Известия РАН. Серия географическая, 2021, T. 85, № 1, стр. 49-58

ВВЕДЕНИЕ

Оценка современных темпов денудации явл-яется важнейшей задачей геоморфологии. В частности, ее решение для горных стран имеет также и важное прикладное значение, так как позволяет более точно рассчитывать темпы заиления водохранилищ, ирригационных систем, определять вероятность формирования селей и определять затраты на сооружение транспортных коммуникаций. Еще до середины прошлого века, за редким исключением (например [14, 18]), отсутствовали методы и подходы, позволяющие на количественной основе судить об интенсивности отдельных экзогенных процессов и денудации в целом [26]. Начиная с 1950-х годов, благодаря работам С.С. Соболева [11], А. Страллера [42, 43], Н.И. Маккавеева [8] и других исследователей, получили развитие методы, позволяющие определять интенсивность денудационных процессов.

Классическим индикатором для оценки темпов денудации в речном бассейне служит объем стока взвешенных наносов. В этом случае редко учитывается сток влекомых наносов реки, так как до сих пор точность его определения невысока, что приводит к занижению фактического денудационного среза. Денудация в бассейне реки формируется за счет бассейновой (площадной) и русловой (речной) составляющих [10, 12]. В этой связи важно выявить самостоятельный вклад каждой из составляющих в сток наносов рек, а также оценить долю перемещаемого материала, отложившегося по пути транспортировки со склонов в постоянные водотоки и далее собственно в днищах речных долин. Это связано с тем, что полный баланс наносов не равен только лишь речному выносу [2, 8 и др.], а включает также наносы, переотложившиеся на склонах, в конусах выноса, шлейфах, днищах сухих долин, на речных поймах, а также в водоемах [4, 12]. Направление исследований, связанное с оценкой перераспределения наносов в различных звеньях флювиальной сети, начиная со ставших классическими работ Н.И. Маккавеева [8, 9], продолжает развиваться в нашей стране на передовом уровне [5, 12, 20].

Ранее выполненные глобальные оценки темпов денудации и выноса материала с суши в Мировой океан в своей основе также базируются на данных мониторинга стока наносов рек и их экстраполяции на неохваченные наблюдениями территории [7, 33, 34, 36, 39, 46 и др.]. Они свидетельствуют о высокой пространственной неравномерности выноса материала в Мировой океан с разных континентов и их частей (рис. 1). Причем значительная доля суммарного выноса приходится на малые горные реки Тихоокеанского пояса, водосборы которых располагаются в сейсмически активных районах, с максимумом, расположенным в юго-восточной Азии, где наблюдается значительное антропогенное воздействие на речные бассейны на фоне высокого слоя осадков [17, 35, 36].

Рис. 1.

Пространственная неоднородность стока наносов в глобальном масштабе (из [36]). Цифры со стрелками показывают общий сток наносов (млн т/год), цветом показаны темпы денудации (т/км²/год). Примечание. Используется с официального разрешения издательства.

В данной работе обобщены методы исследования современной денудации и рассмотрен вклад денудации горных территорий в глобальную денудацию суши, оцененный на основе анализа опубликованных данных.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ СОВРЕМЕННОЙ ДЕНУДАЦИИ ГОРНЫХ СТРАН

В нашем обзоре методы оценки денудации для территорий различной площади, начиная от оценки в конкретной точке и заканчивая горной страной, объединены в две основные группы: методы прямых и дистанционных наблюдений (табл. 1).

Группа дистанционных методов и группа методов прямых наблюдений взаимно дополняют друг друга, так как, по сути, позволяют оценивать темпы денудации в интервале времени от единичных событий до нескольких десятилетий [6]. Мониторинг стока воды и наносов на гидрологических постах – наиболее традиционный и распространенный, но постоянно совершенствующийся метод оценки суммарного выноса материала за пределы водосбора за различные интервалы времени, начиная от единичного паводка и заканчивая общим периодом наблюдений, который в отдельных случаях может составлять до ста лет. Точность оценок суммарного объема наносов, проходящих через измеряемый створ, зависит от частоты и метода отбора проб воды на мутность [3]. При этом, к сожалению, расходы наносов при прохождении экстремальных паводков, характерных для горных рек, часто не фиксируются, так как автоматическая измерительная аппаратура полностью или частично приходит в негодность при их прохождении, а прямые измерения расходов воды и отбор проб на мутность в это время технически невозможны. Кроме того, до сих пор практически не проводятся на регулярной основе измерения расходов донных наносов, хотя все чаще встречаются исследования, где расход донных наносов фиксируется [38]. Тем самым оценка денудации, которая осуществляется на основе мониторинговых наблюдений на гидрологических постах, в целом приводит к ее занижению. При этом использование оптических методов измерения мутности, получившее распространение в последние десятилетия, способствовало упрощению определения расходов взвешенных наносов [1].

Дистанционные методы также давно используются для оценки темпов денудации. Они основаны на сопоставлении цифровых моделей рельефа (ЦМР) территории, выполненных с определенным временным интервалом (см. ссылки в работе [44]). Наземные приборы для проведения дистанционных съемок, начиная от фототеодолита и заканчивая 3D сканером, в основном ориентированы на изучение темпов отдельных экзогенных процессов или их групп в пределах склона или склонового водосбора. В то же время повторные съемки местности с большого расстояния, выполненные с использованием беспилотных летательных аппаратов (дронов), вертолетов, самолетов или космических спутников, при наличии фиксированных маркеров также позволяют строить с разной степенью точности ЦМР и использовать их для количественных оценок темпов денудации территорий разной площади. При этом временной интервал для проведения повторных съемок зависит от масштаба съемки и интенсивности трансформации рельефа за счет денудационно-аккумулятивных процессов. Так, съемка с дронов камерами высокого разрешения позволяет оценить темпы денудации за единичное эрозионное событие на участке склона или малом водосборе. При значительных трансформациях рельефа на горных склонах, которые могут происходить при сильных землетрясениях, одновременно сопровождаемых активизацией экзогенных процессов, целесообразно использование повторных съемок с самолета или спутника для большего охвата территории. Однако в большинстве случаев повторные аэросъемки ранее проводились с шагом в десятилетие и более. В настоящее время съемка из космоса территорий, охваченных катастрофическими событиями (сильные наводнения, землетрясения, прохождение мощных селей и т.п.), проводятся с высокой частотой. Следует учитывать, что точность оценок темпов денудации на основе использования дистанционных методов, помимо разрешающей способности используемой для съемок аппаратуры, зависит от проективного покрытия территории растительностью. Применение лазерного воздушного сканирования позволяет избегать и этих проблем, но пока оно используется недостаточно широко из-за высокой стоимости оборудования. Для повышения точности и верификации оценок темпов денудации на основе использования дистанционных методов желательно использовать наземные методы количественной оценки темпов отдельных, наиболее характерных для изучаемой территории экзогенных процессов. К числу этих методов относятся давно используемые методы реперов, шпилек, ловушек и их современные усовершенствованные аналоги [25, 28, 30 и др.].

Несмотря на существенно расширившийся набор методов изучения современных темпов денудации в горных странах, крайне ограничены исследования, в которых на количественной основе за известный интервал времени определены скорости бассейновой и русловой составляющих денудационного среза для речного бассейна [22]. Это объясняется трудоемкостью оценок перераспределения наносов по пути их транспортировки со склонов в постоянные водотоки и сложностью определения трансформаций русел малых рек с учетом перемещения донных наносов.

ВКЛАД ДЕНУДАЦИИ ГОРНЫХ ТЕРРИТОРИЙ В ГЛОБАЛЬНУЮ ДЕНУДАЦИЮ СУШИ

Глобальным изменениям денудационных процессов в XX–XXI вв. посвящено множество работ (см. [24, 39, 47, 48]). Деятельность человека на протяжении веков способствовала усилению денудации. Наиболее значительное влияние было связано с земледелием с момента его зарождения, а также вырубка леса. Создание водохранилищ, особенно активное при строительстве крупных гидроэлектростанций в XX в., напротив, способствовало усилению локальной аккумуляции продуктов денудации, транспортируемых реками. В глобальном масштабе, вероятно, не менее ~16% наносов задерживается в водохранилищах [45].

Глобальный сток наносов, поступающих в Мировой океан, оценивается в диапазоне 17‒21 млрд т в год [9, 32, 35, 36, 39]. При этом вследствие антропогенного воздействия сток наносов рек претерпевает кратные изменения, с ростом в некоторых регионах в 100 раз и более (см. [21]). Так, по оценкам Миллимана и Савитски [35], в то время как глобальное поступление наносов в океан в середине XX в. было на уровне 20 млрд т/год, 2000–2500 лет назад эта величина составляла 10–12.6 млрд т/год [32], а в период до плиоцена – менее 6 млрд т/год [39]. Подобное увеличение обусловлено, прежде всего, развитием земледелия, что спровоцировало глобальный рост денудации в несколько раз (в 2–10 раз по оценкам [35, 39]). Показателен пример Шри-Ланки [21], где темпы палеоденудации, установленные на основе применения ¹⁰Be, составляли 13–30 т/км²/год, тогда как для этой же территории в настоящее время они достигают 130–2100 т/км²/год.

Одновременно создание водохранилищ, суммарный объем которых вырос с 0.3 × 10¹² м³ в 1950 г. до 6.2 × 10¹² м³ в 2010 г. [15], способствует переотложению значительной части наносов внутри гидрографической сети [15]. Согласно оценкам, в настоящее время имеется достаточно большoе число зарегулированных рек, сток наносов которых более чем на 90% перехватывается водохранилищами [36]. Среди них – достаточно крупные реки, такие как Нил и Колорадо.

Из общей площади суши, составляющей порядка 90 млн км², с которой взвешенное вещество (~20 млрд т/год) выносится реками в океан, около 6 млн км² приходится на водосборный бассейн Амазонки (сток наносов ~1.2 млрд т/год). Суммарный водосборный бассейн следующих девяти наиболее крупных рек составляет порядка 32 млн  км². Но основной сток наносов формируется на водосборах малых горных рек, так как именно в их пределах максимальных значений достигают коэффициенты доставки наносов со склонов в постоянные водотоки. Для ненарушенных ландшафтов интенсивность денудационных процессов в горных районах в 20–30 раз превосходит интенсивность этих процессов в пределах равнин и низменностей [17]. Показателен пример бассейна р. Миссисипи, где сток наносов горных рр. Суситна, Купер и Стикайн, суммарная водосборная площадь которых составляет менее 4% от общей площади бассейна, составляет около трети наносов р. Миссисипи [35]. Главными факторами, определяющими формирование стокa наносов со склонов в горах, помимо климата, являются литология, тектоника и морфометрические характеристики рельефа (средняя высота речного бассейна и средний уклон водосборного бассейна) (см. [35, 37]). Так, для горных бассейнов малых рек альпийского пояса модуль стока наносов снижается от высокогорных рек, где он достигает 7000 т/км² в год, к среднегорным, где он как минимум на порядок ниже [23]. Установлена нелинейная зависимость скорости денудации с величиной среднего уклона водосбора (рис. 2), которая в равной мере прослеживается как для денудации, выявленной на основе оценки стока наносов рек, так и полученной с использованием ¹⁰Be.

Рис. 2.

Важнейший фактор, определяющий горную денудацию: средний уклон водосбора [49]. Красными символами показаны данные по стокам наносов рек, синими – данные по космогенным изотопам. Используется с официального разрешения издательства.

Наиболее активно процессы разрушения происходят на склонах с уклонами >15°, доля которых максимальна в высокогорном поясе, и существенно снижается уже в среднегорном и далее в низкогорном поясе, где подобные склоны характерны только для участков подмыва реками коренных склонов и бедлендов [23]. В целом, на долю горных склонов с уклонами >15° приходится 52% от общей денудации [29]. При этом, как показывают новейшие исследования, в высокогорной зоне доля малых речных водосборов, в пределах которых бóльшая часть продуктов денудации переоткладывается, не достигая постоянных водотоков, в целом сопоставима с числом водосборов с высокими коэффициентами доставки наносов [16]. Остальной объем глобальной денудации относительно равномерно распределяется между склонами с уклонами 1°–15° [29]. Причем для территорий с уклонами в данном диапазоне целый набор факторов определяет фактические темпы денудации в речном бассейне, включая как природные (литология, климат, сейсмическая и тектоническая активность, растительный покров), так и антропогенные (доля пашни, пастбищ, карьеров по добыче полезных ископаемых и т.п.) [7]. Именно поэтому для отдельных горных массивов, где антропогенная нагрузка в низкогорном поясе достаточно велика, среднегорный пояс наиболее устойчив к процессам денудации. Большое число возможных сочетаний факторов, определяющих темпы денудации в пределах малых речных бассейнов в горах, способствует их высокой пространственной вариабельности [40]. Следует отметить, что для горных территорий с низкой антропогенной нагрузкой доминирующими факторами, определяющими темпы современной денудации, являются литология и уклон водосборов, тогда как климатические характеристики, включая слой осадков, которые определяют объем стока воды, играют подчиненную роль [13].

Согласно современным оценкам доля химической денудации составляет порядка 15% от суммарной денудации, связанной с выносом реками наносов в Мировой океан [29]. Но при этом интенсивность химической денудации в горах выше, чем на равнинах, и гораздо сильнее варьирует по площади, что обусловлено различиями в литологии слагающих горные массивы пород. Так, для Альп соотношение механической и химической денудации составляет примерно 1.5 [23].

Важнейшими факторами усиления темпов денудации в горах являются сейсмическая и тектоническая активность территории [19, 27, 31, 36]. Эти процессы достаточно сложно математически формализовать и соотнести с денудацией, так как по существу их проявление стимулирует процессы разрушения горных пород и активизации некоторых экзогенных процессов, например оползней [41], в связи с чем отсутствуют прямые корреляционные связи между сейсмической активностью территории и модулем стока наносов рек [45]. Тем не менее максимальный вынос наносов с суши в океан располагается в западном секторе Тихоокеанского огненного пояса (cм. рис. 1). Здесь наблюдается наиболее полное сочетание всех основных факторов, способствующих проявлению максимальных темпов денудации: высокая сейсмотектоническая активность, регулярное прохождение тайфунов с большим количеством осадков, значительная антропогенная нарушенность и горный рельеф бассейнов малых и средних рек, для которых характерны высокие коэффициенты доставки наносов в устья, расположенныe на морских побережьях.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Совершенствование современных методов количественной оценки темпов отдельных экзогенных процессов и денудации в целом на локальном и региональном уровнях, обусловленное в первую очередь увеличением точности и расширением технологий дистанционных методов исследования, способствует активному накоплению банка данных об интенсивности современных процессов трансформации рельефа горных стран. В настоящее время степень изученности различных горных массивов мира характеризуется высокой вариабельностью. Наряду с детально исследованными территориями (Альпы, некоторые районы Пиренеев и Эфиопского нагорья) существуeт большое число практически не исследованных в отношении современных темпов денудации горных стран (горы Средней Азии, Иранское нагорье, Саяны и др.). Для таких территорий основным источником информации о темпах денудации по-прежнему остаются достаточно отрывочные данные наблюдений за стоком наносов рек.

Согласно современным оценкам, максимальные темпы современной денудации наблюдаются в западном секторе Тихоокеанского огненного кольца, на долю которого приходится порядка трети от суммарного выноса наносов в Мировой океан. Следует отметить, что значительный объем продуктов денудации, транспортируемых реками, задерживается в искусственно созданных водохранилищах. Только в крупных водохранилищах мира, в основном расположенных в горах или предгорьях, согласно расчетам, выполненным на 2010 год, накопилось 6.2 млрд т наносов. Однако и малые водохранилища в горах являются накопителями наносов. Так, подсчитано, что в европейских Альпах 45% транспортируемых наносов перехватываются искусственно созданными водоемами различных размеров [23].