Содержание к диссертации
Введение
1.1. Общие подходы к оценке современной денудации горных стран 10
1.2.Соотношени стока взвешенных и влекомых наносов. 14
1.3.Оценка денудации по стоку взвешенных наносов 15
1.4. Оценка влияния различных факторов на денудацию 18
1.5. Количественная оценка темпов различных процессов 23
Глава 2. Принципы и методические подходы, использованные в исследовании
2.1. Общие принципы изучения процессов денудации горных стран 27
2.2. Оценка интенсивности денудации по стоку взвешенных наносов 29
2.2.1. Выделение речных бассейнов 35
2.2.2. Факторный анализ 38
2.3. Интенсивность экзогенных процессов 47
Глава 3. Краткая геологическая и орогидрографическая характеристика горных стран . 54
3.1. Кавказ 54
3.1.1. Общее положение 54
3.1.2. Рельеф и геологическое строение 54
3.1.3. Климат, почвы и растительность 63
3.1.4. Поверхностные воды 69
3.2. Памиро-Алай 73
3.2.1. Общее положение 73
3.2.2. Геологическое строение и рельеф 74
3.2.3. Климат, почвы и растительность 78
3.2.4. Поверхностные воды 82
3.3. Тянь-Шань 84
3.3.1. Общее положение 84
3.3.2. Геологическое строение и рельеф 84
3.3.3. Климат, почва и растительность 89
3.3.4. Поверхностные воды 95
Глава 4. Пространственная оценка величины современного денудационного среза гор Кавказа и Средней Азии
4.1. Кавказский регион (Большой Кавказ, Малый Кавказ, Предкавказье и предгорные равнины и низменности) 98
4.2. Горы Средней Азии (Тянь-Шань, Памиро-Алай, предгорные равнины). 103
4.2.1. Пространственная оценка величины современного денудационного среза Памиро-Алая. 103
4.3. Пространственная оценка величины современного денудационного среза Тянь-Шаня 108
4.4. Пространственная оценка распределения экзогенных процессов 112
4.4.1. Низкогорье 116
4.4.3. Высокогорья 122
4.5. Общая картина денудации в горах Кавказа и Средней Азии 125
Глава 5. Особенности пространственной неравномерности современной денудации в горах Кавказа и Средней Азии, и факторы, её определяющие 126
5.1. Введение 126
5.2. Роль различных факторов в распределении величины современного денудационного среза гор Кавказа. 131
5.2.2. Роль основных факторов на различных высотах. 136
5.3. Горы Средней Азии (Тянь-Шань, Памиро-Алай, предгорные равнины). 140
5.3.1. Общие закономерности влияния факторов на Памиро-Алае. 140
5.3.4. Влияние различных факторов на темпы денудации в различных высотных поясах Тянь-Шаня. 149
5.4. Общие и региональные особенности влияния различных факторов на темпы денудации в горах Кавказа и Средней Азии 153
Заключение 160
Список литературы 163
- Оценка влияния различных факторов на денудацию
- Оценка интенсивности денудации по стоку взвешенных наносов
- Поверхностные воды
- Горы Средней Азии (Тянь-Шань, Памиро-Алай, предгорные равнины).
Оценка влияния различных факторов на денудацию
В спектре проблем изучения геоморфологии горных стран, вопросы оценки современной денудации занимают важное место, что обусловлено не только их ролью в пониманию особенностей формирования рельефа территории и механизмов формирования различных катастрофических процессов, в наибольшей мере преобразующих рельеф горных стран, но важное прикладное значение в связи с необходимостью учёта темпов и пространственного распространения различных экзогенных процессов при строительстве, решении гидроэнергетических проблем, в сельском хозяйстве и других видах деятельности. Климатические изменения, отчётливо проявляющиеся в последние десятилетия, также должны учитываться, как при количественной оценке различных экзогенных процессов в различных высотных поясах гор, так и прогнозировании возможных изменений их долевого вклада в суммарную денудацию.
К настоящему времени достаточно полно изучен набор основных экзогенных процессов, характерный для различных высотных поясов гор, выявлены и в ряде случаев в достаточной мере изучены механизмы взаимодействия отдельных процессов денудации, хорошо разработаны вопросы геоморфологического картирования с выделением областей распространения форм рельефа, сформированных различными экзогенными процессами (Seijmonsbergen, de Graaff, 2006).
В последние десятилетия в связи с совершенствованием методов количественной оценки интенсивности различных денудационных процессов и расширением сети мониторинга отдельных экзогенных процессов или всего комплекса процессов денудации, появились достаточно надёжные данные о соотношении процессов сноса и переотложения наносов в речных бассейнах различных высотных поясов гор. Для оценки перераспределения материала внутри речного бассейна обычно используется балансовый подход, основанный на выявление объёмов перемещённого и переотложившегося материла (рис. 1.1) (Lpezarazn, 2012, Stubblefield, 2009).
Также крупномасштабное геоморфологическое картирование используется для оценки перераспределения наносов на малых водосборах. Для этого проводится детальное картирование форм рельефа, как площадных, так и линейных, результаты которого используются для оценки путей перемещения и переотложения материала внутри исследуемого водосбора (рис. 1.2). В результате возникает возможность на основе использования геоморфологической карты оценить приблизительно долевой вклад различных экзогенных процессов в формирование стока наносов рек. Данные количественных наблюдений за темпами различных экзогенных процессов с использованием современных технологий, как например, 3D сканирование, а также данные темпов аккумуляции с использованием современных радионуклидных методов датировки отложений, позволит оценить долевой вклад различных процессов в абсолютных величинах (Theler, Reynard, 2011).
По геолого-геоморфологическим исследованиям горных стран, начавшимися еще в первой половине XIX века, накопилось многочисленное количество работ. Однако интересующий нас вопрос денудации горных территорий изучен неравномерно.
Легенда: (1) осыпь; (2) коллювиальные отложения; (3) оползень; (4) покрытые растительностью осыпные конусы; (5) склоны подверженные оползневым процессам; (6) интенсивно протекающие оползни; (7) скалы лишенные растительности; (8) русло временных водотоков; (9) аллювиальные отложения; (10) интенсивные участки эрозии; (11) неактивной эрозия берегов; (12) ущелье; (13 и 14) оврагообразование; (15 и 16) морены голоцена и позднеледникового периода; (17 и 18) нивальные процессы; (19) валуны; (20) небольшие ледниковые уступы; (21 и 22) откосы; (23 и 24) тектонический сдвиг; (25) участки покрытые почвой; (26) осадконакопление; (27) наносы, образованные в результате деятельности снежных лавин; (28) лавинный коридор; (29) родники; (30) реки; (31) дамбы; (32) второстепенные дороги. Значительная часть экзогенных процессов, даже таких интенсивных по объёму перемещаемого материала, как осыпи, оползни, сели, в значительной мере являются агентами местного переноса вещества, преимущественно к подножиям склонов или в днища крупных речных долин, где происходит переотложение основной доли наносов (рис. 1.3). Другая часть наносов, переносимых временными и постоянными водотоками, в том числе и поступившими в водотоки в результате деятельности неэрозионных процессов, транспортируется на значительные расстояния.
Сток взвешенных и влекомых наносов (Higgitt, Lu, 2001) из стока взвешенных наносов, переносимых во всей толще потока, и влекомых наносов, перемещаемых потоком в придонном слое. Причем доля донных наносов согласно результатам различных исследований в горных странах колеблется в широких пределах (табл. 1.1), но в среднем составляет порядка 30-40%. Если на равнинах соотношение влекомых к взвешенным наносам изменяется в пределах 2,5-45 %, то в горах оно может возрастать в несколько раз. Сложность определения точного количества стока донных наносов и отсутствие таких наблюдений на большинстве постов режимных наблюдений за стоком воды и наносов не позволяет достоверно учитывать их при оценки суммарного стока наносов. Однако, принимая во внимание степень различий в транзитности взвешенных и влекомых наносов, вполне допустимо для оценки общего объёма материала, выносимого за пределы конкретного водосбора (т.е. ниже по течению от створа измерения расхода воды и наносов) использовать только сток взвешенных наносов, который в любом случае для конкретного створа на реке в среднемноголетнем разрезе достаточно тесно коррелирует со стоком влекомых наносов (Хмаладзе, 1978).
Оценка интенсивности денудации по стоку взвешенных наносов
Сток наносов складывается из двух составляющих – русловой, формирующейся за счет эрозии дна и берегов реки, и бассейновой, образованной действием различных агентов денудации на поверхности водосбора. Очевидно, что основной вклад в горных странах вносится бассейновой составляющей стока наносов. Определение объема наносов бассейнового происхождения возможно при наличии информации о площади распространения и интенсивности основных экзогенных процессов, происходящих в пределах конкретного водосбора. Это возможно при наличии тщательных стационарных или полустационарных наблюдений за темпами различных процессов на специально подготовленных участках и проведения морфодинамического картирования исследуемого, основанного на выделении участков с преобладанием какого-либо экзогенного процесса.
Точность расчетов в основном зависит от техники и методики стационарных исследований, а также от способа экстраполяции полученных на стационарах величин интенсивности процесса на весь речной бассейн.
Поскольку достаточно затруднительно организовать и провести стационарные или полустационарные наблюдения за темпами различных экзогенных процессов, то можно распространять уже имеющиеся результаты наблюдений, полученные для конкретных объектов, считая, что они соответствуют средним темпам развития экзогенных процессов, на другие территории, но с учётом различий литологии и климатических характеристик.
Имеются некоторые количественные оценки долевого вклада различных экзогенных процессов в денудацию горных стран на разных высотах (табл. 2.5). По этим данным на территории малых водосборов горных стран лавины, движение ледников, эрозия почв (под действием антропогенной деятельности) и сели выполняют большую работу по снижению территории. Карстовые явления приурочены к карбонатным породам, суффозионные, солифлюкционные, дефлюкционные явления развиты слабо. К тому же последние два процесса характерны лишь для высокогорной зоны. Данные получены разными авторами по результатам стационарных и полустационарных исследований в горных странах, принадлежащих к зоне альпийской складчатости (Альпы, Кавказ, Тянь-Шань, Гималаи) и являются, в первую очередь, по геолого-геоморфологическим условиям репрезентативными для бассейнов малых рек Кавказско-Среднеазиатского горного пояса.
Определение роли различных экзогенных процессов в перемещении материала на склонах бассейнов горных рек осуществляется путем определения площади и интенсивности развития экзогенных процессов. Интенсивность развития экзогенных процессов, как уже было сказано выше, в нашем случае, является постоянной. Одним из методов выделения площадей различных экзогенных процессов является космическая съемка. К достоинствам и преимуществам использования аэрокосмических снимков относятся достоверность, точность и комплексность, недостаткам - сложность выделения некоторых экзогенных процессов, таких как оползневые, обвальные тела и селевые потоки, из-за своих небольших размеров.
Для распознавания ареалов ведущих экзогенных процессов наиболее удобны увеличенные (масштабом более 1:100000), повышенной контрастности и хорошего качества отпечатки космических снимков и аэрофотоснимки (Верещака, 1990). Таблица 2.5. Интенсивность различных экзогенных процессов в горных поясах в т/га в год Экзогенный процесс Предгорье и низкогорье (200-1500) осветления при слабом смыве к линейно-площадным ареалам среднего и линейным участкам сильного смыва. Поскольку этот метод дешифрирования зависит от человеческой интуиции, анализ снимка должен проводиться очень тщательно. Дешифрирование снимка по косвенным признакам выполняется на основе информации о наличии или отсутствии связанных с объектом косвенных признаков. Так, границы эродированных почв напрямую связаны с такими факторами почвообразования, как рельеф и растительность. Однако применение этого метода требует глубоких знаний взаимосвязей между используемыми косвенными признаками и самим объектом. Помимо визуальных методов дешифрирования космических снимков, для анализа данных дистанционного зондирования применяют также автоматические методы, реализованные в специальном программном обеспечении. Хотя эти методы и не могут полностью заменить собой традиционные способы дешифрирования, у них есть определённые преимущества, к которым можно отнести повторяемость результатов, определение большого числа оттенков серого цвета, возможность проведения количественного анализа и т.д.
Поверхностные воды
На юго-западных склонах Большого Кавказа нижний пояс представлен реликтовыми колхидскими широколиственными лесами с вечнозеленым подлеском на желтоземах, красноземах и подзолисто-желтоземных почвах. Основу этих лесов составляют каштан, дуб грузинский, бук восточный, граб кавказский. Выше колхидский лес сменяется широколиственным из разных пород (дуб, каштан, граб, клен, ясень, липа, ильм) на горных буроземах, переходящим в буковый лес. Он, в свою очередь, уступает место смешанному, а затем темнохвойному также нагорных буроземах. Верхние части гор, как и на северном склоне, заняты субальпийским, альпийским и гляциально-нивальным поясами (Гвоздецкий, 1974, Гулисашвили, 1964).
В пределах низкогорного пояса Кавказа, представленный лесо кустарниковыми ландшафтами, которые в зависимости от давности вырубки лесов находятся в различной стадии трансформации. Климатические и рельефно-почвенные условия данного ландшафта весьма благоприятны для развития богарного земледелия, выращивания озимой пшеницы, картофеля, для садоводства, виноградарства и др., местами с применением террасирования склонов. Участки ландшафтов, характеризующиеся неблагоприятными условиями рельефа (в основном крутые, каменистые и аридные расчлененные территории) используются под пастбища и сенокосы.
В пределах данного типа ландшафта почвенный покров местами Рис. 3.6. Изменение количества дней с переходом температуры через ноль градусов на территории Кавказа сильноэродирован. На территории полупустынных ландшафтов практически отсутствуют участки в той или иной степени не подверженных антропогенному воздействию. Ландшафты грязевых вулканов Малого Кавказа практически не затронуты в хозяйственном обороте. Большая плотность их распространения и интенсивность извержений приводит к резкому расчленению рельефа, образованию особого типа литологической основы с высоким содержанием солей, что способствует развитию малопродуктивных почв. Вследствие этого, кратерные и привершинные площади вулканов, покрытые свежей и, частично, молодой брекчией практически не находят применения в сельскохозяйственном обороте. На склонах, покрытых древней брекчией со слабым почвенным покровом с разнообразной растительностью, которая может быть использована в качестве пастбищ. В целом, в низкогорье антропогенное влияние носит сезонный характер, достигая своего максимума в зимний и весенний периоды, то есть во время выпадения наибольшего количества атмосферных осадков и практически прекращается в летний (Гулисашвили, 1964).
В среднегорном поясе более благоприятные участки рельефа с гумидным и полугумидным климатами широко используются под богарное земледелие (зерновые, виноград, картофель, подсолнечник и др.). Крутые склоны, неблагоприятные для развития земледелия, и более аридные зоны Большого Кавказа широко используются как пастбища, причем в некоторых регионах выпас скота превышает норму в 3-5раз (Гулисашвили, 1964).
Альпийские и субальпийские луга высокогорий используются как пастбища. С конца 19 в. данные участки подверглись пастбищной нагрузке. Растительность стравливалась, вследствие чего образовалось много незакрепленных или полузакрепленных склонов, способствующих возникновению бедлендов. Такая хозяйственная деятельность только усилила эрозию и смыв почвенного покрова со склонов во время ливней, вела к учащению селей. Так, к природным процессам присоединились склоновые процессы, вызванные антропогенным фактором (Молчанов, 1989).
Другим немаловажным климатическим фактором является переход средней суточной температуры воздуха через 0С. От перехода температуры воздуха через 0С весной зависят не только сход снежного покрова, просыхание почвы и вскрытие рек, но и температурное выветривание, которое вызывает изменение объема составных частей пород, приводящий к их разрушению и сход лавин. Наибольшее количество дней с переходом температуры через нуль градусов на Кавказе наблюдаются в высокогорной ее части (рис. 3.6) и составляет в среднем более 60 дней, на территории Малого Кавказа 50-60 дней. В прибрежных районах Черного моря оттепели и заморозки в среднем встречаются 5-15 дней, Каспийского моря – 15-30 дней. В Предкавказье колебание температуры через ноль градусов составляет 30-40 дней (Мячкова, 1983).
Горы Средней Азии (Тянь-Шань, Памиро-Алай, предгорные равнины).
Если первые перемещают материал на десятки и сотни метров, то реки — на десятки, сотни и тысячи километров. Третьи можно назвать агентами транзитного переноса, так как помимо собственно продуктов размыва берегов и дна временных водотоков, они способны перемещать и материал, поступивший в их днища с их же бортов за счёт обвально-осыпных, оползневых процессов, крипа. К зонам транзита также можно отнести подмываемые коренные берега рек, так как происходящие на них процессы денудации, во-первых, стимулируются самой рекой за счёт подмыва, а во-вторых, весь материал смещающийся за счёт проявления различных экзогенных процессов на этих склонах поставляется к их подножиям и тем самым вовлекается так или иначе в дальний перенос. Очевидно, что рельефообразующая роль этих агентов будет различной и более полное представление о ней может дать такой показатель, как уменьшение потенциальной энергии рельефа каждым из них. Собственно, к этому и сводится деятельность всех экзогенных, в частности денудационных процессов.
Широкое и повсеместное распространение экзогенных процессов требует тщательной разработки методов их исследования. В изучении экзогенных процессов в последние десятилетия важное значение приобретают аэрокосмические методы исследования. Внедрение этих методов значительно расширяет круг вопросов динамического анализа рельефа. Временные ряды снимков с различными интервалами между съёмками создают принципиально новую основу для динамического анализа (Верещака, 1990). Наконец, интерпретация снимков позволяет создавать различные карты экзогенных процессов.
В рамках данной работы приводится картирование экзогенных процессов по аэрокосмическим снимкам. Для этого необходимо выполнить тематическое дешифрирование, который включает распознавание и интерпретацию информации, отобразившейся на снимке.
Для распознавания ареалов ведущих экзогенных процессов наиболее удобны увеличенные (высокого разрешения), повышенной контрастности и хорошего качества отпечатки космических снимков и аэрофотоснимки.
Прямыми дешифровочными признаками служат форма, размер, тон, рисунок (текстура), местоположение. Признаки дешифрирования различны для денудационных и аккумулятивных форм рельефа (табл. 3.9). Гравитационные процессы характеризуются резкими и лучше распознаваемыми формами обоих типов. При медленных процессах – солифлюкция, делювиальный снос – распознаются только аккумулятивные формы. Локализация участков почвенной эрозии, имеющих осветленный тон, обычно возрастает с активизацией процессов смыва – от общего площадного осветления при слабом смыве к линейно-площадным ареалам среднего и линейным участкам сильного смыва (Верещака, 1990). Поскольку этот метод дешифрирования зависит от человеческой интуиции, анализ снимка должен проводиться очень тщательно. Дешифрирование снимка по косвенным признакам выполняется на основе информации о наличии или отсутствии связанных с объектом косвенных признаков. Так, границы эродированных почв напрямую связаны с такими факторами почвообразования, как рельеф и растительность. Однако применение этого метода требует глубоких знаний взаимосвязей между используемыми косвенными признаками и самим объектом. Помимо визуальных методов дешифрирования космических снимков, для анализа данных дистанционного зондирования применяют также автоматические методы, реализованные в специальном программном обеспечении. Хотя эти методы и не могут полностью заменить собой традиционные способы дешифрирования, у них есть определённые преимущества, к которым можно отнести повторяемость результатов, определение большого числа оттенков серого цвета, возможность проведения количественного анализа и т.д.
Одновременное получение серии снимков в нескольких зонах видимого спектра позволяет синтезировать цветное изображение, оперативно выбирая наиболее эффективные комбинации зон и цветовую гамму. На многозональных космических съёмках достаточно высоко оценивается возможность дифференциации сельскохозяйственных культур, выявление разреженного или густого растительного покрова, являющиеся причиной увеличения спектральной яркости (смытые участки) или обусловленные более низкой отражательной способностью в видимых участках спектра, приуроченных к несмытым или намытым почвам.
На основании визуального дешифрирования космических снимков и использования современных компьютерных технологий в базовом масштабе 1:10000 и 1: 50000 было выполнено картографирование ведущих экзогенных рельефообразующих процессов на примере бассейнов рек Киблаи, Куручай и Кунахайсу, расположенных на разных высотных поясах Памиро-Алая и Кавказа. Выбор данных бассейнов обусловлен тем, что имеются материалы по стоку наносов и космические снимки высокого разрешения для этих участков.
