Россия
УДК 551.43 Формы рельефа земной поверхности. Структуры и формы. Геоморфологические процессы
Приведены результаты применения глобальной цифровой модели рельефа ArcticDEM при геолого-геоморфологических исследованиях бассейна р. Сейды (восток Большеземельской тундры) в её среднем и нижнем течениях. Использование цифровой модели рельефа высокой точности позволяет провести комплексный совместный анализ цифровых, геоморфологических и геологических данных при решении проблем генетической интерпретации и вопросов рельефообразования отложений квартера. На основе гипсометрической характеристики, углов наклона рельефа, экспозиции склонов и текстурно-структурных характеристик четвертичных осадков были выделены: аккумулятивный ледниковый, эрозионно-аккумулятивный водно-ледниковый и эрозионно-аккумулятивный аллювиальный типы рельефа.
цифровая модель рельефа, ArcticDEM, геоморфологическое районирование, морфометрический анализ
Введение
Большеземельская тундра является одной из наименее изученных и плохо откартированных территорий Европейского Северо-Востока России. Она неоднократно подвергалась воздействию неоплейстоценовых ледниковых покровов Урал-Пай-Хой-Новоземельского и Фенноскандинавского центров оледенений (Андреичева, 1992; 2002), что вызывает повышенный интерес среди исследователей гляциального морфолитогенеза.
Процессы формирования рельефа в северных районах Европейской России имеют значительные отличия от других регионов, которые проявляются в специфике взаимодействия эндогенных и экзогенных факторов в позднем неоплейстоцене и голоцене на фоне многократных оледенений исследуемой территории.
К настоящему времени накоплен большой объём геологических и геолого-геоморфологических данных строения Большеземельской тундры, а интенсивное развитие в последние годы геоинформационных систем (ГИС) позволяют провести комплексный совместный анализ полученных данных при решении проблем генетической интерпретации отложений квартера и вопросов рельефообразования в условиях полярной зоны.
Цифровые модели рельефа (ЦМР) среднего (размер пикселя от 15 до 30 м) и низкого (свыше 30 м) пространственного разрешения широко распространены при геолого-геоморфологических исследованиях и позволяют быстро создавать серии тематических карт на основе гипсометрической характеристики, крутизны и экспозиции склонов территории. Модели рельефа среднего масштаба уровня DTED-1 и -2 (GTOPO30, GMTED2010, ACE2 и ASTER GDEM v2, 3) пригодны лишь для региональных исследований в масштабе 1 : 200 000, а низкое пространственное разрешение исходных данных не позволяет проводить геоморфометрический анализ рельефа бассейнов рек арктических регионов России. Появление в свободном доступе цифровой модели рельефа ArcticDEM с высоким пространственным разрешением уровня HRTI-4 (High Resolution Terrain Information) позволяет провести анализ морфологических комплексов аллювия и пойменного рельефа в масштабе 1 : 25 000.
Целью работы является проведение геолого-геоморфологического районирования долины р. Сейды по данным цифровой модели рельефа высокого разрешения ArcticDEM.
Материал и методы исследования
Материалом для статьи послужили результаты комплексных геолого-геоморфологических исследований отложений неоплейстоцена и голоцена долины среднего и нижнего течения р. Сейды (Исаков, Воробьёв, 2021; Марченко-Вагапова, 2021; Воробьёв, 2022; Исаков, 2022). Река протекает по восточной окраине Большеземельской тундры (рис. 1) и является правым притоком р. Усы.
В задачи полевых исследований входили выбор ключевых участков, репрезентативных для характерных форм и типов рельефа, и проведение в их пределах детальных геолого-геоморфологических исследований. Особое внимание уделялось фациально-генетическому расчленению отложений на основе седиментологических признаков: условий залегания, типов слоистости пород, характера контактов между слоями разных генетических типов отложений (Ботвинкина, 1965).
Район исследования характеризуется широким развитием пологоволнистых ледниковых равнин, обширных пространств водно-ледниковых накоплений, сменяемых глубоковрезанными долинами р. Сейды и её притоков, что обуславливает использование цифровой модели рельефа уровня HRTI-4 (High Resolution Terrain Information). Данный уровень пространственного разрешения позволяет с высокой точностью выделять региональные и локальные структуры на водоразделах и в областях эрозионных врезов русел и водотоков.
Методика построения и обработки ЦМР для средне- и крупномасштабного геоморфологического районирования больших площадей рассмотрена в ряде работ (Хромых, 2007; Минеев и др., 2015; Полякова, 2021). Цифровая модель ArcticDEM была создана Полярным геопространственным центром университета Миннесоты и доступна в пространственных разрешениях от 2 до 1000 м. Она сформирована из разновременных панхроматических снимков, полученных со спутников WorldView-1-3 и GeoEye-1 в период с 2007 по 2021 годы. Привязка данной ЦМР была произведена по альтиметрическим измерениям со спутников Cryosat-2 и ICESat, которые позволили достичь погрешности абсолютных отметок менее 1 м на большей части исследуемой территории.
Необходимый растр высокоточной модели рельефа ArcticDEM долины р. Сейды был получен через специальное веб-приложение от Esri NGA ArcticDEM Web Map. Заполнение недостающих данных цифровой модели рельефа производилось на основе ЦМР Aster GDEM v2 и составляет 4.1 % от всей площади территории исследования.
В настоящей работе для анализа данных высокоточной ЦМР ArcticDEM применялась пробная версия программы ArcGIS Pro. Данный программный комплекс позволяет получать данные о рельефе в формате GRID и TIN (Triangulated Irregular Network) модели и отвечает требованиям при проведении геолого-геоморфологического районирования.
Для решения задач геоморфометрии была создана нерегулярная триангуляционная сеть TIN площадью 1170 км2 (27.4 × 42.7 км), покрывающая среднее и нижнее течение долины р. Сейды и состоящая из 32.3 млн треугольников. На основе полученной модели были вычислены основные морфометрические показатели рельефа: высота, углы наклона поверхности и экспозиции склонов (рис. 2).
Уклон поверхности и экспозиция склона характеризуют интенсивность и направление эрозионных процессов. Выделение категорий рельефа проведено на основе уклонов поверхностей согласно общепринятой классификации (Леонтьев, Рычагов, 1979).
Оценка точности высотных отметок полученной модели рельефа была проведена методом сопоставления с известными наземными контрольно-измерительными точками, взятыми с топоосновы масштаба 1 : 200 000 и открытыми векторными данными ГИС. Панорама масштаба 1 : 50 000.
Результаты исследований
В орографическом отношении бассейн р. Сейды принадлежит к северной оконечности Косью-Роговской впадины, что обуславливает особенности рельефа и характер распределения четвертичных отложений. Исследуемый регион относится к аккумулятивно-ледниковой и озёрно-ледниковой провинциям, возникшим в результате развития и деградации покровных ледников среднего и верхнего неоплейстоцена (Андреичева, 2002). Анализ мощностей четвертичных отложений и условий их залегания показывает, что современный рельеф территории в целом соответствует поверхности подстилающих коренных верхнемеловых и пермских пород (Калецкая, Грибанов, 1955), усложняясь глубоковрезанными речными долинами и современными криогенными процессами.
Существенная часть водоразделов исследуемой территории включает ледниковые, водно-ледниковые и озёрно-ледниковые отложения среднего неоплейстоцена (Андреичева, Дурягина, 1999; Astakhov, 2004), а понижения в рельефе выполнены аллювиальными и озёрно-болотными осадками верхнего неоплейстоцена и голоцена (Калецкая, Грибанов, 1955; Исаков, 2022).
Значительную часть рассматриваемой территории занимает обширная террасированная долина р. Сейды, вытянутая в южном и юго-восточном направлении. Долина реки характеризуется ступенчатым рельефом на всём её протяжении, чем обусловлено большое количество перекатов (рис. 3).
Поперечные профили долины имеют корытообразную (троговую), трапециевидную и U-образную формы, а ширина речной долины варьирует от 0.25 до 2.3 км. Глубина эрозионного вреза составляет от 15 до 65 м и достигает 75 м в местах выхода коренных верхнемеловых кварц-глауконитовых песчаников.
По ведущим генетическим и морфологическим признакам в пределах исследуемой территории был выделен аккумулятивный ледниковый, эрозионно-аккумулятивный водно-ледниковый и эрозионно-аккумулятивный аллювиальный типы рельефа (рис. 4).
Аккумулятивный ледниковый рельеф наиболее распространен на водоразделах и представлен холмисто-увалистым, холмисто-волнистым и пологоволнистым морфологическими типами.
Холмисто-увалистый и холмисто-волнистый ледниковый рельеф занимает самое высокое гипсометрическое положение — от 158—160 до 199 м — и распространён преимущественно в северо-западной и юго-восточной частях исследуемого района. Характерной особенностью на территории его развития является наличие отчётливо выраженных холмов и увалов, вытянутых в северном и северо-западном направлении. Вершины холмов представлены плоскими и волнистыми поверхностями с уклонами 0.2—2.1°, тогда как склоны имеют углы от 1.7 до 7.4°, постепенно выполаживаясь у основания. Пологоволнистый ледниковый рельеф распространён на абсолютных отметках от 126 до 158—160 м и представлен обширной слабоволнистой поверхностью с уклонами 0.1—1.9°. Пониженные участки часто заболочены и имеют торфяно-бугристый рельеф, что отчётливо дешифрируется на цифровой модели рельефа. Поверхность равнины интенсивно расчленена густой сетью ручьёв и временных потоков с глубиной врезания от 1 до 35 м.
В строении выделенного типа рельефа отмечены ледниковые и межледниковые отложения среднего неоплейстоцена (Андреичева, Дурягина, 1999). Ледниковые осадки печорского (днепровского) возраста были вскрыты в обн. Сд-3, где представлены сизым плотным валунным суглинком, распадающимся на оскольчатую отдельность. Выше по разрезу залегают межледниковые образования родионовского (шкловского) возраста (Astakhov, 2004), сложенные озёрно-болотными буровато-сизыми горизонтально-слоистыми ленточными глинами, перекрытыми чёрными гумусовыми глинами и коричневато-бурым, хорошо разложившимся торфом. Ледниковые осадки вычегодского (московского) горизонта являются рельефообразующими, сложены коричневато-серым валунным суглинком и вскрываются в береговых обнажениях на всём протяжении долины р. Сейды. Послеледниковые флювиогляциальные отложения приурочены к водоразделам и представлены преимущественно серо-черной песчано-гравийной смесью с прослоями светло-серого среднезернистого песка с затёками ожелезнения.
Эрозионно-аккумулятивный водно-ледниковый рельеф распространён преимущественно в среднем и нижнем течениях реки и представлен равнинно-холмистой поверхностью долинных зандров, плавно переходящих в плоский равнинный рельеф третьей надпойменной террасы. Согласно цифровой модели местности, тыловой шов выражен неотчётливо, что вносит определённые трудности в дешифрирование выделенного типа рельефа.
Отложения долинных зандров были вскрыты в обн. Сд-4 и имеют выдержанное гипсометрическое положение от 101—104 до 126 м на всей территории исследований. В основании разреза залегают светло-серые мелкозернистые горизонтально-слоистые и косоволнистые пески и коричнево-серые супеси, плавно переходящие вверх по разрезу в светло-серые среднезернистые косослоистые пески мощностью 19.3 м. Выше вскрывается пачка песчано-гравийной смеси от тёмно-серых до чёрных разностей с мульдообразной и крупной косой слоистостью мощностью 3.4 м. Венчает разрез пачка светло-бежевых до светло-рыжих неслоистых супесей и суглинков мощностью 0.5 м.
Третья надпойменная терраса характеризуется выдержанными абсолютными отметками на всей площади долины реки (от 93 до 101—104 м), что может говорить об осадконакоплении в условиях обширного затопляемого бассейна. Поверхность террасы сильно заболочена и изрезана многочисленными мелкими ложбинами стока, образовавшимися при спуске озёрных водоёмов с вышерасположенной зандровой равнины. На цифровой модели рельефа отчётливо выделяются многочисленные эрозионные врезы сквозных реликтовых ложбин и долин стока талых ледниковых вод, приуроченные к третьей надпойменной террасе. Долины имеют корытообразный поперечный профиль, а их ширина варьирует от 0.5—3.5 км вблизи устья р. Сэха до 2.1—4.8 км в бассейне р. Лёк-Воркута. Глубина эрозионного вреза в поверхность флювиогляциальных зандровых отложений составляет от 18 до 21 м, а уклон склонов ложбины варьирует от 4 до 6° градусов.
Широкое развитие торфяников нивелирует рельеф реликтовых долин, образуя плоскую равнинную поверхность с углами наклона от 0.1 до 0.5° в сторону бассейна р. Усы. Многочисленные озёра, располагающиеся на пониженных заболоченных участках днища долины, представляют собой мелкие блюдцеобразные понижения диаметром от 40 м до 1.2 км. Для них характерны пологие берега с неправильными очертаниями береговых линий, переходящие в осоковые топи. Существенное влияние на формирование выделенного типа рельефа оказывают современные мерзлотные процессы. Они проявляются в образовании бугристых торфяников и термокарстовых западин, выделенных по дешифрированию цифровой модели рельефа.
Осадки долины стока талых ледниковых вод были вскрыты в обн. Сд-5, где в основании разреза залегают сизые ленточные глины с тонкой горизонтальной и мелкой волнистой слоистостью. Видимая мощность достигает 9 м и прослеживается под урезом воды. Выше по разрезу вскрывается пачка переслаивания серых и тёмно-серых мелкозернистых песков с прослоями торфа мощностью 4 м. Венчает разрез хорошо разложившийся торф с растительными остатками от тёмно-бурого до черного оттенка мощностью 2.5 м.
Эрозионно-аккумулятивный аллювиальный рельеф распространён широкой полосой вдоль всей долины р. Сейды и представлен двумя надпойменными террасами, а также высокой и низкой поймами. На цифровой модели рельефа отмечается заметное уменьшение поверхностей эрозионно-аккумулятивных террас, что объясняется ступенчатым рельефом долины реки и перепадом абсолютных отметок уреза воды от 94 м в верхнем до 65 м в нижнем течениях. Характерной особенностью пойменно-руслового комплекса является сужение речных долин в областях развития аккумулятивно-ледникового рельефа и расширение в областях развития водно-ледникового рельефа. В местах выхода коренных меловых кварц-глауконитовых песчаников и неоплейстоценовых ледниковых валунных суглинков русло сопровождается полосой бечевника, сложенного гравийно-галечным материалом с валунами и глыбами (до 1.5 м) местных пород.
Вторая надпойменная терраса имеет фрагментарное распространение и выделена преимущественно в среднем и нижнем течениях реки.
Наиболее представительный разрез осадков второй надпойменной террасы вскрывается в обн. Сд-17 и имеет трёхчленное строение. В основании разреза залегает пачка горизонтального переслаивания сизого среднезернистого песка, сизого суглинка и рыжего ожелезнённого песка мощностью 1.1 м. Выше лежит коричнево-рыжая песчано-гравийно-галечная смесь в глинистом заполнителе с прослоями сизых пластичных глин мощностью 3.5 м. Венчает разрез пачка рыжих суглинков и супесей с единичными примазками торфа мощностью 5.3 м. Мощность аллювиальных отложений второй надпойменной террасы варьирует от 10—11 м в обн. Сд-17 до 13 м, по данным предшественников (Калецкая, Грибанов, 1955).
Первая надпойменная терраса имеет более широкое распространение и представляет собой плоскую слабонаклонную волнистую поверхность с хорошо выраженными на цифровой модели рельефа бровкой и тыловым швом. Поверхность террасы осложнена старичными озёрами и дуговидными прирусловыми валами высотой до 1.5 м.
Отложения первой надпойменной террасы были вскрыты в обнажениях Сд-8, Сд-12 и Сд-13, где основание разреза слагает рыже-чёрная песчано-гравийная смесь мощностью 1 м. Выше по разрезу вскрывается пологоволнистая и горизонтально-слоистая пачка переслаивания коричневато-сизого суглинка и коричневато-серой супеси мощностью 3.9 м. Венчает разрез пачка косослоистых рыжих средне- и крупнозернистых песков мощностью 0.65 м. Мощность аллювиальных отложений надпойменной террасы варьирует от 4.4 до 6.5 м.
Высокая и низкая поймы развиты повсеместно и отчётливо выражены на цифровой модели рельефа и спутниковых снимках высокого разрешения. Особенностью этого типа рельефа является ярко выраженный тыловой шов, гривистость поверхности и наличие прирусловых валов высотой до 1.1 м.
Наиболее полный литологический состав пойменных отложений вскрыт в обн. Сд-14, где в основании разреза залегает пристрежневая фация, представленная песчано-гравийной смесью тёмно-серого цвета, мощностью 0.6 м. Выше по разрезу вскрываются русловые пески с включением гравия и единичных галек мощностью 2.8 м. Осадки русловой фации перекрываются пойменными серо-коричневыми суглинками и супесями с примазками торфа. Мощность пойменных отложений составляет от 3 до 4.1 м.
Обсуждение результатов
Анализ полученных геолого-геоморфологических данных показывает, что наиболее крупными элементами на исследованной территории являются холмисто-волнистый, холмисто-увалистый и пологоволнистый ледниково-аккумулятивный рельефы, сформированные покровными материковыми ледниками среднего неоплейстоцена.
Подчинённое значение имеет эрозионно-аккумулятивный водно-ледниковый рельеф долинных зандров, нивелирующий геоморфологические элементы, созданные на предшествующих этапах развития изученной территории. Характер слоистости и однородность литологического состава говорят о высокой динамике потока, существовавшей во время интенсивного таяния, выноса и аккумуляции осадочного материала. Дальнейшая деградация ледникового щита привела к формированию в прифронтовой зоне обширного приледникового бассейна с преимущественно застойными слабопроточными гидродинамическими условиями и осадконакоплению мощной пачки ленточных глин. Отступание ледникового покрова обусловило снижение уровня воды в приледниковом озере и появление динамичных потоков. Последующий спуск и обмеление приледникового бассейна вызвали формирование современного облика ложбин стока талых ледниковых вод. Заболачивание поверхности привело к зарастанию дна водоёма растительностью и интенсивному торфонакоплению. Снижение количества накопления торфа, возможно, связано с перестройкой речной сети долины р. Сейды, перехватом стока грунтовых вод и последующим осушением бассейна торфонакопления.
Общий план речной сети территории был заложен в послеледниковое время, во время отступания приледникового озера, связанного с валдайским ледниковым покровом. Конфигурация пойменно-руслового комплекса свидетельствует о формировании речной сети в условиях с изменчивыми гидродинамическими условиями. Использование цифровой модели рельефа высокого разрешения позволило детализировать распространение основных элементов долины реки и выделить две надпойменные террасы и пойму на основе метода трассирования террасовых уровней.
Выделенные морфоструктурные элементы в целом согласуются с геоморфологической схемой (рис. 5), построенной на основе общепринятых картографических материалов (Калецкая, Грибанов, 1955).
Отличия выявлены лишь на локальных участках распространения ледниково-аккумулятивного и эрозионно-аккумулятивного аллювиального рельефа (табл. 1), что, по-видимому, связано с применением при построении геоморфологической схемы топоосновы низкого качества. Не исключено, что разногласия в выделении некоторых геоморфологических характеристик связаны с использованием разномасштабных данных.
Дальнейшие комплексные литологические, палинологические и геохронологические исследования помогут восстановить палеогеографические обстановки формирования четвертичных отложений в долине р. Сейды, что повысит достоверность интерпретации генезиса осадков неоплейстоцена исследуемой территории.
Заключение
В результате проведённых геолого-геоморфологических исследований на основе гипсометрической характеристики, углов наклона рельефа, экспозиции склонов и текстурно-структурных характеристик четвертичных осадков были выделены: аккумулятивный ледниковый, эрозионно-аккумулятивный водно-ледниковый и эрозионно-аккумулятивный аллювиальный типы рельефа. Построена геолого-геоморфологическая карта долины р. Сейды и выявлены основные морфогенетические особенности рельефа при его формировании.
Холмисто-волнистый, холмисто-увалистый и пологоволнистый ледниково-аккумулятивный рельеф занимает самое высокое гипсометрическое положение и сложен ледниковыми и межледниковыми отложениями среднего неоплейстоцена. Эрозионно-аккумулятивный водно-ледниковый рельеф представлен долинными зандрами, переходящими в поверхность обширного приледникового озера. Эрозионно-аккумулятивный аллювиальный рельеф образован в послеледниковое время, во время отступания приледникового озера, связанного с валдайским ледниковым покровом.
Применение цифровых моделей рельефа высокой точности позволило получить большой объем данных, который в дальнейшем будет применен при решении геолого-геоморфологических задач автоматизированными методами классификации рельефа. Точность отображения цифровой модели рельефа ArcticDEM достаточна для детального картирования основных элементов пойменно-руслового комплекса бассейнов рек арктических регионов России. В перспективе метод построения картосхем на базе цифровых моделей рельефа предполагается использовать при проведении регионального морфогенетического анализа четвертичных отложений всей территории Большеземельской тундры.
1. Андреичева Л. Н. Основные морены Европейского Северо-Востока России и их литостратиграфическое значение. СПб.: Наука, 1992. 125 с.
2. Андреичева Л. Н. Плейстоцен Европейского Северо-Востока. Екатеринбург: УрО РАН, 2002. 323 с.
3. Андреичева Л. Н., Дурягина Д. А. Новые данные по стратиграфии среднего плейстоцена Печорской низменности // Геология и минеральные ресурсы Европейского Северо-Востока России: новые результаты и новые перспективы: Материалы XIII Геологического съезда Республики Коми. Сыктывкар, 1999. Т. II. С. 184-187.
4. Ботвинкина Л. Н. Методическое руководство по изучению слоистости. М.: Наука, 1965. 265 с.
5. Воробьёв Н. Н. Изучение валунных суглинков в долине р. Сейды // Структура, вещество, история литосферы Тимано-Североуральского региона: Материалы 31-й научной конференции института геологии Коми НЦ УрО РАН, Сыктывкар: Геопринт, 2022. С. 24-27.
6. Исаков В. А. Генетические типы четвертичных флювиальных отложений в среднем течении р. Сейды (восток Большеземельской тундры) // Структура, вещество, история литосферы Тимано-Североуральского региона: Материалы 31-й научной конференции института геологии Коми НЦ УрО РАН, Сыктывкар: Геопринт, 2022. С. 59-63.
7. Исаков В. А., Воробьёв Н. Н. Строение четвертичных отложений в долине р. Сейды // Структура, вещество, история литосферы Тимано-Североуральского региона: Материалы 30-й научной конференции Института геологии Коми НЦ УрО РАН, Сыктывкар: Геопринт, 2021. С. 31-35.
8. Калецкая М. С., Грибанов Б. В. Геологическая съемка масштаба 1 : 200 000 в бассейне рр. Сейды и Усы (отчет Сейдинской геолого-съемочной партии по работам 1954 г.). Воркута: Комигеолфонд, № 2118, 1955. 149 с.
9. Леонтьев О. К., Рычагов Г. И. Общая геоморфология: Учеб. пособие для географических специальностей вузов. М.: Высшая школа, 1979. 287 с.
10. Марченко-Вагапова Т. И. Палеогеографические обстановки осадконакопления в родионовское межледниковье в верхнем течении р. Сейды (по данным палинологического и диатомового методов) // Вестник геонаук. 2022. № 10. С. 36-41. doihttps://doi.org/10.19110/geov.2022.10.4
11. Минеев А. Л., Полякова Е. В., Кутинов Ю. Г., Чистова З. Б. Методические аспекты создания цифровой модели рельефа Архангельской области на основе ASTER GDEM V. 2 // Современные проблемы науки и образования. 2015. № 2. URL: http://science-education.ru/129-21949
12. Полякова Е. В., Кутинов Ю. Г., Минеев А. Л., Чистова З. Б. Анализ возможности применения цифровых моделей рельефа ASTER GDEM v2 и ArcticDEM для исследований арктических территорий России // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2020. Т. 17. № 7. С. 117-127. doihttps://doi.org/10.21046/2070-7401-2020-17-7-117-127
13. Хромых В. В., Хромых О. В. Цифровые модели рельефа: Уч. пос. Томск: ТМЛ-Пресс, 2007. 178 с.
14. Astakhov V. Middle Pleistocene glaciations of the Russian North // Quaternary Science Reviews. 2004. Vol. 23. № 11-13. P. 1285-1311. doihttps://doi.org/10.1016/j.quascirev.2003.12.011
