Введение
Актуальность работы. В пределах Вятско-Камского междуречья одними из самых распространенных форм рельефа являются стабильные эрозионные формы, созданные преимущественно временными водотоками. В большинстве литературных источников они называются балками. Данные формы имеют важное общегеографическое, прикладное и геоэкологическое значение.
Общегеографическая значимость балок заключается в том, что они занимают видное место в рельефе равнин, и уже поэтому привлекают к себе пристальное внимание. Кроме того, именно балочная стадия в классической схеме В.В. Докучаева «овраг - балка - речная долина» в последнее время все чаще подвергается критике.
В прикладном плане балочные формы (БФ) используются для создания с минимальными затратами многофункциональных прудов и организации противоэрозионных мероприятий, в т.ч. прогнозирования овражной эрозии.
В геоэкологическом аспекте БФ, во-первых, имеют большое значение как биотопы редких, в т.ч. реликтовых, животных и особенно растений; а также служат коридорами их миграции. Во-вторых, они являются геохимическими коллекторами загрязняющих веществ.
Цель и задачи. Цель работы - выявление пространственно-временных закономерностей формирования балочной сети и строения балочных форм на территории Вятско-Камского междуречья. Решались следующие задачи:
1) анализ природных условий, определяющих современное состояние балочной сети Вятско-Камского междуречья;
2) разработка классификации БФ Вятско-Камского региона на основе их морфологии, морфометрии, возраста и состава слагающих осадков;
3) анализ распространения БФ во взаимосвязи с другими формами рельефа;
4) временной анализ формирования балочного рельефа региона;
5) расчленение балочных отложений по литологическим и инженерно-геологическим признакам для научных и прикладных целей.
4
Фактической основой для работы послужили данные полевых исследований автора в составе комплексной физико-географической экспедиции Удмуртского госуниверситета (УдГУ) в 1996-2004 гг., археологической экспедиции в 1999-2001 гг., тематической экспедиции географического факультета «Исследования влияния геолого-геоморфологических условий на аварийность промысловых трубопроводов» в 1997-2000 гг., а также самостоятельных исследований в процессе проведения учебных ландшафтных практик в 1996-2003 гг. За период с 1996 по 2003 гг. было обследовано около 500 отдельных БФ и овражно-балочных систем (ОБС), на которых выполнено описание морфологии, морфометрии и разрезов в более чем 800 точках наблюдений. Кроме того, использованы данные института «Удмуртгипроводхоз» по 26 разрезам и скважинам в БФ.
Для построения карт балочной сети использовались крупномасштабные топографические карты, фототопопланшеты с нанесенными горизонталями и аэрофотоснимки. Некоторые карты (залесенности, густоты речной сети и т.д.) составлены автором по фондовым материалам кафедры физической географии УдГУ и литературным источникам.
Научная новизна.
1. На обширном фактическом материале построена морфогенетическая классификация БФ Вятско-Камского региона.
2. На основе анализа распространения БФ построены карты густоты и плотности балочной сети, типов овражно-балочного рельефа (ОБР); проведено районирование балочной сети Вятско-Камского междуречья.
3. Произведена типизация и картирование БФ по их плановому рисунку.
4. Разработана обобщенная графическая модель структуры балочной сети в пределах элементарного речного бассейна.
5. Представлено детальное фациальное расчленение балочных отложений Вятско-Камского междуречья на основе условий их формирования, состава и физико-механических свойств.
5
6. Обосновано выделение балочных осадков в качестве парагенетического типа со своим комплексом фаций.
Практическая ценность работы. Результаты, полученные в работе, могут быть использованы при разработке Генеральной схемы противоэрозионных мероприятий, оценке размещения прудового хозяйства; при подготовке специалистов природоохранных и физико-географических направлений. Кроме того, авторские данные полевых наблюдений ОБС нашли применение в двух прикладных научно-исследовательских работах - в разработке регламента по снижению аварийности трубопроводов от внешних воздействий, связанных с характером почв на Чутырском, Сундурско-Нязинском и Чутырско-Киенгопском нефтяных месторождениях (2000 г.). Результаты этих исследований используются при проектировании и прокладке магистральных и подводящих трубопроводов на ряде нефтепромыслов Удмуртии. Материалы, изложенные в диссертации, могут применяться в курсах геоморфологических, палеогеографических, инженерно-геологических и геоэкологических дисциплин.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. БФ занимают ведущее место в эрозионном рельефе Вятско-Камского региона, специфика которых обусловлена колебанием природных условий в течение неоплейстоцена - голоцена, а также антропогенной деятельностью.
2. Анализ морфолого-морфометрических характеристик, генезиса и состава осадков, выполняющих БФ, позволяет подразделить их на две группы, четыре типа, восемь видов и ряд разновидностей.
3. В обобщенной графической модели структуры балочной сети в пределах элементарного речного бассейна преобладающими являются соотношения «ложбина-лощина-балка» и «ложок-лог-логовина-балка».
4. Распространение БФ на исследуемой территории является крайне неравномерным, что, в первую очередь, определяется особенностями рельефа и климатическими условиями неоплейстоцена-голоцена и, во вторую,
6
хозяйственной деятельностью человека. В истории формирования БФ выделено четыре морфодинамических периода.
5. Различия в строении и свойствах балочных отложений позволяют выделить комплекс фаций и инженерно-геологических элементов, специфичность и условия образования которых достаточны для выделения парагенетического типа балочных осадков - транслювия.
6. Среди отложений, выполняющих элементарный речной бассейн (коренные породы, осадки склонов, водоразделов и речных террас), максимальной коррозионной активностью отличаются балочные делювиальные и пролювиальные отложения, способствуя высокой аварийности трубопроводов. Балочные системы являются наиболее загрязненными урочищами в пределах ландшафта речной долины.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на семинарах молодых ученых (Ижевск, 1997, Вологда, 2000, Пермь 2002, Казань, 2002, Брянск, 2004), на пленарных совещаниях и научно-практических конференциях Межвузовского научно-координационного совета по проблеме эрозионных, русловых и устьевых процессов при МГУ (Уфа, 1999, Санкт-Петербург 2001, Курск, 2003, Ульяновск, 2005), конференции «Музей: история и современность» (Ижевск, 2000), межведомственной конференции «Геологические, геофизические и геохимические исследования юго-востока Русской плиты» (Саратов, 2001), международной научно-практической конференции «География и регион» (Пермь, 2002). Кроме того, они представлялись на конференциях локального и регионального уровня по вопросам геоэкологии и экзогенного рельефообразования: «Динамика и взаимодействие природных и социальных сфер Земли» (Казань, 1998), «Проблемы региональной экологии» (Москва, 1999), Четвертая и Пятая Российская университетская академическая научно-практическая конференция (Ижевск, 1999, 2001), «Идеи В.В. Докучаева и современные проблемы сельской местности» (Смоленск, 2001), «Вопросы физической географии и геоэкологии
7
Урала» (Пермь, 2002), «Теоретические и прикладные вопросы изучения и использования почвенно-земельных ресурсов» (Минск, 2003).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 23 работы, в т.ч. 9 статей.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав основного текста и заключения общим объемом 106 страниц. Она включает приложение (24 стр.), содержит 108 рисунков и карт, 26 таблиц по тексту, а также 10 рисунков, 10 карт и 4 таблицы в приложении, список литературы из 162 наименований.
Автор благодарен докторам географических наук проф. Г.П. Бутакову
и
проф. И.И. Рысину, под руководством которых выполнена диссертация. Автор признателен к.г.н., проф. А.Г. Илларионову и д.г.н., проф. В.И. Стурману, доцентам к.г.н. И.Е. Егорову и к.г.н. А.А. Перевощикову за ценные советы и критические замечания по диссертации, в предоставлении работ по хоздоговорным темам и финансировании командировок, а также генеральному директору ОАО институт «Удмуртгипроводхоз» В.И. Своекошину за предоставленные фондовые материалы.
8
1. Оценка условий развития балочных форм Вятско-Камского мевдуречья
1.1. Рельеф
Вятско-Камский регион расположен на востоке Русской равнины и охватывает бассейны рек Вятки и Камы от ближайшего отрезка между их широтными участками на севере (примерно по линии г. Кире - пос. Рудничный) до устья р. Вятки на юге. Площадь региона около 130 тыс. км2. В рельефе широко распространены реликтовые неоплейстоценовые перигляциальные формы -мульдообразные балки и долины, нивальные цирки и ниши и т.п.
Наиболее крупными орографическими элементами являются следующие возвышенности и низменности (рис. 1). Верхнекамская возвышенность - это инверсионная возрожденная новейшая морфоструктура, которая рассматривается как остаточно-денудационная форма рельефа (Спиридонов, 1978). На востоке региона располагается Оханская возвышенность, в пределах которой выделяется Лозинская (Тыловайско-Мултанская) часть куэстоподобного облика (Географический..., 2000). На западе Вятско-Камского междуречья находится Вятский Увал, соответствующий южному отрезку системы Вятских дислокаций. Его восточная часть также имеет куэстовые черты (Красногорская возвышенность). Между Верхнекамской и Оханской возвышенностями расположены небольшие Кондасские Увалы. Юг региона занимают гетерогенная Можгинская и обращенная Сарапульская возвышенности, заложенные над Нижнекамской зоной линейных дислокаций и над западным бортом Калтасинского авлакогена соответственно.
На западе региона располагается Кильмезская низменность, отличающаяся развитием дюн; на севере - сравнительно небольшая Чепецкая низменность, на северо-востоке - сильно заболоченная Косинская низменность; в центральной
части - довольно холмистая Центрально-Удмуртская низина, на юго-западе -Привятская низменность с самой низкой отметкой -52 м над уровнем моря.
Денудационно-аккумулятивный рельеф имеет выраженную ступенчатость. Самой низкой ступенью рельефа являются поймы, первые и вторые надпойменные террасы, разделенные уступами высотой 5-6 м (комплекс низких террас). Они сформировались в конце позднего неоплейстоцена и в голоцене. Низкая пойма малых и средних рек возвышается на 0,5-1,5 м над уровнем воды в русле, высокая пойма - на 3-5 м, первая надпойменная терраса - на 8-12 м, вторая -на 17-20 м.
В долинах крупных рек хорошо выражена вторая ступень в виде комплекса высоких террас, разделенных пологими уступами. В ее составе выделяются третья - одинцовско-московская - высотой 35-50 м над руслом реки и четвертая -лихвинско-днепровская - высотой над руслом 60-90 м (Бутаков, 1986). Уступ, разделяющий комплексы низких и высоких террас, имеет высоту 35-50 м.
Общая черта строения речных долин - асимметрия склонов всех основных видов: планетарного, климатического и структурного (Алексенцева, Бутаков, 1978; Бутаков, Алексенцева, 1979).
Над уровнем высоких террас поднимается третья ступень рельефа - нижнее плато с абсолютными отметками 140-160 м. Это эрозионно-денудационная поверхность, возникшая в первой половине неоплейстоцена, срезающая различные по составу и возрасту породы (Дедков, 1972, 2000). Нижнее плато имеет широкое распространение вдоль долин рек, особенно в западной, южной и юго-восточной части Вятско-Камского региона.
Четвертая ступень представлена денудационной поверхностью среднего плато с отметками 180 - 240 м, сформировавшаяся в позднем эоплейстоцене и, возможно, в начале раннего неоплейстоцена. Она занимает значительные площади в пределах крупных возвышенностей.
10
г. Пермь
масштаб 1:2500000
ережные Челны
Рис. 1. Орографическая схема Вятско-Камского междуречья.
Условные обозначения:
1 - низменности, 2 - возвышенности, 3 - высшие точки возвышенностей. Крупнейшие орографические элементы: Верхнекамская (1), Кондасские Увалы (2), Оханская (3), Сарапульская (4), Можгинская (5), Лозинская (6), Красногорская (7), Вятский Увал (8); Кильмезская (9), Чепецкая (10), Средневятская (И), Привятская (12), Косинская (13).
11
Наконец, пятая ступень - верхнее плато с абсолютными отметками 280-337 м олигоцен-миоценового возраста, на поверхности которого можно проследить отдельные пологосклонные холмы высотой 50-60 м эоцен-олигоценового рельефа (Ступишин и др., 1980; Дедков, 1972, 1993, 2000). Эта ступень имеет ограниченное развитие на Верхнекамской, Лозинской (западный отрог Оханской) и Красногорской (восточный отрог Вятского Увала) возвышенностях. В пределах других возвышенностей эта ступень сохранилась лишь в узловых частях водоразделов.
Внешний облик водоразделов отражает состав горных пород. Всхолмленные водоразделы с плавными очертаниями соответствуют обычно местам выхода песков. Пласты устойчивых к размыву пород - известняков, доломитов, мергелей создают столово-ступенчатые водоразделы. С песчаниками, гравелитами и конгломератами связан останцовый рельеф.
Для водораздела Чепцы и Камы (Красногорская и Лозинская возвышенности) характерен куэстоподобный рельеф ввиду моноклинального залегания коренных пород, где верхнее плато бронируется известняками сухонской свиты татарского яруса (Дедков и др., 1974).
Глубина расчленения рельефа (рис. 2) колеблется от 10 до 300 м, составляя в среднем 100 м (Овражная...,1990; Рысин, 1998). Высшая точка междуречья Вятки и Камы составляет 337 м и расположена в пределах Верхнекамской возвышенности, т.е. в северо-восточной части региона. Низшая точка региона находится в устье Вятки и составляет 52 м. Следовательно, амплитуда расчленения рельефа составляет 285 м. В целом отмечается тенденция увеличения вертикальной расчлененности с северо-запада на юго-восток. Благодаря низкому базису формирование эрозионных форм шло интенсивнее вдоль Вятки, Камы и Чепцы. Средний уклон для бассейнов региона составляет 4,4° (Рысин, 1998).
12
1
2
3 и
масштаб 1:2500000
г. Пермь
ережные Челны
Рис. 2. Глубина расчленения рельефа Вятско-Камского междуречья.
Условные обозначения:
1 - очень малая (<50 м), 2 - малая (50-75 м), 3 - средняя (76-100 м), 4 - большая (101-125 м), 5 - очень большая (>125 м).
13
1.2. Геологическое строение
Вятско-Камский регион расположен в пределах Волго-Уральской антеклизы Русской платформы. Разрез в основном представлен континентальными и морскими карбонатно-терригенными пестроцветными породами с незначительным участием гипсов и солей (Геология и нефтеносность..., 1976; Геология СССР, 1967). На дневную поверхность выходят красноцветные отложения верхней перми, нижнего триаса, средней и верхней юры, нижнего мела, неогена и четвертичной системы (рис. 3).
Верхнепермский отдел развит повсеместно, обнажается в южной и средней части региона и представлен преимущественно терригенными осадками. Уфимский ярус отличается широким развитием ангидритов, казанский -карбонатов. Татарский и казанский яруса обнажаются почти на всей территории Вятско-Камского междуречья и слагаются алевролитами, песчаниками и глинами с прослоями конгломератов, гравелитов, известняков и мергелей.
Отложения триаса, юры и мела распространены только в северной части региона, где часто островками на водоразделах выходят на поверхность. Триасовая система представлена континентальными терригенными отложениями нижнего отдела. Среднеюрские отложения - континентальные пески (т.н. рудная толща), верхнеюрские - морские (глины и пески с желваками фосфорита, с прослоями горючих и битуминозных сланцев). Меловая система представлена своим нижним отделом: фосфоритовыми песчаниками и глинами со стяжениями мергеля (Геология СССР, 1967; Геологическое строение СССР, 1968).
Кайнозойская группа известна только в объеме плиоценовых и четвертичных отложений. Плиоценовые осадки развиты в погребенных долинах рек южной части региона, на севере - в междуречье Вятки и Камы у г. Кире. Они располагаются по левобережьям современных рек со смещением на 10-20 км.
14
1
2 ill!
3 4
г. Пермь
масштаб 1:2700000
ережные Челны
Рис. 3. Литолого-стратиграфическая карта Вятско-Камского междуречья (Геология СССР, 1967; Геологическое строение СССР, 1968).
Условные обозначения:
1 - кунгурские гипсы (Pikg), 2 - уфимские ангидриты (Р2и), 3 - казанские известняки (P2kz), 4 - татарские глины (P2t); 5 - триасовые алевролиты (Tji); 6 -рудные пески (Ji+2)> 7 - фосфоритовые пески (J3kl+km), 8 - глины с горючими сланцами (J3V); 9 - меловые глины (К]пс+ар); 10 - акчагыльские глины (N2ak).
15
Представлены глинами (шоколадными) с лимонитом и сферосидеритом (Горецкий, 1964; Уланов и др., 1977; Плиоцен..., 1981).
Четвертичные отложения развиты повсеместно. На Камско-Вятском водоразделе наблюдается элювий - галька, гравий, реже валуны уральских пород с супесчаным заполнителем. Они слагают иногда изолированные холмы, получившие название "пуги". На выположенных участках водоразделов и в седловинах развиты элювиально-делювиальные суглинки, часто лессовидные.
На пологих склонах речных долин северной и восточной экспозиции залегают делювиально-солифлюкционные суглинки, иногда с погребенными почвами (рис. 4). На склонах южной и западной экспозиции они более насыщены грубообломочным материалом и не содержат прослоев погребенных почв (Бутаков, 1986). На более крутых склонах встречаются осыпные и оползневые образования.
Среднечетвертичные отложения слагают четвертую и третью надпойменные террасы. В нижней части это гумидные аллювиальные свиты шкловского, или одинцовского, (третья) и лихвинского (четвертая) возраста, а в верхней -московского и днепровского. Выше - перигляциальный аллювий, впервые выделенный Г.И. Горецким (1964, 1966) именно на материалах по Нижней Каме.
Верхнечетвертичные отложения слагают вторую (мончаловско-осташковскую) и первую (осташковско-раннеголоценовую) надпойменные террасы. Они сложены всеми основными фациями.
Пойма сложена аллювием с преобладанием галечников фации размыва и русловых песков. Особенность современного аллювия Нижней Камы -значительное распространение галечников.
Эоловые пески, как правило, кварцевые, хорошо отсортированные, имеют покровный характер залегания. Четыре основных массива (рис. 4) прослеживаются в виде сужающихся полос на восток (Бутаков, 1986).
16
г. Пермь
масштаб 1:2500000
ережные Челны
Рис. 4. Распространение эоловых песков (Бутаков, 1986) и осредненные мощности делювиально-солифлюкционных суглинков (Овражная..., 1990) Вятско-Камского региона.
Условные обозначения:
1 - эоловые пески; мощность делювиально-солифлюкционных суглинков: 2 - <2 м, 3 - 2-5 м, 4 - 5-10 м, 5 - 10-15 м, 6 - 15-20 м, 7 - >20 м.
17
Конуса выноса овражно-балочных систем сложены пролювием -чередованием прослоев обломков местных пород и суглинисто-песчаных осадков. Днища оврагов и балок выстилаются плохо отсортированным грубообломочным материалом с суглинистым заполнителем (т.н. овражный и балочный аллювий), а также оползневым неотсортированным материалом.
Геологическое строение оказывает влияние на образование оврагов и балок через литологию пород (Ступишин, Дуглав, Лаптева, 1980). Все горные породы региона можно объединить в несколько литолого-стратиграфических комплексов в зависимости от степени их противоэрозионной устойчивости, т.е. по мере увеличения возможности поражения их стоком наносов (Овражная..., 1990).
1) Наименее размываемый комплекс слагается песками неогена и неоплейстоцена аллювиального, флювиогляциалыюго и эолового происхождения. Встречаются в различных районах междуречья. Аллювиальные и озерные пески развиты в долинах рек, слагая надпойменные террасы.
2) Толща средней размываемости состоит из переслаивающихся глин, песчаников, известняков и мергелей верхней перми, триаса, юры и нижнего мела.
3) Наиболее размываемый комплекс сложен супесями, суглинками и глинами плиоцена и неоплейстоцена, слагающие террасы, склоны долин Камы и Вятки.
1.3. Современные климатические условия
Климат Вятско-Камского междуречья умеренно континентальный с продолжительной холодной и многоснежной зимой, теплым летом и хорошо выраженными переходными сезонами - весной и осенью. Это обуславливает избыточное и достаточное увлажнение, неравномерное распределение тепла и осадков, водного стока в пространстве (по элементам рельефа) и времени (в течение года). |
