Глубина карьера 5 м. На его бортах вскрывается морена коричневого цвета со скоплениями характерной угловатой белой гальки, с редкими валунами и щебнем, как и в канаве у пос. Пустошь. Основное отличие заключается в наличии больших гнезд и коротких линз желтой супеси, а также гальки кремней красноватой окраски.

На изученных в полевых условиях грядах морена не перекрывается покровными суглинками; можно предполагать, что покровные суглинки отсутствуют на всей рассматриваемой площади распространения ребристых морен.

Рис. 5. Фотография одной из гряд ребристых морен в окрестностях пос. Пустошь (Ивановская область) Выводы

Таким образом, восточнее г. Шуя Ивановской области в междуречье Тезы и Люлеха обнаружена система ребристых морен московского возраста на площади примерно 20х40 км. Образование ребристых морен связано с активными движениями в леднике, с гляциотектоникой. В районе г. Шуи хорошо

выражены следы средненеоплестоценовой гляциотектоники в виде отторженцев нижнетриасовых пест-роцветов в московской морене. Они известны в карьере на западе Шуи [5], в карьерах вблизи Осиновой горы на восточной окраине Шуи и в южной части города (Танковые горы). Очевидна связь во времени и в активности московского ледника между ребристыми моренами и шуйскими отторженцами. Проведение геоинформационного анализа ареала распространения ребристых морен позволило построить цифровую модель рельефа этой территории, определить амплитуды высот, направление и крутизну склонов, а также подготовить основу для проведения морфодинамического анализа рельефа.

НИР выполнена в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Борисов Б.А., Минина Е.А. Корреляция ледниковых и вулканических событий квартера Тувы // Региональная геология и металлогения. 2002. № 15. С. 28-36.

2. Борисов Б.А., Минина Е.А. Ребристые и сетчато-ячеистые основные морены Восточного Памира и Горного Алтая // Геоморфология. 1979. С. 69-74.

3. Каплянская Ф.А., Тарноградский В.Д. Гляциальная геология: метод. пособие по изучению ледниковых образований при геологической съемке крупного масштаба. СПб.: Недра, 1993. 328 с.

4. Колбовский Е.Ю. Ландшафтоведение: учеб. пособие. М.: Академия, 2006. 480 с.

5. Малкин Б.В., Миледин А.К. О гляциотектонических деформациях в Ивановской области // Геологический

вестник Центральных районов России. 2001. №1. С. 24-34.

6. Минина Е.А., Борисов Б.А. Ребристые морены горных стран // Главнейшие итоги в изучении четвертичного периода: материалы Всерос. совещ. (г. С.-Петербург, 14-19 сентября 1998 г.). СПб.: ВСЕГЕИ, 1998. С. 125, 126.

7. Московский ледниковый покров Восточной Европы. М.: Наука, 1982. 240 с.

8. Назаров Н.Н., Рысин И.И., Петухова Л.Н. О результатах исследования русловых процессов в бассейне Камы

// Вестн. Удм. ун-та. 2010. №1. С. 83-96.

9. Рысин И.И., Григорьев И.И. Влияние гидрометеорологических факторов на рост оврагов в Удмуртии // Вестн. Удм. ун-та. 2010. №4. С. 137-146.

10. Сластенов Ю.Л., Марков Д.С., Киселев Д.Н. Ребристые морены в районе г. Шуя (Ивановская область) // Актуальные проблемы неогеновой и четвертичной стратиграфии: материалы Всерос. науч. совещ. (Москва, 1-3 апреля 2009 г.). М.: ГЕОС, 2009. С. 119-123.

11. Трифонова Т.А., Мищенко Н.В., Краснощеков А.Н. Геоинформационные системы и дистанционное зондирование в экологических исследованиях. М.: Академический проект, 2005. 325 с.

12. Glacial Geology / Ed. N. Eyles. Oxford, Pergamon Press, 1983, 409 p.

13. Lundqvist J. Problems of the so-called Rogen-moraine // Sverig. Geol. Undersok. 1969. Ser. C. №648. 32 p.

14. Moller P. Moraine morphology, till genesis, and deglaciation pattern in the Asnen Area, south-central Smaland, Sweden // LUNDQUA thesis. 1987. Vol. 20. 146 p.

Поступила в редакцию 17.03.11

D.S. Markov

The geoinformation analysis of the range of rogen-moraines in the Ivanovo region

The article shows the results of geomorphological studying and the geoinformation analysis for the relief in the range of rogen-moraines in flat territories of the Ivanovo region. The possible mechanism of formation of rogen-moraines is shown. Functionality of geoinformation systems on gathering, storage, the analysis and visualization of the spatial and attributive geomorphological information is characterized. The digital model for the relief of the range of rogen-moraines in the Ivanovo region is developed and analyzed.

Keywords: rogen-moraines, geoinformation systems, remote sensing, digital elevation model, geomorphology, glacial geology.

Марков Дмитрий Сергеевич, кандидат географических наук, доцент

ГОУВПО «Шуйский государственный педагогический университет» І55909, Россия, Ивановская обл. г. Шуя, ул. Кооперативная, 24 E-mail: sgpu@mail.ru

Markov D.S.,

candidate of geography, associate professor Shuya State Pedagogical University 155909, Russia, Shuya, Kooperativnaya st., 24 E-mail: sgpu@mail.ru