/
Text
Российская академия наук ISSN 0435-428] ГЕОМОРФОЛОГИЯ 2000
ГЕОМОРФОЛОГИЯ РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК МОСКВА ОКТЯБРЬ-ДЕКАБРЬ № 4-2000 ЖУРНАЛ ОСНОВАН В 1970 ГОДУ ВЫХОДИТ 4 РАЗА В ГОД СОДЕРЖАНИЕ Бронгулеев В.Вад., Тимофеев Д.А., Чичагов В.П. Геоморфологические режимы 3 Бронгулеев В.Вад. Современные экзогеодинамические режимы Русской равнины 11 Певнев А.К. Вклад Ю.А. Мещерякова в решение проблемы прогноза землетрясений (к 80-летию со дня рождения) 24 Экологическая геоморфология Белоусов А.А., Маккавеев А.Н., Курбатова Л.С. Анализ влияния геолого-геоморфологических факторов на возникновение чрезвычайных ситуаций в центральных районах г. Москвы 40 Методика научных исследований Ермолаев О.П., Савельев А.А. Новые возможности анализа факторов эрозии почв с использованием гис-технологий 46 Научные сообщения Бабак Ю.В., Турыкин Л.А., Чалов Р.С. Сток наносов, руслоформирующие расходы воды и морфодинамические типы русел рек бассейна Оки 57 Виноградова О.В. О механизме формирования расширений в долинах полугорных рек Патомского нагорья 71 Зорина Е.Ф., Прохорова С.Д., Чалов Р.С. Роль овражной эрозии в формировании речных перекатов 76 Кривцов В.А., Кривцова Л.Д. Геоморфологические условия размещения и особенности россыпей золота на Южном Алтае 83 Постоленко Г.А. Условия и характер формирования селевых потоков на равнине тропической зоны (на примере о-ва Куба) 89 © Российская академия наук. Отделение океанологии, физики атмосферы и географии, Институт географии, 2000 г.
GEOMORPHOLOGY RUSSIAN ACADEMY OF SCIENCES MOSCOW OCTOBER-DECEMBER № 4-2000 QUARTERLY FOUNDED 1970 CONTENTS Bronguleyev V.Vad., Timofeyev D.A., Chichagov V.P. Geomorphologic regimes 3 Bronguleyev V.Vad. Recent exogeodynamic regimes of the Russian Plain 11 Pevnev A.K. A contribution of J.A. Mescherikov to the problem of earthquake prediction (to the 80th anniversary) 24 Ecological geomorphology Belousov A.A., Makkaveyev A.N., Kurbatova L.S. Geologic-geomorphologic factors of emergencies in the central districts of Moscow 40 Methods of Research Yermolayev O.P., Savel'ev A.A. A new approach to the analysis of soil erosion factors with the use of GIS-technology 46 Short communications Babak J.V., Turykin L.A., Chalov R.S. Sediment run-off, channel-forming discharges and morphodynamic types of river channels in the catchment area of the Oka river 57 Vinogradova O.V. On the origin of the valleys' dilatations in the semi-mountains rivers of the Patom highland 71 Zorina E.F., Prokhorova S.D., Chalov R.S. Role of gully erosion in the river shallows formation 76 Krivtsov V.A., Krivtsova L.D. Geomorphologic conditions of distribution and peculiar properties of placers at the South Altai 83 Postolenko G.A. Conditions and characteristic features of mudflows on the plains of the tropical zone (taking Cuba as an example) 89 2
ГЕОМОРФОЛОГИЯ No 4 октябрь-декабрь 2000 УДК 551.4.011 © 2000 г. В.ВАД. БРОНГУЛЕЕВ, Д.А. ТИМОФЕЕВ, В.П. ЧИЧАГОВ ГЕОМОРФОЛОГИЧЕСКИЕ РЕЖИМЫ1 В геоморфологии ощущается нехватка понятий (и знаний) о совокупностях мор¬ фологических характеристик рельефа, связанных с ними рельефообразующих про¬ цессов, внешних условий морфогенеза, т.е. представлений о типе геоморфологического развития той или иной территории на том или ином отрезке времени. Неизбежный и, конечно, очень важный этап раздельного исследования различных составляющих процесса геоморфологического развития привел к множеству ценных достижений, которые получены на том или другом пути геоморфологического анализа. Например, понятия "морфоструктура" и "морфоскульптура" успешно используются в нашей науке многие десятилетия. Детальные классификации тех и других, развитые методики их выделения и картографирования позволяют получать более или менее подробные характеристики эндогенной и экзогенной составляющих рельефа. Вместе с тем неоднократно указывалось, что при раздельном аналитическом рассмотрении этих составляющих комплексное, единое, представление о рельефе и его развитии как бы теряется. Можно считать очевидным или, во всяком случае, весьма вероятным, что факторы рельефообразования, рельефообразующие процессы и созданные ими формы нахо¬ дятся в некоем единстве, образуют парагенезы. Такие парагенезы составляют, если так можно выразиться, "геоморфологическую оболочку", объединяющую геоморфо¬ логические системы разного ранга. Парагенезы развиваются во времени, сменяя друг друга (что находит отражение в истории развития рельефа), и дифференцированы в пространстве, что выражается в существовании разнообразных типов рельефа, комп¬ лексов форм. Исследование таких парагенезов, их выделение, районирование может дать возможность получить синтетическое знание о рельефе, о морфологических, морфодинамических, исторических особенностях территории. Нам представляется целесообразным предложить понятие "геоморфологический ре¬ жим" для обозначения совокупности условий и процессов рельефообразования, форм земной поверхности, существующих на данной территории и определяющих состояние и характер развития геоморфосистем на том или ином отрезке времени. Понятие " режим" в географии и геологии В ряде наук о Земле используется понятие "режим": водный режим водоемов и почв, климатический режим, режим атмосферных осадков, ледовый режим, текто¬ нический режим и т.д. Однако смысл этого слова в разных геолого-географических отраслях знания трактуется по-разному. В геоморфологии же этот термин до сих пор почти не применялся. 1 Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект № 98-05-64359). 3
В толковых словарях русского, английского, французского языков слово ’’режим” обычно имеет несколько значений. В четырехтомном Словаре русского языка при¬ ведены четыре дефиниции: 1) государственный строй, образ правления, 2) точно уста¬ новленный распорядок жизни, 3) система правил, мероприятий, необходимых для той или иной цели, 4) условия работы, деятельности, существования чего-либо [1]. Сход¬ ные определения даны в Словаре иностранных слов [2]. Несколько иные объяснения находим в Словаре английского языка: 1) регулярный ход событий или действий (на¬ пример, выпадение сезонных осадков), 2) характерное поведение или упорядоченная процедура естественных явлений или процессов [3]. Для наших целей особенно важно последнее определение. В географии используются такие словосочетания: водный режим водоемов - изме- ненение во времени уровней и объемов воды (межень, половодье, ледостав, ледоход); ледовый режим - смена состояний ледяного, покрова на океанах, морях, озерах, реках; водный режим почв - совокупность процессов, определяющих поступление, переме¬ щение, состояние и расходование воды в почве [4, 5]. Известны понятия "заповедный режим”, "заказной режим”, обозначающие совокупность законов и правил охраны при¬ родных объектов в заповедниках, заказниках, национальных парках. Давно применяется слово "режим" в геологии: тектонический режим - преобла¬ дающий тип тектонических движений и деформаций в основных структурных областях земной коры, длительно в них сохраняющийся и являющийся ведущим фактором образования формаций горных пород. По составу и мощности формаций, а также по характеру тектонических нарушений он может быть реконструирован. Выделяются геосинклинальный, орогенный и платформенный типы тектонических режимов [6, с. 304-305]. В.В. Белоусов и его последователи употребляют термин "эндогенный режим", по¬ нимая под ним сочетание эндогенных процессов (тектонических, магматических, мета¬ морфических), что выражается набором конкретных форм, масштабов и последова¬ тельности тектонических движений, магматизма и метаморфизма, происходящих в той или иной области на протяжении определенного периода геологического времени. На континентах выделяются эндогенные режимы: геосинклинальный, платформенный, магматической активизации, рифтовый, материковых окраин, тафрогенный [7, 8]. В.В. Белоусов [7] выделял также неотектонические режимы - подвижный (горный) и спокойный (равнинный). В последние годы появилась серия статей о современных эндогенных режимах, на чем мы остановимся подробнее. В этих работах развиваются представления В.В. Бе¬ лоусова и Н.И. Павленковой [9]. Г.И. Рейснеру [10, 11] удалось разработать методы решения трех задач: типизации земной коры по комплексу показателей, выявления современных эндогенных режимов и районирования земной коры по типам режимов. Для решения первой задачи применялся кластерный анализ с использованием пяти параметров: интенсивности теплового потока, глубины залегания консолидированного фундамента, изостатических аномалий силы тяжести, скорости современных движений земной коры и ее мощности. Выделены три типа режимов - орогенный, тафрогенный и платформенный, а ареалы их распространения сопоставлены с типами рельефа. В пре¬ делах областей проявления орогенного режима выделены четыре стадии, тафроген- ного - три, платформенный не подразделялся. По мере совершенствования методики в набор исходных параметров были вклю¬ чены высота современного рельефа и дефицит мощности земной коры. Это дало возможность определить принадлежность участков земной коры к сфере проявления конструктивного или деструктивного эндогенного режима [11]. Таким образом удалось выделить не только три типа режимов и их стадии, но и фазы современной актив¬ ности. Предложенная методика вначале применялась для изучения режимов морских впа¬ дин Средиземноморского региона и Южно-Китайского моря [12, 13]. Был выявлен генетический ряд или стадии эволюции платформенного и тафрогенного режимов, 4
свидетельствующие об угасании эндогенной активности в изученных впадинах окраин¬ ных и внутренних морей. На основе синтеза информации о строении земной коры, новейших и современных движениях, сейсмичности и геоморфологических особенностях - всего 14 параметров - впервые были показаны возможности количественной интерпретации разнородных ма¬ териалов для восстановления объективной картины природных условий и их эволюции. Выяснилось, например, что в течение неотектонического этапа рельеф и природная среда Южного Приаралья формировались в условиях нормального платформенного режима. В современную же эпоху он сменился деструктивным - тафрогенным, с которым связана тенденция к нисходящему развитию рельефа [10-12]. Если эта направленность будет сохраняться, то в Южном Приаралье будет происходить заложение новых и расширение площадей существующих впадин. Все это должно привести к увеличению обводненности региона. Таким образом, причиной крупной экологической катастрофы в регионе является исключительно бесхозяйственная деятельность человека, которому всего за три десятилетия удалось превозмочь геологическую направленность развития территории и иссушить Арал. Интересные результаты были получены при анализе основных особенностей современных эндогенных режимов на территории Северной Евразии [14]. Типизация земной коры была проведена по комплексу из шести признаков: плотность теплового потока, мощность земной коры, высота рельефа, изостатические аномалии, мощность осадочного чехла и плотность в подкоровом слое верхней мантии. Выделены три типа режимов. Проанализирована современная активность земной коры и сделан важный вывод, что "сегодня” исчерпаны энергетические запасы Евразии, что означает окон¬ чание этапа неотектонической активизации. Сравнительный анализ показал, что име¬ ются разные типы смены режимов при движении от континента к океанам: из¬ начальный платформенный режим сменяется орогенным, затем тафрогенным и вновь платформенным, но уже с тафрогенной структурой. Результаты изучения современных эндогенных режимов показывают, что совре¬ менная эпоха - последние 2 тысячи лет - характеризуется общим спадом тектоничес¬ кой активности, широким и разнообразным проявлением деструктивного (таф- рогенного) режима, резкой сменой орогенного и платформенного режимов тафро¬ генным. В современном рельефе, его строении и развитии такая смена состояний эндогенных режимов может проявляться как геоморфологический кризис различ¬ ной интенсивности и скорости протекания. Эти кризисы являются закономерными вехами в геоморфологической эволюции, как и в эволюции природной среды в целом [15]. В геоморфологии до сих пор слово "режим" не особенно популярно. Мы нашли два , чимера его употребления. А. Болиг [16] писал о "морфоклиматических режимах", по¬ ни ая под ними условия экзогенного рельефообразования, определяемые главным образом климатом, и различал: умеренно гумидный, аридный, ледниковый, гумидно- тропический, переменно гумидно-тропический, субтропический средиземноморский и перигляциальный режимы. Еще одно употребление слова "режим" предложил А.С. Девдариани [17]. Он писал о "регулярном режиме" как о состоянии рельефа или его отдельных форм и элементов (например, склонов), к которому данный рельеф (элемент) стремится в своем развитии. Регулярный режим достигается за конечный промежуток времени, в течение которого рельефообразующие факторы изменяются слабо. Таким образом, можно констатировать, что в науках о Земле слово "режим" употребляется по отношению к тем или иным пространственно-временным объектам и означает: 1) состояние, порядок смен состояний, событий, процессов, 2) совокупность процессов и факторов, 3) совокупность процессов, структуры и динамики (движений, деформаций), 4) некий закономерный тренд развития (жизни) объекта, идущий по определенным правилам. 5
Геоморфологический режим - синтезирующая характеристика рельефа Несмотря на разночтения в трактовке слова "режим” и в обыденной речи, и в геолого-географической терминологии, нам представляется целесообразным предло¬ жить понятие "геоморфологический режим" для обозначения пространственно-времен¬ ных, историко-генетических и морфодинамических комплексов форм и типов рельефа и создающих их процессов. Идеология геоморфологических режимов позволит, как это будет показано далее на конкретных примерах, по-иному подойти к анализу и синтезу разнородных данных о геоморфологических системах разного ранга. Необходимость введения понятия, охватывающего и морфологию, и генезис, и историю развития, и динамику рельефа, всегда ощущалась геоморфологами, особенно при обобщении ре¬ гиональных характеристик рельефа. Мы предлагаем следующее определение этого понятия: геоморфологический режим той или иной территории - это совокупность (парагенез) процессов рельефообразования и форм земной поверхности, определяющая тип со¬ стояния (в том числе морфологию и морфологическую структуру), ход и тренд раз¬ вития геоморфологических систем за определенный отрезок времени. Это понятие и пространственно-типологическое, и временное - закономерная по¬ следовательность явлений, событий, состояний, изменений. Тот или иной геоморфо¬ логический режим выражается в типе и состоянии рельефа, в геоморфологической обстановке, геоморфологическом ландшафте. Так, режим горного рельефа отличается от режима пенеплена, сформированного на месте прежних гор. Выделение и иерар¬ хическая типизация геоморфологических режимов производится на основе анализа и последующего синтеза данных об изменениях морфологии, структуры (в том числе морфоструктуры и морфоскульптуры), возраста и генезиса рельефа данной области. Понятие "геоморфологический режим" близко, но не тождественно геоморфоло¬ гической формации Н.А. Флоренсова. Напомним, что геоморфологическая формация - это "...естественное и исторически обусловленное сочетание форм земной поверх¬ ности, связанное друг с другом единством места и времени и существующих при определенных тектонических и климатических режимах, порождающих тот или иной способ их (т.е. форм рельефа) подвижного равновесия" [18, с. 410]. Из этих слов следует, что та или иная геоморфологическая формация, то или иное тело (часть земной коры), выраженное определенным образом на земной поверхности в виде со¬ четания морфоструктуры и морфоскул ьптуры, возникает при том или ином гео¬ морфологическом режиме. Иными словами, геоморфологический режим порождает геоморфологическую формацию. Существование на какой-либо территории определенного геоморфологического ре¬ жима означает более или менее устойчивое состояние соответствующих типов релье¬ фа и рельефообразующих процессов. Происходящие изменения, пока они остаются в рамках данного режима, принципиально не меняют рельеф. Смена режима, сопро¬ вождающаяся отмиранием старого и возникновением нового, происходящая быстро или постепенно, в силу изменившихся внешних условий или в результате самоэво- люции геоморфологического ландшафта (горы - пенеплен), соответствует новому этапу в развитии рельефа и приводит к возникновению качественно нового типа рельефа и качественно (или количественно) новых рельефообразующих процессов. Если эндогенный платформенный режим сменяется режимом тектонической акти¬ визации, то геоморфологический режим платформенной равнины сменится режимом горного рельефа (орогенным), пройдя промежуточную стадию, например, предоро- генного. Из приведенного выше определения следует, что геоморфологический режим вы¬ деляется по комплексу признаков или критериев. Необходима иерархия этих кри¬ териев, каждый из которых характеризует какую-либо сторону геоморфологического режима. На самых высоких уровнях типизации распознавание режимов производится: 6
A. По типу состояния (морфологической структуре) - равнинный, горный, пере¬ ходный режимы. Б. По тренду и типу развития - восходящий, нисходящий режимы. B. По истории развития - унаследованный, новообразованный. Г. По организации пространства - режим дифференциации (расчленения) и режим интеграции (выравнивания). Д. По парагенезу процессов (по морфодинамике) - денудационный и аккумуля¬ тивный режимы. Главным среди этих ведущих критериев является морфология земной поверхности. По аналогии с принятым в геологии выделением геосинклинального, платформенного, орогенного и других эндогенных режимов, соответствующих крупнейшим историко¬ генетическим и структурным подразделениям земной коры, в геоморфологии основными типами являются равнинный, горный и переходный от гор к равнинам (области горно-равнинного рельефа) режимы. При конкретных региональных обобщениях в целях "режимного синтеза" каждый из признаков-критериев может быть подразделен на частные, более дробные детализи¬ рующие подпризнаки. В итоге может быть получена более детальная характеристика режима по особенностям морфологической структуры, истории и тренду развития, степени выраженности в рельефе факторов рельефообразования. Например, рав¬ нинный денудационный нисходящий режим (режим пенеплена), горный, эпиплатфор- менный, восходящий, сводово-глыбовый режим и т.п. На определенных стадиях обобщения исходных данных можно раздельно устанавливать эндогеоморфологические режимы и экзогеоморфологические (экзодинамические). Сопоставление этих двух разновидностей режимов дает возможность оценить ха¬ рактер взаимных связей между главными факторами морфогенеза - эндогенными и экзогенными. Наряду с традиционными способами комплексного анализа рельефа и выделения геоморфологических режимов возможен и подход, использующий для этой цели формализованные методы обработки количественных данных. Располагая для той или иной территории набором необходимых характеристик рельефа (скажем, морфомет¬ рических показателей), рельефообразующих процессов и факторов, выраженных хотя бы в балльных оценках, можно воспользоваться методами многомерной классифи¬ кации, чтобы выделить районы с однородными значениями параметров. Одним из таких методов является кластерный анализ, применявшийся, как уже упоминалось, для выделения эндогенных тектонических режимов [10, 11]. Использование этого подхода на примере Русской равнины позволило выделить районы с относительно постоянными на больших территориях значениями характеристик. Эти области рас¬ сматривались как регионы развития тех или иных современных геоморфологических режимов, точнее, экзогеодинамических режимов, поскольку большая часть использо¬ ванных показателей относилась к экзогенным процессам и условиям. Пространственное распределение режимов на Русской равнине подчиняется как климатическим, так и тектоническим факторам экзоморфогенеза. Выяснилось, что выделенные режимы отражают некоторые существенные особенности геоморфоло¬ гического строения территории. Так, в распределении современных режимов от¬ четливо прослеживается зона распространения древне ледниковой морфоструктуры, хотя данные по ней не входили в набор переменных. Зона развития мерзлотных процессов на северо-востоке равнины даже без учета какой-либо информации об их распространении четко выделяется по комплексу климатических и морфологических данных как особый тип режима - мерзлотно-эрозионный. Анализ геоморфологических режимов с использованием данного подхода может быть полезен при выделении ведущих факторов морфогенеза или ведущих релье¬ фообразующих процессов, поскольку в характеристику каждого режима входят аб¬ солютные и относительные оценки всех рассматриваемых параметров. Многие из эк¬ зогеодинамических режимов Русской равнины характеризуются явственно преобла¬ 7
дающей значимостью тех или иных факторов морфогенеза в сочетании с ведущей ролью того или иного экзогенного процесса, например карстового, эрозионного рас¬ членения или сочетания глубинной эрозии с оползневой переработкой склонов. Под¬ робнее эти результаты описаны в статье [19], опубликованной в настоящем номере журнала. Приведем некоторые другие примеры анализа и синтеза данных о геоморфо¬ логических режимах. Западно-Сибирская равнина. Обычно эта область характеризуется как молодая низкая платформенная равнина [20]. Но это лишь морфоструктурное определение, не раскрывающее полностью сложной истории развития рельефа и его современного морфодинамического состояния. Как было показано позднее [21], в геоморфоло¬ гической истории Западной Сибири выделяются две крупные возрастно-генетические генерации: аккумулятивная равнина в условиях тектонического прогибания в мезозое- кайнозое w слабо поднимающаяся с конца неогена - начала плейстоцена денуди- рующаяся равнина. Таким образом, в мезозойско-кайнозойской истории этого региона установлена смена геоморфологических режимов: нисходящий режим прогибания, ак¬ кумулятивного выравнивания и пространственной интеграции в конце неогена - плей¬ стоцене сменился восходящим режимом денудационного расчленения и пространствен¬ ной дифференциации. Плейстоценовый и современный геоморфологический режим здесь можно расценивать как новообразованный, хотя определенные черты унасле¬ дованное™ неоспоримы, особенно в отношении пространственной унаследованное™ развития основных морфоструктурных элементов Западно-Сибирской равнины. Но если в пространстве границы новейших морфоструктур в ряде случаев заложилось до начала новейших общих и дифференцированных поднятий (Сибирские Увалы, на¬ пример), то тренд их развития и комплекс экзогенных процессов стали существенно иными. Южная Монголия. Современный рельеф этой аридной области представляет собой сочетание эпиплатформенных пьедестальных гор и межгорных аккумулятивно-дену¬ дационных равнин. Соответственно современный геоморфологический режим различен для горных и равнинных участков, хотя основой для их формирования явилась более или менее однородная исходная поверхность пенеплена мел-палеогенового возраста [22, 23]. Этот пенеплен возник на месте поднятых дифференцированными движениями в поздней юре - раннем мелу горных сооружений, в значительной мере унасле¬ довавших более древние (каледонские и герцинские) орогены Монгольского и Го¬ бийского Алтая. Таким образом, в поздней юре - раннем мелу здесь существовал режим возрожденного горообразования и морфоструктурной дифференциации поверх¬ ности. В середине - конце мела этот режим благодаря общей тектонической ста¬ билизации сменился режимом нисходящего аккумулятивно-денудационного вырав¬ нивания и формирования квазиплатформенного пенеплена. Мел-палеогеновый пе¬ неплен, образовавшийся в условиях нарастающей аридизации климата, представлял собой парагенетическое сочетание остаточных низкогорных массивов и кряжей с денудационными и аккумулятивными озерно-аллювиальными равнинами. В конце палеогена, неогене и особенно в плейстоцене - голоцене произошла еще одна смена геоморфологического режима. Началось тектоническое коробление поверхности пе¬ неплена, возможно, в результате сжатия земной коры Центральной Азии при нара¬ стающем давлении Индостанской литосферной плиты на Евразиатскую. В итоге осуществилась вторичная дифференциация рельефа (деструкция, по С.С. Коржуеву и Н.А. Флоренсову [24]). Процесс морфоструктурной дифференциации в условиях аридного климата продолжается и поныне. При этом заметную роль в моделировке и горного, и, особенно, равнинного рельефа играет эоловая деструкция (дефляция), в результате чего на исходный пенеплен и на его взломанные новейшими движениями горные сооружения накладывается современная эоловая пенепленизация [25]. Таким образом, в мезозойско-кайнозойской истории юга и востока Монголии трижды происходили смены геоморфологических режимов: восходящая морфоструктурная 8
дифференциация и образование горно-равнинного рельефа в середине мезозоя, стабилизация и нисходящая интеграция рельефа в конце мезозоя - палеогене и новейшая восходящая дифференциация рельефа с формированием специфичных пьедестальных гор (гобийский тип горообразования) [26, 27], продолжающаяся до настоящего времени. 3. Юго-Восточная Азия (Индокитай). Здесь расположено уникальное по своей устойчивости и длительности развития образование - Индосинайский, или Контумский докембрийский срединный массив. С раннего докембрия по современную эпоху он сохраняется в виде поднятия, будучи окружен то морскими бассейнами, то впадинами с наземными равнинами. Этот массив - долговременная область сноса - по известной аналогии может быть назван вторым древним теменем Азии. Его рельеф более или, менее ясен с позднего палеозоя. В перми, в центральной части Индокитайского полу¬ острова располагалась область денудации, окаймленная с севера морем. В триасе суша занимает большую часть Индокитая, а море мигрировало в узкий прогиб р. Красной и на запад полуострова. В позднем триасе организация рельефа усложняется. На востоке Центрального Вьетнама в пределах выступа срединного массива формируется низкогорный рельеф, а в центральной части полуострова - выровненный рельеф холмогорий и высоких равнин. В юре и в меловую эпоху территория Индокитая представляла собой выровненную, преимущественно денудационную сушу; в палео¬ цене, эоцене, и олигоцене стала сушей вся территория Юго-Восточной Азии. В конце олигоцена - начале миоцена происходит революционная перестройка рельефа: быстро, может быть, в результате регионального обрушения кровли пологого сводового поднятия [12] была заложена система впадин и разделяющих их горных поднятий. Платформенный и тафрогенный режимы сменяются орогенным в миоцене и плиоцене, когда активизируются разломная тектоника и дифференцированные движения блоков земной коры с элементами рифтогенеза и новейшего вулканизма [28]. В плиоцене отмечается этап частичного выравнивания, но преобладает воздымание Индоси- нийского массива, надвигавшегося на восток в сторону Южно-Китайского моря [29]. Плейстоцен на юго-востоке Азии характеризовался разнообразием геоморфоло¬ гических событий и созданием сложного рельефа в условиях изменявшихся взаи¬ модействий суши и моря. В целом же новейший этап характеризовался орогенным режимом, дифференциацией и усложнением рельефа юго-восточной окраины азиат¬ ского континента со сменами эпох трансгрессий и ингрессий с регрессиями. Таким образом, в этом интересном, сложнопостроенном регионе можно выделить геоморфологические режимы разного иерархического уровня и разной продолжитель¬ ности. Крупные этапы: орогенное развитие в палеозое - начале мезозоя, денуда¬ ционное выравнивание в середине мезозоя и в палеогене и тафрогенно-орогенная дифференциация с конца палеогена по настоящее время. На фоне этих крупных режимов устанавливаются сменяющие друг друга частные режимы дифференциации и/или интеграции рельефа в условиях разнонаправленного взаимодействия суши и моря и изменений климата. Приведенные примеры показывают, что предлагаемый в этой статье ’’режимный подход” к анализу современного рельефа и его истории дает новые возможности для региональных и межрегиональных обобщений, а в ряде случаев анализируемые кри¬ терии и признаки выделения геоморфологических режимов поддаются более или менее объективной оценке с помощью современных статистических методов и синтеза мно¬ жества исходных фактических данных. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Словарь русского языка. Т. 3. М.: Русский язык, 1984. 750 с. 2. Словарь иностранных слов. М.: Русский язык, 1979. 622 с. 3. Webster New Collegiate Dictionary. Springfield, 1973. 1536 p. 4. Географический энциклопедический словарь. Понятия и термины. М.: Сов. энциклопедия, 1988. 432 с. 9
5. Четырехъязычный энциклопедический словарь терминов по физической географии. М.: Сов. энциклопедия, 1980. 704 с. 6. Геологический словарь. Т. 2. М.: Недра, 1973. 456 с. 7. Белоусов В.В. Основы геотектоники. М.: Недра, 1975. 598 с. 8. Белоусов В.В. Эндогенные режимы и общие закономерности развития материков // Тектоносфера Земли. М.: Наука, 1978. С. 79-108. 9. Белоусов В.В., Павленкова Н.И. Взаимодействие земной коры и верхней мантии // Геотектоника. 1986. № 6. С. 8-20. 10. Рейтер Г.И., Рейтер М.Г. Современные эндогенные режимы // ДАН СССР. 1986. Т. 291. № 6. С. 1336-1339. 11. Рейтер Г.И. Неотектонические движения, современные эндогенные режимы и рельеф Кавказского и Карпатского регионов // Геоморфология. 1987. № 3. С. 3-16. 12. Рейтер Г.И., Чичагов В.П. Современные эндогенные режимы Юго-Восточной Азии (Южно-Китайское море и смежные территории) // Геоморфология. 1992. № 4. С. 87-102. 13. Рейтер Г.И., Попова А.К., Чичагов В.П. Современная эндогенная обстановка впадин внутренних и окраинных морей // Геоморфология. 1994. № 1. С. 17-31. 14. Рейтер Г.И., Иогансон Л.И. Современные эндогенные режимы Северной Евразии // Геоморфология. 1996. № 2. С. 9-19. 15. Анатомия кризисов. М.: Наука, 1999. 238 с. 16. BaulingH. Vocabulaire Franco-Anglo-Allemand de Geomorphologie. Paris, 1956. 367 p. 17. Девдариани A.C. Измерение перемещений земной поверхности. М.: Наука, 1964. 247 с. 18. Флоренсов Н.А. Геоморфологические формации// Проблемы эндогенного рельефообразования. М.: Наука, 1976. С. 399-419. 19. Бронгулеев В.Вид. Современные экзодинамические режимы Русской равнины // Геоморфология. 2000. № 4. С. 20. Мещеряков Ю.А. Рельеф СССР. М.: Мысль, 1972. 519 с. 21. Горелов С.К., Тимофеев Д.А. Генезис рельефа: анализ понятия и восстановление родословной рельефа // Генезис рельефа. Новосибирск: Наука, 1998. 5-14 с. 22. Геоморфология Монгольской Народной Республики. М.: Наука, 1982. 259 с. 23. Тимофеев Д.А., Чичагов В.П. Аридный цикл в пустыне Гоби // Геоморфология. 1997. № 1. С. 25-38. 24. Коржуев С.С., Флоренсов Н.А. Деструкция и деструктивный рельеф // Геоморфология. 1982. № 3. С. 22-28. 25. Чичагов В.П. Аридный пенеплен Центральной Азии и особенности его формирования в Восточной Монголии // Изв. РГО. 1996. Т. 128. № 5. С. 26-35. 26. Флоренсов Н.А. О геоморфологическом аспекте проблемы горообразования // Методы геоморфоло¬ гических исследований. Новосибирск. Наука, 1967. С. 16-20. 27. Тимофеев ДА. Пьедестальные горы - начальная стадия развития возрожденных гор // Структурная геоморфология горных стран. М.: Наука, 1975. С. 51-57. 28. Новиков В.М. Современные и древние коры выветривания и бокситы Азии на примере Вьетнама, Дальнего Востока и южной оконечности Урала. Автореф. дис. ... докт. геол.-мин. наук. М.: ИГЕМ РАН, 2000. 54 с. 29. Чичагов В.П. Геоморфологическое районирование и особенности морфоструктуры Юго-Восточной Азии // Природная среда и естественные ресурсы мира. М.: Ин-т географии РАН, 1986. С. 100-120. Ин-т географии РАН Поступила в редакцию 18.04.2000 GEOMORPHOLOGIC REGIMES V.VAD. BRONGULEYEV, D.A. TIMOFEYEV, V.P. CHICHAGOV Sum шагу The concept of "geomorphologie regimes" is put forth. It denotes complex of landforms, processes of relief formation and their conditions. The geomorphologie regime governs the type of state, course and trend of development of the geomorphic systems during certain period of time. Several examples of regimes of West Siberia, South Mongolia, Indochina are given. 10
УДК 551.4.042(-924.8) © 2000 г. В.ВАД. БРОНГУЛЕЕВ СОВРЕМЕННЫЕ ЭКЗОГЕОДИНАМИЧЕСКИЕ РЕЖИМЫ РУССКОЙ РАВНИНЫ1 Введение Развитие экзогенных процессов определяется сложным комплексом внешних факторов - климатических, тектонических, литологических, морфологических; одно¬ временно эти процессы в той или иной степени сами влияют друг на друга, определяя морфологию земной поверхности, также являющуюся одним из факторов их развития. Указанная система взаимосвязей приводит к возникновению определенных устойчивых сочетаний экзогенных процессов и обусловливающих их факторов. Эти сочетания, по аналогии с используемым в тектонике и геофизике понятием эндогенных режимов1 2, можно назвать экзогеодинамическими режимами. Примером выделения экзогеодинамических режимов в глобальном масштабе может служить выделение морфоклиматических зон - областей преобладания определенных экзогенных процессов, тесно связанных с определенными климатическими условиями. Однако, реальное разнообразие процессов и условий в пределах каждой зоны остается нераскрытым, так как для их выделения берется лишь один, климатический, фактор. Это вполне понятно, поскольку равнины, в пределах которых четко проявляется широтная зональность, по сравнению с горами слабо дифференцированы по высотно¬ тектоническим условиям. Тем не менее, существующая в пределах морфоклимати¬ ческих зон дифференциация новейших тектонических движений, абсолютных и относительных высот, морфологических особенностей рельефа, ландшафтных условий достаточно велика, чтобы обеспечить значительное разнообразие типов морфогенеза. Поэтому, несмотря на то, что равнины, по большей части, относятся к областям с развитием одного эндогенного режима - платформенного, ограничиваться выделением в их пределах экзогеодинамических режимов, обусловленных лишь климатом, явно недостаточно. В данной работе мы попытались выделить экзогеодинамические режимы на терри¬ тории Русской равнины и Балтийского щита (в пределах границ бывшего СССР) по комплексу показателей, включающему в себя климатические, тектонические, морфо¬ логические характеристики, а также характеристики самих экзогенных процессов. Для этой цели мы использовали процедуру кластерного анализа, который успешно применялся для выделения и районирования эндогенных режимов по комплексу показателей глубинного строения литосферы [2]. Полученные результаты нельзя считать окончательными; мы рассматриваем их как один из возможных вариантов решения данной задачи и как демонстрацию возможностей данного подхода. Исходные данные и методика Результат выделения режимов зависит от того, какие показатели или характе¬ ристики используются для описания внешних условий и какие экзогенные процессы принимаются во внимание. Чем богаче набор исходных данных, тем более подробную 1 Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ, проект № 98-05-64359. 2 Оно означает определенные закономерные сочетания эндогенных процессов - тектонических, магма¬ тических, метаморфических и тех условий, в которых протекают эти процессы и которые неразрывно с ними связаны, например, термического состояния земных недр, проницаемости литосферы, ее состава и других [1]. Классификация эндогенных режимов, анализ их связи с сейсмичностью, районирование территорий по типу режимов многое дают для понимания закономерностей глубинного строения и тектонического развития земной коры. И
и детальную картину можно получить, но в то же время интерпретация результатов делается все более сложной. В настоящей работе мы воспользовались данными по экзогенным процессам, собранными в отделе геоморфологии ИГ РАН [3]. Они вклю¬ чают в себя характеристики глубины и густоты эрозионного расчленения - соот¬ ветственно, в м и км/км2, а также интенсивности оползневого процесса и интенсив¬ ности карста - в баллах. Кроме того, к ним был добавлен показатель присутствия мерзлотных процессов (без разделения по интенсивности) на тех территориях, где существуют многолетнемерзлые толщи; дополнительно был введен показатель общей интенсивности эрозионного расчленения, равный произведению глубины на густоту. Этот перечень, конечно, далеко не полон, но все же в него входят показатели основных экзогенных рельефообразующих процессов, по которым собраны данные для всей территории равнины. Отметим, что замена динамических характеристик процессов (скоростей, объемов и т.п.) на характеристики, отражающие распространенность соответствующих экзо¬ генных форм, вынужденна, так как данных первого типа совершенно недостаточно для анализа такой большой территории. Значения показателей снимались с соответствующих карт по ячейкам градусной сетки с шагом 20' по широте и 30' по долготе. В набор параметров, характеризующих условия развития экзогенных процессов входили абсолютная высота рельефа, ампли¬ туда неотектонических движений, градиенты этих величин, рассчитанные в тех же ячейках 20' х 30' по значениям в четырех ближайших соседних ячейках, средне¬ многолетние суммы осадков, среднемноголетний слой стока, степень залесенности (в %), число дней в году с температурой выше нуля и плотность активных разломов. Были использованы климатические атласы, топографические карты, Карта неотек¬ тоники Северной Евразии [4] и Карта активных разломов Северной Евразии, любезно предоставленная нам В.Г. Трифоновым. Рассматриваемая территория охватывает 4336 ячеек. Для выделения кластеров - таких групп ячеек, в пределах которых значения параметров различались бы существенно меньше, чем между группами, т.е. тех характерных сочетаний параметров, которые мы назвали экзогеодинамическими режимами, - использовался так называемый метод ^-средних кластерного анализа [5]. В этом методе количество кластеров к, на которые разбивается массив данных, задается заранее. При этом следует иметь в виду, что, даже если исходная структура данных и не содержит четко выраженных кластеров в строгом смысле слова, т.е. скоплений (в пространстве переменных) точек, отделенных от других скоплений "пустыми" или "разреженными" зонами, то процедура ^-средних все равно может разделить множество точек на группы, внутри которых дисперсия данных будет меньше межгрупповой. В такой ситуации не существует единственного способа разбиения на кластеры, так что исследователь может пробовать различные варианты, выбирая те из них, которые наилучшим образом отвечают поставленной задаче. В нашем случае анализируемые данные имеют пространственную привязку, поэтому важным критерием при оценке результатов кластеризации является характер распределения выделенных кластеров по территории: желательно, чтобы они обра¬ зовывали более или менее целостные области или зоны, но не располагались хаотично, вперемежку. Задача исследователя - отбор таких вариантов кластеризации, которые дают хорошо различимые и легко интерпретируемые кластеры и наиболее четко отражают существенные особенности территории. В процессе исследования мы последовательно проводили разбиение на число клас¬ теров от 2 до 16. В результате были выбраны два варианта: с числом кластеров 5 и 8. Привести формальные обоснования такого выбора затруднительно. Величины так называемого F-отношения (отношения межгрупповой дисперсии к внутригрупповой), характеризующего качество разбиения по каждому из параметров, достаточно велики для всех вариантов. Среднее по всем параметрам значение F-отношения имеет максимум при числе кластеров к = 5 и 6 (еще один локальный максимум наблюдается 12
при к - 12) и слегка падает после к = 8 (рис. 1). Однако известно, что ^-отношение в кластерном анализе не является строгой статистической оценкой и может быть использовано только условно. Поэтому при выборе указанных вариантов разбиения мы руководствовались не столько этим формальным признаком, сколько логичностью, простотой и содержательностью получаемого районирования. Дополнительными кри¬ териями служило то, что при малых к разбиение получается слишком грубым и не может отразить многообразия условий территории (хотя такие варианты и не лишены интереса), а при к > 8 возникают более или менее ’’рассыпанные" по территории кластеры и различия средних значений параметров делаются незначительными, что затрудняет интерпретацию кластеров как определенных, характерных, режимов. Для того чтобы исключить влияние различия единиц измерения данные были предварительно стандартизированы (каждый параметр приведен к нулевому среднему и стандартному отклонению равному единице). Начальное положение центров клас¬ теров выбиралось на равных расстояниях в пространстве переменных, мерой близости служило эвклидово расстояние [5]. Каждый из режимов (кластеров) обладает набором средних значений всех параметров, который является как бы "паспортом" данного режима, характеризующим его основные свойства. (Естественно, что в пределах каждого режима существует разброс значений вокруг средних величин, а сами средние лишь показывают различия между режимами в целом). Обсуждение результатов Режимы 5 типов. На рис. 2 изображено распределение пяти экзогеодинамических режимов на территории Русской равнины (включая часть Балтийского щита). Учи¬ тывая все разнообразие рельефообразующих процессов и условий их развития в пределах данной территории, выделение всего пяти типов является довольно грубым и соответствующее районирование отражает лишь весьма общие закономерности совре¬ менного развития равнины. В таблице 1 для каждого из режимов приведены средние значения всех параметров, а на рис. 3 - графики нормированных средних, из которых хорошо видно различие режимов. Опишем выделенные режимы в порядке убывания занимаемой ими площади, обращая внимание в первую очередь на их наиболее характерные особенности - экстремальные значения тех или иных параметров. Для режима первого типа, характерны максимальная залесенность территории (более 50%), максимальное количество осадков (более 700 мм/год), значительная выровненность рельефа (малые градиенты высот) и наименьшая контрастность новей¬ ших движений. В этих условиях интенсивность эрозионных и оползневых процессов весьма мала. Интенсивность карстовых процессов в целом для этого режима повы¬ шена, хотя многочисленные карстовые районы не выделяются в самостоятельные 13
Рис. 2. Распространение экзогеодинамических режимов пяти типов на Русской равнине и Балтийском щите 1-5 - номера режимов (каждый значок соответствует ячейке 20' х 30'); 6 - граница исследуемой территории области. Распространен данный режим на северо-западе равнины, охватывая большую часть областей четвертичных оледенений. К нему относится также юго-восточная окраина Балтийского щита. Морфологически он представлен волнистыми, пологохол¬ мистыми, холмисто-увалистыми возвышенностями и низменностями с широким раз¬ витием ледниковых форм [6, рис. 3]. Его можно назвать режимом слабых эрозионно¬ денудационных процессов в условиях высокой залесенности и увлажненности и слабо контрастных новейших движений с преобладанием поднятий, или режимом равнин ледниковой и водноледниковой аккумуляции. Режим второго типа отличается значительными амплитудами новейших поднятий (около 200 м) и абсолютными высотами (172 м), большой глубиной расчленения и высокой его общей интенсивностью, максимальным развитием оползневых процессов (около 3-х баллов при общем разбросе значений в отдельных ячейках для всей равнины от 0 до 7 баллов). Для него характерна слабая залесенность и несколько 14
Таблица l Средние значения параметров для пяти экзогеодинамических режимов Номера режимов 1 2 3 4 5 Неотектонические движения (м) 95 192 -207 -4 303 Абсолютная высота (м) 130 172 42 88 228 Градиент неотектонических движений (м/км) 0,97 2,02 3,47 1,95 4,39 Градиент абсолютных высот (м/км) 0,85 0,75 0,71 1,25 3,31 Глубина расчленения (м) 20 52 17 22 89 Густота расчленения (км/км2) 0,81 0,9 0,26 1,52 1,21 Интенсивность расчленения 18,3 47,7 6,9 35,6 105,1 Интенсивность оползневых процессов (баллы) 0,55 2,76 0,32 0,90 1,23 Интенсивность карстовых процессов (баллы) 1,0 1,17 0,29 0,37 1,02 Среднегодовые суммы осадков (мм) 726 620 389 622 679 Среднегодовой сток (мм) 267 116 13 368 340 Залесенность территории (%) 53 16 1 19 38 Количество дней в году с температурой выше 0°С 208 226 249 143 184 Наличие мерзлотных процессов (баллы) 0,0 0,0 0,0 1 0,1 Плотность активных разломов (КГ3 км/км2) 16 18 13 20 57 пониженное увлажнение (средние для равнины величины осадков и пониженный сток). Это, очевидно, режим глубинного расчленения и оползневой переработки склонов в условиях значительных новейших поднятий. Он распространен главным образом, на возвышенностях и равнинах юго-запада и центра рассматриваемой территории и представлен увалистым, грядово- или холмисто-увалистым и столово-ступенчатым типом морфоскульптуры [6]. Для режима третьего типа характерны минимальные значения интенсивности всех рассматриваемых нами процессов, минимальные значения осадков, стока и зале- сенности, а также высот рельефа. Области его развития соответствуют преимущест¬ венно районам значительных новейших погружений с высокими градиентами ско¬ ростей. Он занимает территорию низменностей и невысоких возвышенностей юго- востока равнины с плоской или слабоволнистой поверхностью. По сути, это режим аккумулятивных низменностей и слабо расчлененных равнин, развивающихся в семиаридных условиях - режим преобладающей аккумуляции. Режим четвертого типа, развитый на северо-востоке равнины, отличается макси¬ мальными значениями стока (368 мм/год), густоты расчленения (1,52 км/км2), холодным климатом и развитием мерзлотных процессов. Он охватывает как возвышенности так и низменности при общем, несколько пониженном уровне абсолютных высот и несколько повышенной контрастности рельефа. Его можно назвать режимом мерз¬ лотно-эрозионного расчленения. Наконец, пятый режим характеризуется максимальными значениями новейших поднятий (303 м) и абсолютных высот (228 м) при максимальной их контрастности, максимальными значениями глубины и общей интенсивности расчленения, макси¬ мальной плотностью активных разломов и максимальным (наряду с четвертым режимом) стоком. Распространен он в краевых частях равнины, примыкающих к горным сооружениям - на возвышенностях Приуралья, Предкарпатского прогиба, Ставропольский, а также на Кольском п-ове. По многим показателям и по своей территориальной приуроченности, он занимает промежуточное положение между рав- 15
Рмс. 3. Графики стандартизированных средних значений параметров для 5 экзогеодинамических режимов нинами и горами, так что его можно считать переходным к горному или "квазигорным" режимом. Любопытно, что к нему оказались отнесены и некоторые небольшие области внутри равнины: отдельные участки Тиманского кряжа, Приволжской и Бугульмиско-Белебеевской возвышенностей. Все они характеризуются значительной контрастностью высот рельефа, амплитуд новейших движений, повышенными вели¬ чинами показателей эрозионного расчленения. Распространение пяти выделенных типов режимов в общих чертах соответствует распространению основных типов морфоскульптуры Русской равнины, схема которого приведена на рис. 4. Легко видеть, что область распространения режима первого типа в общих чертах соответствует областям древнеледниковой морфоскул ьптуры, вто¬ рого - эрозионно-денудационной, четвертого - области развития мерзлотных форм, пятого - комплексу форм аридной денудации и флювиально-аккумулятивных. Кроме того, выделился режим, отвечающий промежуточному типу между эрозионно-денуда¬ ционным рельефом равнин и гор. Интересно то, что режим первого типа, весьма точно соответствующий районам ледниковой и водно-ледниковой аккумуляции, был выделен без привлечения каких- либо данных о соответствующих процессах или формах. Этот результат служит подтверждением тому, что различные процессы и факторы морфогенеза вкупе с морфологическими характеристиками (даже весьма простыми, как абсолютные высоты и расчлененность) действительно образуют устойчивые характерные сочетания. Таблица 2 Матрица расстояний между центрами кластеров, соответствующих пяти режимам Номера кластеров 2 3 4 5 1 2,93 4,58 4,82 5,26 2 4,40 5,45 4,65 3 6,51 7,52 4 6,14 16
Рис. 4. Схема распространения основных типов морфоскульптуры Русской равнины и Балтийского щита. По [6, рис. 3] с упрощениями Типы морфоскульптуры: / - созданные процессами ледниковой и водноледниковой аккумуляции, в том числе, с последующей эрозией, 2 - созданные или переработанные процессами экзарации - грядово-холмистый и горный, 3 - созданные эрозионно-денудационными процессами: а - увалистый и грядово-увалистый, б - плоский и слабо волнистый, в - платообразный (врезанный), 4 - преобразованные комплексной аридной денудацией; 5 - четвертичные рельефообразующие покровы (морского, аллювиального и дельтового генезиса); 6 - граница рассматриваемой территории О том, насколько каждый из режимов отличается от других, дает представление матрица расстояний (в пространстве переменных) между центрами кластеров (напом¬ ним, что положение этих центров определяется средними значениями переменных и служит количественной характеристикой режимов). Из таблицы 2 видно, что самыми близкими режимами являются первый и второй, а наиболее контрастными третий и пятый. Отметим, кстати, что среднее расстояние между кластерами максимально при числе режимов равном пяти, что послужило дополнительным аргументом для выбора этого варианта. 17
Таблица 3 Средние значения параметров для восьми экзогеодинамических режимов Номера режимов 1 2 3 4 5 6 7 8 Неотектонические движения (м) 125 63 113 -4 287 212 119 -397 Абсолютная высота (м) 135 131 131 88 229 186 114 11 Градиент неотектони- ческих движений (м/км) 1,11 0,68 1,64 1,93 5,65 1,34 1,91 5,07 Градиент абсолютных высот (м/км) 1,00 0,62 0,93 1,24 3,95 0,75 0,83 0,53 Глубина расчленения (м) 25 16 22 22 93 60 38 7 Густота расчленения (км/км2) 0,98 0,62 0,77 1,52 1,16 1,00 0,62 0,12 Интенсивность расчле¬ нения 26,0 10,7 19,0 36,0 107,9 59,2 25,0 1,1 Интенсивность ополз¬ невых процессов (баллы) 0,61 0,68 0,93 0,92 1,16 3,35 1,03 0,09 Интенсивность карстовых процессов (баллы) 0,26 0,78 4,83 0,37 0,95 1,35 0,37 0,32 Среднегодовые суммы осадков (мм) 712 739 733 626 687 648 512 349 Среднегодовой сток (мм) 313 193 279 369 358 137 44 10 Залесенность территории (%) 64 33 57 19 37 20 3 2 Количество дней в году с температурой выше 0°С 195 246 208 150 193 228 250 256 Наличие мерзлотных процессов (баллы) 0 0 0 1 0,1 0 0 0 Плотность активных разломов (10~3 км/км2) 19 14 17 19 62 17 17 И Режимы 8 типов. Во втором, более подробном варианте классификации, было вы¬ делено, как уже говорилось, восемь типов режимов. Свойственные им средние значе¬ ния параметров приведены в таблице 3 и на рис. 5, а распространение режимов изображено на рис. 6. Сравнивая этот последний рисунок и рис. 3, легко заметить, что в новом варианте некоторые из режимов остались практически без изменения, а некоторые оказались разбитыми на части. Так, эрозионно-мерзлотный и квазигорный режимы почти не изменились ни по своим параметрам, ни по расположению. На рис. 6 им соответствуют режимы с теми же номерами 4 и 5. Режим первого типа на рис. 2, охватывающий область ледниковой морфоскульптуры, оказался разбит на три самостоятельных режима, которым на рис. 6 соответствуют номера 1, 2, и 3; с другой стороны, второй и третий режимы, занимающие юго-восточную половину равнины, также оказались разбитыми на три режима - 6, 7 и 8. Мы не будем давать описание четвертого и пятого режимов, поскольку они почти не изменились. Отметим лишь, что пятый, квазигорный, режим стал чуть более "горным”, так что внутренние точки равнины, принадлежавшие к нему в первом варианте пяти режимов, сейчас, при разделении на восемь режимов, оказались из него исключенными - все, кроме небольшого участка Приволжской возвышенности в районе Саратова. Режим первого типа (рис. 6) распространен на северо-востоке равнины в пределах Северных Увалов, Двинско-Мезенской, Сухонской и ряда более мелких возвышен¬ ностей и разделяющих их низменностей, а также в пределах юго-восточной части Балтийского щита. Он характеризуется максимальной залесенностью, высокими зна¬ чениями осадков и стока, несколько пониженными глубиной и общей интенсивностью 18
Pwc. 5. Графики стандартизированных средних значений параметров для 8 экзогеодинамических режимов расчленения, при слегка повышенной его густоте. Новейшие поднятия и абсолютные высоты, как и их градиенты характеризуются умеренными (близкими к средним) значениями. Здесь преобладает рельеф волнистых и полого-холмистых моренных равнин, в том числе, переработанных последующей эрозией; к этому режиму отно¬ сятся также цокольные равнины Балтийского щита [6]. Режим второго типа, распространенный в западных и центральных частях равни¬ ны, отличается от первого более теплым и влажным климатом, но меньшим стоком, меньшей залесенностью, более сглаженным рельефом и слабым расчленением, меньшими величинами новейших поднятий и их градиентов. Он приурочен, главным образом, к отрицательным новейшим структурным формам. Этот режим охватывает многочисленные формы ледниковой, водно-ледниковой, аллювиальной и озерно-аллю¬ виальной аккумуляции. По-видимому, более интенсивное расчленение, свойственное первому режиму по сравнению со вторым, связано с большей контрастностью новейших движений, боль¬ шей ролью поднятий и, возможно, с большей величиной стока в его пределах. Его можно считать режимом умеренной эрозионной переработки древнеледникового рельефа, в условиях значительного стока и относительно контрастных новейших движений. Режим второго типа может быть назван режимом слабой переработки древнеледникового рельефа и аккумулятивных форм иного генезиса в условиях малоамплитудных и малоконтрастных новейших движений. Режим третьего типа имеет очень четко выраженный характер - это режим карстовой денудации в условиях высокой залесенности и увлажненности территории. По остальным показателям никакие яркие особенности этого режима не обнаружи¬ ваются. Он распространен как на возвышенностях, так и на низменностях при средней высоте 112 м. Отметим, что данный режим выделяется, главным образом, в пределах режима первого типа на рис. 2, т.е. на фоне слабого развития эрозионных и оползне¬ вых процессов. Именно это обстоятельство и выводит в данных районах довольно 19
Рис. 6. Распространение экзогеодинамических режимов восьми типов на Русской равнине и Балтийском щите 1-8 - номера режимов (каждый значок соответствует ячейке 20' х 30'); 9 - граница исследуемой терри¬ тории интенсивные карстовые процессы как бы на первое место. Карстовые районы в южной половине равнины, нередко с не менее активными карстовыми процессами, не оказа¬ лись включенными в этот режим, поскольку там они характеризуются одновременно интенсивным эрозионным расчленением и оползневыми процессами. Шестой режим в общих чертах подобен второму режиму из первого варианта районирования. Для него характерны высокие показатели эрозионного расчленения, максимальная интенсивность оползней, заметный уровень развития карстовых про¬ цессов. Эта активность экзогенных процессов реализуется в условиях интенсивных новейших поднятий, значительных абсолютных высот и умеренных значений осталь¬ ных характеристик. Распространен он на крупных возвышенностях центральной и юго- восточной частей Русской равнины - Приднестровской, Среднерусской, Приволжской, Бугульминско-Белебеевской, Верхнекамской, а также на отдельных участках Вал- 20
Таблица 4 Матрица расстояний между центрами кластеров, соответствующих восьми режимам Номера кластеров 2 3 4 5 6 7 8 1 2,28 3,06 4,59 5,49 3,48 3,83 5,99 2 3,10 5,36 6,49 3,25 2,63 4,83 3 5,60 6,28 3,95 4,52 6,35 4 6,54 5,57 5,75 7,09 5 5,03 6,34 8,80 6 2,91 6,12 7 3,70 дайской, Ставропольской и некоторых других возвышенностей. Этот режим соот¬ ветствует увалистому и столово-ступенчатому типам эрозионно-денудационной морфо- скульптуры [6] и может быть назван эрозионно-оползневым режимом активных неотектонических поднятий. Седьмой режим распространен в пределах промежуточной зоны между указанными возвышенностями и низменностями крайнего юга, занимая отдельные равнины (При¬ днепровская, Полтавская, Донская) и периферические части (или склоны) некоторых возвышенностей и низменностей. Он характеризуется значительно меньшими, чем шестой, величинами почти всех параметров (кроме градиентов новейших движений и градиентов абсолютных высот). Особенно малы залесенность (3%) и сток (44 мм). Плоский, слабоволнистый и, частично увалистый типы эрозионно-денудационной морфоскульптуры соответствуют областям его распространения. Это режим эро¬ зионного расчленения умеренных поднятий в семиаридных условиях. Наконец, последний, восьмой, из выделенных режимов развит в пределах почти не расчлененных низменностей с минимальными абсолютными отметками - Прикас¬ пийской и наиболее низких частей Причерноморской и Приазовской, в новейшее время испытывавших интенсивное погружение. Рассматриваемые нами экзогенные процессы развиты здесь крайне слабо. Этот режим, по своим характеристикам напоминающий третий режим из первого варианта, может быть назван режимом аккумулятивных низменностей - неотектонических депрессий, развивающихся в аридных и семиа¬ ридных условиях. В выделении описанных режимов различные характеристики сыграли различную роль. Некоторые режимы выделены при ведущей роли климатического фактора, как, например, четвертый, другие - высотно-тектонического, как пятый; в выделении третьего режима основную роль сыграл показатель интенсивности одного из экзо¬ генных процессов - карста. Это дает известные основания трактовать подобные режимы как преимущественно климатогенные, тектоногенные и т.д. Но в боль¬ шинстве случаев для выделения режима важен именно комплекс различных факторов. Степень сходства или, наоборот, различия режимов между собой можно оценить по данным таблицы 4, где представлены расстояния между центрами соответствующих кластеров. Наиболее близки между собой первые три режима (в совокупности примерно соответствующие первому режиму в предыдущем варианте районирования), а также седьмой со вторым и седьмой с шестым. Самыми контрастными являются пятый, четвертый и восьмой режимы, характеризующиеся большими различиями как между собой, так и со многими другими режимами. В общих чертах они сохраняются и при многих других (не рассматриваемых здесь) вариантах районирования с другим количеством выделяемых режимов. Другой, пожалуй, более наглядный способ представить взаимные соотношения меж¬ ду режимами заключается в построении древовидного графа, на котором по вертикали отложено расстояние между центрами кластеров или их групп, а по горизонтали рас¬ положены сами кластеры (режимы). Объединение в одну группу показано гори- 21
Рис. 7. Иерархическое объединение восьми режимов по степени их сходства друг с другом зонтальными чертами на той или иной высоте, соответствующей расстоянию между группами. Такой результат получается путем иерархической кластеризации самих режимов, каждый из которых представлен набором своих средних. На рис. 7 отчетливо видно, как могут быть объединены режимы: два ближайших - первый и второй, к которым присоединяется третий, образуют одну группу, седьмой и шестой - другую. Обе группы могут быть объединены на следующем уровне, и значительно дальше отстоят от них четвертый, восьмой и, наконец, самый обособленный - пятый. Граница четвертого, ’’эрозионно-мерзлотного", режима, показанная на рис. 2, опре¬ делена при использовании полного набора переменных, включающего и показатель присутствия мерзлотных процессов. Однако, если удалить этот показатель как весьма грубый, то граница четвертого режима претерпит лишь очень незначительные сме¬ щения, а область его развития сохранится почти без изменений. Подобно выделению области ледниковой аккумуляции в первом варианте районирования, этот результат подчеркивает тесную взаимосвязь условий и процессов рельефообразования. Анализ выделенных режимов позволяет не только дать комплексную характерис¬ тику геоморфологических условий (с той или иной степенью детальности), но и намечает возможный путь для определения ведущего процесса (или процессов) в современном развитии данной территории по их относительному вкладу в соответст¬ вующий режим. Так, например, для третьего режима ведущим процессом, как уже говорилось, можно считать карстовый, для пятого - глубинную эрозию, для шестого - глубинную эрозию и оползневой, для четвертого - горизонтальное расчленение и мерзлотные процессы. Конечно, эти оценки очень относительны и могут измениться, поскольку мы не располагали исчерпывающей информацией обо всех геоморфоло¬ гических процессах. Они соответствуют использованному набору переменных и той детальности, с которой были получены исходные данные. Заключение Итак, мы выяснили, что территория Русской равнины и Балтийского щита может быть разбита на ряд областей существенно различающихся по комплексу условий рельефообразования, интенсивности и набору экзогенных процессов, характеру новей¬ ших тектонических движений. В каждой из этих областей сочетание всех этих харак¬ теристик приводит к формированию определенного облика рельефа, определенной направленности морфогенеза, обусловливает выделение тех или иных процессов и 22
факторов как ведущих. Таким образом, режим платформенной равнины, свойственный в целом всей рассматриваемой территории, разбивается на ряд подтипов, которые мы называем здесь экзогеодинамическими режимами равнины. Это понятие, очевидно, является частным случаем более общего понятия - геоморфологический режим [7] - и мы остановились на нем потому, что большая часть использованных характеристик относится к экзогенным условиям и процессам, которым уделено основное внимание. За рамками данной работы остались многие интересные вопросы: как создать иерархическую классификацию режимов - путем их объединения при изначально большом количестве, или путем последовательного разбиения отдельных режимов на подтипы; как соотносятся режимы, выделяемые на разных масштабных уровнях; ка¬ кой набор переменных является оптимальным для выделения режимов; как соотносится полученное районирование с крупными морфогенетическими выделами; как связаны экзогеодинамические режимы с эколого-геоморфологическими условиями и другие. Особый и весьма сложный вопрос это эволюция режимов во времени. Конечно, их невозможно рассмотреть в рамках одной статьи, но нам представляется, что дальнейшие исследования в этом направлении достаточно перспективны. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Белоусов В.В. Эндогенные режимы и общие закономерности развития материков // Тектоносфера земли. М.: Наука, 1978. С. 79-108. 2. Рейснер Г.И., Рейснер М.Г. Современные эндогенные режимы // ДАН СССР. 1986. Т. 291. № 6. С. 1336-1339. 3. Бронгулеев В.Bad., Благоволин Н.С., Денисова Т.Б. и др. Некоторые особенности современной экзогеодинамики Русской равнины и вопросы ее картографирования // Геоморфология. 1997. № 3. С. 42-51. 4. Карта новейшей тектоники Северной Евразии в м-бе 1:5 000 000 под ред. А.Ф. Грачева. М.: 1997. 5. Факторный, дискриминантный и кластерный анализ. М.: Финансы и статистика. 1989. 214 с. 6. Морфоструктура и морфоскульптура платформенных равнин СССР и дна омывающих его морей. М.: Наука, 1986. 190 с. 7. Бронгулеев В.Bad., Тимофеев Д.А., Чичагов В.П. Геоморфологические режимы//Геоморфология. 2000. № 4. С. Институт географии РАН Поступила в редакцию 12.05.2000 RECENT EXOGEODYNAMIC REGIMES OF THE RUSSIAN PLAIN V.VAI). BRONGULEYEV Summary The geomorphologic regime of platform plain may be subdivided into different types, which are determined by numerous processes and factors of morphogenesis including the morphological features of landforms. All processes and factors may be united into persistent characteristic complexes - exogeodynamic regimes of a plain. Using K-means technique of cluster analysis, 8 regimes of the Russian Plain were revealed: regime of erosion-frost dissection in the far North-East of the Plain, quasi-mountainous regime of peripheral parts, regime of predominant carstic denudation of humid and forested areas and others. For this purpose 15 parameters were used, including characteristics of some exogenous processes, and climatic, morphologic, and tectonic factors. The subsequent hierarchical clustering of regimes shows their interrelations. The spatial distribution and characteristics of regimes are described, as well as their relation to morphosculpture of the territory. Автор благодарит А.Г. Макаренко за большую помощь в подготовке исходных данных. Расчеты производились с использованием ПСП "Statistica" и "SPSS", визуализация - с использованием пакета "Surfer" и ряда вспомогательных программ, составленных автором. 23
УДК 551.4.011 : 551.24 ©2000 г. А.К. ПЕВНЕВ ВКЛАД Ю.А. МЕЩЕРЯКОВА В РЕШЕНИЕ ПРОБЛЕМЫ ПРОГНОЗА ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ (к 80-летию со дня рождения) Природа мать! Когда б таких людей Ты иногда не посылала миру, Заглохла б нива жизни! Н.А. Некрасов Юрий Александрович Мещеряков принадлежит к плеяде людей замечательных. Природа наградила его даром настоящего ученого - предвидеть пути развития Науки. Достойно восхищения то, как в конце 60-х годов, во времена бурного и безуспешного поиска путей решения проблемы прогноза землетрясений, Юрий Александрович прозорливо указал на единственный путь, который может привести к заветной цели [1,2]. Он писал: "Включение исследований движений земной коры в комплексе работ по прогнозу землетрясений теоретически оправдано. Так называемые медленные (вековые) движе¬ ния земной коры, выявляемые геодезическими методами, и быстрые (сейсмические) имеют общий источник происхождения. Между этими двумя видами движений, несомненно, существует закономерная связь в пространстве и во времени. Сущность и формы такой связи еще далеко не познаны, но можно выказать твердую уверенность в том, что выявление существующих в этом отношении закономерностей позволит по особенностям медленных движений земной коры судить о сейсмическом режиме той или иной территории" [2, стр. 94]. Его предсказание сбылось: в середине 80-х годов оно было теоретически обосновано и подтверждено экспериментальными данными [3, 4]. Уверенность Юрия Алек¬ сандровича служила путеводной звездой в поисках прямого и достоверного признака подготовки очага землетрясения. Произошедшие в последнее десятилетие разрушительные и унесшие множество жизней не предсказанные сильные землетрясения (Спитакское 1988 г., Калифор¬ нийское 1989 г., Японское и Сахалинское 1995 г., Турецкие и Тайваньские 1999 г. и др.) со всей очевидностью показали, что существующие системы прогноза своего назначения не оправдывают. Этот отражающий печальную реальность вывод не про¬ тиворечит оценкам возможностей современных систем прогноза, сделанных В.И. Кей- лис-Бороком [5]. Согласно его оценкам эти системы способны обеспечить следующие сугубо вероятностные прогнозы: 1) точность прогноза места готовящегося земле¬ трясения - сотни километров; 2) точность определения возможной энергии земле¬ трясения - шесть порядков; 3) точность прогноза времени - годы. Совершенно оче¬ видно, что практической ценности такой прогноз не имеет; кроме того, он порождает и ложную тревогу, и ложную успокоенность. Именно это случилось в 1989 году в Кали¬ форнии, когда сильное землетрясение ожидали в Паркфилде (300 км от Сан-Фран¬ циско), а оно произошло под Сан-Франциско. Таким образом, проблема прогноза землетрясений, поглотившая уже достаточ¬ но времени и средств, на сегодняшний день пребывает в состоянии глубокого кри¬ зиса, причины которого кроются в самой концепции реализации рассматриваемой проблемы. 24
Как известно, существующая стратегия реализации прогноза землетрясений зиж¬ дется на идеях обнаружения очага и отслеживания происходящих в нем процессов не прямыми методами, а с помощью решения обратных задач по разрозненным косвен¬ ным признакам - аномалиям, порождаемым готовящимся очагом в различных полях: сейсмических, деформационных, гидрогеологических, геохимических, электромагнит¬ ных и др. Возможно, в однородной изотропной среде местоположение готовящегося очага землетрясения действительно можно было бы точно локализовать по подобным аномалиям, однако реальная среда не однородна и не изотропна, и, к тому же еще, имеет мозаичное блоковое строение. Благодаря этим качествам реальной среды при подготовке очага землетрясения возникает эффект кажущегося существенного увели¬ чения его размеров, т.е. рождаемые готовящимся очагом аномалии возникают в объе¬ ме горных пород намного превосходящем размеры действительного очага. Существенную лепту в этот процесс могут вносить линейно-вытянутые тектони¬ ческие структуры (разломы и другие нарушения в земной коре) с ослабленными механическими свойствами пород. Эти структуры выполняют роль своеобразных каналов распространения на значительные расстояния различных аномалий. Так при¬ мерно за два с половиной года до Сарыкамышского землетрясения 1970 г. (М = 6,8) на одном из разломов в Алма-Ате (180 м от эпицентра) были зафиксированы вертикаль¬ ные смещения со средней скоростью до 35 мм/год. Общая сумма измеренных смеще¬ ний на разломе составила величину около 60 мм, которая была полностью сброшена после землетрясения [6]. Размеры площади проявления аномальных деформаций могут в десятки раз превышать истинные размеры очага. Как уже отмечалось выше, долговременные интенсивные исследования показали полную бесперспективность попыток решить проблему прогноза землетрясений мето¬ дами отслеживания многочисленных косвенных аномалий. Эта методика не позволяет достоверно и точно определять местоположения готовящихся очагов землетрясений, а, следовательно, и отслеживать с необходимой для решаемой проблемы детальностью процессы подготовки и разрушения этих очагов. "Разрушительное Спитакское землетрясение 1988 г. инициировало попытку проанализировать состояние дел с крат¬ косрочным прогнозом и породило определенные сомнения в эффективности ретроспек¬ тивного анализа разнородных параметров в качестве предвестников землетрясений" [7, стр. 23]. Итак, "стратегия аномалий" возложенных на нее надежд не оправдала. Однако это не означает, что проблема прогноза землетрясений неразрешима: выполненные в пос¬ леднее время исследования это подтвердили. Стало совершенно очевидно, что теперь исследования нужно было сосредоточить на поиске прямых указателей, прямых приз¬ наков подготовки очагов землетрясений. Так как подготовка и реализация землетрясения являются в первую очередь меха¬ ническими процессами (накопление и сброс упругих сейсмогенных деформаций), то именно здесь и следовало искать прямые признаки. С этой целью была разработана деформационная модель подготовки очага сильного корового землетрясения, из кото¬ рой однозначно следовало, что признаком подготовки очага землетрясения является накапливаемый во времени упругий изгиб горных пород в этом очаге [3, 4]. От имевшихся к тому времени моделей предложенную деформационную модель отличает то, что ее исходные положения основаны на достоверных эксперимен¬ тальных данных. Речь идет о закономерностях смещений геодезических пунктов в эпицентральных зонах сильных коровых землетрясений, определенных геодезическими измерениями, выполненными до и после сильных коровых землетрясений. Установ¬ ленные по геодезическим данным закономерности смещений земной поверхности пол¬ ностью соответствуют таковым из теоретических соображений [4]. При разработке деформационной модели были учтены следующие современные представления: о внутреннем строении земной коры и литосферы, их тектоническом строении и происходящих в них тектонических процессах; о существовании активных 25
Рис. 1. Карта эпицентров Рачинского землетрясения (а) и вертикальный разрез по линии 5-5'(б) На секущую плоскость спроецированы все сейсмические события за афтершоковый период (по [20]). Глубина основного толчка 10 км глубинных разломов; о реологической расслоенности коры и литосферы в верти¬ кальном разрезе и существовании в земной коре сейсмогенного слоя; о пространствен¬ ном распределении сильных коровых землетрясений - их приуроченности к глубинным разломам в пределах сейсмогенного слоя земной коры и многое другое. Результатом анализа совокупности перечисленных сведений и данных явилась концепция формирования очагов сильных землетрясений, которая и позволила пред¬ ложить деформационную модель очага. Существенные, определяющие черты и приз¬ наки этой модели представлены в следующих выводах. 1. Ответственным за коровую сейсмичность является самый верхний, так назы¬ ваемый сейсмогенный слой земной коры мощностью 10-25 км, породы которого спо¬ собны накапливать значительные упругие напряжения и хрупко разрушаться (порож¬ дать землетрясения) при достижении предела их прочности [8-12]. 2. Очаги сильных коровых землетрясений генетически связаны с рассекающими сейсмогенный слой активными тектоническими разломами [13-17]. 3. Причины зарождения, созревания и разрушения таких очагов в тех или иных участках разломов обуславливаются или полным прекращением или существенным 26
уменьшением тектонических смещений на этих участках. Г.А. Гамбурцев такие участки назвал "спайками”. Чем длиннее "спайка", тем больше сейсмической энергии она способна накопить [14]. 4. При подготовке очага сильного корового землетрясения сейсмогенные деформа¬ ции накапливаются по всей толщине сейсмогенного "упругого" слоя земной коры: от земной поверхности и до его подошвы (10-25 км) [18-20]. Это находит подтверждение в пространственном распределении афтершоков сильных коровых землетрясений, которое показано на примере Рачинского землетрясения 1993 года [20]. Из рис. 1 однозначно следует, что после землетрясения упругие напряжения снимались, а, сле¬ довательно, до землетрясения и накапливались, лишь в самой верхней части земной коры и что наиболее однородное поле афтершоков занимает интервал глубин от нуля до десяти километров. 5. Вопреки укоренившимся представлениям о том, что сейсмогенной деформацией является упругий однородный сдвиг [13, 17, 21-23] установлено, что в действи¬ тельности такая деформация представляет собой неоднородный, но закономерно изме¬ няющийся в пространстве упругий сдвиг, т.е. упругий изгиб горных пород в готовя¬ щемся очаге землетрясения [4, 24-26]. 6. Накапливаемый горными породами готовящегося очага землетрясения упругий сейсмогенный изгиб распределяется в этом очаге экспоненциально: он максимален в центральной части сейсмогенной зоны и быстро убывает в обе стороны от этой зоны к периферийным, боковым частям очага. В общем случае упругая деформационная кри¬ вая имеет в очаге вид двух отрезков, симметричных относительно центральной точки. Максимальное изменение кривизны кривой совпадает с ортогональным к поверхности разлома направлением (рис. 2). 7. В очагах сильных землетрясений (М > 7) упругий изгиб проникает в тела кон¬ тактирующих по сейсмогеиному разлому блоков на 10-25 км, т.е. полная ширина зоны накопления изгиба (ширина очага) составляет 20-50 км. Максимальные упругие сме¬ щения горных пород в очагах сильных землетрясений измеряются метрами. 8. Земная поверхность, являющаяся верхней границей готовящегося очага сильного корового землетрясения, также подвергается нарастающему во времени закономер¬ ному изгибу. Изгибание самых верхних частей земной коры над очагами землетрясений подтверждается экспериментальными данными - закономерными смещениями гео¬ дезических пунктов в эпицентральных областях сильных коровых землетрясений [13, 17, 24, 27, 28] (рис. 2, 3). 9. Нарастающий во времени закономерный изгиб земной поверхности является единственным достоверным признаком, однозначно указывающим на то, что в иссле¬ дуемой части сейсмогенной зоны идет процесс накопления сейсмогенных деформаций [3]. Здесь крайне уместно отметить следующее. В свое время Ю.А. Мещеряков пред¬ ложил различать в сейсмогенных районах "три вида движений земной коры: а - мед¬ ленные, вековые движения, проявляющиеся в течение длительного "спокойного" пе¬ риода между вспышками сейсмической активности; (3 - "аномальные" движения, прояв¬ ляющиеся в период подготовки землетрясения; у - движения, вызванные самим зем¬ летрясением [2, стр. 96]. С рассмотренных нами позиций перечисленные типы движений соответствуют следующим фазам смещений и деформаций земной коры в очаге землетрясения: а - фаза пластического скольжения (крип), фаза нормальных тектонических движений в сейсмогенном разломе; (3 - фаза накопления упругих сейсмогенных напряжений, то есть фаза подготовки очага землетрясения, порождаемая нарушением ритма нормаль¬ ных тектонических движений на том или ином участке сейсмогенного разлома; у - фаза разрушения, сброса накопленных в очаге предельных сейсмогенных напряжений. Далее читаем у Ю.А. Мещерякова: "Для распознавания признаков движений - предвестников землетрясений - и оценки их продолжительности необходима разработ- 27
Рис. 2. Векторы горизонтальных смещений пунктов триангуляции, порожденных подвижкой по разлому Гомура при землетрясении Танго 1927 года (а) и график этих смещений, изображенных на вертикальной плоскости, перпендикулярной к разлому Гомура (б), х- ширина очага землетрясения Танго 1 - разлом, 2 - векторы смещений. По горизонтальной оси - удаления от разлома, по вертикальной - сме¬ щения пунктов ка многих теоретических вопросов на базе большого фактического материала” [2, стр. 102]. Теперь нам известны ответы на оба эти вовремя заданные вопроса: призна¬ ки движений предвестников землетрясений - это рассмотренные выше "мещеряковс- кие" p-движения, вопрос об оценке продолжительности которых подробно рассмотрен в литературе [4]. Современные исследования позволили определить и те параметры де¬ формационного поля очага, знание которых необходимо и достаточно для осущест¬ вления точного прогноза места очага и его максимально возможной силы. С полной определенностью можно говорить о том, что единственным ключом к достоверному прогнозу места готовящегося очага является закономерный изгиб земной поверхности, максимальный в ортогональном к разлому направлении. Реальный путь к прогнозу максимально возможной силы будущего землетрясения лежит через опреде¬ ление размеров участка земной поверхности закономерно деформируемого подготов- 28
Рис. 3. Графики горизонтальных смещений геодезических пунктов для нескольких сильных землетрясений Условные обозначения см. рис. 2 кой землетрясения, т.е. путем непосредственного измерения на земной поверхности длины и ширины очага, а при соблюдении определенных условий также и величины накопленных сейсмогенных деформаций. Речь идет о необходимости измерения величин смещений (абсолютных деформаций) в единой системе координат на площадях с линейными размерами в десятки километ¬ ров. Это требование диктуется в первую очередь размерами ширины очагов земле¬ трясений: 20-50 км. Выполнение этого требования обязательно, так как гарантиро¬ вать определение действительного интегрального вида искомой кривой можно лишь при условии измерения относительно единого начала всех необходимых для ее по¬ строения элементов. Решить данную задачу можно посредством метода, обладающего следующими тремя разрешениями: 1. Масштабным (пространственным) - векторы смещений точек наблюдений долж¬ ны определяться в единой системе координат на значительных базах - до десятков километров. 2. Разрешением вида деформирования - система наблюдаемых точек должна обес¬ печивать уверенное определение формы пространственной деформационной кривой на всем ее протяжении. 3. Точностным - достаточной точностью измерения взаимных смещений точек можно считать величину КР6. Такая точность достаточна для достоверной регистрации накапливаемых над готовящимися очагами упругих смещений, абсолютные величины которых для сильных землетрясений измеряются дециметрами и метрами. Предельная сдвиговая деформация горных пород в очагах сильных землетрясений заключена между величинами 10~* 1 2 3-1СЙ. Как известно, среди методов, используемых для прогноза землетрясений, имеются три, которые позволяют определить смещения и деформации горных пород: сейсмо л о- 29
гический, деформационный геофизический (тензодатчики, деформометры, наклоно¬ меры) и геодезический. Сейсмологический метод непригоден для таких определений по своей физической сути. Из всей совокупности движений он фиксирует лишь разрозненные сейсмические подвижки, возникающие при быстром сбросе той или иной порции предварительно накопленных в горных породах упругих сейсмогенных деформаций. Совершенно оче¬ видно, что эти "разрядные" подвижки фиксировать процесс накопления сейсмогенных деформаций не могут. Если бы сейсмологическому методу было доступно определение точного местоположения готовящегося очага, то эта задача была бы уже давно ус¬ пешно решена - этим занимаются много и упорно. Имеющий очень большие точностные возможности деформационный геофизический метод пока не обладает ни масштабным разрешением, ни разрешением по виду дефор¬ мирования и поэтому для указанной цели также непригоден. Ситуация может измениться к лучшему в случае создания системы наблюдений, которые позволят фиксировать либо закономерно изменяющийся сдвиг, либо нарастающий во времени упругий сейсмогенный изгиб горных пород на базах в километры и десятки кило¬ метров. Из перечисленных методов лишь геодезический обладает всеми разрешениями, позволяющими реализовать точный прогноз места и силы готовящегося сильного зем¬ летрясения. Современные высокоточные геодезические методы позволяют определять вертикальные и горизонтальные компоненты смещений на базах в километры и более с точностью до нескольких единиц седьмого знака. Разрешение вида деформирования можно обеспечить с помощью специальных геодезических построений, имеющих достаточное количество пунктов наблюдений (датчиков смещений), взаимное расположение которых в пространстве соответствует решаемой задаче. Итак, для осуществления точного прогноза места очага и его силы необходимо обнаружить участок сейсмогенной зоны, испытывающий закономерное упругое изгиба¬ ние и определить его размеры. Именно решению этой задачи должны быть подчинены вид и размеры специальных геодезических построений, количество пунктов и их взаимное расположение в этих построениях. Так как ширина очаговой зоны в ортогональном к сейсмогенному разлому направлении составляет 20-50 км, то размеры геодезического построения должны быть порядка 30-60 км. Если сейсмогенная зона совпадает с зоной раздела между сушей и водой (например, на Камчатке или на черноморском побережье Кавказа), то можно ограничиться созданием прогнозных геодезических построений только на суше, т.е. для поиска деформационного предвестника использовать лишь половину ширины сейсмогенной зоны. Что касается размеров построения вдоль разломной зоны, то, конечно же, было бы идеальным иметь специальные геодезические сети, полностью перекрывающие сейс- могенные зоны. Однако если это даже и будет возможно в будущем, то на начальном этапе исследований можно ограничиться рассекающими сейсмогенную зону срав¬ нительно узкими построениями - от прямолинейной (створ) или слабо изогнутой линии и до того или иного вида геодезической сети шириной около километра. Следует отметить, что в арсенале геодезии имеется достаточное количество раз¬ личных форм геодезических построений, которые могут быть взяты на вооружение при создании подобных сетей. Эти формы следует выбирать как с учетом необходи¬ мой точности определения величин смещений пунктов, так и с учетом других усло¬ вий: рельеф, используемая аппаратура, методики измерений. Для мониторинга про¬ филей пригодны как наземные, так и космические методы геодезии. Если предла¬ гаемая методика использования деформационно-геодезического направления получит в проблеме права гражданства, то это откроет широкую дорогу для творчества - методология, методы, аппаратура, принципы дискретного и непрерывного монито¬ ринга и др. Дальновидные ученые в Армении уже приступают к реализации этих идей [29]. 30
Puc. 4. Деформационная модель очага землетрясения I - зона сжатия; II - зона растяжения; L - участок прекращения движений по разлому ("спайка"); X - ширина очага; линии с точками - геодезические профили; I - положения геодезического профиля в моменты t0 и t { Назовем указанные построения геодезическими прогнозными профилями, а для наглядности будем изображать их прямыми линиями (рис. 4). Для уверенного опре¬ деления вида деформирования исследуемого участка земной поверхности профиль дол¬ жен иметь большую густоту пунктов. Причем частота расположения пунктов вдоль профиля может быть переменной: в наиболее деформируемой центральной части сейс- могенной зоны пункты нужно располагать чаще, а к краям зоны их можно размещать реже. С учетом экспоненциального вида искомой упругой кривой в центральной части зоны, примерно на пяти километрах ее длины, расстояния между смежными пунктами целесообразно ограничить 500-ми метрами. Дальше эти расстояния могут постепенно возрастать, но не быть более одного километра. Эти усредненные характеристики должны корректироваться для каждого конкретного профиля. Такое расположение пунктов можно считать оптимальным для фиксации как на¬ растающего во времени упругого изгиба (максимального в зоне сейсмического шва и вблизи него), так и сбрасываемых напряжений (деформаций), возникающих в очаге при его разрушении, что, как будет показано ниже, необходимо для осуществления прогно¬ за времени. Повторные измерения на таком прогнозном профиле позволят определять дейст¬ вительный вид деформирования исследуемого участка сейсмогенной зоны и тем самым отвечать на вопрос - готовится или нет в этом месте очаг землетрясения. Так как сила землетрясения функционально связана с размерами очага, то, к прогнозу силы готовящегося землетрясения можно подойти через определение раз¬ меров его очага. Длину и ширину очага можно определять геодезическим методом, создав на всем протяжении исследуемой сейсмогенной зоны ту или иную комбинацию прогнозных профилей, рассчитанную на достоверное обнаружение готовящихся оча¬ гов. Такие комбинации прогнозных профилей можно назвать "геодезическими прогноз¬ ными системами". Принципы размещения профилей в прогнозных системах и расчет частоты их опроса описаны достаточно подробно [4]. Итак, из трех главных вопросов прогноза землетрясений: где?, какой силы? и когда? ответы получены на два первых и теперь остановимся на последнем. Начать рассмотрение этого вопроса следует со следующих соображений Г.А. Гам¬ бурцева: "Изыскание методов прогноза времени землетрясений следует направить в первую очередь в сторону поиска механических предвестников землетрясений. Такие поиски могут быть успешными только в случае, если они будут основываться на глубоком изучении всех деталей механизма быстрых и медленных движений блоков земной коры сейсмоактивных районов" [30, стр. 306]. 31
Из этого следует, что исследования необходимо сосредоточить на установлении закономерностей протекания механических процессов, подготавливающих магистраль¬ ный разрыв очага (сильное землетрясение). Совершенно очевидно, что устанавливать эти закономерности следует на основе изучения тонкой структуры как всей совокуп¬ ности смещений и деформаций земной поверхности, так и сейсмических подвижек (форшоков) в начавшем разрушаться очаге. Использование деформационных геофизических методов в проблеме прогноза землетрясений особенно перспективно именно в этой стадии жизни очага землетря¬ сения, так как данные непрерывных высокоточных наблюдений за деформационными процессами в сочетании с детальными сейсмическими наблюдениями могут обеспечить "глубокое изучение всех деталей механизма быстрых и медленных движений блоков земной коры сейсмоактивных разломов" [30, стр. 306]. Также перспективно использование сейсмических методов для слежения за напря¬ женным состоянием горных пород в очаге с помощью искусственных источников его просвечивания [31]. Однако на современной, по существу все еще начальной стадии исследований по прогнозу землетрясений, их целесообразно продолжать с использова¬ нием широкого комплекса самых разных методов. Помимо всего прочего это позволит получить сравнительные характеристики информативности различных методов и оценить перспективы их использования. Следует особо подчеркнуть значение заблаговременного прогноза места и силы готовящегося очага землетрясения для прогноза времени его реализации. Только в этом случае возможно проводить комплексные исследования не в случайно или не¬ достаточно обоснованно выбранных местах, а непосредственно над реально сущест¬ вующим очагом готовящегося землетрясения, что позволит осуществлять регистра¬ цию даже очень слабых и быстро затухающих с удалением от их источника аномалий, порождаемых этим очагом. В этом случае, еще даже и до установления законов разрушения очагов, можно рассчитывать на то, что коллективное поведение аномалий в различных полях явится достаточным объективным показателем приближающейся катастрофы и позволит своевременно принять необходимые меры безопасности. Заблаговременное обнаружение готовящихся очагов землетрясений позволит созда¬ вать компактные комплексные системы наблюдений с разрешением достаточным для изучения тонкой структуры развития процессов разрушения в этих очагах, т.е. для определения закономерностей протекания этих процессов. А это и будет прямой путь к прогнозу времени. Таким образом, наиболее обоснованной и перспективной можно считать следующую стратегию прогнозных исследований. На выбранных по тем или иным практическим (города, АЭС, химические заводы и др.) или научным соображениям участках сейсмо- генных зон создаются геодезические прогнозные сети, способные решать задачу прогнозов места и силы землетрясения, а затем в местах обнаруженных готовящихся очагов организуются нацеленные на прогноз времени наблюдательные сети комплекс¬ ных исследований. Как известно геодезический метод уже давно используется с целью поисков пред¬ вестников землетрясений, но ощутимых результатов пока нет, и поэтому часто возникает вполне закономерный вопрос - чем обусловлена такая ситуация. Ответ на этот вопрос следует искать в истории формирования концепций прогноза землетря¬ сений. Обоснованные представления о тектоническом происхождении сильных землетрясе¬ ний появились во второй половине прошлого века и тогда же была угадана значимость геодезического метода в решении проблемы их прогноза. Есть веские основания считать, что первым в России, а может быть и вообще первым, предложил и стал использовать метод повторных геодезических измерений для изучения тектонических движений в связи с сейсмичностью выдающийся русский ученый И.В. Мушкетов. Еще в 1887 году, сразу после Верненской сейсмической катастрофы, им для указанных целей был проложен нивелирный ход от г. Верного (Алма-Ата) до берегов озера 32
Иссык-Куль. По его настоянию в 1900 году были выполнены повторные триангуля¬ ционные измерения в эпицентральной зоне Ахалкалакского землетрясения 1899 года. К сожалению, блестящий научный путь И.В. Мушкетова был прерван ранней смертью в 1902 году, но его идея использования повторных геодезических измерений для изучения землетрясений вскоре была реализована в США. В 1906 г. в Калифорнии случилась сейсмическая катастрофа (М=8,3), при которой общая длина сдвинувшегося при землетрясении участка разлома Сан-Андреас исчисля¬ лась сотнями километров (более 400 км), а взаимные смещения смежных бортов разлома достигали 6 м. После землетрясения были выполнены повторные триангуля¬ ционные измерения на обширной территории, с большим запасом перекрывшей его эпицентральную зону. Результаты этой работы превзошли все ожидания: благодаря внушительным размерам деформированного землетрясением участка земной поверх¬ ности и ее значительным смещениям, даже при редком расположении пунктов триан¬ гуляции удалось достоверно определить действительные величины их смещений на различных удалениях от разлома. Именно эти геодезические данные и были основой предложенной Рейдом "Теории упругой отдачи". Следует отметить, что в этой теории Рейдом была допущена лишь одна принципиальная ошибка: некорректно имитируя процессы накопления упругих сейсмогенных деформаций в сейсмогенной зоне с помощью небольших пластинок желе, он пришел к ложному выводу о том, что сейсмогенные деформации должны быть деформациями однородного сдвига, тогда как в действительности они являются деформациями упругого изгиба. Представляет интерес аргументация отрицания Рейдом изгиба земной поверхности, установленного по геодезическим данным. "Все явления находятся в тесном согласии с описанными выше лабораторными экспериментами. Главное различие состоит в том, что прямая линия, секущая разлом на земной поверхности не была разорвана в две прямые линии, как в лабораторном эксперименте, но в две искривленные линии. Мы приписываем это искривление тому факту, что силы, которые породили смещение поверхности Земли, были приложены под земной корой, тогда как в лабораторном эксперименте они были приложены к внешней границе желе" [33, р. 424]. Если учесть уровень знаний того времени о строении земной коры, о закономер¬ ностях изменений с глубиной реологических характеристик ее вещества, то в этом заблуждении ничего особенного нет. Однако, несомненно и то, что это заблуждение одного из первых ученых, догадавшегося об истинных причинах возникновения силь¬ ных землетрясений, не могло не оказать влияние на формирование последующих представлений о действительном характере поля напряжений, порождающего земле¬ трясение. Для обнаружения готовящихся очагов землетрясений, Рейд рекомендовал исполь¬ зовать метод повторных геодезических измерений. Выше уже отмечалось, что в Калифорнии предпринимались попытки реализовать идеи Рейда на практике, но делалось это столь неумело, что привело к их дискреди¬ тации [15]. Может быть тогда и начался кризис в проблеме прогноза землетрясений - американцы разочаровались в опороченном методе. Очевидно, синдром неуспеха был настолько силен, что и теперь геодезические построения на сейсмогенных разломах США рассчитаны на что угодно, но только не на обнаружение мест готовящихся очагов землетрясений. Можно не сомневаться в том, что на сегодняшний день это единственная причина отсутствия точного прогноза мест подготовки сейсмических катастроф в Калифорнии. Яркий пример сказанному - случившееся неожиданным разрушительное земле¬ трясение в Сан-Франциско в 1989 г. и такое положение будет сохраняться до тех пор, пока американские ученые не изменят свое отношение к геодезическому методу. Как уже отмечалось выше, в нашей стране использованию геодезического метода для прогноза землетрясений придавалось большое значение. Это нашло отражение уже в первой программе по прогнозу землетрясений, разработанной выдающимся 2 Геоморфология, № 4 33
сейсмологом Б.Б. Голицыным [34]. Однако в силу разных причин планомерные, целе¬ направленные, научно обоснованные исследования по проблеме прогноза в нашей стране были начаты лишь в 1949 г. - после Ашхабадской сейсмической катастрофы 1948 г. Программа этих исследований была разработана Г.А. Гамбурцевым. Предло¬ женные им "Перспективный план исследований по проблеме "Изыскание и развитие методов прогноза землетрясений" [30] и программа исследований столь продуманы и обоснованы, что все последующие аналогичные программы являются по существу их развитием, но, к сожалению, не совсем удачным. Причину сейсмических явлений Г.А. Гамбурцев видел в тектонических движениях блоков земной коры и поэтому для целей прогноза землетрясений считал необходимым заниматься всесторонними исследованиями смещений и деформаций земной коры как геофизическими (деформометрия, наклонометрия), так и геодезическими методами. Однако развернуть такие исследования Гамбурцеву не пришлось - помешала внезап¬ ная смерть. Существенный и противоречивый след в проблеме прогноза оставил Ч.Ф. Рихтер, который в своей, получившей широкое признание "Элементарной сейсмологии" сна¬ чала [15, стр. 181-182] сделал попытку опровергнуть основную идею Рейда: о кон¬ центрации сейсмогенных напряжений в узкой зоне вокруг разлома (в локальном объеме горных пород - очаге землетрясения). Он предложил гипотезу, согласно которой сейсмогенные деформации накапливаются вовсе не в локальных объемах, а в целых регионах, в которых какие-то неизвестные механизмы создают региональные поля однородного сдвига. Однако чуть позже (в той же самой книге) он отказался от этой гипотезы, так как написал следующее: "Есть отдаленная надежда, что, быть может, без точного предсказания даты ока¬ жется возможным обнаруживать накопление деформаций в направлении возникно¬ вения сильного землетрясения в данном районе или, возможно, на данном разломе... Непосредственным способом изучения накопления деформации является повторная триангуляция и точная нивелировка..." [15, стр. 359]. Этот пример делает честь Ч.Ф. Рихтеру как ученому, не побоявшемуся отказаться от собственных заблуждений. Убежденными и последовательными сторонниками использования геодезического метода были выдающиеся советские ученые Ю.А, Мещеряков и Ю.В. Ризниченко, а в настоящее время возможности этого метода весьма однозначно оценивает С.С. Гри¬ горян: "Таким образом, характерные смещения точек земной поверхности над очаго¬ вой зоной достигают величин, вполне доступных регистрации и измерению наземными и аэрокосмическими средствами, так что соответствующая геометрическая аномалия может четко регистрироваться современными средствами и использоваться для целей прогноза" [35, стр. 1085]. Итак, мы вправе заключить, что необходимость и перспективность использования геодезического метода в проблеме прогноза землетрясений понималась давно и многими. Логика подсказывала, что именно этот метод пригоден для отслеживания процесса накопления упругих сейсмогенных деформаций в готовящемся очаге земле¬ трясения, т.е. для точного определения местонахождения этого очага. Но, как это ни странно, и действительный вид сейсмогенной деформации (деформационного предвест¬ ника) и размеры площади ее распространения оставались совершенно неясными и спорными. Существовавшее еще совсем недавно состояние полной неопределенности в представлениях о прогнозном признаке сейсмогенных деформаций понял и прекрасно выразил, в приведенном в начале этой статьи высказывании, Ю.А. Мещеряков. Сооб¬ ражения Ю.А. Мещерякова, одного из энтузиастов и активнейшего пропагандиста использования геодезического метода для изучения современных тектонических дви¬ жений земной коры и прогноза землетрясений, прозвучали в то время, когда в СССР развернулись широкомасштабные геодезические исследования на геодинамических полигонах. Толчком для начала этих исследований послужило Ташкентское землетря¬ сение 1966 г. Академическими институтами и предприятиями ГУ ГК были созданы 34
десятки таких полигонов, но проведенные на них интенсивные геодезические исследо¬ вания, нацеленные на поиски деформационных предвестников, оказались малоэффек¬ тивными. В свете вышеизложенного, это, конечно же, не является неожиданным. Незнание действительного вида и размеров прямого деформационного предвестника не позво¬ лило создать на прогнозных полигонах геодезические построения по размерам, форме и взаимному расположению в них пунктов, отвечающие своему основному назначению: обнаружению готовящихся очагов землетрясений. Стандартная же плотность пунктов геодезических сетей недостаточна для обнаружения и уверенного выделения сравнительно узких (5—-10 км), сильно деформированных подготовкой землетрясений участков земной поверхности очаговых зон. Можно не сомневаться, что уже не один раз повторными геодезическими измере¬ ниями были зафиксированы упругие смещения, обусловленные подготовкой сильных землетрясений, но так как при редкой сети пунктов это могло фиксироваться лишь отдельными пунктами, то такие результаты считали браком в работе и отбрасывали. Кроме того, незнание действительного вида деформационного предвестника не позволяло правильно интерпретировать полученные результаты [36]. По существу геодезические исследования того времени соответствовали преслову¬ тым "поискам пятака под фонарем", так как в подражание другим методам геодезисты считали своей главной задачей лишь поиски различных разрозненных аномалий в смещениях и деформациях земной поверхности, которые тем или иным образом пытались связывать с прогнозом. Многолетние исследования показали ошибочность этого пути. Итак, началом кризиса в проблеме прогноза землетрясений можно считать пред¬ принятые в начале века американскими учеными неудачные попытки реализовать на практике идеи Рейда. Это привело к печальным последствиям: упустив возможность обнаруживать непосредственный деформационный предвестник методом решения прямой задачи, исследователи направили все усилия на реализацию проблемы прогноза методом решения обратных задач. Результат общеизвестен - проблема заведена в естественный тупик. В свете изложенных выше представлений Г.А. Гамбурцева о происхождении сейсмичности можно было ожидать, что он мог бы вернуть проблему на правильный путь, но внезапная смерть прервала начатые им исследования по прогнозу в самом их начале и его идеи о "глубоком изучении всех деталей механизма быстрых и медленных движений блоков земной коры сейсмоактивных районов" не получили должного развития. Можно полагать, что это удалось бы сделать Ю.А. Мещерякову, который стал вплотную заниматься этой проблемой, но опять свою роковую роль сыграла преждевременная смерть. Таким образом, с полным основанием можно говорить о том, что причины кризиса в проблеме прогноза землетрясений обусловлены в первую очередь незнанием действи¬ тельных возможностей геодезического метода в этой проблеме. Подтверждение этому, на первый взгляд кажущегося парадоксальным заключению, можно найти в книге двух наших известных сейсмологов. "Теперь нам известно, что искать будущие землетрясения нужно там, где в недрах литосферы копится энергия деформации сдвига и где есть подходящие разломы для ее выделения... Но как узнать, где напряжения могут копиться, а где они тихо и незаметно рассасываются в результате спокойных, тихих процессов ползучести?... Итак, первая неудача: нет простого способа узнать, где в литосфере копится упругая энергия перекоса. Нет общих явных признаков таких мест" [16, стр. 132-133]. Это высказывание яснее ясного говорит о том, насколько в те годы ученые, причастные к проблеме прогноза землетрясений, были далеки от понимания действи¬ тельных возможностей геодезии в этой проблеме. Но совершенно очевидно и то, что в прогнозе местоположения готовящегося очага землетрясения А.В. Друмя и Н.В. Ше¬ балин вслед за Мушкетовым, Рейдом, Гамбурцевым, Рихтером и Мещеряковым 2* 35
вполне обоснованно пальму первенства отдали изучению закономерностей протекания механических, деформационных процессов. В свете рассматриваемой ситуации чрезвычайно интересна книга И.П. Добро¬ вольского "Механика подготовки тектонического землетрясения". Удивляет то, что автор не проанализировал результаты повторных геодезических измерений в эпицент- ральных зонах сильных землетрясений, отказавшись тем самым от рассмотрения единственно достоверного экспериментального материала, который и мог бы ему помочь в выборе модели подготовки очага, адекватной природному процессу. Выбран¬ ная же им модель привела его к сверхпессимистическому выводу о полном отсутствии "типичного хода предвестника" [37, стр. 44], т.е. к выводу о невозможности прогноза. С целью понять причины грустных оценок перспектив прогноза совершим неболь¬ шой экскурс в недалекое прошлое. Оценивая современное состояние проблемы прог¬ ноза землетрясений с позиций предложенных Т. Куном понятий "парадигма" и "нор¬ мальная наука" В.Н. Страхов сделал следующее заключение: "Трудами классиков сейсмологии и геологии в науке об оценке сейсмической опасности создана парадигма, для которой характерны эмпирическое обобщение, логика ретроспективного анализа и аналогии. Так вот, современная сейсмология уже несколько десятилетий развивается как нормальная наука в рамках данной парадигмы" [38, стр. 5]. Есть все основания считать, что 70-80-е годы нашего века были временем торжества идей такой "нормальной науки", т.е. торжеством "стратегии аномалий". Оно отмечено многими интересными и, как казалось, обнадеживающими открытиями, которые на поверку однако таковыми не оказывались, что, конечно же, не могло не порождать определенные сомнения в эффективности этой стратегии. Не предсказан¬ ные же разрушительные землетрясения конца 80-х и 90-х годов явились отрез¬ вляющим фактором, наглядно продемонстрировавшим истинное положение дел в проб¬ леме прогноза - эйфория сменилась унынием, брожением в умах и рождением различ¬ ных спекуляций [38]. Без сомнения, к главным причинам кризиса следует отнести также завышенную оценку действительных возможностей сейсмологии в решении проблемы прогноза землетрясений. Традиционно существует твердое убеждение в том, что главным и определяющим в проблеме прогноза землетрясений является сейсмологический метод. Логика здесь элементарно проста: коль скоро сейсмология является наукой о землетрясениях, то, следовательно, кому как не ей должен быть подвластен и прогноз этих явлений. Это, конечно, могло бы быть так, если бы в процессе подготовки очага землетрясения определяющими были не медленные процессы накопления горными породами упругой энергии, а быстрые (сейсмические) процессы сброса уже накопленной энергии. Однако долговременный медленный процесс созидания, подготовки очага сильного землетря¬ сения и быстротекущий процесс его разрушения являются абсолютно разными, анта¬ гонистическими механическими процессами, углубленное исследование которых нельзя осуществить каким-либо одним методом. Ложно-оптимистическое представление о действительных возможностях сейсмо¬ логического метода создает иллюзию простого "количественного" решения проблемы: стоит всего лишь создать побольше сейсмических станций. Однако эти представления не только не имеют теоретического обоснования, но, что самое главное, не под¬ тверждаются и практикой. В Калифорнии уже давно создана очень густая сеть сейсмических станций, но для прогноза землетрясений это практически ничего не да¬ ло - очаг разрушительного Сан-Францисского землетрясения 1989 г., заранее обнару¬ жен не был, а поэтому, как и прежде, землетрясение захватило большой город врасплох. Не были предсказаны в Калифорнии и более поздние сильные землетря¬ сения, например, Лос-Анджелесское 1991 г. Вот что о возможностях "количественного" решения проблемы прогноза в свое время было написано В.И. Кейлис-Бороком: "Долгое время работы по прогнозу земле¬ трясений ориентировались в основном на расширение системы наблюдений. Калифор¬ 36
нийское землетрясение наглядно показало нам, насколько этого недостаточно. Оно произошло в середине самой мощной в мире наблюдательной сети, с тысячами датчи¬ ков, телеметрией, полной компьютеризацией” [Газета ’’Известия”, № 307, 2 ноября 1989 г.]. Конечно, сейсмические станции нужны и чем их будет больше, тем более детально будет известно внутреннее строение Земли, в особенности ее верхних горизонтов, что очень важно не только в теоретическом, но и в практическом аспектах - поиск полезных ископаемых и др. Что касается проблемы прогноза, то, как указывалось выше, густая сеть сейсмических станций необходима для осуществления прогноза времени землетрясения в очаге, ранее выявленном геодезическим методом. Приведенные соображения о завышенных оценках возможностей сейсмологии в проблеме прогноза землетрясений не являются оригинальными. В этом легко убе¬ диться, обратившись к соответствующим соображениям трех выдающихся сейсмо¬ логов XX века. Г.А. Гамбурцев в начале пятидесятых годов написал следующее: "Таким образом, в основе современной методики сейсмического районирования лежит сейсмостатистика, дополняемая изучением глубинных условий возникновения земле¬ трясений... В дальнейшем, по мере накопления наших знаний о природе землетрясений и об условиях их возникновения, роль сейсмостатистики должна уменьшаться и соответственно главное значение должны получить твердо обоснованные физические и геологические критерии сейсмичности” [14, стр. 431]. В перспективном плане исследований по проблеме прогноза Г.А. Гамбурцевым предусмотрены разделы: "Разработка методов изучения медленных движений блоков земной коры” и "Детальное изучение сейсмоактивных районов”, где изучение законо¬ мерностей сейсмического режима предлагается вести на основе... "изучения медлен¬ ных движений блоков земной коры” [30, стр. 308-309]. Достаточно категоричное мнение о возможностях сейсмологии и геодезии в проб¬ леме прогноза землетрясений в конце пятидесятых годов высказал Ч.Ф. Рихтер: "В настоящее время возможности предсказания землетрясений, в обычном смысле слова, не существует, то есть никто не может с уверенностью сказать, что существенное землетрясение произойдет в данном месте в данное время... Есть отдаленная надеж¬ да, что, быть может, без точного предсказания даты окажется возможным обнаружи¬ вать накопление деформации в направлении возникновения сильного землетрясения в данном районе или, возможно, на данном разломе... Непосредственным способом изучения накопления деформации является повторная триангуляция и точная нивелировка, как это проводится Береговой и геодезической службой Соединенных Штатов и различными организациями Японии" [15, стр. 359]. В 1969 г. была опубликована статья Ю.В. Ризниченко, в которой он показал, что в проблеме изучения внутреннего строения Земли сейсмологии принадлежит ведущая роль. Однако в этой статье имеется одно крайне существенное для рассматриваемой нами проблемы замечание: "Говоря о сейсмологии, автор не касается вопросов изу¬ чения и прогноза землетрясений" [39, стр. 335]. Это замечание Ю.В. Ризниченко дает нам право сделать заключение о том, что обоснованная им ведущая роль сейсмологии в изучении внутреннего строения Земли к прогнозу землетрясений не относится. Автор этой статьи на протяжении нескольких лет имел счастливую возможность пользоваться консультациями Ю.В. Ризниченко и с полной ответственностью за¬ являет, что в проблеме прогноза землетрясений Юрий Владимирович, как и Юрий Александрович большие надежды возлагал на геодезию и активно поддерживал идеи о необходимости расширения соответствующих исследований. Итак, имеются все основания для следующего заключения. Подобно тому, как в изучении внутреннего строения Земли опорным методом является деформационный сейсмологический, так в проблеме прогноза сильных коро¬ вых землетрясений таковым является деформационный геодезический. Заключенные в геодезическом методе большие возможности в осуществлении прогноза обусловлены самой сутью тектоносейсмического процесса. 37
Случилось так, что в силу разных объективных и субъективных причин отмеченные возможности геодезического метода до сих пор остаются невостребованными. С точки зрения здравого смысла это совершенно противоестественная, антигуманная, а потому и нетерпимая ситуация. Я полагаю, что наш долг перед светлой памятью Юрия Александровича Мещерякова обязывает нас сделать все от нас зависящее для успешного решения проблемы прогноза землетрясений. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Mescherikov Yu A. Recent crust movements in seismic regions: geodetic and geomorphic date //Tectonophysics. 1968. № 10. P. 17-35. 2. Мещеряков Ю.А. О движениях земной коры - предвестниках землетрясений // Земная кора сейсмоопас- ных зон. М.: Наука, 1973. С. 94-103. 3. Певнев А.К. О прогнозе сильных коровых землетрясений // Геодезия и картография. 1987. № 4. С. 18- 23. 4. Певнев А.К. Прогноз землетрясений - геодезические аспекты проблемы // Изв. АН СССР. Физика Земли. 1988. № 12. С. 88-98. 5. Кейлис-Борок В.И. Динамика литосферы и прогноз землетрясений// Природа. 1989. № 12. С. 10-18. 6. Остропико П.А., Антоненко Э.М., Атрушкевич П.А. Опыт изучения современных движений земной коры в Приалмаатинском сейсмическом районе // Современные движения земной коры. Новосибирск: Наука, 1978. С. 74-81. 7. Кондратьев О.К. Разведочная геофизика с целью прогноза землетрясений // Геофизика. 1995. № 3. С. 19-25. 8. Ботт М. Внутреннее строение Земли. М.: Мир, 1974. 375 с. 9. Шерман С.И. Физические закономерности развития разломов земной коры. Новосибирск: Наука, 1977. 102 с. 10. Райс Дж. Механика очага землетрясения. М.: Мир, 1982. 217 с. 11. Жарков В.И. Внутреннее строение Земли и планет. М.: Наука, 1983. 415 с. 12. Сейсмический мониторинг земной коры. М.: Ин-т физики Земли АН СССР, 1986. 290 с. 13. Reid H.F. The Mechanism of the Earthquake. The California Earthquake of April 18, 1906 // Rep. of the State Investigation Commiss. Vol. 2. P. 1. Washington. 1910. 56 p. 14. Гамбурцев Г.А. Избранные труды. М.: Изд-во АН СССР, 1960. 461 с. 15. Рихтер Ч.Ф. Элементарная сейсмология. М.: Изд-во иностр. лит., 1963. 670 с. 16. Друмя А.В., Шебалин Н.В. Землетрясение: где, когда, почему? Кишинев: Штиинца, 1985. 196 с. 17. Касахара К. Механика землетрясений. М.: Мир, 1985. 264 с. 18. Захарова А.И., Москвина А.Г., Бапсатарова И.П., Чепкунас Л.С. Некоторые особенности очаговых процессов Спитакского землетрясения // Изв. АН СССР, Физика Земли. 1991. № 11. С. 39-55. 19. Захарова А.И., Бармин М.П., Старовойт О.Е., Чепкунас Л.С. Характеристики очагов и строение зем¬ ной коры по наблюдениям Газлийских землетрясений в телесейсмической зоне // Газлийские земле¬ трясения 1976 и 1984 годов. Ташкент. Фан, 1986. С. 15-22. 20. Арефьев С.С., Плетнев К.Г., Татевосян Р.Э. и др. Рачинское землетрясение 1991 г.: результаты полевых сейсмологических наблюдений // Изв. АН СССР, Физика Земли. 1993. № 3. С. 12-23. 21. Knopoff L. Energy release in earthquakes // Geophys. J. Roy. Astron. Soc. 1958. V. 1. P. 44-52. 22. Костров Б.В. Механика очага тектонического землетрясения. М.: Наука, 1975. 175 с. 23. ТёркотД., Шуберт Дж. Геодинамика. Т. 1-2. М.: Мир, 1985. 730 с. 24. Магницкий В.А. Внутреннее строение и физика Земли. М.: Недра, 1965. 380 с. 25. Эйби ДжА. Землетрясения. М.: Недра, 1982. 264 с. 26. Kersting N. Zur Analise rezenter Krustenbewegungen bei Vorliegen seismotektonischer Dislokationen. Schriftenreihe // Universitat der Bundeswehr Munchen. Heft 42. Neubiberg. 1992. 239 p. 27. Tsuboi C. Investigation on the deformation of the earth crust connected with the Tango earthquake of 1927 // Bull. Earthq. Res. Inst. 1932. № 10. P. 411-432. 28. Рикитаке T. Предсказание землетрясений. M.: Мир, 1979. 400 с. 29. Бегларян А.Г. Разработка и совершенствование методов и приборов для автоматизации геодезических деформационных измерений инженерных сооружений и разломов земной коры. Ереван: Изд-во АН Армении, 1997. 104 с. 30. Гамбурцев Г А. Перспективный план исследований по проблеме "Изыскание и развитие методов прогноза землетрясений" // Развитие идей Г.А. Гамбурцева в геофизике. М.: Наука, 1982. С. 304-311. 31. Гамбурцев А.Г., Певнев А.К. О перспективах геодезического и сейсмического мониторинга при прогнозе землетрясений // Геофизика. 1996. № 4. С. 35-41. 38
32. Мушкетов И.В. Бернинское землетрясение 28 мая (9 июня) 1887 г. // Тр. геолкома. № 1. 1890. Т. X. 154 с. 33. Reid H.F. The elastik-rebound theory of earthquakes // Bull. Departament Geology. Univ. Cflif. Publ. 1911. Vol. 6. № 19. P. 413-444. 34. Голицын Б.Б. Избранные труды. M.: Изд-во АН СССР, 1960. Т. 2. 465 с. 35. Григорян С.С. О предсказании землетрясений // Докл. АН СССР. 1989. Т. 306. № 5. С. 1083-1087. 36. Писку лин В Л., Райзман Л.П. О деформациях земной поверхности в районе Газли // Геодезия и картография. 1985. № 9. С. 53-57. 37. Добровольский И.П. Механика подготовки механического землетрясения. М.: Ин-т физики Земли АН СССР, 1984. 189 с. 38. Страхов В.Н. К новой парадигме сейсмологии // Природа. 1989. № 12. С. 4-9. 39. Ризниченко Ю.В. Проблемы сейсмологии. М.: Наука, 1985. 408 с. Мосгоргеотрест Поступила в редакцию 20.12.99 A CONTRIBUTION OF J.A. MESCHERIKOV TO THE PROBLEM OF EARTHQUAKE PREDICTION (TO THE 80lh ANNIVERSARY) A.K. PEVNEV Sum шагу Application of deformational (geodetic) method to the earthquake prediction gives good results. The development of strong earthquake source occurs with straight and the only valuable indication - flexible bend of rocks in the source. The upper boundary of the large source - Earth’s surface - undergoes corresponding bend as well. The method of exact prognosis of the place and the maximum intensity of future earthquake by means of geodetic measurements is described. The way to real forecasting of the earthquake in the epicenters revealed by geodetic measurements is outlined. 39
ГЕОМОРФОЛОГИЯ JNb 4 октябрь-декабрь 2000 ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ГЕОМОРФОЛОГИЯ УДК 551.438.5 (470.311) © 2000 г. А.А. БЕЛОУСОВ, А.Н. МАККАВЕЕВ, Л.С. КУРБАТОВА ВЛИЯНИЕ ГЕОЛОГО-ГЕОМОРФОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА ВОЗНИКНОВЕНИЕ ЧРЕЗВЫЧАЙНЫХ СИТУАЦИЙ В ЦЕНТРАЛЬНЫХ РАЙОНАХ г. МОСКВЫ1 Как в нашей стране, так и за рубежом в последние годы резко усилился интерес к проблемам, связанным с городской средой. Развитие природно-техногенного комплек¬ са труднопредсказуемо [1,2]. Это в полной мере относится к рельефу городов и релье¬ фообразующим процессам в них. Настоящая работа проводилась в рамках научной программы лаборатории геомор¬ фологии ИГ РАН "Эколого-геоморфологическая оценка территории и прогноз геомор¬ фологического риска" (научный руководитель - Э.А. Лихачева). Разработка критериев оценки рельефа города проведена в том числе и на базе данных по территории Москвы. Коллективом лаборатории построен ряд оригинальных карт: "Карта техно¬ генных отложений и техногеннопогребенной речной сети территории г. Москвы" [3], "Геоморфологические условия и инженерно-геологические процессы г. Москвы" [4] и другие. Новые данные о чрезвычайных ситуациях позволяют провести как уточнение пре¬ дыдущих работ, так и обнаружить новые, еще слабо изученные и труднопредсказуе¬ мые особенности развития природно-антропогенного комплекса. Несомненно, что очень многие аварии, если не подавляющее их большинство, про¬ исходят по вине человека - плохое качество строительства, старение оборудования, ошибки при эксплуатации и т.п. Однако, даже при предварительном анализе очевидна приуроченность значительной части аварий к местам "неблагополучным" по своим геолого-геоморфологическим параметрам (рисунок). Центральные районы - наиболее измененная в процессе градостроительства часть столицы. Нами проанализированы аварийные ситуации, которые произошли здесь с марта 1995 по март 1999 гг. При анализе использовались как материалы отдела геоморфологии ИГ РАН, так и опубликованные данные других авторов [1-16]. Северная часть исследуемой территории расположена на Северной водораздельной равнине - природном районе на левобережье р. Москвы. На ней преобладают пологие холмы, сложенные мореной московского оледенения. Их разделяют почти плоские водно-ледниковые равнины. Большинство неглубоких долин маленьких речек спря¬ таны под землю. Южная часть территории, на правобережье Москвы-реки относится к Теплостан- ской возвышенности. Долины рек и ручьев разделяют ее на крупные, обширные 1 Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект 98-05-64359). 40
Чрезвычайные ситуации в центре Москвы за 1995-1999 гг. с элементами геолого-геоморфологической обстановки (фрагмент карты) / - пойма р. Москвы и ее притоков, 2 - засыпанные техногенными грунтами долины малых рек, балок и ложбин, 3 - районы возможного развития карстовых процессов, 4 - дочетвертичные долины, 5 - доюрские долины, 6 - места возникновения чрезвычайных ситуаций: «-связанных непосредственно с процессами в литогенной основе, б - прочих моренные холмы, которые к реке снижаются, выполаживаются. На нижних ступенях возвышенности морена перекрыта флювиогляциальными и лимногляциальными отло¬ жениями. Эта территория стала районом городской застройки только начиная с 50-х годов XX века. Поэтому гидрографическая сеть Теплостанской возвышенности во многих случаях сохранилась. Глубина и густота водотоков здесь максимальная для Москвы. Теплостанскую возвышенность и Северную равнину разделяет долинный комплекс р. Москвы, занимающий значительную часть территории города. Из трех террас самая широкая (до нескольких километров) - третья надпойменная. Довольно ровная поверхность террас в ряде мест сильно расчленена мелкими притоками р. Москвы и оврагами, сейчас практически полностью засыпанными. Рельеф террас сильнее других районов столицы изменен человеком. Зарегистрированные случаи аварий нами объединены в 2 блока. К первому отне¬ сены случаи явно связанные с процессами в литогенной основе (геологической среде), пусть даже в ее верхних слоях, в том числе в техногенных грунтах. Это, главным образом, провалы проезжей части, проседания грунтов, единичные оползни, плывуны, аварии в котлованах, выделения подземного газа, толчки, похожие на землетрясения. Во второй вошли явления, связь которых с процессами, происходящими в подсти¬ лающих грунтах не вполне очевидна, хотя и возможна (повреждения зданий, прорывы коммуникаций и некоторые другие). 41
События, отнесенные к первому блоку (31 авария) происходили не по всей анали¬ зируемой территории равномерно. Их характерная черта - довольно тесная простран¬ ственная связь с гидросетью, как современной, так и древней - погребенной. Развитая речная сеть в центре Русской равнины неоднократно возникала в континентальные эпохи и уничтожалась (заносилась более молодыми осадками) во время морских трансгрессий и в ледниковые периоды. Больше всего аварий произошло над дочетвертичными долинами, днища которых находятся на 15-30 м ниже уровня днищ современных долин (20 случаев или почти 2/3 общего количества). Более древние долины влияния на аварии практически не ока¬ зывают. Так с доюрскими долинами (днища на 50 м и более ниже поверхности) совпадает место только одной аварии, что не позволяет судить об их связи. К погребенным долинам можно отнести также засыпанные и заключенные в под¬ земные коллекторы в процессе перепланировки городской территории долины неболь¬ ших рек (Неглинной, Пресни и др.), ручьев и оврагов, хотя масштаб времени здесь совершенно иной - засыпаны они десятки, реже - сотни лет назад. В центральных, старых районах столицы практически не осталось небольших речек, протекающих открыто по поверхности, а "технопогребенные" долины довольно многочисленны и жи¬ тели домов, расположенных над ними, чаще всего не подозревают об их существо¬ вании. Даже в "подземном” виде долины по-прежнему собирают воду. Выщелачивание солей и вынос мелкозема в подземных речках приводит к образованию пустот в запол¬ няющих их насыпных грунтах. Мощности последних обычно превышают 8-10 м; они и без того более рыхлые и водопроницаемые, по сравнению с вмещающими их породами. В результате на поверхности возникают просадки [4, 6, 10 и др.]. Техногенные (насыпные) грунты, заполняющие уничтоженные человеком долины, обладают значительной сжимаемостью под влиянием динамических (транспорт) и ста¬ тических (здания, сооружения) нагрузок, столь обычных для крупного города. Осадка сооружений на подобных грунтах протекает многие годы и может достигать 20-30 см при скоростях оседания до 2-3 см в год [11]. Непосредственно над подобными долинами или с ними рядом, на их бортах, отмечено 14 аварий (около 45% случаев). В девяти случаях обе описанные выше категории долин - древние и засыпанные - пространственно совпадают, поэтому в сумме они составляют около 80% всех случаев. На уменьшение устойчивости территории при уничтожении гидросети обращают вни¬ мание многие авторы работ, посвященных рельефу и рельефообразующим процессам в г. Москве [2, 5, 6 и др.]. В районах, с полностью уничтоженной поверхностной эрозионной сетью, отмечается наибольшее число случаев деформаций зданий и соору¬ жений (до 20 и более на каждый км2) [12]. В ряде работ давно уже подчеркивается, что засыпанные долины, водоемы и рвы крайне неблагоприятны для строительства любых зданий и сооружений [17 и др.]. Но в густонаселенных районах этого избежать практически невозможно. Влияние древних долин в 13 случаях усиливается карстово-суффозионными явле¬ ниями. К особо опасным, в отношении развития карста в Москве, относятся терри¬ тории, где водонепроницаемые юрские глины имеют малую мощность или уничто¬ жены, а непосредственно на лежащих ниже карбоновых известняках и доломитах залегают четвертичные, преимущественно песчаные отложения [5, 8, 12]. Развитию карстовых явлений здесь способствует усиленный водообмен между поверхностными и глубинными горизонтами. Юрские глины размыты в ряде мест под днищами совре¬ менных долин рек Москвы и Яузы, а также в дочетвертичных долинах (хотя в неко¬ торых долинах этот покров сохраняется). Подобные гидрогеологические "окна" служат местами интенсификации процессов, снижающих прочность пород: карста, суффозии, выветривания, перехода песков в плывунное состояние, приводящим к провалам и оседаниям земной поверхности. Древние и засыпанные долины не являются единственными местами проявления интенсивной суффозии и процессов уплотнения грунтов. Опасность представляют 42
засыпанные карьеры, котлованы, болота, участки бывших свалок, остатки старых фундаментов, подвалов, колодцев, где мощности техногенных грунтов местами дости¬ гают 20 м [8]. Кроме того, интенсивной суффозии, вызывающей деформации зданий и сооружений, особенно в старых районах города, немало способствуют утечки из отживших свой век водонесущих коммуникаций и неэффективная работа ливневых коммуникаций [8]. В настоящее время, благодаря интенсивной откачке подземных вод и снижению их уровней в связи со строительством различных подземных сооружений, карстово-суффозионные процессы в Москве активизировались [5, 6, 8]. Еще один существенный фактор возникновения аварий - вибрация, создаваемая транспортом. В 15 случаях аварии произошли в районах с высоким уровнем вибрации (>73 дБ), причем в 7 из них она усиливает влияние гидросети. Как показали совре¬ менные исследования, этот фактор в ряде случаев оказывает значительное воздей¬ ствие на земную поверхность. Вибрация активизирует оползни, суффозию, становится одной из причин неравномерной осадки зданий и различных объектов. Авторы спе¬ циальных исследований отмечают, что здания, располагающиеся вдоль магистралей с особо оживленным движением (в зоне интенсивного вибрационного воздействия), испытывают осадку на 3-8 мм больше, чем аналогичные здания, находящиеся вдали от дороги [12, 13]. Сильная осадка зданий (до 100 мм и больше) происходит вблизи линий метрополитена неглубокого залегания и железнодорожных путей. Эффект вибрации усиливается при повышении уровня грунтовых вод и на территориях, сложенных глинистыми грунтами. Длительное воздействие вибрации вызывает нару¬ шение защитных оболочек кабелей и других подземных коммуникаций. В центральных районах столицы к зонам повышенной вибрации приурочено почти 60% поврежден¬ ных зданий. В зонах, тяготеющих к глубинным разломам, зафиксировано только 9 аварий, да и то в 6 случаях они совпадают с древней или современной гидросетью. Это, видимо, подтверждает мнение А.А. Никонова о том, что движения по разломам в московском регионе в настоящее время не происходят совсем и, весьма вероятно, не происходили за последние 900 лет, как показывает анализ исторических источников начиная с XI века [14]. Сейсмическая служба г. Москвы ничего не зарегистрировала даже в единственном случае, когда наблюдались толчки, похожие на землетрясение (2 марта 1995 г. в районе Семеновской набережной - Госпитального Вала). Поэтому мало¬ вероятно, что толчки были вызваны подвижками по проходящему в этом районе древнему глубинному разлому кристаллического фундамента, установленному по гео¬ физическим данным [15]. Вполне возможно, это было "техногенное” землетрясение, не связанное с тектоническими подвижками по разлому. Однако нельзя полностью исклю¬ чить возможность возникновения местного землетрясения тектонического характера в московском регионе. Они могут быть очень редкими. Например, землетрясение с очагом в ближайших окрестностях города могло произойти в 1445 (1446?) году [8]. Особенности геологического строения могли повлиять и на возникновение оползня с провалом на Каширском рынке (10 октября 1997 г.), когда погибли два человека и пострадал один. Это место находится на пересечении доюрской ложбины с зоной флексур в юрских и коренных породах. Здесь спусковым механизмом оползня могли послужить интенсивная вибрация (рынок находится на пересечении Каширского шоссе и проспекта Андропова) и повышение уровня грунтовых вод во время дождей. Очевидно, что связь аварий с тектоническим строением территории нуждается в более детальном и тщательном анализе на основе данных об авариях за весьма длительное время, учитывая, что тектонические подвижки по разломам на древних платформах могут происходить весьма редко. Из 36 аварий, объединенных во второй блок, 13 произошли над или рядом с засы¬ панными долинами. С древними дочетвертичными долинами совпадают 8 аварий, с доюрскими - 3. Учитывая пространственное совпадение ряда засыпанных, дочетвер- тичных и доюрских долин влияние гидросети могло иметь место в 18 случаях или в 50% от их общего количества. Этот показатель заметно ниже, чем для аварий первого 43
блока, но все еще остается довольно весомым. С областями развития карстовых явле¬ ний пространственно совпадают 10 случаев аварий, причем 8 из них находятся в зоне влияния засыпанных и древних долин. Предположение о том, что аварии, объединенные в первый блок, тесно связаны с суффозионными и карстовыми явлениями подтверждает и их распределение по сезо¬ нам. Например, провалы, просадки, оседания грунтов происходили в основном в теп¬ лый период года, что, видимо, связано с интенсификацией карста, вымыванием во время дождей рыхлых отложений из древних и засыпанных долин. С мая по август произошло 30 таких случаев, во все остальные месяцы - только 12. Напротив, прорывы коммуникаций (второй блок) более характерны для холодного периода - с ноября по март (максимум в декабре), когда многочисленны процессы промерзания-оттаивания. Подчеркивая влияние суффозионных и карстовых процессов, происходящих по древ¬ ним и засыпанным долинам, а также вибрации и уплотнения техногенных грунтов под влиянием техногенных нагрузок, мы не отрицаем, что и подтопление, электрокоррозия и др. факторы могут и должны существенно влиять на возникновение чрезвычайных ситуаций. Особенно велико значение подтопления, которое в центральной части горо¬ да отмечается повсеместно [16]. Однако выделить степень этого влияния, пользуясь проанализированным нами материалом не удалось и этот аспект проблемы тоже нуждается в более детальной и тщательной проработке. Выводы 1. Чрезвычайные ситуации, зафиксированные в центральных районах г. Москвы за 4 года-с марта 1995 по март 1999 гг. обнаруживают довольно тесную связь с гео¬ морфологическими и геологическими особенностями строения территории. 2. Анализ чрезвычайных ситуаций, с точки зрения влияния на них геоморфо¬ логических и геологических факторов, целесообразно вести по блокам (группам), выделяемым по степени связи с процессами, происходящими в литогенной основе. 3. Особенно часто события, входящие в блок аварий, наиболее очевидно связанных с процессами, происходящими в литогенной основе, происходили на участках распо¬ ложенных непосредственно над погребенной или засыпанной гидросетью, главным образом в теплое время. Это лишний раз подтверждает, что по ним продолжаются суффозионные процессы. 4. Довольно большое участие в подготовке аварий играют карстовые процессы, однако из-за частого совпадения мест, опасных в отношении развития карста с древней гидросетью выделить чисто "карстовую" составляющую в возникновении аварий пока не представляется возможным. 5. Уничтожение естественной дренажной сети в городах повышает риск возникно¬ вения аварий. 6. Значительное влияние на аварии оказывает вибрация, вызываемая городским транспортом. 7. Влияние разломов, зон трещиноватости и др. элементов геологического строения территории, а также подтопления нуждается в анализе большого количества данных за длительный период времени. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1 .Лихачева Э.А., Тимофеев Д.А., Локшин Г.П., Просунцова Н.С. Эколого-геоморфологические критерии оценки городской территории // Геоморфология. 1999. № 3. С. 18-26. 2. Лихачева Э.А. О семи холмах Москвы. М.: Наука, 1990. 144 с. 3. Лихачева Э.А., Курбатова Л.С., Махорина Е.И. Карта техногенных отложений и техногеннопогре- бенной речной сети территории г. Москвы. // Геоморфология. 1998. № 1. С. 61-67. 4. Лихачева Э.А., Маккавеев А.Н., Тимофеев Д.А. и др. Геоморфология Москвы по материалам карты "Геоморфологические условия и инженерно-геологические процессы г. Москвы" // Геоморфология. 1998. №3. С. 41-51. 44
5. Богословский В.Л., Григорьева Р.П., Иванова Е.В. и др. Комплексное крупномасштабное геолого- геофизическое районирование при изучении и прогнозе карстово-суффозионных процессов на территории г. Москвы // Инженерная геология. 1992. № 2. С. 51-70. 6. Кожевникова В.Н. О роли динамики и режима подземных вод в формировании карстово-суффозионных процессов (на примере некоторых районов Москвы) // Инж. изыск, в строит. М.: Стройиздат, 1974. Вып. 5/33. С. 22-27. 7. Москва: геология и город / Гл. ред. В.И. Осипов, О.П. Медведев. М.: АО "Московские учебники и картолитография”, 1997. 400 с. 8. Кофф ГЛ., Петренко С.И., Лихачева Э.А., Котлов В.Ф. Очерки по геоэкологии и инженерной геоло¬ гии московского столичного региона. М.: РЭФИА, 1997. 185 с. 9. Город-экосистема / Э.А. Лихачева, Д.А. Тимофеев, М.П. Жидков и др. М.: ИГ РАН, 1996. 336 с. 10. Зиангиров Р.С., Петренко С.И. Оседание поверхности территории города // Москва: геология и город. М.: АО "Московские учебники и картолитография", 1997. С. 259-265. 11. Кутепов В.М., Хоменко В.П., Медведев О.П. и др. Карст и суффозия // Москва: геология и город. М.: АО "Московские учебники и картолитография", 1997. С. 187-196. 12. Лихачева Э.А., Локшин Г.П., Просунцова Н.С., Тимофеев Д.А. Эколого-геоморфологическая оценка территории г. Москвы // Геоморфология. 2000. № 1. С. 48-55. 13. Локшин Г.П., Чеснокова И.В. Транспортные магистрали и геологическая среда: оценка техногенного воздействия. М.: Наука, 1992. 111 с. 14. Жигалин А.Д., Просунцова Н.С., Локшин Г.П. Изменение физических полей // Москва: геология и город. М.: АО "Московские учебники и картолитография", 1997. С. 285-296. 15. Никонов А.А. Землетрясения в московском регионе // Москва: геология и город. М.: АО "Московские учебники и картолитография", 1997. С. 173-180. 16. Кузьменко Ю.Т. Кристаллический фундамент // Москва: геология и город. М.: АО "Московские учебники и картолитография", 1997. С. 48-86. 17. Лущихин Н.Н. Гидрографическая сеть // Природа города Москвы и Подмосковья. М.-Л.: Изд-во Академии наук СССР, 1947. С. 60-109. Учебно-методический центр по ГО и ЧС ЦАО г. Москвы, Поступила в редакцию Институт географии РАН 17.03.2000 GEOLOGIC-GEOMORPHOLOGIC FACTORS OF EMERGENCIES IN THE CENTRAL DISTRICTS OF MOSCOW A.A. BELOUSOV, A.N. MAKKAVEYEV, L.S. KURBATOVA Sum шагу The most part of accidents registered from March 1995 to March 1999 in the central districts of Moscow, which have taken place due to processes in the bottom, are situated over the pre-quaternary buried valleys or filled rivers. Accidents are most frequent at the warm period, which indicates to strong suffusion in the grounds filling these valleys. Karst and vibration caused by traffic play an important role in development of accidents. Water inrushes through tubes are typical for cold period, when freezing-thawing processes are numerous. 45
ГЕОМОРФОЛОГИЯ № 4 октябрь-декабрь 2000 МЕТОДИКА НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ УДК 551.4.012:551.435.1 © 2000 г. О.П. ЕРМОЛАЕВ, А.А. САВЕЛЬЕВ НОВЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ АНАЛИЗА ФАКТОРОВ ЭРОЗИИ ПОЧВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ГИС-ТЕХНОЛОГИЙ Постановка вопроса. Рельеф является одним из основных факторов, ’’...вершите¬ лем судеб эрозионных процессов..." [1, с. 114]. Именно он во многом перераспределяет атмосферные осадки, формирует склоновый сток, особенности его трансформации и, в конечном счете, - эрозию почв (ЭП). Характеристики рельефа весьма многообраз¬ ны, но наиболее значимы среди них - крутизна, длина линий стока, глубина расчлене¬ ния, экспозиция и форма склона. Соотношение длины линий стока и уклона дают так называемый эрозионный потенциал рельефа-ЭПР [2]. Показатели рельефа входят во все известные расчетные модели смыва [3-9 и др.]. Между тем, рельеф чрезвычай¬ но вариабельный фактор ЭП. Сбор материалов по основным показателям рельефа всегда весьма трудоемок, поскольку предполагает составление специализированных карт: уклонов, экспозиций, глубин расчленения, ЭПР и ряда других [2, 9]. При этом необходимо соблюдать требования репрезентативности, выполнение которых превра¬ щается в самостоятельную задачу. Как правило, все материалы по морфометрическим показателям получают с использованием точечно-статистического метода на основе анализа серий крупномасштабных топографических карт и проведения предваритель¬ ного морфологического районирования. Несмотря на казалось бы значительные вы¬ борки, насчитывающие тысячи замеров по точкам, по-прежнему остаются актуальны¬ ми вопросы репрезентативности получаемых величин при их пространственной экстра¬ поляции и составлении мелко- и среднемасштабных карт эрозионноопасных земель. Цель настоящих исследований - разработка новых геоинформационных методов количественной оценки факторов бассейновой эрозии (на примере ЭП и отдельных показателей рельефа) и прогнозирования развития эрозионных процессов. Для этого в рамках настоящей работы решались следующие задачи: 1. Разработка методики формирования детальных геоинформационных баз данных показателей рельефа территории, обусловливающих развитие ЭП. 2. Создание методики обработки таких баз данных с построением оценочных и прогнозных моделей развития ЭП. 3. Сравнение зависимостей ЭП от показателей рельефа, полученных с использо¬ ванием ГИС-технологий с традиционными методами. Использование геоинформационных технологий для создания пространственных баз данных Одной из основных задач, решаемых с использованием геоинформационных техно¬ логий, является интеграция разнородной пространственной информации в единую, про¬ странственно привязанную базу данных. В нашей работе для анализа связи харак- 46
Таблица l Распределение контуров эрозии Категория смытости почв Число контуров Общая площадь Средняя площадь одного контура км2 % км2 Слабосмытые 455 12277 74 27,0 Среднесмытые 373 3974 24 10,6 Сильносмытые 61 361 2 6,0 теристик рельефа с ЭП на территории Среднего Поволжья (в границах Татарстана) использовался базовый масштаб исследований 1:200000. Были использованы два типа пространственной организации данных: по элементарным речным бассейнам третьего порядка (классификация Стралера - Философова) и по регулярной сетке точек с шагом 400 метров. В бассейнах подсчитаны площади слабо-, средне-, сильносмытых почв и суммарная площадь эродированных земель. Распространение эродированных почв было взято из материалов крупномасштабных почвенных обследований, проведенных региональными филиалами Гипроземов (земпредприятий) по единой методике. После нормирования показателей был проведен статистический анализ зависимости эрозии почв от показателей рельефа. Несмотря на большие выборки и очевидную роль рельефа в процессе ЭП, корреляционные связи оказались слабыми. Так, корреля¬ ционная связь со средней крутизной и глубиной расчленения составила: г = 0,05. Столь низкие значения коэффициентов обусловлены в первую очередь осреднением как исходного показателя (ЭП), так и показателей рельефа, рассчитанных в целом для всего бассейна. Между тем результаты могут быть принципиально иными, если воспользоваться другим способом пространственной организации данных - по узлам регулярной сетки. Нами был выполнен исчерпывающий анализ связи ЭП с морфометрическими харак¬ теристиками рельефа именно по таким данным. При этом в исследовании были широко задействованы современные ГИС-технологии. Общее число узлов сетки на терри¬ торию Среднего Поволжья составило 1 149 676. Такая детальность обработки исход¬ ной информации на порядки превышает традиционный "ручной" способ карто¬ метрических работ. Данные по ЭП были представлены в виде векторной электронной карты, отражаю¬ щей различные категории смытости. На карте выделяется 889 областей эродиро¬ ванных почв, и дан векторизованный слой границ речных бассейнов (табл. 1, рисунок). Для определения параметров рельефа была привлечена векторная гипсометрическая карта м-ба 1:200000 с сечением горизонталей 20 м. Для преобразования изолинейной карты в цифровую модель рельефа и расчета в узлах сетки морфометрических характеристик рельефа (крутизны, экспозиции, высо¬ ты, формы склона) использовались программы "МАГ" (кафедра картографии и геоин¬ форматики МГУ) и "SURFER". При переносе в узлы сетки информации о типе эрозионного контура применялось программное обеспечение авторов. Поскольку исходная гипсометрическая карта содержала погрешности в отображе¬ нии элементов рельефа ("висячие", незамкнутые изолинии, нестыковка изолиний по границам листов, и т.д.), характеристики рельефа в отдельных узлах либо не были вычислены совсем, либо были вычислены неправильно (крутизна в десятки градусов и т.д.). Такие узлы, а также узлы, попадающие на водные объекты, были исключены из дальнейшей обработки. По ключевым участкам в различных геоморфологических районах с использованием гипсометрической карты производилась выборочная про¬ верка результатов компьютерного моделирования. Она показала хорошее совпадение 47
Таблица 2 Средние значения показателей рельефа для смытых почв Показатель смытости почв Среднее Категория смытости почв слабосмытые среднесмытые сильносмытые Превышение, м 150,3 151,6 146,8 143,4 Крутизна, град 1,59 1,44 1,99 2,31 Доли ЭКСПОЗИЦИЙ, % "Холодная" 41,4 42,7 38,6 25,4 "Теплая" 31,8 30,3 35,2 47,7 "Нейтральная" 26,8 27,0 26,2 26,9 для водораздельных и склоновых поверхностей, и 10% ошибку при моделировании сложного рельефа пойм средних и крупных рек, в основном за счет технических погрешностей при векторизации базовой карты. Всего для дальнейшей обработки по территории Татарстана нами использовалось 395 114 точек, из них 86567 точек при¬ надлежали контурам слабосмытых, 27 620 точек - контурам среднесмытых и 2419 точек - контурам сильносмытых почв. Остальные точки принадлежали неэродиро- ванным сельхозугодьям, населенным пунктам и лесам. Общая площадь анализируемой территории составила 92% от всей площади Республики Татарстан или 62,5 тыс.км2. На первом этапе геоинформационного анализа были выбраны традиционные харак¬ теристики рельефа (высота, крутизна и экспозиция склонов). Определялась абсолют¬ ная высота в каждой точке, т.е., по существу, диагностировалось местоположение ЭП на участках склонов отчетливо выраженного ярусного денудационного рельефа Рес¬ публики Татарстан. Анализ распределения смытых почв по экспозициям показал целе¬ сообразность их группировки по трем типам: "холодным" (север, северо-восток, восток), "теплым" (юг, юго-запад, запад) и "нейтральным" или промежуточным (юго- восток, северо-запад). На этом этапе были получены характерные распределения эродированных почв на склонах (табл. 2) и использованы стандартные статистические методы обработки. Однако и в данном случае корреляция получилась весьма слабой, ее значения по модулю для разных показателей рельефа находятся в интервале от 0,05 (высота и экспозиция) до 0,2 (крутизна). Из приведенных результатов (табл. 2) видно, что полученные значения в целом соответствуют представлениям о роли показателей рельефа в ЭП (интенсивная эрозия на более крутых и теплых склонах и увеличение ее от верхней к нижней части склонов). Невысокие значения коэффициентов корреляции могут свидетельствовать не только об отсутствии зависимости, но и о наличии существенно нелинейной зави¬ симости, выявление которой представляет самостоятельный интерес. Таким образом, большой объем выборки (116600) по-прежнему не позволяет однозначно определить силу влияния характеристик рельефа на ЭП, хотя задача общей количественной оценки роли анализируемых показателей в ЭП надежно решена. В связи с этим большой интерес представляет более тонкий анализ связи как самих характеристик рельефа, так и, особенно, их устойчивых сочетаний, с площадями эродированных почв различных категорий смытости. Некоторые подходы к оценке развития эрозионных процессов Поскольку нами использовались данные по эрозионным процессам, представленные в достаточно генерализованном виде (контуры эродированных почв на среднемас¬ штабной карте), то построение детальных моделей зависимости эрозионных процессов от локальных характеристик рельефа затруднено. В то же время, наличие предста¬ вительной выборки позволяет ставить задачу оценки степени эродированности почв по 49
Фрагмент электронной кар¬ ты эрозии почв на террито¬ рии Западного Предкамья Татарстана
определенному набору показателей рельефа. В идеале для этого необходимо по¬ строить модель условной вероятности попадания каждой точки территории, в зави¬ симости от ее локальных морфометрических и других характеристик, в ту или иную категорию смытости. Такие модели хорошо согласуются с геоинформационными технологиями, поскольку, несмотря на использование генерализованных данных, позволяют представлять полученные оценки в картографическом виде и районировать территорию по характеру развития эрозионных процессов. С другой стороны, осреднение данных по интересующей нас местности позволяет получить (в силу закона больших чисел) достаточно точные оценки доли территории в пределах произвольно выбранного региона, занятые каждой категорией смытых почв, хотя и без указания их конкретного местоположения по данной территории. Для построения такой математической модели возможны два принципиальных под¬ хода, имеющих свои достоинства и недостатки. При первом, параметрическом, подходе заранее предполагается (например, на основании механизма ЭП) некоторый вид зависимости развития эрозионных процессов от локальных характеристик. Наиболее часто в качестве такой зависимости используется регрессия, обычно линейная, а неизвестные параметры оцениваются по методу наименьших квадратов. При втором, непараметрическом, подходе строится непараметрическая модель, в которой напрямую оценивается условная вероятность влияния каждого сочетания локальных параметров (в нашем случае - морфометрических показателей рельефа) на ЭП. Поскольку для такой оценки необходимы повторные значения, то все множество параметров обычно разбивается на конечное число многомерных интервалов, для каждого из которых оценивается значение вероятности (в одномерном случае это известный метод построения эмпирической гистограммы). К достоинствам параметрического подхода можно отнести разработанность методов его применения и хорошие результаты в случае известной формы зависимости. Недо¬ статки его тоже хорошо известны: использование универсальных, например, полино¬ миальных моделей приводит к большим ошибкам при оценках, тем больших, чем сложнее модель и чем лучше она описывает имеющуюся подвыборку. Непараметрический подход не требует определения заранее функционального вида зависимости, однако, результаты его применения в первую очередь зависят от правильности разбиения всего множества параметров на конечное число многомерных интервалов или классов. Нами предлагается подход к построению непараметрических моделей, основанный на адаптированном к территории ("естественном") районировании с использованием так называемых нейронных сетей Кохонена [10]. Использование непараметрического подхода для оценки развития эрозионных процессов Для разбиения многомерного множества всех сочетаний характеристик, или кванти¬ зации, традиционно используются методы кластерного анализа и классификации без учителя. Если сделать естественное предположение, что небольшие изменения харак¬ теристик приводят к небольшим и пропорциональным изменениям моделируемой вели¬ чины, то понятие оптимального разбиения можно уточнить. Если мы хотим получить равномерную (примерно одинаковую при любых сочетаниях характеристик) точность модели, то мы должны добиваться равенства самих классов (например, одинаковой внутриклассовой дисперсии), и использовать алгоритмы типа ISODATA [12] или Форель [13]. Поскольку мы хотим использовать модель не для оценки ЭП в отдельной точке, а для построения карт вероятности в форме изолиний, показывающих принадлежность точек местности к определенной категории смытых почв, - нам важнее минимизи¬ ровать среднюю ошибку оценки. Для этого необходимо выбрать алгоритм кванти¬ зации, порождающий классы с равными вероятностями попадания в них точек анали¬ 50
зируемой территории. Это означает, что если определенное сочетание характеристик часто встречается на данной территории, то (в пространстве характеристик) его ок¬ рестность должна быть представлена отдельным классом, или даже разбита на несколько классов. Если же некоторое сочетание характеристик редко встречается на данной территории или является уникальным, то оно должно быть отнесено к одному из имеющихся классов. К подобным алгоритмам относятся, например, модификаций широко известного алгоритма ^-средних [13], различные варианты которого хорошо аппроксимируют плот¬ ность распределения характеристик. Результаты такой классификации, однако, трудно интерпретировать, поскольку полученные классы никак не упорядочены относительно друг друга, а применение традиционных методов снижения размерности (например, метода главных компонент) не дает удовлетворительных результатов при анализе, особенно при большой размерности пространства характеристик и наличии нечисловых (качественных) показателей. Поэтому нами для построения классов был использован метод нейронных сетей Кохонена [10], являющийся обобщением метода ^-средних и позволяющий представ¬ лять топологию (взаиморасположение) получаемых классов в пространстве характе¬ ристик, а, следовательно, и структуру всего пространства характеристик на данной территории. Использование самоорганизующихся отображений Кохонена (SOM) для оптимального разбиения множеств характеристик на классы Как и в методе к-средних, в предложенных Кохоненом самоорганизующихся отобра¬ жениях (одной из разновидностей нейронных сетей) классы представляются эталон¬ ными элементами (центрами). Главное отличие от традиционного подхода состоит в том, что все классы заранее организованы в регулярную прямоугольную решетку, расстояние в которой (не связанное с расстоянием между центрами классов в про¬ странстве признаков) участвует в процессе обучения и самоорганизации нейронной сети, т.е. в процессе построения классов. Сам этот процесс состоит в следующем. В начальный момент центры всех классов инициализируются случайным образом. На очередном шаге t рассматривается точка территории х и соответствующий ей набор характеристик 0(х). Затем находят класс-мпобедительи, центр которого С,(0 наиболее близок к вектору Q{x) в смысле заданного (например, евклидового) расстоя¬ ния. После этого изменяется не только центр найденного класса (как это делается в традиционных процедурах классификации), но и центры всех классов, расположенных рядом с ним в упомянутой выше решетке: С ft + 1) = С ft) + <x(r)[Q(x) - С ft)] для всех классов j, расположенных на заданном расстоянии от /-го класса в решетке классов (расстояние измеряется в шагах решетки) и некоторой убывающей с ростом t функции a(t). В случае, когда заданное для определения окрестности расстояние меньше, чем шаг решетки, а величина a(t) убывает обратно пропорционально /, мы получаем в точности метод ^-средних. Использование окрестности в решетке при изменении классов приводит к тому, что все центры соседних классов решетки становятся близкими и в пространстве харак¬ теристик. Если процесс самоорганизации прошел успешно, то два класса будут близки в пространстве характеристик тогда, и только тогда, когда они близки и в решетке классов. В этом случае можно отобразить классы на плоскость таким образом, чтобы (за счет отказа от регулярности решетки) расстояния между изображениями классов в этой решетке совпали с расстояниями между классами в пространстве характеристик (так называемое отображение Саммона [11]). Полученное представление несет всю информацию о структуре пространства признаков относительно использованной меры 51
Таблица 3 Характеристика эрозионного рельефа и ЭП по 9 классам нейронной сети Класс Высота, м. абс Распределение экспозиций, % Крутизна, град Смытость почв, % "Холодные" "Теплые" "Нейтральные" слабо- средне- сильно- 1 103 54 24 22 1,35 74,3 23,2 2,5 2 119 56 20 24 1,08 80,3 18,3 1,4 3 149 54 22 24 0,80 84,6 14,7 0,7 4 115 36 28 36 2,35 63,7 32,9 3,4 5 143 44 26 30 1,62 74,2 24,1 1,7 6 165 43 26 31 1,28 82,6 16,5 0,9 7 132 26 32 42 3,01 52,5 42,5 5,0 8 152 29 31 40 2,48 63,9 32,6 3,5 9 171 38 28 34 1,68 74,3 23,7 2,0 расстояния, и позволяет выявить "ядра" - области в пространстве признаков, наиболее широко представленные на данной территории. Более того, многообразные свойства территории* связанные с пространством признаков (в нашем случае это эрозионные процессы), так же оказываются упорядоченными на плоскости, и их связи с различ¬ ными сочетаниями признаков становятся доступными для анализа. В силу самого процесса построения классов, они представляют собой оптимальное (в смысле описания структуры) разбиение для данной территории, что позволяет учесть при анализе специфику природно-антропогенных условий проявления эрозии на конкретной мест¬ ности. Даже при использовании небольшого числа классов удалось получить содер¬ жательные качественные результаты. В соответствии с изложенной методикой нами классифицировались записи, соот¬ ветствующие характеристикам точек внутри контуров эродированных почв. Для каждого класса определялась пропорция точек, принадлежащих контурам со слабо-, средне- и сильносмытыми почвами. Это позволило выявить некоторые интересные зависимости эрозионных процессов от локальных характеристик рельефа. Всего было выделено 9 классов (табл. 3), организованных в прямоугольную решетку 3x3. Небольшое количество классов было выбрано из соображений наглядности, удобства интерпретации и в целом хорошо отражает закономерности размещения эродирован¬ ных почв. Характерные изменения показателей рельефа и ЭП наблюдаются в следующих последовательностях классов, соответствующих строкам и столбцам решетки нейрон¬ ной сети: 1-4-7; 1-2-3; 3-6-9; 2-5-8 и т.д. Так, в первой комбинации с увеличением номера класса наблюдается нарастание абсолютных отметок местности, крутизны склонов от средних до максимальных значений, смена экспозиций с "холодных" румбов в 1 классе на "нейтральную" в 4-ом и "теплую" в 7-ом. При этом резко изменяется соотношение категорий эродированных почв. От первого к седьмому классу на 20% уменьшается доля слабосмытых почв и в два раза увеличивается доля средне- и сильносмытых почв, что свидетельствует об усилении ЭП. Ведущими факторами ЭП этих классов рельефа выступают экспозиция и крутизна склонов. С целью определения преобладающего местоположения существующих классов по элементам рельефа было проведено их компьютерное наложение на гипсометри¬ ческую карту. Это позволило установить особенности распределения смытых почв по классам эрозионного рельефа и характерные для этих классов показатели рельефа. Ниже в качестве примера приводится распределение смытых почв в зависимости от особенностей эрозионного рельефа по трем из девяти классов, представленных в табл. 3. 52
1 класс. Протяженные отрезки нижних частей прямых склонов, бровок бортовых частей склонов глубоко врезанных речных долин. В асимметричных долинах рек 2-3-го порядка этот класс находится на пологих склонах. Ареалы смытых почв в основном соответствуют склонам теплых румбов. 2 класс. Преобладают в средней части прямолинейных и вогнутых склонов преиму¬ щественно южных румбов; замещают 1 класс в верхних звеньях гидросети. 3 класс. Верхние части склонов, приводораздельные пространства междуречий верхних звеньев гидросети, слабонаклоненные участки нижней поверхности выравни¬ вания. Расположены в основном на склонах "холодной" экспозиции. В рассмотренном примере хорошо видно, что от первого к третьему классу увеличивается доля слабосмытых почв (на 10%), почти в два раза сокращаются среднесмытые и более чем в три раза - сильносмытые почвы. Таким образом, в процессе классификации факторов рельефа, оказывающих влия¬ ние на процесс ЭП, удалось произвести группировку сочетаний факторов, а также косвенно учесть еще один показатель, в явном виде не участвовавший в обработке, - форму поперечного профиля склона. Использование самоорганизующихся отображений Кохонена (SOM) для оценки эрозионных процессов Одновременно с этой задачей производилось сравнение точности модели, получен¬ ной с помощью SOM и традиционных методов анализа. Для постановки задачи оценивания рассмотрим три характеристические функции f\(x),f2(x) и/з(х), определенные в каждой точке х территории и соответствующие трем категориям смытости почв. Функция /•(*) принимает значение 1, если точка х принад¬ лежит эрозионному контуру с (’-ой категорией смытости почв и 0 в остальных точках территории. Кроме того, в каждой точке определен вектор Q(x) локальных харак¬ теристик: Q(x) = Oft(*),..., qfx)). Таблица 4 Коэффициенты корреляции характеристик рельефа со степенью эрозии почв Показатели Категория смытости почв слабосмытые среднесмытые сильносмытые Высота +0,05 -0,04 -0,02 Крутизна Экспозиция: -0,22 +0,20 +0,09 "Холодная" +0,02 -0,02 -0,02 "Теплая" -0,03 +0,02 +0,03 "Нейтральная" +0,01 -0,01 0,00 Если теперь построить простую линейную регрессию, выбрав f (x) в качестве зави¬ симой, а одну из локальных характеристик qfx) в качестве независимой переменной, то полученная регрессия будет оценкой условного математического ожидания вероят¬ ности принадлежности точки х контуру эрозии с /-оц категорией смытости почв при условии, что значение qfx) известно. Поскольку квадрат коэффициента корреляции (коэффициент детерминации)/(.*) и qfx) равен доле дисперсии зависимой переменной, объясненной регрессией, то он (г2) может служить в качестве оценки прогностических свойств qfx). Значения коэффициента корреляции для трех традиционных характе¬ ристик рельефа приведены в таблице 4. Из нее видно, что прогностические свойства указанных характеристик невелики. 53
Таблица 5 Сравнение среднеквадратичной точности оценки Категория смытости почв Среднеквадратичное отклонение (СКО) при использовании: Среднего значения Линейного прогноза Прогноза на основе классификации СКО Улучшение, % СКО Улучшение, % Слабосмытые 0,336 0,318 5,7 0,303 9,8 Среднесмытые 0,329 0,315 4,4 0,303 8,6 Сильносмытые 0,101 0,100 1,0 0,099 2,0 Таблица 6 Сравнение прогностических свойств линейной модели (L) и SOM (в % от L) через коэффициент корреляции Категория смытости почв Корреляция Ранговая корреляция L SOM % L SOM % Слабосмытые 0,38 0,43 13,2 0,34 0,40 17,6 Среднесмытые 0,34 0,40 17,6 0,31 0,37 19,4 Сильносмытые 0,16 0,22 37,5 0,14 0,17 21,4 Качество оценки можно улучшить за счет усложнения модели, например, используя множественную или нелинейную регрессию. В этом случае для оценки качества регрессии также можно использовать коэффициент детерминации. Другой мерой качества оценки может служить среднеквадратичное отклонение прогнозного значения от истинного. Поскольку наш метод оценки является непараметрической регрессией, то приве¬ денные оценки позволяют сравнить его эффективность с традиционными методами. Нами для оценки развития эрозионных процессов на территории использовалась нейронная сеть, содержащая 225 классов, организованных в квадратную решетку 15 х 15. Число классов было увеличено по сравнению с предыдущим случаем для более точного количественного представления изменчивости многообразных сочетаний используемых характеристик рельефа (в отличие от предыдущего примера с 9 клас¬ сами, использованными для качественной оценки). После построения классов, для каждого из них была подсчитана вероятность попадания элементов класса в контур эрозии с заданной категорией смытости почв (т.е. была построена непараметрическая кусочно-постоянная регрессионная модель). Затем каждая точка территории была отнесена к тому или иному классу, в соответствии с чем ей были присвоены вероят¬ ности попадания ее в первую, вторую и третью категории смытости почв. Для оценки точности предлагаемого метода были выбраны 888 речных бассейнов третьего порядка, для каждого из которых вычислялись доли территории, отнесенные к каждой из трех категорий смытости почв (рисунок). На этом этапе можно исполь¬ зовать произвольный набор областей. В данном случае привлечение бассейнов обусловлено тем, что они являются наиболее удобными операционными террито¬ риальными единицами для анализа ЭП и обеспечивают статистическую представи¬ тельность выборки (не менее 30 точек на бассейн). В качестве оценки рассматри¬ вались результаты, полученные с использованием линейной регрессии и с помощью SOM, со средними значениями, отражающие реально существующее распределение эродированных почв по всей исследуемой территории. В таблицах 5 и 6 приведены результаты для последних двух методов по сравнению с первым, с указанием в процентах улучшения качества оценивания. 54
Для оценки оптимальности полученного разбиения на классы с помощью SOM и дальнейшей оценки ЭП, был применен и другой метод выделения классов: равно¬ мерное разбиение всех возможных значений характеристик на равные диапазоны. Всего было использовано по 6 диапазонов для каждой из трех анализируемых характеристик рельефа, а полученные 216 классов вполне сопоставимы по численности с использованными классами в нейройнной сети. Результат оценивания в этом случае оказался гораздо хуже, чем для линейной регрессии, подтверждая эффективность использования SOM при разбиении на классы. Кроме чисто оценочных (или прогнозных) свойств предложенного метода, нас интересовала возможность его использования для анализа взаимосвязи эрозионных процессов и характеристик рельефа. Для этого были проанализированы характери¬ стики центров классов полученной нейронной сети. Во-первых, было установлено, что процесс самоорганизации нейронной сети прошел успешно, о чем свидетельствует соблюдение главного свойства SOM: если два класса схожи по всем характеристикам, то они находятся рядом и в решетке классов. Следующий этап при анализе влияния рельефа на ЭП заключался в ответе на вопрос: насколько полученная упорядоченность классов характеристик рельефа свя¬ зана с упорядоченностью соответствующих категорий эродированных почв. Для этого была построена линейная регрессия. В ней в качестве независимых переменных использовались характеристики центров классов, а в качестве зависимой - категория смытости почв в соответствующем классе. При этом значимыми (даже при уровне значимости 1%) оказались высота и кру¬ тизна, а в случае построения линейной регрессии по отдельным строкам и столбцам нейройнной сети значимой оказывается и экспозиция (также при уровне значимости менее 1%). Полученный результат показывает, что нейронная сеть способна выявлять роль факторов и в тех случаях, когда традиционные методы, основанные на корреля¬ ционном и регрессионном анализе, не позволяют это сделать. Изучая характер изме¬ нения факторов ЭП по строкам и столбцам нейронной сети, и связанные с ним изменения в развитии эрозионных процессов, исследователь получает достаточно мощный инструмент для качественного и количественного анализа таких зависимостей с выявлением региональных закономерностей эрозии. Так, в полученной нами нейронной сети некоторые строки имели практически постоянное значение крутизны, хотя доля эродированных почв в классах изменялась за счет флуктуации других характеристик рельефа, что позволяет вычленить именно их специфическое влияние на интересующие нас процессы. Анализ нейронной сети также дает возможность выявлять пороговые значения параметров, при которых происходит резкое усиление или уменьшение ЭП; определять конкретно, при каких количест¬ венных соотношениях анализируемых факторов наблюдается развитие почв той или иной категории смытости. И что особенно важно, - отобразить полученные классы в виде единиц типологического районирования на карте. В этом случае мы получаем тематические карты районирования сложных сочетаний любого количества факторов ЭП безотносительно их воздействия на процесс, а затем и с учетом их силы влияния на развитие слабо-, средне- и сильносмытых почв. Использование SOM дает возможность построить надежные прогнозные карты распространения эродированных почв на необследованных или еще не подвергшихся эрозии (например, под лесом) территориях с аналогичным рельефом. Данный метод особенно успешно работает при анализе многофакторного влияния показателей на ЭП, обеспечивая обоснованность выборок для последующего построения прогнозных моделей. Заключение Проведенная работа показывает широкие возможности ГИС-технологий и метода нейросетевого анализа при изучении бассейновой эрозии. Их использование повышает надежность оценок развития ЭП на неисследованных территориях, а также опреде¬ 55
ления эрозионной опасности земель, в настоящее время не вовлеченных в сельско¬ хозяйственный оборот. Надежность выдаваемого прогноза развития эродированных почв на той или иной территории может быть повышена в случае привлечения к анализу других ведущих факторов эрозии (гидроклиматических, физико-химических свойств почв, ландшафтных условий и др.). Использование ГИС-технологий при ана¬ лизе рельефа по среднемасштабным картам удовлетворяет требованиям оценки роли этого фактора в ЭП, несмотря на искажения отдельных показателей рельефа по сравнению с картами крупных масштабов. Достигается это благодаря определению параметров рельефа по растровой сетке, каждый элемент которой представляет самостоятельную операционную единицу. При этом решаются проблемы, связанные с обоснованием репрезентативности выбора ключевых участков и на порядки сокра¬ щаются объемы традиционных картометрических работ. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Соболев С.С. Развитие эрозионных процессов на территории Европейской части СССР и борьба с ними. М.: Изд-во АН СССР, Т. 1. 1948. 307 с. 2. Литвин Л.Ф. Оценка рельефа при средне- и мелкомасштабном картографировании эрозионноопасных земель // Актуальные вопросы эрозиоведения. М.: Колос, 1984. С. 66-88. 3. Звонков В.В. Водная и ветровая эрозия Земли. М.: Изд-во АН СССР, 1963. 174 с. 4. Костяков А.Н. Основы мелиорации. М.: Сельхозгиз, 1960. 750 с. 5. Ларионов Г.А. Эрозия и дефляция почв: основные закономерности и количественные оценки. М.: Изд-во МГУ, 1993. 200 с. 6. Мирцхулава Ц.Е. Методы прогноза водной эрозии, твердого стока и пути их развития // Тр. IV Всес. Гидрол. Съезда. Русловые проц. Л.: 1976. Т. 10. С. 132-139. 7. Швебс Г.И. Теоретические основы эрозиоведения. Киев-Одесса: Вища школа, 1981.224 с. 8. Wishmeier W.H., Smith D.D. Predicting raifall erosion losses from cropland Rocky Mountains // Agric. Handbook, № 282, Washington, 1965. 48 p. 9. Ларионов Г Л. Методика средне- и мелкомасштабного картографирования эрозионноопасных земель // Актуальные вопросы эрозиоведения. М.: Колос, 1984. С. 41-66. 10. Kohonen Т. Self-Organizing Maps. Second Edition. Springer-Verlag, Heidelberg, 1997. 416 p. 11. Sammon J.WJr. "A nonlinear mapping for data structure analysis", in: IEEE Transactions on Computers, С-18(5), pp. 401-^4-09, May 1969. 12. Ball G.H., Hall D.J. "ISODATA, a novel method of data analysis and pattern classification", International Communications Conference, Philadelphia, June 1966. 13. Айвазян CA., Бежаева З.И., Староверов О.В. Классификация многомерных наблюдений. М.: Стати¬ стика, 1973. 238 с. Казанский государственный университет Поступила в редакцию Географический факультет 25.06.99 A NEW APPROACH ТО THE ANALYSIS OF SOIL EROSION FACTORS WITH THE USE OF GIS-TECHNOLOGY O.P. YERMOLAYEV, A.A. SAVEL’EV Summary In this paper we suggest a new approaches to the analysis of basin erosion, taking relief characteristics and soil erosion as an example. Method based on GIS-technology includes using of the altitude grid layer, data processing and relief classification by means of artificial centron networks. The results obtained show obvious advantages of the method in comparison with the traditional cartometric works and soil erosion analysis by elementary basins. Correlation between soil erosion and relief parameters grows significantly in comparison with the results of traditional statistic methods. The classes of erosion relief in Tatarstan were distinguished. By means of this method the prognostic model of soil erosion may be developed for the classification purposes and for the erosion hazard rating of lands. The rise of accuracy of prognosis in comparison with other statistic methods was calculated. 56
ГЕОМОРФОЛОГИЯ № 4 октябрь-декабрь 2000 НАУЧНЫЕ СООБЩЕНИЯ УДК 551.435.132(-924.85/86) © 2000 г. Ю.В. БАБАК, Л.А. ТУРЫКИН, Р.С. ЧАЛОВ СТОК НАНОСОВ, РУСЛОФОРМИРУЮЩИЕ РАСХОДЫ ВОДЫ И МОРФОДИНАМИЧЕСКИЕ ТИПЫ РУСЕЛ РЕК БАССЕЙНА ОКИ1 Бассейн Оки располагается в районе интенсивной хозяйственной деятельности, однако крупное гидротехническое строительство, за исключением р. Москвы, здесь не велось, а влияние ускоренной эрозии почв на пахотных землях сказалось только на реках первых порядков. Вследствие этого русла большинства рек находятся в состоянии, близком к естественному, что позволяет дать характеристику природных условий формирования и форм проявления русловых процессов. Бассейн Оки приурочен к южной части лесной и северной части лесостепной зон. По классификации Б.Д. Зайкова, реки здесь имеют восточно-европейский тип водного режима, характеризуясь высоким весенним половодьем, низкой зимней и летней меженью. Основное питание реки получают за счет талых вод (60%), формирующих высокое весеннее половодье, доля дождевого и грунтового питания составляет примерно по 20%. На весенний период приходится 78% стока в верхней части бассейна и 73% - в нижней; меженный сток составляет 7-8%, осенний - 8-10% от годового. Верхняя часть бассейна расположена на Среднерусской возвышенности, глубоко расчлененной долинно-балочной и овражной сетью; к северу от широтного участка долины Оки (между устьями Угры и Москвы) реки протекают в пределах моренного плато и склонов Смоленско-Московской возвышенности. Это обусловливает ограниченные условия развития русловых деформаций, главным образом, на малых реках (первых порядков). Относительно крупные (среди малых) реки, а также средние и, тем более, большие лишь на отдельных участках имеют врезанные русла; в основном их русла формируются в глубоких, но широких долинах, характеризуясь свободными или адаптированными (промежуточными между ними и ограниченными) условиями развития русловых деформаций. Наиболее протяженные участки врезанного русла находятся на верхней Оке между устьями Оптухи и Упы и от района Калуги до Тарусы. Остальная часть бассейна лежит в пределах Окско- Донской низменности, разделенной меридианально вытянутым Окско-Цнинским валом. Преобладание в строении Окско-Донской низменности флювиогляциальных и аллювиаль¬ ных песков и легких покровских суглинков обусловило здесь свободные условия развития русловых деформаций. Сток наносов По данным 22 гидрологических постов (30-80-е годы XX века) были составлены для бассейна Оки карты мутности рек (рис. 1). Выделено четыре типа районов с мутно- 1 Работа выполнена при финансовой поддержке ФЦП "Интеграция" (проект № 279) и Российского фонда фундаментальных исследований (проект № 97-05-64454). 57
Рис. 1. Районирование бассейна Оки по мутности рек Районы с мутностью, г/м3: / - < 50; 2 - 50-100; 3 - 101-250; 4 - 251-500; 5 - номера районов стью <50, 50—100, 101-250 и 251-500 г/м3. Границы районов, (общее их количество - 9) проведены с учетом почвенно-геологических особенностей территории. Районы группи¬ руются таким образом, что образуют две зоны: южную с повышенной и северную с пониженной мутностью. Район, охватывающий реки бассейна верхней Оки (2а) в северной части имеет в соответствующем ему интервале значений (50-100 г/м3) наименьшие значения (< 75), тогда как в южной - наибольшие (> 90). Граница зон проходит параллельно Жиздре, Оке от Калуги до устья Мокши (к югу от них) и вдоль нижнего течения Мокши. Районы с наименьшей мутностью охватывают бассейны Жиздры и Угры (1а), левобережья среднего течения Оки (Москвы, Пры, Гуся) и верхнего течения Клязьмы, включая Мещерскую низину (16). Три района с наибольшей мутностью приурочены к бассейнам Нугря (4а), Осетра и Прони (46), среднего и верхнего течения Мокши (4в). Характерно, что районы 46 и частично 4в сопрягаются с районами такой же мутности рек в бассейне Дона - соответственно, верхнего Дона, Воронежа и Вороны [1]. На остальном протяжении водораздела Дона и Оки мутность в западной части больше на реках бассейна Дона (Сосна, верхний Дон, Воронеж), в восточной части-на реках бассейна Оки. Таким образом, районы (и зона) с малой мутностью приурочены в основном к лесной северной части бассейна и песчаным низменностям с относительным ее повышением в областях распространения моренных и покровных суглинков. Южная лесостепная часть бассейна с повышенной мутностью рек приурочена к Среднерусской возвышенности и районам с повышенной эрозионной опасностью земель [2] и наибольшей их сельскохозяйственной освоенностью (бассейн Мокши). Сопоставление приведенной карты с картой К.Н. Лисицыной "Мутность рек СССР" [3] обнаруживает некоторые расхождения, обусловленные меньшим количеством использован¬ ных ею данных гидрологических постов: выделено всего 5 районов; преувеличены размеры района 16 (< 50 г/м3), который охватывает все нижнее течение Оки; выделен только один район с наибольшей мутностью (251-500 г/м3), в общем совпадающий с районом 46, но распространяющийся до верховьев Оки. Изменения мутности по длине рек неравномерны и зависят от почвенно-геологических условий и эрозионной ситуации в бассейне (табл. 1). Последнее проявляется в изменениях коэффициента А в уравнении для расчета стока взвешенных наносов R = AQm, который Н.И. Маккавеевым [4] был назван эрозионным коэффициентом: наиболее высокие его значения приурочены к районам с наибольшей мутностью (0,11- Мокша - Плесе; 0,06- 58
Таблица l Характеристики стока взвешенных наносов рек бассейна Оки Река - гидрол. пост F, км2 р, г/м3 «ф, кг/с W, тыс.т Ms, т/км2 • год Ока - Вендерево 513 97,4 0,229 7,2 14,11 Ока - Калуга 54900 69,7 20,299 640,2 11,66 Ока - Муром 188000 53,6 49,084 1547,9 8,23 Зуша - Мценск 6000 93,5 2,618 82,5 13,76 Нугрь - Волхов 1010 307,2 1,467 46,3 45,79 Оптуха - Платоново 620 153,6 0,424 13,4 21,56 Жиздра - Козельск 6940 39,2 1,386 43,7 6,30 Таруса - Похвиснево 872 99,3 0,452 14,3 16,36 Протва - Спас-Загорье 3640 74,3 1,448 45,7 12,54 Осетр - Маркино 3020 338,7 4,301 135,6 44,91 Москва - Барсуки 755 58,6 0,325 10,3 13,59 Москва - Звенигород 5000 37,6 1,148 36,2 7,24 Москва - Перервин. ГУ 8850 12,9 0,869 27,4 3,10 Пет - Потапьево 896 30,5 0,113 3,6 3,97 Мокша-Плесе 644 293,2 0,733 23,1 35,91 Мокша - Темников 15800 99,3 5,705 179,9 11,39 Мокша - Шев. Майдан 21000 226,1 24,247 764,7 36,41 Унжа - Верхоунжа 342 13,4 0,019 0,6 1,77 Клязьма - Павл. Посад 4550 34,5 1,124 35,4 7,79 Клязьма - Владимир 14300 58,4 4,692 148,0 10,35 Клязьма - Ковров 24900 51,5 7,058 222,6 8,94 Упа - Орлово 8210 91,6 3,700 116,7 14,21 Примечание: F - площадь бассейна, Rcp - среднегодовой расход взвешенных наносов, р - мутность, W - объем стока взвешенных наносов, Ms - модуль стока взвешенных наносов. Нугрь - Волхов), наименьшие значения - к районам с самой низкой мутностью (0,002 - Клязьма - Павловский Посад; 0,00004 - Москва - Звенигород и др.). Годовой сток взвешенных наносов (табл. 1) повышается с увеличением водоносности рек, однако показатель степени т изменяется в широких пределах - от 0,8 (Унжа- Верхоунжа) до 2,3 (Мокша - Плесе). Его колебания зависят не только от эрозионной ситуации в бассейне, но и от крупности руслообразующих наносов и геологического строения долины. На рис. 2 представлена схема районирования бассейна Оки по величине т. Выделяются четыре группы районов: 1 )т = 1,3-1,5, приуроченные к верхнему течению Москвы (1а) и нижнему течению Клязьмы (16); 2)т = 1,5-1,8: бассейны Жиздры (2а) и левобережья Оки, начиная от Нары, Ока в нижнем течении, среднее течение Клязьмы, нижнее течение Мокши, бассейны Цны и Теши; 3)ш = 1,8-2,4: Ока на остальном протяжении вплоть до верховьев, бассейны ее притоков - Протвы, Тарусы, Угры, Упы, Прони, Осетра (За), верхнее течение Клязьмы (36) и бассейн среднего и нижнего течения Мокши (Зв); 4) т > 2,4; бассейн Зуши (4). Характерно, что в смежных районах бассейна Дона величина т на одну градацию меньше: здесь была установлена большая его связь с геоморфологическим строением территории [1], тогда как в бассейне Оки наблюдается более отчетливая зависимость т от состава наносов (рис. 3), что в наибольшей мере отвечает представлениям Н.И. Маккавеева [4]. Отклонения некоторых точек на графике связаны с влиянием других факторов. На всех реках происходит продольное увеличение среднегодовых расходов взвешенных наносов. Только на р. Москве, сток воды которой зарегулирован и в нижнем течении увеличен переброской стока из Волги по каналу им. Москвы, объем стока наносов между постами выше и ниже канала уменьшается (рис. 4а). На Оке объем стока возрастает от 7,2 тыс. тонн в верховье (г/п Вендерево) до 1500 тыс. тонн в низовье (рис. 46). На остальных реках бассейна картина аналогичная, графики связи W =/(F) имеют выпуклую форму, хотя 59
Рис. 2. Районирование бассейна Оки по величине коэффициента т в формуле стока наносов Районы: 1 - т = 1,3-1,5; 2 - т = 1,5-1,8; 3 - т - 1,8-2,4; 4 - т > 2,4; 5 - номера районов увеличение объема стока с ростом площади бассейна не столь значительно (рис. 4в). Исключение представляет Мокша (рис. 4г), у которой график связи имеет вогнутую форму из-за резкого скачка в объеме стока наносов после слияния с Цной (г/п Шевелевский Майдан): река Цна, однопорядковый с главной рекой приток Мокши, протекает по территории, характеризующейся высокой эрозионной опасностью и большой величиной смыва почв [2]. На карте модуля стока наносов (рис. 5) выделяется шесть групп районов (общее их число - 8): <5 т/год • км2; 5-10; 11-20; 21-30; 31-40; > 40 т/год • км . Сопоставление с такой же картой для бассейна Дона [1] показало, что сопрягаются с такими же по значениям модуля стока наносов только район 3 (11-20 т/год • км2) - верховья Дона и бассейн Воронежа и район 4 (21-30 т/год • км2) - верховья Сосны. На остальной территории модуль стока наносов в бассейне Оки ниже, чем в бассейне Дона, кроме бассейна Мокши, где он, наоборот, выше, чем в смежных донских бассейнах Вороны и Хопра. Наименьшие значения модуля стока наносов приурочены к Мещерской низине (< 5 т/год • км2) и бассейнам Клязьмы, а также Угры и Жиздры (5-10 т/год • км2), наибольшие - к Среднерусской возвышенности и бассейну Мокши (районы 4; 6а, б; 5), где наиболее велика доля эрозионно-опасных земель - 65-80% [5]. Промежуточ¬ ное положение занимает Ока (нижнее течение Зуши, Протва, Нара, Таруса, Проня и Теша). Эта схема в основном с овпадает с картой модуля стока взвешенных наносов, Рис. 3. Зависимость коэффициента т от состава наносов Индексы типа наносов: 1 - ил; 2 - ил, песок; 3 - песок; 4 - гравий, песок; 5 - галька, песок; 6 - галька, гравий, песок; 7 - галька 60
Рис. 4. Изменения величины стока наносов с увеличением площади водосбора а — р. Москва; б-р. Ока; в - р. Клязьма; г - р. Мокша Рис. 5. Районирование бассейна Оки по модулю стока взвешенных наносов Районы с модулем стока, т/год • км2; 1 - < 5; 2 - 5-10; 3 - 11-20; 4 - 21-30; 5-31-40; 6 - > 40; 7 - номера районов составленной К.Н. Лисицыной [3]; расхождения имеются в выделении района Мещерской низины с модулем стока < 5 т/год • км2 и района с высоким модулем стока наносов на юго- востоке бассейна (бассейн Мокши). По-видимому, это связано с использованием новейших материалов, как сетевых, так и по эрозии почв в бассейне. Разнообразие условий формирования стока наносов и развития эрозионных процессов в бассейне Оки сказывается в продольном изменении модуля стока взвешенных наносов по длине крупных рек. На Оке они уменьшаются сначала благодаря слиянию с Жиздрой и Угрой, в бассейнах которых реки имеют невысокую мутность и характеризуются меньшим, 61
Таблица 2 Сток влекомых наносов WG на реках бассейна Оки (по данным Н.И. Алексеевского) и его соотношение с суммарным стоком наносов WK + Cl Река - гидрол. пост Порядок реки* 1 WR, тыс.т W, тыс.т WR+G, ТЫС.Т WalWR,% половодье межень год Ока - Вендерево 2 7,2 40,0 1,7 41,7 48,9 85,2 Ока - Калуга 8,5 640,2 89,0 39 128,0 763,2 16,7 Ока - Муром 11 1547,9 275,3 124,9 400,2 1896,9 21,1 Зуша - Мценск 5,6 82,5 31,0 8,9 39,9 122,4 32,6 Жиздра - Козельск 5,8 43,7 42,0 15,2 107,2 150,9 71,0 Протва - Спас-Загорье 5,1 45,7 30,0 8,6 38,6 84,3 45,8 Осетр - Маркино 4,8 135,6 18,7 7,2 25,9 161,5 16,1 Москва - Звенигород 5,8 36,2 23,9 19,5 43,4 79,6 54,5 Москва - Перервин. ГУ 6,2 27,4 25,9 19,8 45,3 72,7 62,3 Мокша - Темников 6 179,9 39,7 15,8 55,5 235,4 23,6 Мокша - Шев. Майдан 7,7 764,7 72,3 20,5 92,8 857,5 10,8 Клязьма - Павл. Посад 5,6 35,4 35,5 15,5 51,0 86,4 59,0 Клязьма - Владимир 6,8 148,0 30,3 17,6 47,9 195,9 24,5 Клязьма - Ковров 8 222,6 68,3 41,6 109,9 332,5 33,1 У па - Орлово 5,8 116,7 45,0 10,7 55,7 172,4 32,3 1 Порядок реки определен по условно-дихотомической схеме кодировки Е.А. Черных, модифицированной Н.И. Алексеевским [6], согласно которой изменение порядка происходит при впадении притоков меньших размеров. чем на Оке выше по течению, стоком наносов, а затем с мещерскими реками. На Мокше наблюдается снижение модуля стока наносов к центральной части Окско-Мокшинской низины, а затем такое же его увеличение ниже слияния с Цной. На Клязьме к среднему течению модуль стока наносов увеличивается (пересечение рекой эрозионно-опасных районов Владимирского ополья), но в нижнем снижается вследствие уменьшения смыва с поверхности бассейна. Сток влекомых наносов для рек бассейна Оки (табл. 2) определен расчетным путем, поскольку соответствующие натурные измерения здесь не производятся. Расчеты выпол¬ нены Н.И. Алексеевским по его методике [6], основанной на зависимости параметров и скоростей смещения гряд как формы транспорта наносов от порядка рек (Н.И. Алек- сеевский любезно предоставил эти данные, за что авторы статьи ему благодарны). Анализ полученных данных показывает, что изменения характеристик стока влекомых наносов по длине рек связаны с увеличением их размеров (порядка, водоносности), обнаруживая в то же время зависимость от конкретных условий его формирования. Последнее проявляется в повышенных его значениях на реках, протекающих по песчаным низменностям (Жиздра, Клязьма у Коврова), тогда как реки соседних районов, имеющие такой же порядок, но расчленяющие возвышенности, характеризуются стоком влекомых наносов в 2,5-4 раза меньшим (Упа, Зуша, верховья Оки). Ббльшая часть стока влекомых наносов проходит в период половодья (60-80%); его доля увеличивается к верховьям рек, стекающих с возвышенностей, или, наоборот, вниз по течению на реках песчаных низменностей. Еще более отчетлива связь с природными условиями соотношения стока влекомых наносов и суммарного стока наносов. По этому признаку выделяется пять районов (рис. 6): 1 - сток влекомых наносов от общего составляет более 70%; охватывает верховья Оки и ее левобережные притоки; приурочен к западной части Среднерусской возвышенности, преимущественно залесенной; соответствует (за исключением бассейна Нугря) районам наименьшей мутности речной воды; 2 - 40-70%: включает левобережные притоки Оки на ее широтном участке и верхнее течение Клязьмы, бассейны которых расположены в пределах Смоленско-Московской возвышенности; 3 и 4-20-40%: правые притоки верхней Оки (Упа, Зуша и др.), бассейны которых лежат в восточной части Среднерусской возвышенности, в наибольшей мере подверженной овражной эрозии (3), и нижнее течение Оки с ее притоками 62
Рис. 6. Районирование бассейна Оки по относительной доле стока влекомых наносов от общего стока наносов (в %) на реках I - <20; 2 - 20-40; 3 - 40-70; 4 - > 70; 5 - номера районов Рис. 7. Районирование бассейна Оки по условиям происхождения руслоформирующих расходов воды /-5-зоны (области, районы) и соответствующие им "эпюры" Q$; пунктир на "эпюре" отвечает выходу воды на пойму, отсутствует на реках с врезанным (беспойменным) руслом. Индексы: 6 - зон; 7 - областей (цифра) и районов (цифра - буква); #-гидрологические посты. Границы: 9 - зон; 10 -областей; 11- районов (4); 5 - менее 20%: среднее течение Оки с ее правобережными притоками, бассейны Цны и Мокши: это - территория, наиболее подверженная эрозии почв; реки здесь отличаются самой высокой в бассейне Оки мутностью: сюда же относится участок верхней Оки (ниже устья Жиздры), протекающий в глубокой залесенной долине, где в реку поступает мало крупного материала. Характерно, что реки с большей долей стока влекомых наносов имеют более крупный аллювий (песчано-галечный, крупнозернистые и гравелистые пески). 63
2 Таблица 3 Руслоформирующие расходы воды на реках бассейна Оки Зона Об¬ ласть Район Река - пост Руслоформирующие расходы воды верхний средний нижний Q, м3/с Р,% Q, м3/с Р, % Q, М3/с Р,% Б 1 1а Москва-Б арсу ки - - 168 0,10 76 1,2 Москва-Звенигород - - 554 0,30 28 1 Москва-Перервин. ГУ - - 750 0,20 72 3 16 Клязьма-Владимир - 625 1,7 75 75,1 Клязьма-Ковров - - 680 4,6 120 72,1 У шна-Новлянская - - 48 0,30 8 79,1 Сейма-Володарск - - 27 0,46 3 61,9 В 2 2а Ока-Белев 2600 0,04 1400 0,28 520 1,9 Жиздра-Дубровка 225 0,13 105 1,1 45 4,5 Жиздра-Козельск 375 0,51 195 2,6 45 36,2 26 Ока-Костомарово 940 0,08 420 0,42 180 2,1 Ока-Калуга 3300 0,57 2100 1,2 300 33,3 Крома-Черкасская 162 0,06 48 0,90 3 49,2 Цон-Новолуние 137 0,09 97 0,15 47 0,87 Опухта-Платоново 150 0,09 112 0,15 72 0,27 Нугрь-Болхов 170 0,03 15 U 2 18,7 Упа-Орлово 700 0,33 300 1,9 40 42,7 Угра-Всходы 135 0,54 95 1,4 15 25,9 У гра-Т оварково 775 1,3 380 4,2 75 72,8 Проня-Серебрянь 320 0,10 200 0,28 50 1,5 Таруса-Похвистнево 202 0,03 90 0,78 38 3,9
2в Ока-Вендерево 130 0,03 38 0,45 6 11,7 Рыбница-Любаково 102 0,13 72 0,28 37 0,85 2г Нара-Наро-Фоминск 46 0,43 19 4,5 4,5 39,3 2д Ока-Кашира 3500 0,47 2100 2,5 300 60,3 Ока-Половское 5200 0,33 2800 2,5 400 87,5 Ока-Касимов 5850 2,5 3150 5,2 650 73,8 Ока-Муром 7000 0,67 3800 4,5 600 87,6 Ока-Горбатов 10250 1,0 5750 5,1 750 92,6 Клязьма-Павл. Посад 290 0,09 130 2,7 30 95,7 Протва-Верея 120 0,08 77 0,44 37 3,2 Протва-Спас-Загорье 190 0,04 63 0,88 15 22,4 Нара-Папино 102 0,02 32 2,7 7,5 21,1 Осетр-Хрусповка 69 0,11 19 2,1 2 66,1 Осетр-Маркино 535 0,10 235 0,73 15 35,8 Пра-Борисово 220 0,52 100 5,4 20 53,2 Пра-Дедулино 270 0,55 190 1,7 90 7,9 Пет-Потапьево 122 0,08 87 0,47 2 48,4 У нжа-Верхоунжа 39 0,11 21 0,83 7 5,8 Илевка-Коржавино 41 0,04 27 0,24 15 1,1 Цна-Кузьмина гать 800 0,03 200 5,0 5 74,9 Цна-Княжево 1250 0,09 250 1,88 50 13,9 Мокша-Шев. Майдан 1850 0,7 1050 3,1 100 46,9 Теша-Настальино 450 0,19 230 4,2 20 64,8 2е Теша-Новоселки 225 0,03 125 0,39 25 3,5 3 3 Мокша-Кочелаево 540 0,91 - - 180 3,2 Мокша-Т емников 1150 0,57 - - 350 4,7
Исключение представляет лишь указанный выше участок песчано-галечного русла верхней Оки. Таким образом, на реках с большим стоком взвешенных наносов и относительно мень¬ шей крупностью руслового аллювия доля стока влекомых наносов заметно выше. Здесь же больше и относительная величина стока влекомых наносов в половодье; она снижается на реках с меньшей крупностью аллювия и большим стоком взвешенных наносов. Руслоформирующие расходы воды Руслоформирующие расходы воды ()ф для рек бассейна Дона рассчитаны по данным 52 гидрологических постов по методике Н.И. Маккавеева [4] с некоторой модификацией. Согласно ей руслоформирующие расходы определяются по формуле бф = = шах \f(oQmIP)], где Q - среднее значение расхода воды принятого интервала; / - уклон; о - коэффициент, учитывающий "кинематический эффект" потока при за-топлении поймы; Р - вероятность (повторяемость) расходов данного интервала; т - показатель степени, который, по [7], определяется в соответствии со схемой районирования по его значениям (рис. 2) как среднее для рек каждого района. Временной интервал (20-25 лет) уточнялся по разностным интегральным кривым, позволившим выбрать одинаковое число маловодных, многоводных и средних по водности лет. Уместно напомнить, что формула для определения <2ф содержит в себе выражение стока наносов R =f(QmI). Поэтому возможно использование для расчетов функций ()ф = шах [Д/?Р)]. Однако в бассейне Оки постов, на которых изме¬ ряются расходы взвешенных наносов, вдвое меньше, чем постов с измерениями расходов воды. Кроме того, исследования последних лет показали, что результаты расчетов по обеим формулам оказываются практически одинаковыми. Полученные данные обобщены в виде схемы районирования бассейна Оки по условиям прохождения руслоформирующих расходов воды (рис. 7). Конкретные значения ()ф представлены в таблице 3, в которой они сгруппированы в соответствии с выделенными на схеме районами. Проведенное районирование уточняет для бассейна Оки разработанную ранее схему районирования [8] как из-за большего количества использованных данных гидрологических постов, так и благодаря принятой модификации. Территория бассейна Оки входит в две зоны Б и В, выделенным по условиям прохождения (2ф в пределах Европейской территории России: в зоне Б ()ф наблюдаются только до выхода воды на пойму, в зоне В верхний (2ф проходит при затопленной пойме. Первая из них охватывает север рассматриваемой территории: большую часть бассейна Москвы и почти весь бассейн Клязьмы. Для нее характерно прохождение на реках 0,ф среднего и нижнего интервалов, причем только на Клязьме обеспеченность среднего имеет значимую величину - 1,7-4,6%, увеличиваясь вниз по течению; на остальных реках она составляет доли процента. Обеспеченность нижнего интервала ()ф на всех реках, кроме Москвы, находится в пределах 60-80%, определяя большую продолжительность и, соответственно, эффективность меженных переформи¬ рований русла (перекатов и других грядовых форм руслового рельефа). По этому признаку область 1, входящая в зону Б, может быть подразделена на два района: 1а-бассейн Москвы; 16-бассейны Клязьмы и других рек левобережья нижней Оки. В зоне В выделяется две области: реки 2-й, охватывающей большую часть бассейна (кроме части, входящей в зону Б, и рек бассейна Мокши выше слияния с Цной) харак¬ теризуются тремя интервалами 2ф: верхним при затопленной пойме на широкопойменных реках; средним, проходящим непосредственно перед выходом воды на пойму; нижним, соот¬ ветствующими уровню обсыхающих в межень прирусловых отмелей. В 3-й области (Мокша выше устья Цны) кроме верхнего (2ф наблюдается только один нижний, причем оба (?ф имеют достаточно малую обеспеченность (верхний - менее 1%, нижний - в пределах 3-5%). Вторая область разделяется на ряд районов, в которых условия прохождения верхнего i2ф определяются свободными или ограниченными условиями развития русловых дефор¬ маций, т.е. геолого-геоморфологическими условиями формирования русел. На Жиздре и Оке в районе Белева (район 2а), верховьях Оки и на Рыбнице (2в), Протве, нижнем течении Нары, Осетре, низовьях Мокши и Теши, среднем и нижнем течении Оки и ее левобережных притоках (2д) верхний £2ф наблюдается при затопленной пойме (все реки здесь широко¬ пойменные). Остальные отрезки верхнего течения Оки и ее притоки, включая Проню, входят в район 26, верхнее течение Нары - в район 2г и среднее и верхнее течение Теши - в 66
район 2е. Эти реки и их притоки в створах гидрологических постов имеют врезанные русла, вследствие чего все <2ф сосредоточены в последних и при верхнем их интервале обеспечивается максимальная эрозионно-транспортирующая способность потока (благода¬ ря наибольшей величине £?ф). Морфодинамические типы русел и их распространение Геолого-геоморфологическое строение бассейна Оки обусловливает распространение врезанных, адаптированных и широкопойменных типов русел (табл. 4, 5) с абсолютным преобладанием последних на больших реках (78%) и адаптированных на малых (48%). Вре¬ занные русла (условия ограниченного развития русловых деформаций) характерны в ос¬ новном для рек западной части бассейна, приуроченной к Среднерусской и Смоленско-Мос¬ ковской возвышенностям. Их доля на малых реках (длиной менее 200 км) колеблется от 30 (р. Рыбница) до 57% (р. Нара). На больших реках (длиной более 200 км) она несколько меньше (Москва - 24%, Ока - 20%, Зуша - 23%, У па - 30%), так как они благодаря своей протяженности пересекают различные геоморфологические районы и отличаются большим разнообразием условий формирования русел. Со сложностью и разнообразием рельефа западной части бассейна связано то, что некоторые реки здесь имеют только (Жиздра, Нугрь) или в основном широкопойменные русла: на Угре, например, врезанное русло зани¬ мает всего 13% от длины реки. В центральной части бассейна доля врезанных русел в целом значительно меньше (5-15%), и лишь в районе Окско-Цнинского вала она возрастает (на Илевне - 34%, на Унже - 18%); врезанное русло есть здесь даже на Оке. Оно же наблю¬ дается и у правых притоков Оки, стекающих с повышенного Окско-Донского водораздела. В восточной части бассейна на реках абсолютно преобладают широкопойменные русла, причем именно на нее приходится развитие этого типа русла на р. Оке (67% ее общей длины) и на р. Клязьме (6%). Таким образом, преобладание в бассейне песчаных низ¬ менностей со свободными условиями развития русловых деформаций предопределяет преи¬ мущественное распространение на реках широкопойменных типов русла. Действительно, их общая доля на малых реках составляет 78% (соответственно, на врезанные приходится 22%), на больших - 87% (врезанные русла - всего 13%). Среди врезанных русел на малых реках, как правило, преобладают врезанные излучины, на больших реках - за отдельными исключениями, врезанные относительно прямолинейные. Адаптированные русла, формирующиеся в относительно суженных, но пойменных до¬ линах (соотношение ширины русла Ьр и поймы Вп, по [9], Ьр < Вп < 3-4/?р), как самостоя¬ тельный геоморфологический тип встречаются чаще всего на реках западной части бассей¬ на: здесь их доля колеблется от 35 до 70%, на малых реках (Таруса, Нара, Лопасня, Осетр, Нугрь, Оптуха, Рыбница и др.) и составляет 20-23% на больших (Упа, Угра). Кроме того, они характерны для некоторых малых рек района Окско-Цнинского вала (Унжа, Илевна, Таблица 4 Распространение (в % от общей длины рек) в бассейне Оки морфодинамических типов русел (по классификации [10]) Типы русел Малые реки (L = 50-200 км) Большие реки (L > 200 км) Широкопойменные 30 79 Относительно прямолинейные, неразветвленные 10 36 Крутые сегментные и петлеобразные излучины 14 28 Пологие сегментные излучины 6 14 Синусоидальные излучины - 0,7 Разветвленные (одиночные разветвления) - 0,3 Водохранилища - 2 Адаптированные 48 6 Вынужденные и адаптированные излучины 48 6 Врезанные 22 13 Врезанные излучины 20 4 , Относительно прямолинейные 2 9 3* 67
Таблица 5 Распространение на реках бассейна Оки морфодинамических типов русла (числитель - км, знаменатель - % от их длины реки) Река Типы русла 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Большие реки Москва 78/15 43/9 15/3 214/43 72/14 - 37/7 - 43/9 Проня 74/24 9/3 - 96/31 81/26 - 51/16 - - Мокша - - 14/2 247/35 348/50 26/4 63/9 - - Вад - - - 31/16 86/45 - 74/39 - - Цна 18/4 29/7 - 108/27 146/35 12/3 99/24 - - Клязьма 42/6 - 1012 245/34 255/35 - 169/23 - - Нерль - - 28/9 170/53 104/32 - 20/6 - - Ока 162/11 133/9 145/10 519/35 250/17 - 245/17 24/1 - Зуша 51/23 - 7/3 143/66 - - 17/8 - - У па 103/30 - 66/20 143/42 - - 26/8 - - Жиздра - - - 11/5 140/56 - 97/39 - - Угра 24/5 33/8 102/23 212/47 48/11 - 28/6 - - Протва 13/5 - 34/12 161/56 78/27 - - - - Дух - - - 50/24 90/43 53/26 14/7 - - Теша 6/3 - 21/12 25/14 128/71 - - - -
Малые реки Таруса 3,5/5 34.5/48 25/35 - - - 85/12 - Нара 16/14 50,5/43 41,5/35 6,5/6 2,5/2 - - Лопасня - 40/45 43/49 - 5/6 - - Бол. Смерово - 10/19 38/70 6/11 - - Осетр - 62/32 116/60 3/2 11/6 - - - Истья 4/5 13/17 35,5/46 8/10 4/5 13,5/17 Пра - - 11/10 - 99,5/90 - - Гусь - 5/5 36,5/36 23/23 29/29 - 7/7 - Пет 5/6 - 38,5/43 27/30 11,5/13 - 7/8 Унжа - 17/18 59,5/61 - 6/6 - 14,5/15 Илевна - 15,5/34 7/16 22/48 1/2 - - Унша - - 85/66 - 35,5/27 - 9/7 Сейма - - 13,5/33 - - - 27/67 Нугрь - - 66/76 21/24 - - - Оптуха - 20/36 265/48 9/16 - - - Рыбница - 15/30 34,5/70 - - - - Цон - 10/15 23,5/35 30,5/45 3,5/5 - - Примечания: 1 - врезанное относительно прямолинейное русло; 2 - врезанные излучины; 3 - вынужденные и адаптированные излучины; 4-8 - широкопойменное русло, в т.ч. 4 - относительно прямолинейное, неразветвленное, 5 - крутые сегментные и петлеобразные излучины, 6 - синусоидальные излучины, 7 - пологие сег¬ ментные излучины, 8 - одиночные разветвления; 9 - водохранилища.
Ушна). На остальных реках адаптированные русла образуют отдельные формы (вынуж¬ денные и адаптированные излучины), возникающие в широкопойменной долине там, где река подходит к коренным бортам долины. Такие разновидности адаптированных русел уч¬ тены морфодинамической классификацией русел, разработанной в МГУ [10]. В среднем у малых рек бассейна доля вынужденных и адаптированных излучин составляет 48%, на боль¬ ших реках - всего 6%. Среди широкопойменных рек преобладают меандрирующие, причем на малых реках они составляют 2/3 от общей длины рек с этим геоморфологическим типом, тогда как на больших реках - лишь немногим более половины (54%). Второе место по распростра¬ ненности занимают относительно прямолинейные, неразветвленные русла (1/3 на малых реках, 45% - на больших). Однако связь распространенности того или другого с размером реки (ее длиной) отсутствует, хотя по категориям рек (малые и большие) она достаточно отчетливо дифференцирована. На всех больших меандрирующих реках доминируют крутые сегментные и петлеобразные излучины (исключение составляют Зуша и У па, на которых развиты только пологие излучины с отношением стрелы прогиба к радиусу кривизны мень¬ ше 1). Малые реки в этом отношении очень разнообразны, хотя в целом по бассейну на них также преобладают крутые излучины. Преимущественное распространение крутых излучин объясняется малой обеспечен¬ ностью руслоформирующих расходов верхнего интервала. Кратковременность и неежегод- ность затопления поймы (малая обеспеченность препятствует спрямлению сегментных излучин, и они приобретают петлеобразную, а на Мокше, Цне и Духе - иногда синусоидальную форму). Их развитию способствуют руслоформирующие расходы воды нижнего интервала, отличающиеся очень высокой обеспеченностью. С этим же связано отсутствие прорванных излучин, разветвлений и пойменной многорукавности. Только на нижней Оке, где руслоформирующие расходы среднего интервала имеют обеспеченность 4- 5% (большую, чем на других реках) встречаются одиночные разветвления, но от всей длины реки они занимают лишь 1%. Пойменная многорукавность также встречается только на нижней Оке, где обеспеченность верхнего интервала Qф наибольшая в бассейне (1-2,5%). Таким образом, распространение русел рек разных морфодинамических типов в бас¬ сейне Оки увязывается, с одной стороны, с его геолого-геоморфологическим строением, а, с другой, с особенностями прохождения руслоформирующих расходов воды. Что касается стока взвешенных наносов, то его влияние в формировании русел в явном виде не про¬ является, сказываясь лишь на состоянии самых малых рек [11] (длиной менее 50 км). Однако его высокая доля в общем стоке наносов в условиях глубокого затопления пойм в половодье обусловливает формирование мощного суглинистого наилка, препятствующего спрямлению крутых излучин, образованию их прорванных разновидностей и пойменной многорукавности. Большая величина стока влекомых наносов определяет меандрирование рек с широкопойменным руслом. Лишь в их верховьях, где он еще не велик и грядовый рельеф дна русел развит слабо, преобладают прямолинейные и адаптированные русла. На остальных участках рек прямолинейные русла развиты там, где реки проходят вдоль коренных берегов, имея одностороннюю пойму. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Некое С.В., Чалов Р.С. Сток наносов и русловые процессы на реках бассейна Дона // Геоморфология. 1997. № 2. С. 60-71. 2. Карта эрозионноопасных земель Нечерноземной зоны РСФСР. М-б 1 : 1500000. Гл. редактор Н.И. Мак¬ кавеев. ГУГК. 1984. 4 л. 3. Сток наносов, его излучение и географическое распределение. Л.: Гидрометеоиздат, 1997. 240 с. 4. Маккавеев Н.И. Русло реки и эрозия в ее бассейне. М.: Изд-во АН СССР. 1955. 348 с. 5. Пацукевич З.В. Эрозионное районирование территории Нечерноземной зоны Европейской части РСФСР по величине модуля смыва // Эрозия почв и русловые процессы. Вып. 9. М.: Изд-во МГУ. 1983. С. 15-22, 6. Алексеевский Н.И. Формирование и движение речных наносов. М.: Изд-во МГУ, 1998. 202 с. 7. Ободовский А.Г., Цайтц Ё.С., Чалов Р.С. Географическое обоснование методики определения русло¬ формирующего расхода воды (на примере рек Украины) // Вестник МГУ. Сер. 5. География. 1987. № 5, С. 67-71. 8. Власов Б.Н., Чалов Р.С. Районирование Европейской территории СССР по условиям прохождения руслоформирующих расходов на реках // Вестник МГУ. Сер. 5. География. 1991. № 6. С. 32-М. 70
9. Чалов Р.С. Зональные особенности и региональная специфика русловых процессов и их факторы // Гидрофизические процессы в реках, водохранилищах и окраинных морях. М.: Наука, 1989. С. 5-18. 10. Чалов Р.С. Типы русловых процессов и принципы морфодинамической классификации речных русел // Геоморфология. 1996. № 1. С. 25-36. 11. Голосов В.Н., Добровольская Н.Г., Иванова Н.Н. Антропогенное влияние на верхние звенья гидросети в земледельческом центре России // Эрозия почв и русловые процессы. Вып. 10. М.: Изд-во МГУ, 1995. С. 16-29. Московский государственный университет Поступила в редакцию Географический факультет 16.02.99 SEDIMENT RUN-OFF, CHANNEL-FORMING DISCHARGES AND MORPHODYNAMIC TYPES OF RIVER CHANNELS IN THE CATCHMENT AREA OF THE OKA RIVER J.V. BABAK, L.A. TURYKIN, R.S. CHALOV Sum шагу Data of silt load and unit sediment discharge within the Oka basin are represented here. The scheme of regionalization based on this data is given. It is interlinked with the soil-erosion hazard distribution. From data of sediment discharge the power ”m" in the equation for channel-forming discharge has been calculated. By the condition of their passage the scheme of zonation of the basin was compiled. All schemes were juxtaposed with analogous schemes for the basin of the Don. The distribution of different morphodynamic channel types and their correlation with geological-geomorphologic pattern of basin are under consideration. УДК 551.435.11(282^51) © 2000 г. O.B. ВИНОГРАДОВА О МЕХАНИЗМЕ ФОРМИРОВАНИЯ РАСШИРЕНИЙ В ДОЛИНАХ ПОЛУГОРНЫХ РЕК ПАТОМСКОГО НАГОРЬЯ Четковидность речных долин - одна из типичных черт их морфологического строения. Она свойственна практически всем типам рек и проявляется во всех физико-геогра¬ фических условиях. Причины, обусловливающие чередование расширений и сужений по длине долин, могут быть самыми разнообразными. По этому поводу в свое время было выдвинуто несколько гипотез. Так, В.В. Докучаев [1] считал, что на месте расширений существовали когда-то озера, происхождение которых связано с деятельностью ледника. Многие исследователи объясняли четковидность долин тектонической обстановкой, изменением литологии пород [2, 3]. Критический анализ предложенных гипотез был сделан Н.И. Маккавеевым [4], который писал, что многие особенности эрозионного рельефа прежде всего необходимо связывать с закономерностями проявления русловых процессов. Главную причину возникновения сужений и расширений долин Н.И. Маккавеев видел в различной степени устойчивости русла, которая зависит от геолого-геоморфологических условий (литологии коренных пород ложа долины, их устойчивости к размыву, степени трещиноватости и др.). Вместе с тем, по мнению Н.И. Маккавеева и Р.С. Чалова [5], морфология долины представляет собой функцию не только взаимодействия различных факторов географической среды, но и ее исторического развития и является результатом изменений, которые испытала в различные этапы эволюции данная река. Такой подход к изучению закономерностей проявления русловых процессов и их отражению в морфологии долин в последнее время вызывает широкий интерес, и Р.С. Чаловым [6] предложено выделить специальный раздел в науке о русловых процессах - палеорусловедение. Про¬ веденные в рамках этого направления исследования морфологии долин полугорных рек Патомского нагорья позволили выявить исторически-эволюционный аспект проблемы 71
Формирование расширения долины в результате горизонтальных деформаций палеорусел на участках: Л - впадения притока, Б - пересечения древней долины 1 - границы коренного днища долины, 2 - эрозионый погребенный уровень, 3 - границы древней долины, 4 - эрозионные ложбины - "палеорусла", 5 - притоки формирования расширений долин. История формирования долин охватывает длительные геологические периоды, в течение которых проявлялась деятельность русловых процессов, происходили горизонтальные и вертикальные деформации русел, однако проследить их эволюцию крайне сложно, так как аллювиальные отложения и палеорусловые формы не¬ редко бывают погребены под толщей рыхлых отложений. Проведение таких исследований возможно в россыпных районах с длительной историей освоения, в которых россыпе¬ содержащие долины разбурены с большой степенью детальности. В недавно опубликованной в журнале "Геоморфология" статье [7] мы подробно оста¬ навливались на изложении методики реконструкции палеорусел, которая основывается на анализе рельефа коренного ложа долин и характере распределения металла. Наличие данных о гипосеметрических отметках поверхности коренного ложа долин дает воз¬ можность реконструировать положение древних палеорусел как на террасовых уровнях, так и в погребенных днищах. Положение врезавшегося палеорусла фиксируется в скальном ложе долины эрозионной бороздой той или иной конфигурации, которая в практике геолого-разведочных работ называется "глубоким тальвегом". Такие реконструкции, про¬ веденные нами в нескольких россыпесодержащих долинах полугорного типа Патомского нагорья, дали возможность проследить механизм формирования расширений долин в те¬ чение всей истории их развития. Исследованные долины сформированы небольшими полугорными реками III-V порядков протяженностью от первых десятков километров до 100-120 км и уклонами от 0,05 до 0,03. Долины глубоко врезаны, их русла с валунно-галечным аллювием имеют горный и полу¬ торный облик, протекая на большем протяжении в узкопойменном днище. Средняя ширина долин составляет первые сотни метров. Характерная черта долин - четковидное строение, начиная с небольших раздувов до аномальных расширений днищ, достигающих иногда нескольких километров. В Сибири такие своеобразные аллювиальные микроравнины на¬ зывают "полянами". Они представляют собой плоские, выровненные, нередко сильно заболоченные поверхности. Долины рек были заложены в раннем плейстоцене и испы¬ тывали направленное врезание, обусловленное общим поднятием Патомского нагорья. Эрозионная деятельность рек прерывалась ледниковыми эпохами, во время которых до¬ лины заполнялись гляциальными и флювиогляциальными отложениями большой мощности. В межледниковые периоды реки прорезали толщу рыхлых отложений и вновь врезались в 72
коренные породы. В современном рельефе долин четковидность проявляется уже на горных участках с относительно прямолинейным неразветвленным руслом в виде небольших раз¬ дувов, образующихся перед впадением и на участках впадения притоков (рис, А). На таких участках расширение долин обусловлено увеличением ширины днища и нередко наличием узких фрагментов низких террас, которые прослеживаются на стрелках сливающихся потоков. Фрагменты террас обычно связываются с аккумуляцией наносов, вынесенных при¬ токами. Однако анализ рельефа коренного ложа долин показал, что террасовые площадки имеют эрозионный генезис - под рыхлыми отложениями вскрыты цоколи узких эрозионных уровней, гипсометрические отметки которых обнаруживают корреляцию с высотами эрозионных террас на бесприточных участках. Рельеф скального ложа долин на участках, расположенных перед впадением притоков даже небольших порядков, характеризуется наличием нескольких эрозионных ложбин веерообразно расходящихся перед впадением притока. Амплитуда таких веерообразных расширений зависит от литологии коренных пород и размера притока. В твердых трудноразмываемых песчаниках ширина днища увеличивается на несколько десятков метров, тогда как в менее устойчивых к размыву сланцах и известняках ее величина достигает первых километров. Наличие эрозионных борозд на участках, расположенных перед впадением притоков низких порядков в коренном ложе основной долины, связано с неустойчивым положением ее русла, вызванным динамическим подпором притока. Об этом свидетельствует и характер распределения частиц тяжелой фракции. На участках, расположенных перед впадением притоков, в основной долине формируется концентрация внутренней дельты, характе¬ ризующаяся несколькими веерообразно расходящимися в сторону впадения притока струями аллювия с повышенными содержаниями тяжелых частиц, приуроченных к эро¬ зионным бороздам. Особенности рельефа коренного ложа и характер распределения ме¬ талла показывают, что в период формирования днища основной долины на участке перед впадением притока происходили горизонтальные деформации относительно прямоли¬ нейного неразветвленного русла. За счет его смещения то к одному то к другому борту долины формировалось расширение днища, которое при врезании притока в последующий эрозионный цикл трансформировалось в террасу. Неоднократное повторение этого про¬ цесса в течение нескольких эрозионных циклов приводит к образованию общего рас¬ ширения долины. Непосредственно на участке впадения притока под его отклоняющим воздействием относительно прямолинейное русло основной реки образует, как правило, одиночную излучину, обращенную вершиной либо к противоположному от впадения притока борту, либо к самому притоку. Даже в течение одного эрозионного цикла положение излучины на участках впадения притоков значительно меняется - здесь в рельефе коренного ложа выделяется несколько эрозионных борозд дугообразной формы, вершины которых из¬ меняли свое положение, отклоняясь то к одному, то к другому берегу (рис, А). В результате таких горизонтальных деформаций непосредственно на участках слияния также форми¬ руются расширения днища долины. При врезании долины в последующие эрозионные циклы эти расширения также как и на участках, расположенных перед впадением притоков трансформируются в террасовые уровни и на участках впадения притоков сохраняются в виде узких небольших по протяженности фрагментов. Неустойчивое положение русла в последующий эрозионный цикл вновь обусловливает расширение днища долины. Таким образом, за счет неоднократно повторяющихся горизонтальных деформаций русла в течение нескольких эрозионных циклов перед впадением притока и на участке его впадения образуется расширение долины, которое связано как с расширением самого днища, так и с наличием террасовых уровней. Таким образом, можно считать, что формирование и сохранность террас на участках впадения притоков связаны не только с аккумуляцией наносов, но и с эрозионной деятельностью реки в период формирования того или иного эрозионного уровня. Образование расширений долины в некоторых случаях может быть связано со сме¬ щением относительно прямолинейного неразветвленного русла, прорезающего крыло под¬ нимающейся структуры в течение нескольких эрозионных циклов. Примером такого механизма формирования расширения долины служит участок реки Бодайбо, где долина пересекает актиклиналь, сложенную твердыми трудноразмываемыми песчаниками. Совре¬ менное днище долины узкое, глубоковрезанное, однако левый борт долины представлен пологим террасоувалом, под отложениями которого бурением вскрыт сложный погре¬ бенный рельеф, представленный несколькими террасовыми уровнями. Наиболее детально бурением вскрыта слабонаклонная к современному руслу терраса Октябрьская, дости¬ 73
гающая ширины около 300 метров. На поверхности коренных пород этой террасы по данным бурения выделяется несколько узких прямолинейных глубоко врезанных эро¬ зионных борозд, к которым приурочены струи аллювия с максимальными содержаниями россыпного металла. Характер распределения металла и конфигурация эрозионных борозд свидетельствуют, что, также как и на современном этапе, здесь функционировало узкое врезающееся прямолинейное русло, но за счет поднятия левого борта долины в течение длительного этапа формирования этой террасы происходило смещение русла к правому борту. В результате была сформирована широкая площадка террасы. По-видимому, этот механизм действовал и в более ранние этапы, что обусловило расширение долины. Более значительные расширения долин связаны с особенностями горизонтальных де¬ формаций в меандрирующих и разветвленных типах русел. Они формировались в опре¬ деленных геолого-геоморфологических условиях, которые оставались стабильными в тече¬ ние всех эрозионных циклов формирования долин. Расширение долин здесь обусловлено суммарными горизонтальными деформациями их русел в течение нескольких эрозионных циклов. Пример такого развития - участок значительного расширения долины р. Вача, названный Золотым руслом. Здесь отмечается расширение днища современной долины и наличие пологих террасоувалов, рыхлые отложения которых перекрывают сложный погре¬ бенный рельеф долины более ранних циклов формирования. Реконструкция палеорусел, функционирующих на этом участке, показала, что в каждый эрозионный цикл река образовывала здесь крупную меандру. Излучины разных эрозионных циклов расположены на одном и том же гипсометрическом уровне, что объясняется стабильным положением базиса эрозии в течение длительного промежутка времени. Положение этих меандр зна¬ чительно менялось и амплитуда их смещения относительно друг друга составляет десятки метров. Суммарная же амплитуда горизонтальных деформаций составила около 1,5 км. Таким образом, в течение нескольких эрозионных циклов было сформировано широкое погребенное днище долины, которое впоследствии заполнялось аллювиальными и флювиогляциальными отложениями. Современная долина на этом участке, наследуя по¬ ложение широкого погребенного днища, также образует значительное расширение. Другой интересный пример формирования расширения долины в процессе эволюции русла - участок реки Бодайбо, на котором долина пересекает поднимающуюся ан¬ тиклинальную структуру, сложенную мягкими легкоразмываемыми сланцами. За счет последовательного и направленного врезания в погребенном рельефе выделяются останцы террас, сформированных в разные эрозионные циклы и расположенных на разных гип¬ сометрических уровнях. Реконструированные на поверхности этих террас палеорусла представлены излучинами со значительными радиусами кривизны и небольшим шагом. В результате деформации таких крутых излучин в течение каждого эрозионного цикла формировалось широкое днище, которое при дальнейшем врезании русла превращалось в террасу. В настоящее время днище и сформированные террасы погребены, но ширина современного днища обусловлена суммарными горизонтальными деформациями излучин палеорусла, функционировавшего в течение нескольких эрозионных циклов. Наибольшей ширины в исследованных долинах достигают участки, формирование которых проходило при сочетании определенных условий, каждое из которых спо¬ собствовало неустойчивому положению русла реки - пересечение долиной синклинальной опускающейся структуры, сложенной крайне неустойчивыми к размыву известняками, отклоняющим действие одного или нескольких крупных притоков. В таких условиях формируются упомянутые выше аллювиальные микроравнины - "поляны" - широкие труднопроходимые заболоченные поверхности, по которым протекает небольшая река с незначительными расходами воды. Рыхлые отложения, слагающие такие участки, пред¬ ставлены аллювиальными и флювиогляциальными наносами. Восстановленный по данным бурения погребенный рельеф поверхности коренных пород имеет сложное строение и представлен многочисленными эрозионными бороздами разного направления и небольшой протяженности, разделенными повышениями - цоколями островов. Погребенный рельеф коренного ложа является результатом деятельности разветвленного на рукава вре¬ зающегося русла, которое испытывало интенсивные горизонтальные деформации в течение нескольких эрозионных циклов. Об этом свидетельствует и характер распределения ме¬ талла, которому свойственна хаотичность. Обрывки металлоносных струй, отдельные обо¬ гащенные металлом гнезда, положение которых не связано с русловыми формами, вы¬ работанными в коренных породах, говорят о перстративном механизме сформированных здесь концентраций. Пример такого механизма формирования аномальных расширений - участок р. М. Патом в ее среднем течении. Четковидное строение долины, выраженное 74
Соотношение ширины современного пойменно-руслового днища с амплитудой горизонтальных деформаций русла в погребенном днище долины р. М. Патом Название участка Ширина современного поймен¬ но-руслового днища, км Амплитуда горизонтальных де¬ формаций русла в погребенном днище, км Соловьиная поляна 1,0 1,0 Центральная поляна 1,2 1,3 Мариинская поляна 3,2 3,0 чередованием расширений и сужений, связано с литолого-структурными особенностями прорезаемых пород. В расширениях они представлены относительно податливыми к раз¬ мыву известняками, на участках сужения - более устойчивые к размыву - кварцевые песчаники. В условиях мягких пород долина достигает ширины в несколько километров, пойменно-русловое днище представлено широкими выровненными заболоченными площад¬ ками: Соловьиная, Центральная и Мариинская поляны. Помимо литологии коренных пород на морфологию долины оказало влияние также впадение притоков - р. Гуиндры и р. Нирунды - самых крупных притоков р. М. Патом. Относительно податливые к размыву породы и воздействие крупных притоков способствовало интенсивной миграции раз¬ ветвленного русла в разные эрозионные циклы и развитию широких эрозионных уровней, погребенных ныне под рыхлыми отложениями. В самом погребенном днище значительной ширины также функционировало русло, разветвленное на рукава. Низкие террасы и погре¬ бенное днище впоследствии покрывались отложениями ледникового генезиса. Современная долина на таком участке наследует расширение, сформированное за счет интенсивных горизонтальных деформаций палеорусел, функционировавших в течение более ранних эрозионных циклов (табл.). Таким образом, формирование аллювиальных микроравнин обусловлено суммарной амплитудой интенсивных горизонтальных деформаций разветвленного или свободно- меандрирующего русла в течение нескольких эрозионных циклов. В некоторых случаях формирование крупных расширений современных долин связано уже не только с горизонтальными деформациями русла на протяжении всей истории фор¬ мирования долин, но и с эволюцией самой гидросети - изменением ее рисунка в плане. Это происходит при определенной ситуации, когда современные долины пересекают участки древних долин иной ориентировки. На участках пересечения русло попадает в область распространения древних аллювиальных отложений и, за счет их значительно меньшей устойчивости к размыву по сравнению с коренными породами, испытывает интенсивные горизонтальные деформации, образуя расширения днища. Интересно, что нередко на участках пересечения в долину впадают практически визави по отношению друг к другу притоки, заложенные по оси древней долины. Впадение притоков, как отмечалось выше, также способствует горизонтальным деформациям русла. Такой механизм формирования расширений долин в общем близок по своей сути к формированию четковидности озерного генезиса. Пример такого механизма формирования расширения долины представляет собой р. Бодайбо в нижнем ее течении. Долина реки Бодайбо пересекает на этом участке древ¬ нюю излучину р. Витим, Русло р. Бодайбо, пересекая широкое разработанное днище древней долины р. Витим, образовывало в течение нескольких эрозионных этапов аномально крупные для этой реки крутые излучины, которые активно смещались в течение каждого эрозионного цикла, формируя широкие поверхности эрозионных уровней. В результате на участке пересечения древней излучины р. Витима долина р. Бодайбо образовала своеобразное по форме значительное (до 6 км) расширение, как бы "рас¬ пластавшись" по древней излучине р. Витим (рис, Б). Таким образом, расширение днища современной долины и его величина не только обусловлены эрозионной деятельностью современного русла, но и представляют собой ре¬ зультат эволюции реки и деятельности русла за весь исторический период ее развития. Формирование четковидного облика долин происходит в течение нескольких эрозионных циклов и связано с различными причинами, однако, в конечном счете, все эти причины действуют через механизм проявления русловых процессов и связаны с устойчивостью русла и его эволюцией на протяжении истории формирования долин. 75
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Докучаев В.В. Способы образования речных долин Европейской России. СПб, 1878. 223 с. 2. Ламакин В.В. Динамические фазы речных долин и аллювиальных отложений // Землеведение. Т. 2. М, 1948. С. 154-187. 3. Воскресенский С.С. Геоморфология россыпей. М.: Изд-во МГУ, 1985. 203 с. 4. Маккавеев Н.И. Русло реки и эрозия в ее бассейне. М.: Изд-во АН СССР, 1955. 348 с. 5. Маккавеев Н.И., Чалов Р.С. Русловые процессы. М.: Изд-во МГУ, 1986. 263 с. 6. Чалов Р.С. Историческое палеорусловедение: предмет, методы исследований и роль в изучении рельефа // Геоморфология. 1996. № 4. С. 13-18. 7. Виноградова О.В., Маорс Л.В. Морфодинамические типы и эволюция русел горных и полугорных рек Патомского нагорья в плейстоцене и их отражение в морфологии долин // Геоморфология. 1998. № 4. С. 48-55. Московский государственный университет Поступила в редакцию Географический факультет 14.10.98 ON THE ORIGIN OF THE VALLEY’S DILATATIONS IN THE SEMI-MOUNTAINS RIVERS OF THE PATOMSKOYE HIGHLAND O.V. VINOGRADOVA Sum шагу Data of exploratory drilling were used to reconstruct paleo-channels of the rivers at Patomskoye highland. The dilatations of valleys appear to be the result of river evolution and channel activity during several erosion cycles. Their genesis is passing due to several causes and is connected with channel stability, its lateral deformations, and evolution during the whole history of the valley. УДК 551.435.125 © 2000 г. Е.Ф. ЗОРИНА, С.Д. ПРОХОРОВА, Р.С. ЧАЛОВ РОЛЬ ОВРАЖНОЙ ЭРОЗИИ В ФОРМИРОВАНИИ РЕЧНЫХ ПЕРЕКАТОВ1 Известно, что формирование стока наносов рек начинается на приводораздельных участках склонов. Часть смытого материала откладывается на пологих нижних частях скло¬ на, часть - транспортируется потоком дальше в овражную, балочную и речную сеть [1]. При этом в крупные реки с площади водосбора поступает сравнительно небольшая доля продуктов эрозионной деятельности, производимой потоком. Ложбинно-балочные системы и малые реки в известной мере являются звеном, аккумулирующим продукты смыва с полевых угодий, своеобразным буфером, сдерживающим поступление наносов со склонов в русла рек [2]. Однако, в тех случаях, когда днище балок прорезается донными оврагами, на склоновом водосборе или в древней ложбине стока развивается овражная форма, соби¬ рающая сток с большой водосборной площади, в русло реки поступает значительный объем наносов при снеготаянии и с ливневым стоком. Ручьи и малые реки аккумулируют значительную часть склонового материала, что приводит к их заилению и даже отмиранию, особенно в лесостепной и степной зонах. Выносы из оврагов и балок оказывали и оказывают значительное влияние не только на малые реки; имея зачастую "залповый” характер, они сказываются в проявлении и динамике русловых форм средних и даже больших рек. Н.И. Маккавеев [1] отмечал, что овраги и притоки часто выносят в реку материал более крупный, чем наносы самой реки, или его количество превышает транс¬ портирующую способность потока. В результате он аккумулируется в русле, образуя кону¬ сы выноса и внутренние дельты, стесняющие речной поток и являющиеся причиной обра¬ зования кос, причлененных корнем к ухвостью овражных выносов и под острым углом 1 Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект № 00-15-98512). 76
пересекающих русло [3]. Это обусловливает выделение в классификационных схемах перекатов, образованных выносами из оврагов и балок [4]. В лоциях рек подобные образования называются высыпками, причем дается им определение "ливневые" - "после сильного и продолжительного ливня из оврагов выносится так много наносов, что река не может с ними справиться и они полностью перекрывают речное русло" [5, с. 79]. Перекаты, образованные выносами из оврагов и балок, особенно типичны для малых и средних рек лесостепной и степной зон, т.е. протекающих на территориях, где овражно¬ балочная сеть наиболее активно развилась и в настоящее время составляет 70-80% от общей протяженности эрозионной сети. Обычно возникновение оврагов, как первичных - по берегам рек, так и вторичных - донных в балочных системах, привязанных устьем к уровню высокой межени на реке, происходит на подмываемых берегах, при образовании крутого обрыва, с дальнейшей линейной регрессивной эрозией на склоновом водосборе. Иногда этому способствует ледоход, при прохождении которого берега подвергаются механическому воздействию льдин, разрушающих дерновый покров на береговых склонах. Донный врез в балке, продвигающийся к верховьям, провоцирует активизацию донных размывов в отвершках балки, после чего древняя форма "оживает" и развивается до¬ статочно интенсивно, поставляя наносы в речную сеть. Достаточно сказать, что донные овраги, наследующие водосборную площадь крупной древней формы, как правило, имеют скорости роста, значительно превышающие скорости роста обычных склоновых оврагов и достигающие в среднем 2,0 м/год. Площади поперечного сечения донных оврагов нередко превышают 100 м2. Связь активных развивающихся оврагов с размываемыми берегами рек отчетливо проявляется на верхней Оби. Ниже уровня Чарыша река периодически на участках длиной до 70-90 км проходит вдоль сложенных лёссовидными суглинками 100-метровых уступов Предалтайского степного плато. Подмыв рекой обусловливает их отступание со скоростью до 0,5 м/год [6]. На этих участках развиваются глубокие (до 100 м в низовьях) овраги, расчленяющие приречную часть плато в полосе до 1 км и более. Там, где река в настоящее время отошла от уступа и отделяется от него массивом поймы, количество и глубина эрозионных врезов не меняется, но это уже заросшие овраги или молодые балки с крутыми бортами. Наблюдения на малых реках, например, на Протве, показали, что конус выноса одного из типичных склоновых оврагов, выходящего своим устьем непосредственно к реке, в период половодья отжимает стрежень потока к противоположному берегу, что приводит к его активному подмыву, образованию выбоины, нависанию дернины над уступом и от¬ ступанию берега. За 15-летний период наблюдений за формированием стока воды и наносов в овраге и его развитием в период весеннего половодья, отметки надводной части конуса повысились, а сам он вытянулся по течению и выдвинулся в сторону стрежня реки на 1,5 м [7]. Овражные выносы оказывают негативное влияние на состояние русел и более крупных рек. Еще Б.В. Поляков в 1930 г. [8] отмечал, что были случаи, когда течение Дона после сильного дождя перегораживалось "плотиной", образовавшейся из балочных выносов, в массе которых находились большие камни и деревья с корнями. Последнее не оставляет сомнений в том, что по бортам балок развивались крупные овражные формы. При прохождении паводков на реке ниже выхода балки и подобных "плотин" в русле образуются перекаты как из материала размыва "плотины" речным потоком, так и транзитных наносов, отлагающихся в возникающей ниже конуса выноса балки "скоростной тени". В этой же работе Б.В. Полякова отмечается, что обмеление Дона активизировалось с начала XX века. Как показывает анализ динамики овражной сети бассейна [9], этот процесс совпадает с периодом интенсивного развития овражной эрозии в бассейне Дона. Овражные выносы играют значительную роль и в формировании русла среднего Днестра [10] на Волыно-Подольской возвышенности. Обследования береговой зоны показали, что на среднем Днестре более 40% длины береговой линии составляют заросшие дерниной и слабо подмываемые уступы низких террас и поймы, а "функции основного поставщика наносов выполняют овраги, ручьи и малые притоки (расчленяющие склоны возвышенности к долине реки - авт.), выносы из которых часто вдаются в русло в виде конусов, сложенных валунами, крупным щебнем и галькой; после сильных дождей и снеготаяния они постоянно пополняются новым материалом" [10, с. 142]. Установлено, что большая часть перекатов образовалась именно под влиянием конусов выноса крупных линейных эрозионных форм, в частности оврагов, а морфометрические параметры их водосборных бассейнов во многом определяют режим перекатных участков, его многолетние и сезонные переформирования. По данным В.В. Сластихина [11] в оврагах бассейна Днестра глубиной до 150-200 м фор- 77
Рис. 1. Перекат Ольховатский на р. Дон, образованный конусами выноса из оврагов, расчленяющих правый коренной берег (борт долины) 1 - пойма, 2 - бровка поймы, 3 - русло, 4 - овраг, 5 - изобаты в русле, 6 - выносы из оврага (надводные), 7 - каменистые выносы из оврага (подводные), 8 - ось судового хода и глубины вдоль нее, 9 - изогипсы правого коренного склона долины мируются во время ливней (5-10 мм/мин) селевые потоки, обеспечивающие наиболее интенсивный рост конусов выноса и обмеление связанных с ними перекатов. Для оценки влияния овражной эрозии на русла больших рек был выполнен анализ топографических и лоцманских карт, а также отчетных материалов ЦНИИ экономики и эксплуатации водного транспорта, в которых показано состояние перекатов ряда судо¬ ходных рек, образованных конусами выноса из овражно-балочных систем. К типичным рекам России, морфология русел которых во многом зависит от развития по берегам овражной эрозии, в первую очередь относится Дон. Склоны его долины расчленены всеми видами эрозионных врезов (балки, овраги, малые реки, ручьи). Большинство перекатных участков Дона образовано выносами со склоновых водосборов по тальвегам линейных эрозионных врезов. Таковы перекаты Архангельский и Сторожевский (1353,9-1347,5 км от устья), Селявинский (1336—1330,6 км), представляющий собой конус выноса балки Чертов яр, Нижнеселявинский (1290,2-1256,6 км) - конусы выноса балок Попов яр и Бахчевая, Кошарный (1095,3-1092,8 км), Нижнетерешковский (1017,9-1014,2 км), Верхнезатонский (906,5-900,1 км). Последние (начиная с Кошарного) непосредственно связаны с конусами выноса из отдельных крупных оврагов, обширных (по площади) овражных или овражно¬ балочных систем. На рис. 1 представлен один из типичных перекатов Дона - Ольховатский, сформи¬ рованный выносами из балки Ольховатка и нескольких оврагов на правом берегу реки. В лоцманской карте содержится предупреждение об опасности для судоходства конуса выноса 78
Рис. 2. Сопоставление плана Среднекрасногоровского переката р. Дон по съемкам 1952 г. (А), 1958 г. (Б) и 1979 г. (В) 1 - овраг, 2 - полузапруда, 3 - номер оврага, 4 - бровка склона, 5 - пески. Остальные условные обозначения - см. рис. I из балки. На рисунке хорошо виден перекат, непосредственно приуроченный к конусу выноса, общее расширение и обмеление русла ниже по течению. Интересным перекатом, о котором упоминает Н.И. Маккавеев [3], является Средне- красногоровский, расположенный на 1010,0-1004,3 км Дона. Он образован конусами выноса крупных склоновых и донных оврагов, выдвинутых в русло реки и в виде большой косы пересекающей русло под углом 30° к основному направлению течения. На рис. 2 представ¬ лены планы переката по съемкам 1952, 1958 и 1979 гг., на которых показаны вып- равительные сооружения, возводимые в русле для увеличения глубин и обеспечения нормального судоходства. Две полузапруды у левого берега (план 1952 г.) не привели к заметному эффекту в состоянии глубин русла. Из числа "лимитирующих" судоходство перекат был выведен постройкой серии полузапруд на всем протяжении нижнего лево- бережного побочня, двух полузапруд у правого берега на верхнем побочне, непосред- 79
Рис. 3. Перекат Красный яр на р. Дон, образованный конусом выноса из оврага Условные обозначения - см. рис. 1 и 2 ственно связанных с конусами выноса и землечерпанием в сравнительно небольших объе¬ мах на самом перекате и вдоль правого берега ниже по течению (план 1958 г.). Стеснение потока позволило значительно углубить гребень переката. На достаточно подробном плане (лоцманская карта 1979 г.) показаны все формирующие перекатный участок овраги на склоновых водосборах правого берега. Их количество соответствует устьевым створам линейных врезов, отмеченных на плане 1958 г. Врезы № 2-8 представляют собой широкие крутостенные склоновые овраги; № 1 - врез в днище балки. До 1979 г. сохранились и действующие пять полузапруд у левого берега. На рис. 3 представлен фрагмент лоцманской карты с перекатом Красный яр, обра¬ зованным каменистой высыпкой из оврага (конусом выноса) в русло на 1153,2-1149,2 км. Сам овраг представляет собой целую овражную систему с крупными отвершками общей длиной свыше 500 м. Конусами выноса из балок с отвершками образован и перекат Верхнекулаковский (рис. 4). В формировании Нижнебуйволовского переката (1146,2-1143,0 км) основную роль играют мощные скопления склоновых выносов у правого берега около уступов крупных балок, образующих большую отмель (рис. 5,А) - план 1950 г. Этому способствовало также местное снижение транспортирующей способности потока половодья из-за слива воды из русла на левобережную пойму. Конусы выноса и сформированный на них перекат, оче¬ видно, создают подпорный эффект [3], усиливая отток вод половодья на пойму. Система выправительных сооружений на конусе выноса благодаря стеснению потока поддерживала перекат в удовлетворительном состоянии около 50 лет, и только ее разрушение при одно¬ временном надвижении сверху левобережной косы, потребовали проведения допол¬ нительных мероприятий по поддержанию судоходных глубин: было сооружено тринадцать полузапруд у правого берега и четыре - у левого. В результате, к 1979 г. глубины на судоходной трассе были увеличены с 0,9-1,2 м до 2-3 м (рис. 5, Б). Перекаты, образованные конусами выноса из овражно-балочных систем, отмечаются и на ряде других рек. Примером может быть перекат Чирковские косы на р. Белой, правый верхний побочень которого образован конусами выноса из нескольких оврагов, про¬ резающих высокий правый берег. Необходимую глубину на перекате в течение 12 лет поддерживало сооружение одной полузапруды у правого берега. В дальнейшем под¬ держание глубин потребовало дополнительного землечерпания. К такому же типу отно¬ сятся и перекаты Рязанские на реке Белой. 80
Рис. 4. Перекат Верхнекулаковский на Дону, формирование которого связано с выносами из овражно¬ балочной сети по правобережью Условные обозначения - см. рис. 1 и 2 Рис. 5. Сопоставление плана Нижнебуйволовского переката на р. Дон по съемкам 1950 г. (А), 1979 г. (Б) 1 - направление течения в половодье. Остальные условные обозначения - см. рис. 1 и 2. 81
Анализ многолетней динамики русла на перекатных участках, созданных конусами вы¬ носа овражно-балочных систем, показывает, что их образование и существование в течение длительного периода связано не только с самым активным периодом оврагообразования. Выносы грунта из овражно-балочных систем оказываются достаточными для существования перекатов и их сохранения в состоянии "лимитирующих" судоходство на протяжении многих десятков лет. Вместе с тем, как отмечалось выше [9], наиболее заметный период обмеления Дона связан с интенсификацией оврагообразования - увеличением количества оврагов и актив¬ ными начальными стадиями их развития, когда в речную сеть поступает максимальное количество наносов. К моменту выхода вершины оврага за бровку склона формирование конуса выноса, выступающего в реку и перегораживающего русло или отжимающего стрежень потока, бывает уже завершено. Именно в этот период, овраг обычно фиксируют и начинают следить за его развитием, предпринимать меры по ограничению негативного воздействия на русло реки. Но его активная роль в образовании переката практически уже закончилась. По мере приближения профиля оврага к выработанному (по [1]) овраг поставляет в реку все меньшее количество наносов, оставаясь в то же время артерией перемещения наносов со всей водосборной площади. Впоследствии овраг становится местом их частичной аккумуляции, особенно в низкие и средние по водности годы и лишь при экстремальных паводках и высоких половодьях из оврагов выносится потоком объем наносов, способный образовывать на реках крупные русловые формы. В тех случаях, когда из-за размыва берега или по другим причинам происходит оживление овражно-балочной системы, активизируются и выносы грунта, возобновляется развитие или обмеление пере¬ ката. Анализ влияния оврагов на жизнь речного русла показывает, что их негативное (с точки зрения использования реки в хозяйственной деятельности) воздействие очевидно. Но в этом случае речь идет о влиянии не самого растущего оврага, а выносимого из него потоками ливневых и талых вод в речные системы грунта. Влияние оврагов в различных отраслях экономики оценивается стоимостными характеристиками ущерба от потерь площади, разрушения зданий, линий электропередач и т.п. Оценка ущерба от овражной эрозии на судоходных реках, по-видимому, должна выражаться в стоимости дноуглубительных работ на перекатах, образованных выносами из овражно-балочных систем, в том числе из-за их большой повторности в периоды навигации; выправительных работ для поддержания судоходной трассы, дополнительной береговой и плавучей обстановки пути, обеспечиваю¬ щей безопасность плавания; следует учитывать также потери от уменьшения скорости судов, проходящих участки трассы с предупреждением о выходящих в русло конусах выноса. В последние годы, при сокращении судоходства и даже закрытии водных путей на реках, частичном возвращении рек в их естественное состояние, эти вопросы утратили в известной мере свою актуальность. Однако в перспективе, когда водный транспорт России займет подобающее ему место как в развитых странах мира, анализ формирования перекатных участков и разработка мероприятий по поддержанию и увеличению на них судоходных глубин, созданию удобных для судоходства контуров всей судоходной трассы должны вызвать определенный интерес к изучению динамики поступления наносов из овражно¬ балочных систем в русло реки. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Маккавеев Н.И. Русло реки и эрозия в ее бассейне. М.: Изд-во АН СССР, 1955. 345 с. 2. Ажыгыров АЛ., Голосов В.Н., Добровольская Н.Г. и др. Эрозия почв и верхние звенья гидрографической сети // Экологические проблемы эрозии почв и русловых процессов. М.: Изд-во МГУ, 1992. С. 66-80. 3. Проектирование судовых ходов на свободных реках / Под ред. Н.И. Маккавеева. Труды ЦНИИЭВТ. Вып. 36. М.: Транспорт, 1964. 262 с. 4. Маккавеев Н.И. Русловой режим рек и трассирование прорезей. М.: Речиздат, 1949. 202 с. 5. Попков И.Ф. Общая лоция водных путей. М.: Речной транспорт, 1962. 250 с. 6. Трепетцов Е.В. Размыв берегов рек в Степном Алтае и его инженерно-экологическая характеристика // Бюлл. научно-технической информации. № 8 (52). М.: Госгеолтехиздат, 1963. С. 3-19. 82
7. Веретенникова М.В. Механизм овражной эрозии и динамика русловых форм // Гео¬ морфология, 1998. № 2. С. 66-74. 8. Поляков Б.В. Гидрология бассейна р. Дона. Ростов-на-Дону, 1930. 132 с. 9. Зорина Е.Ф., Косов Б.Ф., Прохорова С.Д. Опыт оценки объема овражных выносов в бассейн р. Дона // Вести. МГУ. География. 1980. № 3. С. 39-45. 10. Беркович К.М., Злотина Л.В., Иванов В.В. и др. Развитие русла среднего и нижнего Днестра в условиях интенсивной антропогенной нагрузки. // Экологические проблемы эрозии почв и русловых процессов. М.: Изд-во МГУ, 1992. С. 141-165. 11. Сластихин В.В. Процесс эрозии на селеактивных водосборах в Молдавии // Закономерности проявления эрозионных и русловых процессов в различных природных условиях. М.: Изд-во МГУ, 1987. С. 136-137. Московский государственный университет Поступила в редакцию Географический факультет 26.02.99 ROLE OF GULLY EROSION IN THE RIVER SHALLOWS FORMATION E.F. ZORINA, S.D.PROKHOROVA, R.S. CHALOV Summary The origin of river shallows due to sediment washout from the active gullybalka systems is under consideration. The opinion that linear erosion has strong negative influence on the channel conditions and navigation is based on the analysis of pilot maps and archive materials. The detailed description of shallows of the Middle Don and its depth dynamic is given. УДК 551.435.1:553.068.5(235.222) ©2000 г. B.A. КРИВЦОВ, Л.Д. КРИВЦОВА ГЕОМОРФОЛОГИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ РАЗМЕЩЕНИЯ И ОСОБЕННОСТИ РОССЫПЕЙ ЗОЛОТА НА ЮЖНОМ АЛТАЕ Россыпи благородных металлов, известные в настоящее время на Южном Алтае, в массе своей размещаются в бассейнах рек Курчум и Кальджир, в ЮЗ части Курчум-Кальджир- ского горст-антиклинория, сложенного в различной степени метаморфизированными поро¬ дами раннего палеозоя. В металлогеническом отношении - это ЮВ подзона Иртышской золоторудной зоны, характеризующейся распространением рудопроявлений золото-квар¬ цевой и золото-кварц-сульфидной формаций, представленных кварцевыми жилами, жиль¬ ными зонами, зонами окварцевания и минерализации в лиственитах и метаморфических сланцах. Пространственно россыпи во всех случаях тяготеют к известным рудным узлам, отли¬ чающимся высокой и средней насыщенностью рудными телами. В пределах рудных площадей концентрация россыпей на единицу площади и насыщенность их полезным компонентом в 2-3 раза выше, чем вне их. Возрастной диапазон вмещающих рыхлых отложений различного генезиса - от эоцена до голоцена. Разноамплитудные блоковые движения, проявившиеся в позднем миоцене-плейстоцене на фоне направленного сводового поднятия Южного Алтая [1, 2], предопределили форми¬ рование здесь главным образом эрозионно-денудационного рельефа (около 95% всей площади). Подчиненное значение получили площади с аккумулятивным (внутригорные впадины) и деструкционным гляциальным (привершинные части хребтов на отметках от 1700 до 3500 м) типами рельефа. Эрозионно-денудационный рельеф территории неоднороден как по своей морфоло- 83
гической выраженности, так и по набору и интенсивности моделирующих его процессов. Основная причина неоднородности - сосуществование реликтовых выровненных фрагмен¬ тов деформированной неотектоническими движениями мел-палеогеновой региональной поверхности выравнивания (РПВ) и морфологически резко обособленных молодых (поздний плиоцен-плейстоцен) форм и комплексов форм рельефа. Интенсивность эрозионно-денудационных процессов в пределах фрагментов РПВ, распо¬ ложенных на различных высотах (от 800-1000 до 2000-2500 м), весьма незначительна и была такой в течение миоцена-голоцена, о чем свидетельствуют сохранившиеся на них палеоге¬ новые и неогеновые, в том числе продуктивные, отложения различного генезиса и мел- палеогеновые коры выветривания каолинового состава. Сами эти процессы, обусло¬ вливающие аллювиальный, коллювиальный и элювиальный морфолитогенез, относительно автономны от аналогичных процессов, идущих в молодых эрозионных врезах в погра¬ ничных частях отдельных блоков и в транзитных долинах. Для фрагментов РПВ в общем случае характерен холмисто-грядовый рельеф с относи¬ тельными превышениями водоразделов над ближайшими тальвегами от 10-20 до 60-100 м, редко более. Денудационные останцы - холмы и гряды, как правило, имеют пологие склоны (от 1-2 до 15°). За исключением участков развития гранитоидов, денудационные поверх¬ ности несут практически сплошной маломощный (0,1-1,5 м) чехол элювиально-коллю¬ виальных щебнисто-суглинистых образований. Флювиальный рельеф представлен преиму¬ щественно безрусельными логами различной протяженности и ширины, реже фрагментами приподнятых палеодолин, наследуемых современными водотоками. В контурах днищ палеодолин на отдельных участках сохранились неогеновые и даже палеогеновые (р. Кыс- тав-Курчум) аллювиальные отложения. Продольные профили логов выработаны, уклоны их изменяются в пределах 0,004-0,06, составляя в среднем около 0,01. В направлении бровок тектонических уступов пологосклонные лога во всех случаях резко замещаются ущелье¬ видными крутосклонными (30-60°) долинами различной глубины (от 40-50 до 300-500 м) в зависимости от относительной высоты уступов. Специфическая черта фрагментов РПВ на Южном Алтае - наличие на них эрозионно¬ денудационных останцов, сложенных средне-верхнеэоценовыми галечниками [1-3]. Фикси¬ руются они на высотах от 800 до 2500 м, в т.ч. в приводораздельных частях Нарымского и Курчумского хребтов. На ряде участков галечники образуют сплошные покровы площадью от 0,2-0,5 до 10 км2 (междуречье рек Такыр-Бал акал ьджир). Мощность галечников от 2-5 до 30-40 м. Судя по имеющимся данным [1-4], кварцевые галечники на различно приподнятых фрагментах РПВ - это остатки единого покрова, сформированного в среднем-позднем эоцене по периферии Зайсанского прогиба за счет слияния континентальных дельт. Существенно кварцевый состав галечников, очевидно, связан с размывом площадных кор выветривания в располагающейся к северо-востоку области сноса. Другой морфологически четко обособленный подтип эрозионно-денудационного релье¬ фа - резко расчлененный рельеф зон сочленения морфоструктур. Формировался он вдоль тектонических уступов (со времени их заложения) за счет скачкообразного увеличения энергии эрозионных процессов в их пределах. Продольные профили долин-ущелий, проре¬ зающих уступы, невыработанные, ступенчатые. Уклоны их изменяются от 0,1 до 0,3. Ширина полос (зон), в которых сформировались ущельеобразные эрозионные врезы, в общем случае определяется относительной высотой уступов: чем они выше, тем дальше в РПВ проникла регрессивная эрозия и соответственно тем больше переработаны здесь реликтовые, в том числе флювиальные, формы рельефа, вмещающие продуктивные аллювиальные отложения. Третий морфологически обособленный подтип эрозионно-денудационного рельефа образуют долины транзитных по отношению к морфоструктурам второго и более высоких порядков водотоков - долины рек Маралиха, Озерная, Койчилик, Кыстав-Курчум, Кальджир и др. Все они, как правило, глубоко врезаны: от 60-100 м в наименее поднятых южной и юго-западной частях района до 400-600 м в ее северной и северо-восточной частях. Поперечный профиль их трапециевидный. Крутизна склонов в среднем 30-45°. Днища хорошо разработаны. Продольные профили выработаны, уклоны их 0,005-0,05. В при¬ донных частях фиксируются фрагменты надпойменных террас. Рыхлые отложения в контурах пойм и террас типичные аллювиальные, мощность аллювия во всех долинах близка к нормальной. Склоны транзитных долин подобно склонам тектонических уступов прорезаны ущельевидными долинами временных водотоков. Продольные профили днищ последних выпуклые, ступенчатые. 84
Долины всех транзитных водотоков - древние образования. Время их заложения отно¬ сится в основном к неогеновому этапу дифференцированных блоковых движений, т.е. к этапу становления существующих ныне морфоструктур второго и более высоких порядков, о чем свидетельствует наличие красноцветных миоцен-плиоценовых аллювиальных отло¬ жений на разных эрозионных уровнях в пределах современных долин. Заложенные по зонам или отдельным участкам зон крупных тектонических нарушений долины транзитных рек, как правило, развивались унаследованно. Современные их днища обычно не выходят за контуры неогеновых и плейстоценовых долин. Внутридолинные перестройки имели место лишь на участках локальных опусканий (долина р. Курчум в Пугачевской депрессии, нижняя часть долины р. Кыстав-Курчум, долина р. Бала-Кальджир в ее низовьях, долина р. Майкапчегай). Основная часть россыпей локализуется в логах, в пределах фрагментов РПВ, меньшая, но более продуктивная, - в транзитных долинах средних и высоких порядков (таблица). В резко расчлененных зонах сочленения блоковых морфоструктур россыпи отсутствуют. Здесь происходят разрушение коренных источников, а также приподнятых древних рос¬ сыпей и вынос полезного компонента к нижележащим местным базисам денудации (менее приподнятым реликтовым выровненным поверхностям и днищам транзитных долин). Россыпи Южного Алтая характеризуются как специфическими, так и общими для от¬ дельных групп признаками (генетическими, морфологическими, положением в рельефе и др.), отражающими некоторые частные и общие закономерности их формирований. По ге¬ нетическому признаку все учтенные в районе россыпи подразделены нами на пять типов: элювиально-делювиальные, делювиально-аллювиальные, аллювиальные, аллювиально-де¬ лювиальные, пролювиальные (таблица). При этом учтены видовые особенности генети¬ чески однотипных образований, их морфология, стратиграфическое положение и отноше¬ ние к рельефу. Элювиально-делювиальные россыпи единичны. Расположены во всех случаяах в пре¬ делах фрагментов РПВ на площади рудных полей, где тяготеют к зонам интенсивно прокварцованных и минерализованных пород. В контурах россыпей известны коренные источники. Парагенетически россыпи связаны со структурным элювием. Наряду с авто¬ хтонными, собственно элювиальными, характерны аллохтонные концентрации металла, обусловленные процессами массового смещения рыхлого материала на пологосклонных поверхностях. На ряде участков в коренном ложе вскрываются мелкие эрозионные понижения, отмечается появление слабо окатанных обломков подстилающих пород. Россыпи мелкие и весьма мелкие, плащевидные, невыдержанные по мощности, с не¬ равномерным распределением металла. Частицы металла преимущественно мелкие, часто в сростках с кварцем. Продуктивный горизонт приурочен к низам разреза рыхлых отло¬ жений, мощность его 0,2-2,0 м. Перекрывающие разновозрастные (от миоцена до голоцена) полигенетические образования имеют мощность от десятков сантиметров до 10-12 м (плато Покровское на междуречье рек Кумурза - Курчум). Делювиально-аллювиальные россыпи составляют основную часть всех выявленных к настоящему времени объектов. В геоморфологическом отношении россыпи этого типа приурочены к фрагментам РПВ и связаны с разновозрастными (от плиоцена до голоцена) галечно-щебнисто-суглинистыми делювиально-аллювиальными (ложковыми) отложениями низкопорядковых (I—II) долин временных водотоков. Изолированные ложковые россыпи редки. Обычно они располагаются группами от 2-4 до нескольких десятков на сравнительно ограниченных площадях (от 1-2 до 10 км2). Протяженность этих россыпей изменяется от первых десятков метров до 1,0-1,5 км, ширина - от 1-2 до 20 м, обычно 5-8 м. В плане россыпи четковидные, гнездовые, лентообразные. Мощность продуктивного горизонта, тяготеющего к приплотиковой части рыхлых отложений, на расстоянии в десятки метров изменяетя от 0,1-0,2 до 1,5-2,0 м. Мощность перекрывающих "пустых" пород 0,5-6,0 м, обычно 2-3 м. Частицы металла в основном средней крупности и мелкие - слабо окатанные, нередко в сростках с кварцем. Насыщенность ложковых россыпей полезным компонентом, как пра¬ вило, невелика. Относительно повышенной (в 2-5 раз и более) она оказывается на рудных полях, отличающихся наиболее высокой концентрацией коренных источников кварцево¬ жильного типа. Аллювиальные россыпи составляют вторую по численности (около 20%) и первую по учтенным (в том числе отработанным) в них запасам металла группу объектов. Возрастной диапазон аллювиальных россыпей - от среднего эоцена до голоцена, формирование боль¬ шинства из них относится к позднему плиоцену-голоцену. 85
Классификация россыпей Южного Алтая Классификационные ряды Генетический (количество объектов, %) Морфологический Возрастной тип вид форма особенности строения размеры геологичесий возраст положение в рельефе Элювиально¬ делювиальные (0,7) Околожильные, включая зоны окварцевания и минерализации Плащеобразные, изометричные Невыдержанные по мощ¬ ности, с неравномерным распределением металла Весьма мелкие Палеогеновые В пределах фрагментов региональной поверхности выравнивания (РПВ) Делювиально¬ аллювиальные (77,5) Ложковые Лентообразные, четковидные, гнездовые Невыдержанные по ширине и мощности, с неравномерным распределением металла Весьма мелкие Позднеплиоценовые, современные В долинах низких порядков в пределах фрагментов РПВ Аллювиальные Долинные (вклю- Лентообразные, Относительно Средние, мелкие, Современные В долинах средних и высо¬ (18,5) чая русловые и косовые (10,8) Террасовые (3,2) Фрагментов при¬ поднятых долин струйчатые Струйчатые Лентообразные выдержанные по ширине и мощности, с неравномерным распреде¬ лением металла весьма мелкие Весьма мелкие Средне-позднечетвер- тичные Позднеолигоценовые, позднеплиоценовые ких порядков В пределах фрагментов РПВ Погребенные (1,5) Лентообразные, струйчатые Относительно выдержанные по ширине и мощности, с неравномерным распреде¬ лением металла Мелкие и весьма мелкие Позднеэоценовые, позднеолигоценовые В межгорных впадинах Древних конти¬ нентальных дельт (2.0) Плащеобразные Невыдержанные по мощ¬ ности и площади концент¬ рации Промышленные концентрации не характерны Средне-поздне-эоцено- вые В пределах фрагментов РПВ Аллювиально¬ делювиальные (3) Т еррасоувальные Лентообразные, стурйчатые Невыдержанные по ширине и мощности, с неравно¬ мерным распределением металла Весьма мелкие Средне-поздне¬ четвертичные В долинах средних и высоких порядков Пролювиальные (0,3) Конусов выноса Веерообразные Невыдержанные по прости¬ ранию, ширине и мощности, с неравномерным распреде¬ лением металла Весьма мелкие Позднеплиоценовые, среднечетвертичные У подножий тектонических уступов
В ряду аллювиальных выделяются россыпи долинные (локализующиеся в контурах пойм), террасовые, фрагментов погребенных и приподнятых долин, а также древних континентальных дельт. Долинные россыпи наиболее значительны по протяженности и ширине, струйчатые, на суженных участках - лентообразные, при чередовании суженных и расширенных участков пойм - четковидные. Концентрации металла в основном транзит¬ ные. Распределение полезного компонента по длине и ширине россыпей неравномерное. Продуктивный пласт относительно выдержан по мощности, тяготеет к подошве аллювиаль¬ ных отложений, имеющих, как правило, мощность, близкую к нормальной. Вмещающие аллювиальные отложения - валунно-галечно-песчаные, с содержанием валунов от 5-7 до 30%. Террасовые россыпи, как и сами надпойменные террасы, сравнительно редки и, за исключением долины р. Бала-Кальджир, незначительны по протяженности и продук¬ тивности. Морфологически это струйчатые образования, тяготеющие к низам разреза аллювиальных отложений. Мощность продуктивного горизонта террасовых россыпей обычно такая же, как и у современных россыпей, локализующихся в тех же долинах, сходен состав вмещающих рыхлых пород, соизмерима и их общая мощность. В то же время средние содержания полезного компонента в россыпях надпойменных террас ниже, чем в пойменных частях долин. Характерно общее снижение содержаний металла в россыпях, локализующихся на более высоких эрозионных уровнях. Погребенные россыпи древней долинной сети к настоящему времени выявлены в пределах Майкапчегайской межгорной впадины по рекам Казанка и Майкапчегай и в долине р. Кыстав-Курчум [5]. Погребенная россыпь р. Казанка вскрыта на глубине более 80 м в основании толщи неогеновых красноцветов на контакте с моренными породами и кварцевыми галечниками среднего-верхнего эоцена. Россыпь эта, отработанная в 30-е годы, отличалась небольшой величиной, но высокой продуктивностью. Частицы металла были крупными, практически неокатанными, часто в сростках с кварцем. Характерно, что и в отработанной современной аллювиальной россыпи р. Казанка, локализующейся на том же ее отрезке, металл отличался повышенной крупностью и слабой окатанностью. Формирование погребенной россыпи р. Казанка происходило, судя по всему, до запол¬ нения впадины верхнемиоцен-плиоценовыми красноцветами, на этапе углубления долины за счет размыва богатого коренного источника, расположенного в контурах долины непосредственно выше россыпи. Если россыпь р. Казанка имела лентообразную форму, то россыпь р. Майкапчегай, вскрытая на глубинах 100-120 м, струйчатая, шириной около 50 м, протяженностью 4 км и продуктивным пластом 0,4-1,0 м. Локализована она в перемытых кварцевых галечниках и отличается сравнительно низкими содержаниями металла. Приподнятые россыпи древней долинной сети иного плана, чем современные, редки. Одна из подобных россыпей локализуется на левобережье р. Джедеу-Су на выровненной поверхности. Россыпь залегает в контурах днища неглубокой (до 20 м) палеодолины, ориентированной вкрест глубоко (до 300 м) врезанных современных долин. Вмещающие россыпь отложения - галечники с красно-бурым песчано-алевритистым заполнителем. Судя по данным немногочисленных горных выработок, россыпь лентообразная, шириной до 60 м, с выдержанным по мощности пластом (около 1,5 м), тяготеющим к нижней части разреза аллювиальных отложений. Частицы металла отличаются хорошей окатанностью. Россыпи древних континентальных дельт представлены эрозионно-денудационными останцами металлоносных песчано-галечных отложений с линзами и прослоями валунов, алевритов и глин. Отличительная особенность обломочного материала всех фракций - его преимущественно кварцевый состав. Для толщи кварцевых песчано-галечных образований характерна горизонтальная и косая (в прослоях песков) слоистость. Количество мелко¬ обломочного и глинистого материала увеличивается сверху вниз по разрезу. Глины по своему составу преимущественно каолиновые. Металлоносна вся толща песчано-галечных отложений (при мощности их от 2-5 до 40 м), Каких-либо закономерностей в распределении полезного компонента в плане и по разрезу не установлено. Частицы металла мелкие (0,05-0,5 мм), чешуйчатые, тертые. Содержание полезного компонента - первые миллиграммы в одном кубическом метре породы. Аллювиально-делювиальные россыпи террасоувалов локализуются в долинах средних и высоких порядков. Генетически эти россыпи связаны с аллювиальными отложениями террас различного возраста, переработанных процессами массового смещения материала в 87
пологонаклонные (2-8°) поверхности, отделенные от вышележащих денудационных участ¬ ков склонов вогнутым перегибом. Формирование террасоувалов имело место в условиях направленного смещения водотоков к противоположному склону долины. Протяженность россыпей этого типа ограничена протяженностью террасоувалов. Ширина их изменяется от первых десятков до сотен метров. Морфологически россыпи струйчатые, тяготеют к приплотиковой части разреза, не выдержаны по мощности. По учтенным запасам относятся к весьма мелким. Мощность непродуктивных отложений в зависимости от преобладающей направленности склонопреобразующих процессов (денудация либо аккумуляция) от 0,5 до 10 м. Пролювиальные россыпи представлены металлоносными конусами выноса водотоков, расчленяющих тектонические уступы. Характерный пример - слабометаллоносный конус выноса р. Кызылтас, расположенный на левобережье р. Курчум у подножья тектонического уступа относительной высотой около 200 м. В плане россыпь - узкий (от 0,05 до 0,5 км) веер протяженностью 1,0 км. Вмещающие рыхлые отложения в верхней части разреза (до глубины 3-6 м) - четвертичные галечно¬ щебнистые образования, в нижней (в интервале от 3-6 до 12-22 м) — неогеновые красно- бурые опесчаненные глины со щебенкой. Полезный компонент рассеян по всей массе пролювия. Размещение повышенных его концентраций незакономерно. Перспективы россыпной золотоносности Южного Алтая ограничены. Связаны они в основном с погребенными и приподнятыми долинами неогенового возраста, располо¬ женными вблизи золоторудных узлов, с конусами выноса временных и постоянных водо¬ токов, прорезающих тектонические уступы в пределах рудных площадей. На рудных полях возможно выявление элювиально-делювиальных и ложковых россыпей. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Нехорошее В.П. Тектоника Алтая. М: Недра. 1966. 306 с. 2. Кривцов В.Л. Структурно-геоморфологические особенности и основные этапы формирования Майкапче- гайской впадины Южного Алтая // Геоморфология. 1991. № 1. С. 72-78. 3. Ерофеев В.С. Геологическая история южной периферии Алтая в палеогене и неогене. Алма-Ата: Наука, 1969. 166 с. 4. Мацуй В.М., Мухамеджанов С.М., Ерофеев В.С., Цеховский Ю.Т. Поздний кайнозой Казахстанского Прииртышья. Алма-Ата: Наука, 1973. 144 с. 5. Старов В.И. Месторождения золота // Геология СССР. Восточный Казахстан. Полезные ископаемые. М.: Недра, 1974. Т. XII. С. 318-339. Рязанский государственный Поступила в редакцию педагогический университет им. С.А. Есенина 12.10.99 GEOMORPHOLOGIC CONDITIONS OF DISTRIBUTION AND PECULIAR PROPERTIES OF PLACERS AT THE SOUTH ALTAI V.A. KRIVTSOV, L.I). KRIVTSOVA Sum шагу Geomorphologic conditions of placers’ distribution at South Altai are under consideration. The suggested placers’ classification includes their genesis, morphology and age. The main types of placers are characterized. 88
УДК 551.435.174(729.1) ©2000 г. Г.А. ПОСТОЛЕНКО УСЛОВИЯ И ХАРАКТЕР ФОРМИРОВАНИЯ СЕЛЕВЫХ ПОТОКОВ НА РАВНИНЕ ТРОПИЧЕСКОЙ ЗОНЫ (НА ПРИМЕРЕ о-ва КУБА) В ноябре 1976 г. на северном побережье Кубы в провинции Гавана сформировались гря¬ зекаменные (селевые) потоки, впервые зафиксированные исследователями [1]. Условия, в которых протекал селевой процесс, на первый взгляд выглядят весьма неблагоприятными для этого процесса, именно поэтому местные геоморфологи давали иное, техногенное, объяснение возникшим формам рельефа. Нетипичность условий формирования заставляет обратиться к анализу этого явления. Кроме того, на Кубе есть и другие территории, обладающие значительно более благоприятными условиями для формирования селей, чем те, которые упоминались выше. Это заставляет не только предполагать существование дру¬ гих генетических типов селей, но и ожидать более крупных масштабов этого явления на Кубе и в других тропических регионах. Косвенные данные, например по строению устьевых участков речных долин, а также описания других явлений [2, 3] согласуются с этими предположениями. Приводимый в статье материал представляет как научный, так и практический интерес прежде всего потому, что в научной литературе сведения о селях и условиях их фор¬ мирования в тропической зоне крайне ограничены. Наблюдавшиеся и закартографиро- ванные нами конусы выноса, эрозионные селевые русла и водосборные воронки распола¬ гаются на северном побережье острова в провинции Гавана, между городами Гуанабо и Санта-Крус-дель-Норте. По свидетельству местных жителей, бурные потоки сформиро¬ вались и вынесли грубообломочный материал 24 ноября 1976 г. Часть вынесенного мате¬ риала оказалась даже на крышах домов. Кроме того, была затоплена водой низкая равнина, расположенная между крутым склоном высокой равнины и насыпью шоссейной дороги Виа- Бланка. На памяти живущих здесь крестьян подобный же случай, когда селевые выносы достигли располагающихся в устьях долин домов, произошел в 1932 г. Из пяти эрозионных форм, обследованных нами, четыре имеют свежие конусы селевых выносов, расположенные у тылового шва низкой морской равнины. Размеры конусов со¬ ответствуют размерам селевых бассейнов. Конус выноса долины II порядка имеет площадь 0,36 км2, конусы выноса оврагов - 0,09 км2. Длина наименьшего из оврагов не превышает 280 м, самая протяженная балка достигает 2,2 км, причем длина эрозионного русла в зоне аккумуляции соизмерима с длиной самого оврага. Форма конусов выноса очень характерная: они выпуклые, их высота около 20 м в ты¬ ловой части и постепенно снижается к поверхности морской равнины, на которой конусы распластаны. Конусы частично задернованы, прорезаны несколькими радиальными рус¬ лами, образовавшими промоины глубиной до 2 и шириной до 5 м. В промоинах вскрывается материал предшествующих селевых выносов. На отдельных же участках русел весь рыхлый материал вымыт и обнажена гладкая поверхность, образованная отложениями более ран¬ них генераций селевой аккумуляции, сцементированными карбонатными растворами. В распределении твердого материала в конусах также наблюдаются характерные для селей особенности. Наиболее крупные глыбы (до 80 см в диаметре) и обломки отложились выше по течению, в тыловой части конусов, непосредственно ниже склона высокой рав¬ нины. Здесь в отложениях отсутствует сортировка материала. Ниже по течению в краевых частях конусов материал заметно мельчает (обломки размером до 18 см) и обнаруживает признаки сортировки: слабо выраженную слоистость, ббльшую однородность толщи, за¬ легание обломков на плоской стороне и др. При этом хорошо различаются отложения раз¬ ных по времени селевых выносов (рис. 1). Так, в промоине, вскрывающей отложения кону¬ са, обнажаются (сверху вниз): 0,0-0,6 м - суглинок белого и светло-розового цвета с дресвой и щебнем известняков и обломками слабо сцементированной конглобрекчии (типа "каличе"), размер обломков до 30 см; 0,6-0,7 м - суглинок красновато-бурого цвета, лишенный обломочного материала, с при¬ знаками почвообразовательного процесса; 0,7-1,4 м - суглинок красноватый, содержащий дресву и щебень известняков и конгло¬ брекчии, максимальные размеры которых достигают 30 см; 89
Рис. 1. Строение отложений (а) и продольный разрез селевого конуса (б). / - суглинок, 2 - дресва, 3 - щебень и галька, 4 - глыбы и валуны, 5 - известняки; 6 - конглобрекчия слабо сцементированная ("каличе"), 7 - номер слоя 1,4-1,9 м - конглобрекчия (типа "каличе") слабо сцементированная терракотово-розовым цементом, легко разбивается молотком. Главной особенностью наблюдавшихся нами отложений является крупный (до 80 см) размер обломков в русле и на конусах выноса, не соответствующий размеру и мощности тех врёменных потоков, которые обычно текут в этих руслах. Средние уклоны рассмат¬ риваемых эрозионных форм приведены в табл. 1. Продольные профили эрозионных форм представлены на рис. 2. Они имеют ярко выра¬ женный ступенчатый характер. Ступени образованы пластовыми выходами миоценовых известняков формаций Quines и Cojimar. Известняки кавернозные, с понорами и каррами, понижения в них заполнены рыхлым материалом. Последний представлен красноцветным суглинком с обломками известняков и "каличе" разного размера (дресва, щебень, глыбы). В строении склонов долин отмечается много характерных для селевых бассейнов черт: прислонение чешуй рыхлого материала, появление локальных аккумулятивных террасок в местах резкого изменения направления долин. Эти терраски сложены рыхлым материалом, отличающимся от типичных аллювиальных и балочных отложений своей несортиро- Таблица 1 Средние и максимальные уклоны эрозионных форм Эрозионные формы Средние уклоны Максимальные уклоны Примечания I 0,04 0,11 Склоны частично задернованы. Селевый паво¬ док Д 0,16 0,18 Селевый паводок. Материал на крыше дома III 0,10 0,20 Интенсивные подвижки склонового материала. Селевый паводок IV 0,11 0,17 Склоны задернованы, густой травостой. Водный паводок 90
Рис. 2. Продольные профили оврагов и балок северного побережья провинции Гавана в районе города Санта-Крус-дель-Норте. I - продольный профиль, 2 - место расположения краевой части селевых конусов 1976 г., 3 - мес¬ тоположение разреза, представленного на рис. 1,4- номер эрозионной формы ванностью и отсутствием деления на фации. Видимая мощность их в рассматриваемых оврагах и балках составляет 1,2-1,5 м. Представлены они дресвой, щебнем разного размера и небольшими глыбами в красноватом суглинке. В местах слияния двух водотоков также отмечается аккумуляция твердого стока селей. Склоны одного из оврагов (III в табл. 1), хотя и плотно задернованы и залесены, пред¬ ставляют собой чрезвычайно динамичное образование, так как сложены смещенными бло¬ ками, глыбами и глыбками мелкозема с обломками известняков. Мощность водотока в этом овраге была, вероятно, усилена еще тем, что в водосборной части бассейна к нему подведена водоотводная труба, уложенная в канаву глубиной 0,3 и шириной 0,5 м, явившуюся дополнительным руслом. Водосборные части селеносных долин представляют собой циркообразные плоские понижения, поверхность которых сложена известняками, покрытыми каррами. Почвенный покров на известняках маломощный, распределен неравномерно - пятнами. На поверхности среди редкой кустарниково-травянистой растительности располагаются обломки извест¬ няков, образовавшиеся в результате обрушения стенок карров. Проанализируем природные условия, в которых образовались эти сели. В орографичес¬ ком отношении эта территория принадлежит к подобласти плато и возвышенностей Гава- на-Матансас [4], абсолютные высоты которой не превышают 100 м. Это абразионно-ступен¬ чатая морская равнина, северный склон которой обращен в сторону моря и спускается к нему серией морских террас (рис. 3). Поверхности террас плоские, субгоризонтальные, разделяющие их склоны имеют крутизну 20-30° и высоту до 50 м. В пределах интересующей нас равнины выделяются следующие элементы рельефа. Вдоль моря тянется узкая прибрежная полоса коралловых известняков до 60 м шириной. Она покрыта каррами типа "собачьи зубы", понижения которых заполнены известковистым песком. Это вид прибрежного голого карста, носящий местное название "себоруко". В глубь острова от этой прибрежной полосы протягивается наклонная равнина, вдоль внешнего края которой проходит насыпь шоссейной дороги Виа-Бланка (в насыпи имеются трубо¬ проводы для сбрасывания врёменных русловых, а также ливневых вод, собирающихся на поверхности равнины). Высота равнины постепенно увеличивается от 2-3 м в прибрежной части до 20 м у тылового шва. Равнина сформирована процессами морской абразии в кайнозойских известняках и имеет "пятнистый" маломощный покров каменистых карбо- натно-ферралитных красно-бурых почв [5]. Мощность почвенного покрова колеблется от 0 до 50 см. Естественная растительность представлена колючими кустарниками побережий, редкими древесными формами и несомкнутым травянистым покровом. Часть площади за¬ нята огородами, но в основном она используется под пастбища. Гипсометрически выше располагается террасированная высокая морская равнина, с наклонной, слегка волнистой поверхностью и высотой у бровки около 70 м, а в тыловой части - до 100 м. Она также сложена известняковыми породами и имеет ту же ландшафтную характеристику, что и низкая равнина: несомкнутый травянисто-кустарниковый покров на 91
Рис. 3. Геоморфологическая схема селеопасного района. I - поверхность низкой морской террасы высотой 0-2 м, занятая прибрежным голым карстом "себоруко"; 2 - поверхность низкой морской террасы высотой 2-20 м, с маломощным ("пятнистым") почвенным покровом, редкими деревьями, несомкнутым травянисто-кустарниковым покрытием, используемая под пастбища и огороды; 3 - поверхность высокой морской равнины высотой 70-100 м с маломощным ("пятнистым") покровом каменистых почв, используемая под пастбища и плантации хенекена; 4 - уступ высокой морской равнины высотой 50 м, крутизной 20-30°, с сомкнутым травянистым покровом; 5 - селеопасные эрозионные бассейны с конусами выноса; 6 - изогипсы, проведенные через 10 м маломощных каменистых карбонатно-ферралитных красно-бурых почвах. Используется главным образом под пастбища и плантации хенекена. Крутой уступ, разделяющий эти две субгоризонтальные поверхности морского генезиса, имеет крутизну до 30° и высоту около 50 м. Поверхность его задернована. Он густо рас¬ членен овражно-балочной сетью: на склоне протяженностью 3 км насчитывается девять четко выраженных эрозионных форм, не имеющих постоянного водотока. Они различны по своей морфологии и стадии развития. Одни из них представляют собой активные овраги, другие - заросшие травой и древесной растительностью балки. Климатические условия этого прибрежного района Кубы чрезвычайно благоприятны для развития эрозии: 1200-1400 мм осадков в год при неравномерном их распределении по сезонам. Во влажный период, длящийся с апреля по ноябрь, выпадает до 1000 мм, т.е. 70-80% годовой нормы. Наиболее влажные месяцы - июнь (до 400 мм), сентябрь, октябрь (до 550 мм), ноябрь (до 300 мм). При этом максимальные суточные количества могут достигать 200-250 мм (5%-ная обеспеченность), суточные максимумы в 90 мм имеют 50%-ную, а в 125 мм - 10%-ную обеспеченность. Осадки влажного сезона носят главным образом ливневой характер. Интенсивность их достигает до 2 мм/мин [6]. Катастрофические сели формируются и при значительно более низких показателях осад¬ ков и их интенсивности. Так, в селевых долинах Азербайджана (климат сезонно-влаж¬ ных субтропиков) сели формировались в результате выпадения кратковременных очень интенсивных (24,0 мм в течение 30 мин, интенсивность 0,8 мм/мин) и более длительных, но менее интенсивных осадков (25,0 мм в течение 2 ч 30 мин, средняя интенсивность 0,17 мм/мин). 92
Таблица 2 Осадки (мм), выпавшие на северном побережье провинции Гавана в селеопасный период ноября 1976 г. Метеорологические станции 22.XI 23.XI 24.XI 25.XI Сан-Луис 19,8 9,7 107,5 Сан-Делисиас 117,5 Кохимар 9,0 97,0 Сан-Хосе 13,5 54,0 119,0 Карабальо 6,0 13,0 3,0 82,3 Серхио-Гонсалес 22,0 8,8 50,0 Сан-Франсиско 15,0 28,5 70,5 Хигуабо 19,9 11,0 125,1 Рио-Бланко 15,0 4,9 Лас-Кавилас 20,6 1,0 9,0 79,0 Овьедо 16,0 61,0 Конде 7,0 5,0 60,0 Данные экспериментальной станции "Табако негро" в Сан-Хуан и Мартинес в провинции Пинар-дель-Рио, ведущей наблюдения за эрозией почв, свидетельствуют об активном смыве почвенно-грунтового слоя во время ливневых осадков. Так, за один ливень 12 октября 1971 г. (выпало в течение 4 ч 30 мин 137 мм при средней интенсивности 0,51 мм/мин) с экспериментальных делянок, имеющих уклон поверхности 4°, было снесено 43 т/га грунта (делянка задернована) и 59,9 т/га (делянка не задернована) [6]. Таким образом, анализ климатических условий северного побережья провинции Гавана свидетельствует о том, что они в целом благоприятны для формирования селей. О коли¬ честве осадков, выпавших в рассматриваемом нами районе в селеопасный период, можно судить по данным близлежащих метеорологических станций (табл. 2). Из них видно, что период с 22 по 25 ноября изобиловал осадками, причем на отдельных участках 24 и 25 нояб¬ ря количество осадков приближалось к среднесуточным максимумам, повторяющимся лишь раз в 10 лет. Этому интервалу предшествовал период почти без дождей, длившийся с 5 по 20 ноября. Существенную роль в формировании этих селей, вероятно, сыграло то обстоятельство, что интенсивные дожди шли на протяжении нескольких дней. Это обеспечило малые потери воды на инфильтрацию в конце дождливого интервала, поскольку аккумулирующие емкости трещин и карстовых полостей известняков водосборного бассейна уже были заполнены. Это резко увеличило коэффициент поверхностного стока и подвижность сильно увлажненного материала в конце дождливого периода. К тому же обилие осадков и их интенсивность увеличились именно во второй половине этого интервала. Из практики наблюдений за селями известно, что возможность схода водокаменных селей увеличи¬ вается, если интенсивность осадков возрастает к концу ливня, когда уже высока насыщен¬ ность влагой почвогрунтов и резко повышается коэффициент стока. Судя по фракционному составу наносов в конусах выноса, рассматриваемые селевые паводки принадлежали к типу грязекаменных, т.е. они представляли собой поток со взве¬ шенными песчано-глинистыми частицами и влекомым крупнообломочным материалом (щебень, галька). Валуны и глыбы передвигались при этом скачкообразно под действием повышенных скоростей, возникавших при прохождении суженных участков долин или прорыве нагромождений обломков в русле. По размеру селевого выноса они должны быть отнесены к типу мелких селей. Обильные осадки, выпавшие 25 ноября, не вызывали форми¬ рования селей, так как рыхлый материал, подготовленный выветриванием и склоновыми процессами в межселевой период, был уже вынесен из долин 24 ноября. Итак, специфическими особенностями указанных селей являются следующие. 1. Формирование в условиях равнинного рельефа (относительные высоты 70 м), облада¬ ющего невысокой энергией по сравнению с горным. Кроме того, в долинах равнинных рек, как следует из расчета водного баланса [7], подземный сток превосходит поверхностный. 2. Формирование на полуобнаженных известняках, интенсивно проработанных карсто¬ вым процессом, с карстовыми полостями и, следовательно, имеющих высокую инфильтра- ционную способность и низкий коэффициент поверхностного стока. 93
3. Наличие относительно небольшого количества рыхлого материала в долинах из-за гипергенного процесса его цементации и образования пустынных кор. Перечисленные особенности принадлежат к числу факторов, неблагоприятных для селе- формирования. И вместе с тем совокупность всех природных условий вызывает периоди¬ ческое возникновение селей. Сели эти по генетической классификации [8] относятся к дождевому типу зонального проявления. Главным фактором их формирования является климатический. По масштабам они относятся к категории микроселей, а селевая актив¬ ность территории, при оценке которой учитываются повторяемость и объем селевых выносов, может быть оценена в 3 балла, что и показано на карте, составленной под руководством В.Ф. Перова [9, 10]. Однако сочетание разнообразных орографических, климатических, гидрометеорологи¬ ческих условий Кубы может вызывать сход селей значительно большей разрушительной силы, чем рассмотренные микросели. Здесь имеются территории, селевая активность кото¬ рых должна быть оценена более высокими баллами, чем на упомянутой карте [10]. Так, максимальное количество осадков на Кубе достигает 2800-3000 мм в год, т.е. в 2-2,5 раза превышает те, при которых сформировались сели в рассмотренном районе. Их выпадение характеризуется неравномерным распределением по времени года и преобладанием осадков ливневого характера. При этом большое количество осадков приурочено к горным районам, где высоки энергия рельефа и уклоны поверхности, а относительные превышения в десятки раз пре¬ восходят рассмотренные выше. Эрозионные формы представлены там речными долинами, более крупными и протяженными, чем овраги северного побережья провинции Гавана. Уклоны их днищ существенно превышают нижний характерный сел сформирующий уклон (0,1), поверхностный сток в реках превосходит подземный и коэффициент корреляции полного речного стока с осадками составляет 0,9 [7]. Высота гор достигает почти 2000 м, а с высотой, как известно, возрастает объем выноса материала с единицы площади бассейна. Геологические условия горных районов также значительно более благоприятны для формирования рыхлых отложений - твердой составляющей селей. Высокая интенсивность химического выветривания и широкое распространение магматических и изверженных по¬ род обеспечивают обилие тонкого рыхлого материала, что в сочетании с большим количеством осадков вызывает высокую подвижность его на склонах и развитие процесса "тропической солифлюкции" [11], обеспечивающей высокие скорости его перемещения в днища долин. Важным дополнением к этим факторам является широкое развитие антропогенных ландшафтов, возникших на месте сведенных лесов, занимающих в настоящее время лишь 8% площади страны [12]. И хотя леса сохранились главным образом в горных районах, со¬ четание прочих природных условий в горах чрезвычайно благоприятно для формирования селей, так как именно на склонах, а не на плакорных участках наблюдаются максимальные скорости выветривания коренных пород [11], т.е. подготовки твердой составляющей селей. К этим факторам добавляется и активность оползневых процессов в горах. Оползни не только поставляют рыхлый материал для селей, но и могут быть дополнительным фак¬ тором, создавая запруды на реках, прорыв которых может сам по себе вызвать сель. Наиболее мощными из метеофакторов являются, по всей вероятности, тропические цик¬ лоны - с 1800 по 1966 г. прошло 35 ураганов, из них 10 с наибольшей интенсивностью 65-100 м/с. Ураганам подвержены горные районы востока страны. Они приводят в действие дополнительные механизмы, усиливающие селеформирование, такие, как оползни, наво¬ днения, нагон морских вод. В совокупности эти факторы вызывают, вероятно, чаще селевые паводки, чем обычные. Судя по составу горных пород, представленных помимо известняков глинистыми и кре¬ мнистыми сланцами, спилитами, диабазами, андезитами, туфами, образующими при вывет¬ ривании гранулометрически мелкий материал, в горных регионах Кубы могут образовы¬ ваться также структурные, или грязевые, сели. Имеются наблюдения, подтверждающие возможность схода селей значительной мощнос¬ ти. Так, устье р. Юмури (провинция Ориенте) в результате урагана 1957 г. оказалось на¬ столько занесено крупнообломочными наносами, что по реке прекратилось движение па¬ роходов, ранее проходивших до плато Майей, т.е. на расстоянии 3-4 км от устья в глубь долины. Из-за этого пришлось отказаться от сельскохозяйственного использования земель в бассейне реки, так как стал невозможен вывоз продукции. Кроме того, X. Матео наблюдал обширные участки наносов в устьевых частях не¬ больших долин гор Сьерра-Маэстра. Площади и объемы аккумулированного материала не 94
соизмеримы здесь с величиной водотоков, дренирующих долины: при ширине русла 2 м площадь устьевой аккумуляции имеет ширину до 1 км и длину 3 км. Крупный размер обломков, лежащих на поверхности, свидетельствует об их селевом происхождении, а не о принадлежности к отложениям "тропической солифлюкции", которыми заполнены днища многих долин. Подводя итог анализу существующих в горных районах Кубы факторов, благоприятных для селеобразования, следует заключить, что здесь, как и в иных подобных регионах влаж¬ ных тропиков Земли, могут формироваться сели. Масштабы и частота их проявления, по- видимому, значительно превышают закартографированные нами на равнине Кубы, так как и площади бассейнов, и размах высот в долинах горных рек значительно больше, и воз¬ никают они на территориях, сложенных породами, весьма благоприятными для формиро¬ вания твердой составляющей селей. Селевая активность этих территорий должна быть оценена не менее чем в 4-5 баллов по шкале, предложенной В.Ф. Перовым [8] и использованной в легенде карты селевой опас¬ ности [10], что рассматривается как средний уровень активности. При этом возможны все [8] механизмы их зарождения: эрозионный, прорывной, обвально-оползневой. Кроме того, на этих территориях следует ожидать формирования не только дождевых селей зонального проявления, но и селей регионального [8] проявления, обусловленных достаточно высокой сейсмичностью (4-5 баллов на Кубе и выше в других горных регионах тропической зоны). СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Постоленко Г.А., Роберто дель Бусто, Луиса Инъегес. Характер и особенности развития селевых процессов на Кубе // Вести. МГУ. Сер. геогр. Деп. ВИНИТИ. 1240. 1980. № 4. 2. Nunies Jimenez. Erosion contra Cuba// Mundo Cientifico. Londrez. 1964. 8 (2). C. 1-12. 3. Nunies Jimenez. Erosion desgasta a Cuba // Institute del Libro. Cuademos populares. 1968. 34 c. 4. Матео X.M. Ландшафтный анализ равнин Кубы // Вести. МГУ. Сер. геогр. 1978. № 2. С. 51-57. 5. Национальный атлас Кубы. М., ГУ ГК, 1972. 6. Radkov R.D., Efren lsnaga у otr. Estudio sobre la erosion en la Estacion Experimental del Tabaco Sun Juan у Martines. La Habana: Institute del Suelo de Academia de Ciencias de Cuba, 1973. 134 c. 7. Гонсалес Х.И. Средний многолетний сток и водный баланс Западной Кубы // Вести. МГУ. Сер. геогр. 1979. № 3. С. 57-64. 8. Перов В.Ф. Селевые явления. Терминологический словарь. М.: Изд-во МГУ, 1996. 45 с. 9. Перов В.Ф. Основные особенности селевых явлений севера Евразии и их распространение на Земле // Жизнь Земли. М.: Изд-во МГУ, 1997. Вып. 30. С. 108-120. 10. Perov V.F., Artjuhova I.S., Budarina O.I. and oth. Map of the world mudflow fenomena. Debris flow hazards mitigation: mechanic prediction assessment // Preceeding of First International Conference San Fransisco, 7-9 august 1997. N.Y., 1997. P. 322-331. 11 .Лилиенберг Д.А. Основные закономерности тропического морфогенеза Кубы // Бюллетень МОИП. Отд. геол. 1973. Вып. 2. С. 37-44. 12. Нуньес Хименес Антонио. География Кубы. М.: Прогресс, 1972. 307 с. Московский государственный университет Поступила в редакцию Географический факультет 05.03.99 CONDITIONS AND CHARACTERISTIC FEATURES OF MUDFLOWS ON THE PLAINS OF THE TROPICAL ZONE (TAKING CUBA AS AN EXAMPLE) G.A. POSTOLKNKO Sum m a г у The author has carried out field observations of mudflows on Cuba - in the tropical zone with very peculiar conditions. The analysis of these conditions, location of young alluvial fans, and general analysis of physical geographical conditions indicate that the range of mudflows in the mountainous areas of Cuba and other tropical regions is larger than that on the lowland of Habana-Matanas, where mudflows described were observed. 95
Главный редактор Д.А. Тимофеев Редакционная коллегия: А.М. Берлянт, В. Вад. Бронгулеев, В.А. Брылев, А.П. Дедков, Ю.В. Ефремов, П.А. Каплин, А.Н. Ласточкин, Е.В. Лебедева (отв. секретарь), Э.А. Лихачева, А.Н. Маккавеев (зам. гл. редактора), Ю.А. Павлидис, Г.И. Рейснер, Ю.П. Селиверстов, Ю.Г. Симонов, Г.Ф. Уфимцев, Г.И. Худяков, Р.С. Чалов, В.П. Чичагов Зав. редакцией Е.А. Карасева тел. 238-03-60 Технический редактор Т.Н. Смолянникова Сдано в набор 16.08.2000 Подписано к печати 13.10.2000 Формат бумаги 70 х 1007i6 Офсетная печать. Усл.печ.л. 7,8 Уел. кр.-отт. 2,4 тыс. Уч.-изд.л. 9,0 Бум.л. 3,0 Тираж 297 экз. Зак. 4095 Свидетельство о регистрации № 0110281 от 8 февраля 1993 г. в Министерстве печати и информации Российской Федерации Учредители: Российская академия наук. Отделение океанологии, физики атмосферы и географии РАН. Институт географии РАН Адрес редакции: 109017 Москва, Ж-17, Старомонетный пер., 29 Институт географии РАН, тел. 238-03-60 Адрес издателя: 117864, Москва, Профсоюзная ул., 90 Отпечатано в ППП "Типография "Наука", 121099, Москва, Шубинский пер., 6
Индекс 70215 ПОМОЩЬ НАУЧНЫМ ДЕЯТЕЛЯМ Российское авторское общество (РАО) - некоммерческая общественная организация, управляющая в соответствии с законом Российской Федерации “Об авторском праве и смежных правах” имущественными правами российских авторов на коллективной основе и находящаяся под покровительством Президента России (пункт 2 Указа Президента Россий¬ ской Федерации от 07.10.93 г. № 1607 “О государственной политике в области охраны авторского права и смежных прав”). К сожалению, наша страна переживает сейчас тяжелый период выхода из кризиса, пере¬ смотра ценностей, как материальных, так и духовных. В новых экономических условиях людям творческого склада приходится особенно тяжело. Необходимо надежно защитить творения их ума и таланта, чтобы они смогли дождаться своего времени и найти своих по¬ клонников, почитателей, спонсоров. В целях оказания правовой помощи авторам, защиты их от плагиата РАО производит депонирование и регистрацию авторских произведений как объектов интеллектуальной собственности. Производится регистрация и депонирование научных произведений (кандидатских, магистрских и докторских диссертаций, рукописей статей, брошюр, мо¬ нографий, иных научных работ, текстов научных речей, докладов, авторских описаний алгоритмов, научных и технических проектов рукописей учебных и методических по¬ собий и т.п.). После регистрации автор (или его правопреемник) получает один экземпляр своего произведения с отметкой о его депонировании в РАО, а также специальное Свиде¬ тельство о депонировании и регистрации произведения в РАО, которое может быть ис¬ пользовано автором в качестве важного доказательства своих прав в соответствии со статьями 49, 50, 53, 54, 56, 63 и 67 Гражданского процессуального кодекса Российской Федерации. Второй экземпляр произведения и дубликат Свидетельства хранятся в архиве РАО. Задепонированный экземпляр произведения хранится, как минимум, десять лет, причем ни он сам, ни сведения о том, кто является его автором, без разрешения автора никому не предоставляются. По желанию автора задепонированный в РАО экземпляр произведения может быть направлен в порядке, предусмотренном статьями 64 и 65 Гражданского процессуального кодекса Российской Федерации в качестве весомого до¬ казательства в суд или прокуратуру, что позволяет надежно защитить автора от “кражи” его произведений. Специалисты РАО всегда готовы оказать правовую помощь авторам, их правопреемни¬ кам и иным лицам, заинтересованным в законной реализации и эффективной защите авторских прав. Кроме того, РАО выступило одним из учредителей Российского общества по мульти¬ медиа и цифровым сетям (РОМС), создание которого получило одобрение и поддержку Правительства Российской Федерации. РОМС стало первой и единственной в России организацией, призванной осуществлять в соответствии со статьями 44-47 Закона Россий¬ ской Федерации “Об авторском праве и смежных правах” профессиональное коллективное управление при использовании научных произведений в цифровых сетях, в том числе в Ин¬ тернете, а также при создании и использовании продуктов мультимедиа. РОМС будет отслеживать использование произведений в Интернете, принимать меры для пресечения незаконного использования, собирать с пользователей и выплачивать причитающееся авторам и их правопреемникам вознаграждение, совершать иные действия по реализации и защите авторских прав своих членов. Членами РОМС могут стать любые российские авторы, их правопреемники, издательства, а также иные правообладатели. Более подробную информацию можно получить на сайте Российского авторского обще¬ ства www.rao.ru или по телефону: (095) 203-52-44. «НАУКА» ISSN 0435-4281 Геоморфология, 2000, № 4