Суперпозиция высотного и гравитационного полей Земли как основа картографирования морфосистем

УДК 551.4 В.П. Ступин ИрГТУ, Иркутск

СУПЕРПОЗИЦИЯ ВЫСОТНОГО И ГРАВИТАЦИОННОГО ПОЛЕЙ ЗЕМЛИ КАК ОСНОВА КАРТОГРАФИРОВАНИЯ МОРФОСИСТЕМ

V.P. Stupin

Irkutsk State Technical University (ISTU), 83 Lermontova Ul., Irkutsk, 664074, Russian Federation

SUPERPOSITION OF HIGH-ALTITUDE AND GRAVITATIONAL FIELDS AS A BASE OF MAPPING OF MORPHOSYSTEMS

Article is devoted to a problem of a definition and ranging morphosystems. The concept of morphosystems as superposition of a high-altitude and gravitational fields is offered. Classification morphosystems on the basis of the given concept is considered. Methodical questions of application of a cartographical method in research morphosystems are stated. Opportunities and advantages of the examined approach are shown.

Системный подход рассматривает геоморфогенез как процесс перемещения вещества и энергии в пределах т.н. морфосистем - динамичных открытых геосистем на основе рельефа земной поверхности, созданного эндогенными и экзогенными процессами в условиях определенной литологической, тектонической и ландшафтно-климатической обстановки. Вместе с тем, существует не так уж много работ по методике их дефиниции, ранжирования и картографирования, как в целом, так и в приложении к конкретным регионам.

В основу предлагаемой концепции положено понимание морфосистем как суперпозиции гравитационного поля Земли и ее рельефа. Дефиниция морфосистем выполняется по трем основным признакам: структуре систем литодинамических потоков, положению по отношению к местным базисам денудации и форме полей потенциальной денудации.

Гравитационное поле Земли можно описать множеством уровенных поверхностей, перпендикулярных отвесным линиям, каждая из которых является геометрическим местом точек с равным потенциалом силы тяжести. Реальный рельеф гораздо сложней любой из уровенных поверхностей и, в общем случае, земная поверхность представляет собой поле высот точек с отличным от соседних точек потенциалом силы тяжести.

Суперпозиция гравитационного поля и поля высот имеет место повсеместно. Суммарный эффект наложения полей высот и силы тяжести проявляется в виде поверхностных литодинамических потоков, которые описываются нисходящими линями тока.

Каждая линия тока характеризуются направлением и координатами, т.е. является вектором. Будем называть верхнюю точку линии тока репеллером, а

нижнюю аттрактором. Совокупности линий тока образуют пространственные системы со специфичной структурой, что позволяет использовать их в качестве дешифровочных признаков при дефиниции морфосистем. Системы литодинамических потоков связаны функциональными зависимостями со структурными элементами рельефа, которые легко формализуются. Совместный анализ пространственных структур линий тока и структурных линий земной поверхности выявляет ее системную организацию: на фоне крупных пространственных структур имеют место осложняющие структуры низшего порядка, обладающие относительной самостоятельностью и обособленностью и сами состоящие из подчиненных систем. Каждая такая система обладает целостностью структуры линий тока, репеллеров и аттракторов, среди последних может быть выделен главный. Такой аттрактор мы называем местным базисом денудации, подчеркивая тем самым его особое положение одновременно как в данной системе (базис денудации), так и относительно системы высшего порядка (местный базис).

Местные базисы денудации контролируют развитие «своих» морфосистем. В качестве таких базисов выступают: на глобальном уровне -уровень моря, на региональном - подножия горных хребтов, на локальном и детальном - урезы водоемов, стволовые реки бассейнов, подошвы и перегибы склонов.

Аттракторы могут быть представлены как точками (донные точки), так и линиями (тальвеги и подошвы). Для морфосистем на основе положительных форм рельефа линия главного аттрактора представляет собой одновременно внешнюю границу системы. Рисунок линий тока таких систем носит центробежный характер. Морфосистемы на основе отрицательных форм ограничены главным репеллером и имеют центростремительный рисунок линий тока.

Формализация, дискретизация и элементаризация земной поверхности позволяет выявить структурные линии, нанести репеллеры, аттракторы и направления тока, определить местные базисы денудации и внешнюю границу морфосистемы. Первоначальная дефиниция границ морфосистем выполняется по крупномасштабным топографическим картам чисто формальными методами через ограниченное число формализованных структурных элементов.

Суперпозицию гравитационного поля и рельефа можно описать и в континуальной форме. Для этого составляют изолинейные карты вершинной и базисной поверхностей морфосистемы. Для набора высотных отметок используют, соответственно, репеллерные и аттракторные точки высшего ранга, что устраняет влияние вторичных, осложняющих форм. Морфометрические построения выполняются в пределах выявленных границ морфосистем, отдельно для каждого уровня иерархии. Так, в пределах хребта базисная поверхность проводится по его подошве и тальвегам долин высших для этого хребта порядков; при картографировании систем моделирующих этот хребет бассейнов более низких порядков - по тальвегам стволовых рек этих бассейнов, при картировании систем склонов в пределах указанных

бассейнов - по подошве этих склонов. Аналогично обрабатывают вершинные поверхности.

Разность вершинной и базисной поверхностей исследуемой морфосистемы отражает мощность слоя ее потенциальной денудации, который отображается изолиниями в виде поля потенциальной денудации (ППД).

При выделении ППД морфосистем и их расчете важны не абсолютные высоты вершинной и базисной поверхностей морфосистем, а их относительные превышения друг над другом. Они определяют разность высот репеллерных и аттракторных точек линий тока в пределах данной морфосистемы, т.е. превышения относительно местного базиса денудации.

Изолинии равной потенциальной денудации, проводимые относительно местного базиса, в общем случае не согласуются с изогипсами, так как базис денудации редко совпадает с уровенной поверхностью. Базисная поверхность может быть наклонена, осложнена ступенями, иметь выпуклую или вогнутую форму, т.е. иметь различную абсолютную высоту на всем своем протяжении.

ППД характеризуются напряженностью и градиентом. Напряженность является функцией перепадов высот и равна разности потенциалов силы тяжести начальной и конечных точек линий тока. Напряженность характеризует денудационный потенциал морфосистемы и зависит от мощности слоя потенциальной денудации, заключенного между вершинной и базисной поверхностями морфосистемы. Градиент численно равен отношению напряженности к горизонтальному проложению соответствующей линии тока, т.е. является функцией уклона. Он определяет скорость денудации.

Характерная морфология ППД позволяет использовать их в качестве одного из индикационных признаков при дефиниции морфосистем.

Итак, именно повсеместная суперпозиция рельефа и поля силы тяжести организует морфосистемы в естественные целостности на всех уровнях иерархии, является инвариантом и определяет закономерности геоморфогенеза.

Выявление и ранжирование морфосистем основано на наличии вариаций размерности и геометрии ППД. Эти вариации отражают принципиальные изменения в балансе и характере эндогенной и экзогенной составляющих морфогенеза, т.е. проявляются как эмерджентные свойства, определяющие качественные изменения в структуре и функционировании морфосистем.

Наконец, морфосистемы определенного ранга обладают типичными в целом, но индивидуальными в частностях ППД, что отражает особенности компонент данных морфосистем. Так, реакция геологического субстрата морфосистем на агенты денудации позволяют выделить в их пределах морфолитологические комплексы, а особенности климата -морфоклиматические зоны и высотные морфодинамические пояса.

Сквозная классификация морфосистем Земли, предполагает обобщение на каждом уровне иерархии, основанное на исключении влияния входящих в надсистему подсистем. Эта классификация выглядит следующим образом:

- Глобальная морфосистема всей поверхности Земли (геоморфоид);

- Планетарные морфосистемы суши (субаэральные) и дна водоемов (субаквальные) морфосистемы;

- Ряд региональных морфосистем на основе морфоструктур (страны, области, провинции, округа);

- Ряд локальных морфосистем на основе флювиальных бассейнов (районы, подрайоны);

- Ряд топологических склоновых морфосистем: сложные склоны (морфотопы), элементарные динамические поверхности (морфономы);

Геоморфоид (подобный форме Земли) - главная, всеобъемлющая морфосистема, включающая рельеф всей поверхности твердой оболочки Земли. Аттракторы геоморфоида большей частью расположены в пределах дна глубоководных желобов и котловин мирового океана и, в меньшей степени, в пределах днищ бессточных областей суши. Вершинные точки обладают неопределенностью, так как множество вариантов начальных направлений линий тока предполагают множество возможных аттракторов. Мощность слоя потенциальной денудации достигает двух десятков километров.

Субаэральные и субаквальные морфосистемы пространственно приближенно коррелируют с геотектурами - континентальными выступами и океаническими впадинами. Основанием для указанного разделения служит существенное различие процессов морфогенеза на суше и на дне океана. Эта различие настолько очевидно, что различают геоморфологию суши и морскую геоморфологию. Уровень океана является главным глобальным аттрактором литодинамических потоков суши. Мощность слоя потенциальной денудации субаэральных морфосистем составляет почти девять километров, субаквальных - более одиннадцати.

Границы и геометрия ППД морфосистем следующего уровней иерархии определяются и контролируются морфоструктурным планом территории. Пространственная корреляция морфосистем и морфоструктур здесь теснее, чем на предыдущем уровне, хотя имеются и расхождения. Большая часть морфосистем данного уровня на суше приурочена к положительным морфоструктурам и по свой экзолитодинамике относится к денудационному или денудационно-транзитному типу. Для этих морфосистем характерен центробежный рисунок линий тока. Аттракторами (местными базисами денудации) этих систем являются подошвы материнских морфоструктур -линии их сечения цокольными поверхностями, скользящими по тальвегам осложняющих эти морфоструктуры долин высших порядков.

Морфосистемы, приуроченные к отрицательным морфоструктурам являются транзитно-аккумулятивными или аккумулятивными системами. Их границами являются подошвенные линии окружающих денудационных морфосистем, а аттракторами - транзитные реки, днища котловин, урезы озер.

Рассмотренные выше три уровня иерархии включают морфосистемы преимущественно на эндогенной основе. Мощность слоя потенциальной денудации в них может колебаться в широких пределах - от немногих (равнины) до нескольких тысяч (горы) метров. В то же время некоторые звенья иерархии могут выпадать и тогда имеют место укороченные иерархические ряды или небольшие изолированные морфосистемы эндогенного генезиса (острова, изолированные горы и т.п.).

Морфосистемы следующих уровней иерархии имеют преимущественно экзогенную основу, причем открывают этот ряд флювиальные системы. Их выделение обосновано тем, что речная сеть играет роль главного связующего звена между морфоструктурами и морфоскульптурами, так как флювиальные системы, зарождаясь и развиваясь под контролем морфоструктур, формируются уже под непосредственным воздействием экзогенных факторов, прежде всего в тандеме со склоновыми процессами.

Например, в пределах Байкальской горной страны бассейновые системы, являются подсистемами морфосистем на основе сводово-глыбовых морфоструктур горных хребтов и котловин. Их стволовые реки (главные аттракторы) не превышают четвертого, редко пятого, порядка. при этом реки более высоких (четвертого-пятого) порядков приурочены не к денудационным морфосистемам хребтов, а к транзитно-аккумулятивным системам сопряженных с ними котловин. Роль рек еще более высоких, чем пятый, порядков заключается, в основном, в приеме и транзите рыхлого материала от своих притоков, т.е. они являются аттракторами и выходами опирающихся на них бассейновых систем более низкого ранга, а также служат в роли границ между соседними денудационными системами уровня округов.

Бассейновые морфосистемы, развиваясь под контролем морфосистем на морфоструктурной основе, в то же время имеют относительную самостоятельность, активно осложняя и моделируя материнские морфосистемы. Это особенно относится к элементарным деструктивным бассейновым системам, в которых наиболее ярко и динамично проявляется чуткий механизм обратной связи между склоновыми и флювиальными процессами. Пространственное положение таких систем ограничивается главным репеллером - водораздельной линией их бассейна. В роли аттрактора выступает тальвег стволовой реки бассейна, к которому сходятся все линии тока. Мощность слоя потенциальной денудации элементарных бассейнов не превышает нескольких сот метров, а у более сложных счет может идти и на тысячи метров.

На следующем уровне иерархии находятся склоновые системы. Обычно сложные склоны имеют три уровня: - пригребневые поверхности -собственно склоны - притальвеговые поверхности (днища). Противоположные склоны элементарных бассейнов образуют конструктивные парагенезы сходящихся к общему аттрактору скатов. К сложным склоновым морфосистемам относятся также отдельные изолированные положительные и отрицательные формы экзогенного мезо- и

микрорельефа, образованные простыми склонами, опирающимися на общий местный базис денудации.

Сложные склоновые морфосистемы далее подразделяют на простые склоновые системы - элементарные динамические поверхности, различающиеся по крутизне, форме продольного и поперечного профиля, а также по ряду признаков неморфологического характера. Они имеют свою структуру ППД, рисунок линий тока, репеллеры и аттракторы.

© В.П. Ступин, 2009