Методика построение сложных морфометрических карт

Сложные морфометрические карты от простых отличаются тем, что перед их составлением полученные в ходе измерений массивы чисел проходят предварительную обработку. Ее содержательной частью является преобразование исходных массивов чисел в массивы морфометрических коэффициентов, математически описывающих предполагаемые связи количественных характеристик рельефа с факторами и условиями его образования. Если у простых морфометрических карт результат измерений сразу же превращаются в картографическую модель, то у сложных визуализируются некоторые представления о наличии количественных связей и отношений между формой рельефа, его происхождением, историей развития и динамикой. Особое место в этой подготовительной работе принадлежит выбору различных оценочных критериев. Все это прямо не связано с измерениями в этом заключается творческая работа исследователя и связанный с нею субъективизм. Если преобразования массивов чисел относительно просты и, главное, не содержат в себе логических противоречий, то результаты такого подхода обычно принимаются. Чтобы было легко их принять, практически всегда полезны пояснения. После того как это выполнено, выбирается способ изображения материала на картах. Для этого переработанные массивы чисел наносятся на топографическую основу. Затем проводится их пространственный анализ (делаются выборки, строятся профили и т.п.). И, наконец, выбирается цветовая легенда. Процедуры выбора легенды были описаны выше в разделе, посвященном простым морфометрическим картам. Покажем процедуру подготовки и составления сложных морфометрических карт на примере карт структуры речных бассейнов, карт с морфотектоническим содержанием и на примере составления карт степени пространственной сопряженности - картах географического соседства первого рода. Морфометрические карты при исследовании речных бассейнов. Морфометрический анализ речных бассейнов все чаще и чаще входит в программы геоморфологических исследований. Вероятно, это объясняется тем, что после работ Р. Хортона и его последователей многим бросился в глаза закономерный характер строения речных бассейнов. В международной практике морфометрическое изучение речных бассейнов принято называть Хортон-анализом. Как принято считать, в настоящее время основой анализа речных бассейнов является их разделение на группы в зависимости от порядка главного русла. Метод выявления порядков русел, предложенный Р. Хортоном, постоянно совершенствуется. Имеется ряд его модификаций. В предлагаемом руководстве используется подход, разработанный независимо друг от друга А. Стралером и В. П. Философовым. Как выяснилось в ходе проведенных нами исследований, он наиболее удачен для решения теоретических и практических задач геоморфологии. В системе Стралера-Философова, так же как и у Р. Хортона, водоток (или русло временного водотока), не получающий притоков, относится к руслам 1 порядка. Два русла 1 порядка, сливаясь, дают начало водотокам 2 порядка. По этому же правилу ниже узла слияния любых однопорядковых водотоков начинается русло более высокого порядка (порядок увеличивается на единицу). При слиянии разно порядковых водотоков образованный ниже узла их слияния водоток сохраняет тот порядок, который был у водотока, являвшегося до слияния более высоким. В общем случае, если сливаются два водотока порядка к и т (к<т), то ниже узла их слияния водоток сохранит больший порядок, то есть порядок т. Например, если водоток 2 порядка впадает в реку 5 порядка, то последняя ниже узла их слияния своего порядка не изменит. В морфометрическом анализе русла разных порядков описываются с помощью нескольких геометрических параметров, которые имеют определенный геоморфологический смысл. Самым главным из них является площадь водосбора, пропорционально которой изменяется сток воды и наносов, определяющих ход флювиальных и сопряженных с ними рельефообразующих процессов. Эти же процессы изменяются по мере изменения уклонов продольного профиля и длины русла. С уклонами связана скорость течения воды и рельефообразующая энергия водотока. Физическая сущность влияния длины водотока не столь очевидна. Однако во многих специальных работах такая связь статистически подтверждается. Одной из заслуг Р. Хортона является то, что его исследованиями установлена связь между именно этими геометрическими параметрами речных бассейнов и порядками их главных русел. Раскрывая физическую сущность этих отношений, Р. Хортон называет созданную им модель речного бассейна гидрофизической. На это следует обратить внимание, так как в физическую модель им закладываются только геометрические отношения. Оказалось, что открытые Хортоном законы содержательно сохраняются и в системе кодирования русел, предложенной Стралером и Философовым. Правда, в этой системе они имеют несколько иной вид. В других существующих в настоящее время способах определения порядков русел (в разработках Шайдеггера, Шрива и других) подобные отношения не установлены. Наличие геометрических законов, содержащих в себе геофизический смысл, открывает определенные возможности для создания большого количества сложных морфометрических карт. Все они имеют сходную логическую основу. Вначале выдвигается некоторая геоморфологическая гипотеза, в которой один из этих морфометрических параметров речных бассейнов логически должен быть связан с некоторой группой рельефообразующих факторов или условий. Построенная с учетом этой гипотезы карта сравнивается с несколькими картами иного содержания. В результате удается морфометрическими методами определить, какой из факторов и в каком месте оказывает влияние на ход процессов рельефообразования. Покажем это на примере анализа пространственного распределения речных русел, обладающих различными уклонами продольного профиля. Так как реки чаще всего имеют вогнутый продольный профиль, то обычно водотоки малых порядков, образующие верхние звенья речных систем, имеют большие уклоны по сравнению с главными водотоками. Если средние уклоны продольного профиля водотока обозначать индексом а/с, где к - порядок водотока, то:

Для наиболее часто встречающихся бассейнов отношение величин средних уклонов продольного профиля смежных разно порядковых водотоков - величина постоянная:

Если а к принять за единицу измерения, то отношения вида

образуют ряд убывающей геометрической прогрессии со знаменателем q = 2. Эти отношения были установлены еще Р. Хортоном. Их природа в данном учебном пособии не обсуждается. Сейчас важно подчеркнуть, что это давно уже установленное отношение существует для средних уклонов продольного профиля разно порядковых водотоков. И хотя абсолютные значения уклонов отдельных конкретных водотоков могут изменяться от бассейна к бассейну, внутрибассейновые соотношения средних уклонов остаются неизменными. В каждом из речных бассейнов достаточно крупного порядка существует строго определенная система притоков, состоящих и множества бассейнов 1, 2 и других более высоких порядков. Число последних с увеличением их порядка закономерно убывает. Можно считать, что каждый из притоков входит в определенную группу одно порядковых водотоков данного бассейна. И для каждого из них можно измерить его уклон, а затем определить и среднее значение уклонов для данной группы. Естественно предположить, что может существовать некоторое разнообразие уклонов у реально существующих водотоков. Измерив каждый из них, мы получим массив чисел. Для кий к среднему, можно рассматривать как нормальные или фоновые, а те из них, которые достаточно сильно отличаются от среднего, должны иметь некоторую причину, вызывающую это отклонение. Для выявления этих причин необходимо выдвинуть геоморфологически правда подобную гипотезу, которую можно будет проверить, составив морфометрическую карту соответствующего содержания. Назовем эту карту картой распределения бассейнов малых водосборов разных порядков с различными видами отклонений уклонов продольного профиля от среднего. Выдвинем общую гипотезу для составления подобной карты. Предположим, что большие уклоны будут соответствовать тем частям бассейнов, которые сложены более стойкими по отношению к денудации породам. Или они должны быть приурочены к тектонически поднимающимся структурам. Или, наконец, они будут указывать на места, в которых уклон, может быть, связан с каким-либо иным фактором или условием образования или развития русла. Например, это может оказаться тем местом перелома продольного профиля, до которого к настоящему времени дошла регрессивно отступающая (пятящаяся) эрозия. Все варианты этой гипотезы правдоподобно и подлежат проверке.

Для того составления такой карты необходимо:

• по топографической карте выбранного масштаба нарисовать (или выделить автоматически) водотоки разных порядков и их водосборы;

• разбить их на группы по порядкам;

• измерить уклон продольного профиля у каждого из водотоков;

• найти средний уклон для данной группы (например, средний уклон водотоков 1 порядка);

• для каждого водотока найти разность величины его собственного уклона от средне группового, выразив получившуюся разницу в единицах основного отклонения (для этого необходимо провести статистический анализ измеренных уклонов, построить кривую распределения уклонов продольного профиля данной группы бассейнов);

• выбрать цветовую гамму для условных обозначений таким образом, чтобы были хорошо видны и фоновые (нормальные) бассейны, и бассейны с аномально большими или аномально малыми уклонами продольного профиля;

• если цветом закрашивать не само русло, а всю площадь водосбора, (так как это свойство характеризует не только водоток, но и определённый водосбор), то данная сложная морфометрическая карта будет обладать свойствами картограмм. При анализе речного бассейна высокого порядка те же самые операции следует выполнить с водотоками второго, третьего и более высоких порядков. Если отклонения от нормы на этой карте показать одним цветом для притоков всех порядков, можно получить уникальную карту строения речного бассейна. На ней будет показана пространственная структура распределения уклонов продольного профиля всей системы разно порядковых водотоков. Не исключено, что аномалии уклонов водотоков различных порядков будут связаны с какой-либо одной причиной. Более сложным окажется случай, если для разных водотоков мы будем иметь не одну, а несколько причин. Их раскрытие может быть полезным для решения не только фундаментальных, но и прикладных задач геоморфологии. Составленную таким образом карту можно сравнивать с геологической и тектонической картой. Тем самым можно установить, какой из рельефообразующих факторов определяет пространственное размещение бассейнов с фоновыми и аномальными уклонами продольного профиля. Если сделать такую карту для нескольких речных бассейнов, то возникнут основания для определения их сходства и различий, то есть для их классификации. Поскольку и другие морфометрические параметры разно порядковых речных бассейнов (площадь их водосбора, количество образующих их разно порядковых водотоков и бифуркационное отношение, длина разно порядковых водотоков) также характеризуются определенными законами, то можно построить серию морфометрических карт строения речных бассейнов. Указанные виды сложных морфометрических карт могут служить основой для создания классификации речных бассейнов, обладающих различной морфометрической структурой. И если удается создать классификацию бассейнов по сочетанию их пространственно-структурных признаков, то это означает, что может быть создана сложная морфометрическая карта еще одного типа - карта типов бассейнов, выделенных по разнообразию их пространственной структуры. Наиболее эффективны эти подходы при изучении строения речных бассейнов 3 и 4-ого порядков. Карты этого типа находят все большее применение на практике. Особенно они полезны при решении задач по экологической геоморфологии и при создании баз данных для системы мониторинга земель и состояния природной среды. Для бассейнов более высоких порядков подобная типологическая классификация оказывается очень сложной из-за большого разнообразия сочетаний в различных звеньях, а карта становится трудно читаемой. Морфометрические карты при анализе морфотектоники. В основе морфотектонического анализа лежит представление о блоковом строении земной коры и о том, что блоки испытывают дифференцированные движения относительно друг друга. Целью морфотектонического анализа является выявление характера этих движений. В начале проведения такого анализа необходимо выделить блоки. Блоком будем называть морфометрически обособленный участок земной коры, способный к самостоятельному тектоническому движению. Блоки можно делить на секции. Несколько блоков, объединенных в единую систему движений, будем называть мезо блоками. Мезо блоки по такому же принципу объединяются в мега блоки, а те в региональные структуры - впадины и поднятия. Представления о блоковом характере строения земной коры и о возможности обнаружения их движений возникли на примере анализа ряда горных стран, но, в принципе, не исключена возможность обнаружения блоков и на равнинных территориях. В настоящее время предложено несколько методик выделения блоков. Эти методики не противоречат друг другу и отличаются лишь небольшими деталями в предлагаемых способах проведения блока разделов. В данном пособии, посвященном морфометрии, нет возможности подробно останавливаться на этих деталях. В предлагаемом ниже варианте границы блоков проводятся по речным долинам различных порядков. Теоретическим обоснованием проведения границ блоков земной коры по речным долинам является представление о том, что речные долины с помощью механизмов избирательной эрозии закладываются по зонам тектонических нарушений. Малые реки низших порядков тяготеют к зонам сгущения тектонических трещин, которые по особенностям их строения можно разделить на порядки. В работах по Забайкалью было доказано, что местоположение речных долин, как правило, контролируется зонами трещиноватости третьего порядка, которые представляют собой сгущения сгущений элементарных трещин (Симонов, 1972). Чем крупнее река, тем большую зону она дренирует. Чем протяженнее река, тем к более глубокой зоне тектонической трещиноватости она относится. Для блока разделов характерна прямолинейность или слабая изогнутость. Некоторые из них образуют плавные дуги. Нередко отдельные линии можно проследить на многие десятки и сотни километров. Такие протяженные, связанные с тектоническими нарушениями линии, выраженные в рельефе и в ландшафте, принято называть линиментами. Прослеживая линсамент по простиранию, можно видеть, что в верховьях реки располагается глубокая седловина. По другую сторону водораздела, на продолжении линеамента, расположена еще одна речная долина, водоток которой течет в противоположном направлении.

Вся процедура измерений параметров блоков состоит из нескольких операций, которые проводятся с морфологическими характеристиками каждого из них в отдельности: 1) сначала находится самая высокая точка блока - его вершина;

Классификация по высоте:

+2) 1846 – 1676

+1) 1675 – 1505

0) 1504 - 1334

-1) 1333 – 1163

-2) 1162 – 997

И так до тех пор, пока указанная тенденция пусть очень слабо, но будет угадываться. После этого на графике следует провести линию регрессии. Ее можно получить аналитически или провести приблизительно. Во втором случае все поле точек на графике следует описать прямоугольником, и в качестве линии регрессии взять его диагональ. Линия разделит всю совокупность на две части, одна из которых будет находиться выше этой линии, а вторая ниже. После этого все поле точек с помощью четырех линий, параллельных линии регрессии, следует разделить на пять частей. Необходимо, чтобы эти линии отстояли на равном расстоянии друг от друга. Средняя полоса точек, по центру которой пройдет линия регрессии, будет включать в себя блоки с фоновой характеристикой тенденций тектонических движений блоков. Над нею будут две полосы, первая из которых будет включать точки (блоки), слабо опережающие в поднятии фоновую территорию, крайняя - блоки сильно опережающие. Две полосы, расположенные ниже фоновых, будут включать в себя блоки, отстающие и сильно отстающие в поднятии. Затем можно получить промежуточную карту-гипотезу о тектоническом строении этой территории. Последние также должны различаться. Получатся три группы цветов. И, наконец, аномальные блоки следует разделить по темпам поднятия. Чем дальше эта точка удалена от линии регрессии (расстояния измеряются по линиям, параллельным оси.у), тем более аномальным является ее положение. Такое представление о тектонической структуре будет справедливым, если считать, что все разнообразие положений точек на графике действительно определяется тектоническими движениями. Это утверждение подлежит проверке, так как более высокими могут оказаться блоки, окрестности вершин которых сложены более прочными породами, менее податливыми по отношению к агентам денудации. Учет противоденудационных свойств горных пород, выходящих на дневную поверхность, необходимо делать на основании специальных полевых исследований. Но в первом приближении их можно заменить картографическим анализом. Для этого следует провести сопоставление двух карт - геологической, в легенде которой перечисляется литологическое разнообразие горных пород, выходящих на дневную поверхность, и топографической. Все встреченные породы можно экспертным путем разделить на группы, различающиеся друг от друга по противоденудационным свойствам. Опытный геоморфолог это делает сравнительно легко. Но чтобы такое разделение было более убедительным, можно воспользоваться справочниками по физико-механическим свойствам горных пород, в которых приводятся их прочностные характеристики. Наилучшее представление о противоденудационной прочности пород дает показатель их сопротивления сдвигу. Выписав из справочника необходимые значения, весь спектр анализируемых для выбранной территории пород следует разделить на 3-5 групп. Границы между этими группами могут быть определены экспертным путем. Важно лишь, чтобы исследователь объяснил принципы своего разделения пород на группы. Правильность выделения обычно проверяется на контактах горных пород различного литологического состава. Если они действительно отличаются друг от друга, то контакт между ними должен быть выражен в рельефе в виды выпуклого или вогнутого перегиба. После этого расположим все породы в ряд возрастающей противоденудационной прочности. Каждой из групп присвоим бальный индекс прочности. Сделаем это так: 1) наименее прочные (-2 балла); 2) чуть более прочные (-1); 3) средней прочности (0 баллов); 4)относительно прочные (+1 балл); и 5) самые прочные (+2 балла). После этого с учетом положения блоков на ранее составленной карте гипотезе присвоим им баллы относительной (тектонической?) приподнятости самих блоков: 1) сильно отстающие в поднятии (-2 балла); 2) отстающие в поднятии (- 1 балл); 3) блоки тектонического фона (О баллов); 4) слабо опережающие в поднятии блоки (+ 1 балл); 5) заметно опережающие в поднятии блоки (+2 балла).