ВЛИЯНИЕ ГИДРО- И ЛИТОДИНАМИЧЕСКИХ ПОТОКОВ НА ХАРАКТЕР СОВРЕМЕННОГО ЭРОЗИОННОГО РАСЧЛЕНЕНИЯ ТЕРРИТОРИЙ

ВЛИЯНИЕ ГИДРО- И ЛИТОДИНАМИЧЕСКИХ ПОТОКОВ НА ХАРАКТЕР СОВРЕМЕННОГО ЭРОЗИОННОГО РАСЧЛЕНЕНИЯ ТЕРРИТОРИЙ

Научная статья

Соколова Н.В. *

Институт проблем нефти и газа РАН, Москва, Россия

* Корреспондирующий автор (sona[at]ipng.ru)

Аннотация

В статье рассматривается проблема выявления областей усиления денудации на земной поверхности. С такими областями связаны области воздымания того же ранга. Даны признаки выделения областей денудации, особенности их строения и характер расчленения. Границами таких областей являются зоны разрядки напряжений, потенциальных разрывов земного вещества разного ранга, в которых функционируют системы относительно независимых (параллельных с люфтом 45°) гидро-и литодинамических потоков. Показаны границы областей денудации трех рангов в пределах территорий Волго-Уральской и Прикаспийской нефтегазоносных провинций. Отражена возможность использования полученной информации об областях денудации для выявления потенциально опасных мест, где возможны перестройки гидро-и литодинамических потоков разного ранга и усиление эрозионных процессов.

Ключевые слова: эрозия, узлы относительно независимых потоков, зона разрядки напряжений, потенциальные разрывы земного вещества, граница области денудации.

INFLUENCE OF HYDRO AND LITHO-DYNAMIC FLOWS ON THE CHARACTER OF MODERN EROSION DIVISION OF TERRITORIES

Research article

Sokolova N.V. *

Institute of Oil and Gas Problems of RAS, Moscow, Russia

* Corresponding author (sona[at]ipng.ru)

Abstract

The article considers the problem of identifying the areas of increased denudation on the earth’s surface. Uplifting areas of the same rank are associated with them. The signs of distinguishing denudation areas, features of their structure and the nature of their division are presented. The boundaries of such regions are zones of stress release, potential discontinuities of terrestrial matter of different ranks, where systems of relatively independent (parallel with a shake of 45°) hydro- and lithodynamic flows function. The boundaries of denudation areas of three ranks are shown within the territories of the Volga-Ural and Caspian oil and gas provinces. Obtained information on the areas of denudation can be used for identifying potentially dangerous places where the restructuring of hydro- and lithodynamic flows of different ranks and the intensification of erosion processes are possible.

Keywords: erosion, nodes of relatively independent flows, stress release zone, potential discontinuities of terrestrial matter, region boundary of denudation.

Введение

Проблема выявления закономерностей современных процессов эрозионного расчленения земной поверхности является актуальной, и ей посвящено множество работ. В них данные процессы исследуются локально, без учета ортогональных систем гидро-и литодинамических потоков разного ранга, являющихся индикаторами непрерывных геодинамических процессов.

В представленной статье рассматривается именно этот аспект проблемы. По объектам исследования наиболее близкими являются работы [1], [2], в которых изучаются изменения узлов слияния рек с учетом динамики местных базисов эрозии.

Известно, что на суше и на дне водоемов разного уровня функционирует единая система взаимосвязанных узлов сочленения транзитных потоков и активных их притоков. В работе [3] рассматриваются особенности функционирования таких узлов в пределах морей и океанов.

Настоящая работа отличается от этих исследований тем, что подобные узлы рассматриваются как геологические объекты, узлы сочленения трех зон разрядки напряжений (ЗРН), потенциальных разрывов земного вещества, и элементы современных систем относительно независимых (параллельных с люфтом 45°) гидро-и литодинамических потоков [4].

Земная поверхность непрерывно эродируется данными потоками, в том числе и реками. Их системы ограничивают области воздымания масс внутриземного вещества и, соответственно, области усиления денудации на земной поверхности, которые отражают непрерывное взаимодействие эндогенных и экзогенных процессов. В отличие от [4] в предлагаемой статье используется дополнительный признак районирования территорий по глубине их эрозионного расчленения потоками разного ранга.

При проведении исследований учитывалось, что перемещение вещества и изменение его плотности – процессы взаимосвязанные. При нисходящих тектонических движениях в ходе осадконакопления происходит дальнейшая консолидация вещества (оно уплотняется), а при положительной деформации рельефа – породы разуплотняются. Подъем вещества создает выпуклости на дневной поверхности, а его отток – отрицательные формы рельефа [5]. При формировании таких выпуклостей развиваются области усиления денудации.

Как известно, нефтегазовые залежи связаны с антиклинальными складками и областями воздымания. От знания закономерностей расчленения земной поверхности зависит решение проблемы выявления и прогнозирования индуцированных микро-и макроземлетрясений. Подобного рода землетрясения возникают тогда, когда естественная заложенная система разуплотненных зон на земной поверхности уже не может справляться с антропогенными нагрузками. Наряду с этим развиваются землетрясения (в том числе микроземлетрясения) природного характера, которые не связаны напрямую с деятельностью человеческого общества, а обусловлены взаимодействиями эндогенных и экзогенных процессов, и которые, в свою очередь, изменяют местные базисы эрозии гидро- и литодинамических потоков разного ранга.

Самые негативные ситуации могут возникнуть при наложении природных и антропогенных факторов. Поэтому необходимо, чтобы в инновационных технологиях разработки залежей углеводородов и транспортировки нефти и газа учитывался характер возможного распространения микроземлетрясений в естественных условиях, связанных с развитием ЗРН разного ранга.

Целью настоящего исследования является определение особенностей расчленения земной поверхности и выявление границ областей денудации с учетом систем гидро- и литодинамических потоков разного ранга на примере Волго-Уральской и Прикаспийской нефтегазоносных провинций.

Методы и принципы исследования

Согласно работам [4], [6], земная поверхность рассматривается как совокупность однотипных узлов ЗРН разного ранга. К ним приурочены узлы  слияния рек. В таком узле развивается воронка, с которой связаны две ортогональные системы противоположных притоков. Самая низкая часть воронки может быть приурочена либо к одной, либо к другой системе в зависимости от энергетики притоков. Противоположные по направлению притоки – разные по силе. Один из них самый сильный, а другой – менее сильный. Если распределение притоков в воронку таково, что самый сильный и самый слабый из них развиваются в одной плоскости, то формируется транзитный поток, выходящий за пределы воронки, а один из притоков в ортогональной плоскости становится активным его притоком. Если наиболее сильный и наиболее слабый из притоков развиваются в ортогональных плоскостях, то  транзитный поток, выходящий за пределы воронки, формирует меандр. В таком случае возможно раздвоение транзитного потока, развитие параллельной протоки.

Каждая из ЗРН, в которой функционируют лито-и гидродинамические потоки, имеет определенное строение. В поперечном разрезе она включает канал уплотняющегося вещества (к которому приурочены русла рек) и примыкающие к нему с противоположных сторон две разуплотняющиеся зоны (которые стимулируют развитие приточных систем). Узлы сочленения трех ЗРН разного ранга позволяют реализовываться геодинамическим перестройкам, связанным с противоположными процессами погружения и воздымания, уплотнения и разуплотнения.

Границами областей воздымания (и областей усиления сноса) являются относительно независимые потоки. Для них в ЗРН создаются благоприятные условия, среди которых – непрерывное понижение местных базисов эрозии и активное развитие приточных систем. Внутри такой области эрозионные врезы меньше по глубине, чем на ее границах.

Область денудации, оконтуренная системой относительно независимых потоков, имеет четкое строение. Центральная ее часть занята современным бассейном аккумуляции с узлом ЗРН и областью денудации относительно меньшего ранга. Между центральной частью и границей такой области развивается склон, по которому вода с центральной части сбрасывается в относительно независимые потоки. В случае активизации воздымания на склонах усиливаются эрозионные процессы. При этом современный бассейн аккумуляции развивается в режиме выполаживания. Если область денудации начинает преобразовываться в область аккумуляции, то ослабляется снос в пределах склонов.

В процессе выявления границ областей денудации и их непрерывной динамики следует учитывать ряд факторов, среди которых: системы относительно независимых гидро-и литодинамических потоков и их однотипных узлов разного ранга; глубина эрозионного расчленения территорий; характер взаимосвязи противоположных притоков к двум относительно независимым потокам; особенности взаимодействия противоположных близрасположенных притоков к одному транзитному потоку и проявления процессов денудации и аккумуляции. Два последних фактора можно определить с использованием черно-белых панхроматических аэрофотоснимков среднего масштаба. Такой опыт уже имеется [7], [8]. В работе [7] показаны известные прямые и косвенные признаки проявления взаимосвязи неотектонических движений (воздымания и погружения) с процессами усиления сноса и аккумуляции вещества земной поверхности.

При выявлении границ областей денудации самого крупного ранга на рассматриваемой территории использовалась серия общегеографических карт масштабов 1:7 500 000 и 1:2 500 000 [9]. Области денудации второго и третьего рангов и наиболее глубокие эрозионные врезы определялись по топографическим картам масштабов 1:1 000 000, 1:200 000 [10]. При выявлении границ областей денудации относительно низкого ранга необходимо использовать топографические карты крупного масштаба.

Основные результаты

В пределах рассматриваемых территорий были выявлены области денудации разного ранга. Наиболее крупной и относительно глубоко врезанной является область денудации в границах ЗРН с Волгой, Тоболом (участки меридионального простирания), Камой, Чусовой, Исетью, Убаганом, потоками на дне Арала, северным притоком Арала, с Аму-Дарьей, оз. Сарыкамышским, р. Узбоем, потоками на дне Каспийского моря (рис. 1, красная линия). Река Чусовая пересекает Урал на самом низком уровне (относительно других рек в этом регионе). Этот факт необходимо учитывать при районировании территорий по характеру эрозионного расчленения.

Система потоков, оконтуривающих данную область денудации крупного ранга, со временем меняется. В статье А.А. Свиточа [11] отражена история развития Аральского моря. С помощью спутниковых карт, приведенных в [10], определялись изменения положения систем относительно независимых потоков и характера эрозионного расчленения территории, произошедшие в период с середины прошлого столетия [9]. На участке Аму-Дарья – Арал кардинально изменилось направление транзитного движения в системе потоков. Сарыкамышская котловина уже не осушается, а переполняется водой, которая поступает напрямую из Аму-Дарьи. Эта река теперь не течет в Арал, наоборот, сток идет от Арала в Аму-Дарью и далее в Сарыкамышскую котловину. Если в пятидесятые годы прошлого века главный узел сочленения потоков в пределах наиболее пониженной части котловины Аральского моря (находящейся в западной ее части) погружался и принимал воды из Аму-Дарьи и Сыр-Дарьи, то теперь данный узел развивается в режиме воздымания. В результате русла этих рек перестраиваются. Зафиксированы процессы осушения в заливе Комсомолец, на северо-восточных окраинах Каспия.

 

Рис. 1 – Границы областей денудации (зоны разрядки напряжений, потенциальных разрывов земного вещества) в пределах Волго-Уральской и Прикаспийской нефтегазоносных провинций условно: первого (красные линии) и второго (голубые линии) рангов

 

Все эти современные трансформации природной среды свидетельствуют об изменении параметров процесса воздымания, расширении по площади центральной части области денудации (в данном случае третьего ранга), находящейся  между Аралом и Каспийским морем.

Изменения Арала и его притоков не случайны. Наиболее слабые звенья в системе ЗРН условно первого ранга находятся в местах взаимодействия рр. Чусовой и Исети, а также противоположных притоков в Каспийское море и в Арал, в Арал и р. Тобол.

Области денудации меньшего ранга выявлялись с учетом характера сочленения транзитных потоков со своими противоположными активными притоками.

Известно, что узел сочленения транзитного потока с активным его притоком обладает свойством фрактальности, самоподобия, проявляющегося в разных масштабах [12]. Фрактальными свойствами обладает и структура, образованная 4-мя узлами данного типа, в которой реализуются  связи двух относительно независимых транзитных потоков и их противоположных активных притоков [4]. Более крупное объединение таких структур состоит из пяти областей относительно меньшего ранга: одной – центральной и четырех – боковых. Относительно независимые потоки, функционирующие в ЗРН конкретного ранга и оконтуривающие центральную область, могут быть перехвачены одним из четырех связанных с ними потоков того же ранга при определенном понижении его местного базиса денудации.

В пределах выявленной области денудации условно первого ранга функционирует самый протяженный поток – Урал (см рис. 1). Он вместе со своими относительно крупными притоками – Эмбой (точка их сочленения находится на дне Каспийского моря) и Орью «обтекают» центральную часть – область денудации условно второго ранга (см. рис. 1, голубая линия). С этой областью связаны четыре крупных эрозионных вреза, ЗРН, в которых функционируют: поток в северной широтной части Каспия – продолжение р. Урала; связки противоположных притоков рр. Самары (Бузулук) и Урала (Чаган); Урала (Сакмары и ее притока) и р. Белой (участок с направлением транзитного движения на северо-запад); р. Иргиз. В результате определяются четыре области денудации  того же ранга, что и центральная часть (см. рис. 1, голубые линии). Одна из них оконтурена рр. Камой, Чусовой, Исетью, Тоболом, Иргизом, Орью, Уралом (участок широтного простирания), связкой противоположных притоков рр. Урала и Белой, р. Белой.

На рис. 2 показаны области денудации третьего условно ранга (синие линии). Для ориентировки также приведены отображенные на рис. 1 границы таких областей условно первого (красная линия) и второго (голубые линии) рангов.

 

Рис. 2 – Границы областей денудации (зоны разрядки напряжений, потенциальных разрывов земного вещества) условно: первого (красные линии); второго (голубые линии); третьего (синие линии) рангов

Примечание: См. также рис. 1  

В частности одна из центральных областей (условно третьего ранга) оформляется рр. Тоболом, Уй, Уралом (участок меридионального простирания), противоположными притоками Тобола и Урала. Связанные с ней четыре относительно крупных эрозионных вреза (см. рис. 2, синие линии) представлены рр. Миасс (направление транзитного движения на северо-восток), Тоболом (участок широтного простирания с направлением на восток), Уралом (участок меридионального простирания с направлением транзитного движения на юг), Белой (с направлением транзитного движения на юго-запад).

Другая область того же второго (условно) ранга оконтурена рр. Самарой, Бузулуком, Чаганом, Волгой, Камой, Белой (с транзитным движением на северо-запад), связкой противоположных притоков Белой и Урала (слабое звено ЗРН второго ранга), Уралом (участок широтного простирания).

В данной области четыре крупных эрозионных вреза третьего ранга (см. рис. 2, синие линии) представлены рр. Самарой и Б. Кинелем; Демой; Ик; связкой рр. Салмыш и Демы (слабое звено ЗРН второго ранга).

Средняя область третьего ранга, таким образом, формируется связками противоположных притоков этих рек: Ик и Б. Кинеля; Ик и Демы; Демы и Б. Кинеля (слабые звенья ЗРН третьего ранга) и участком р. Б. Кинеля. Соответственно на пять частей более низкого ранга делятся и другие области денудации 2-го ранга, а также и сами области денудации третьего ранга.

Заключение

Полученная информация об областях денудации позволяет определить наиболее слабые звенья в системе зон разрядки напряжений разного ранга, где возможно усиление эрозионного расчленения территории. Участки границ областей денудации, в пределах которых функционируют связки противоположных по направлению гидро- и литодинамических потоков, потенциально опасны для объектов нефтегазового комплекса. Поэтому такая информация должна быть использована при разработке прогрессивных технологий как обустройства новых нефтегазовых месторождений, так и мониторинга уже разрабатываемых.

Финансирование Работа выполнена в рамках госзадания.	Funding The work was performed as part of the state assignment.
Конфликт интересов Не указан.	Conflict of Interest None declared.

Список литературы / References

1. Чалов Р.С. Морфодинамика русел равнинных рек / Р.С. Чалов, А.М. Алабян, В.В. Иванов и др. // – М. : «ГЕОС». – 1998. – 288с.
2. Алексеевский Н.И. Естественные и антропогенно обусловленные трансформации русел рек России (методология и география) / Н.И. Алексеевский, К.М. Беркович, Р.С. Чалов и др. // Эрозия почв и русловые процессы: сб. статей. – М.: изд-во МГУ, 2012. – С. 148–170.
3. Леонтьев О.К. Пересыпи на дне океана / О.К Леонтьев // Природа. – 1975. – № 6. – С. 42–45.
4. Соколова Н.В. О роли единой системы непрерывных потоков вещества разного ранга в формировании внутренней структуры Земли [Электронный ресурс] / Н.В. Соколова // Актуальные проблемы нефти и газа: Электрон. науч. журн. – 2017. – Вып. 1(16). – URL: http://oilgasjournal.ru (дата обращения 02.08.2019). doi:10.29222/ipng.2078-5712.2017-16.art
5. Динамическая геоморфология: уч. пос. под ред. Г.С. Ананьева, Ю.Г. Симонова, А.И. Спиридонова. – М.: изд-во МГУ, 1992. – 448 с.
6. Соколова Н.В. Новая фактическая информация о пространственной самоорганизации потоков вещества земной поверхности разного ранга / Н.В. Соколова // Экология речных бассейнов: Труды 9-й Междунар. науч.-практ. конф. Суздаль 5–8 сентября 2018 г. / Под общ. ред. проф. Т.А. Трифоновой. – Владимир: "Аркаим", 2018. – С. 551–556.
7. Орлов В.И. Динамическая география / В.И. Орлов // – М.: «Научный мир», 2006. – 594 с.
8. Миртова И.А. Выявление характера непрерывных естественных изменений природных объектов по аэро- и космическим снимкам / И.А. Миртова, Н.В. Соколова // Известия вузов. Геодезия и аэрофотосъемка. –2015. – № 2. – С. 40–46.
9. Атлас мира. Отв. ред. А.Н. Баранов. – М.: ГУГК при МВД СССР. – 1954.
10. Карты генштаба СССР – архив топографических карт [Электронный ресурс]. – URL: http://satmaps.info (дата обращения 01.07.2019).
11. Свиточ А.А. История последнего Аральского моря / А.А. Свиточ // Аридные экосистемы. – 2009. – Т. 15, № 2 (38). – С. 1–17.
12. Мандельброт Б. Фрактальная геометрия природы / Б. Мандельброт // – М.: «Институт компьютерных исследований», 2002 – 656 с.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Chalov R.S. Morfodinamika rusel ravninnykh rek [Morphodynamics of Beds of Flat Rivers] / R.S. Chalov, A.M. Alabyan, V.V. Ivanov, R.V. Lodina, A.V. Panin // – M.: “GEOS”. – 1998. – 288 p. [in Russian]
2. Alekseevskii N.I. Estestvennye i antropogenno obuslovlennye transformatsii rusel rek Rossii (metodologiya i geografiya) [Natural and Human Caused Transformations of Riverbeds of Russia (Methodology and Geography)] / N.I. Alekseevskii, K.M. Berkovich, R.S. Chalov, S.R. Chalov // Eroziya pochv i ruslovyye protsessy: sb. statey [Soil Erosion and Processes Occvuring in River Beds: Coll. of articles]. – M.: Publishing House of Moscow State University, 2012. – P. 148–170. [in Russian]
3. Leontiev O.K. Peresypi na dne okeana [Bay-Bar at the Bottom of the Ocean] / O.K. Leontiev // Priroda [Nature]. – 1975. – No.6. – P. 42–45. [in Russian]
4. Sokolova N.V. O roli edinoi sistemy nepreryvnykh potokov veshchestva raznogo ranga v formirovanii vnutrennei struktury Zemli [On the Role of a Single System of Continuous Flows of Matter of Different Ranks in the Formation of the Earth’s Internal Structure] [Electronic resource] / N.V. Sokolova // Aktual'nyye problemy nefti i gaza [Topical Problems of Oil and Gas]: Electronic Scientific Journal – 2017. – Issue 1 (16). – URL: http://oilgasjournal.ru (accessed 02.08.2019). doi: 10.29222/ipng.2078-5712.2017-16.art12. [in Russian]
5. Dinamicheskaya geomorfologiya: uch. pos. pod red. G.S. Ananieva, Yu.G. Simonova, A.I. Spiridonova [Dynamic Geomorphology: Textbook under Editorship of G.S. Ananyev, Yu.G. Simonov, A.I. Spiridonov]. – M.: MSU Publishing House, 1992. – 448 p. [in Russian]
6. Sokolova N.V. Novaya fakticheskaya informatsiya o prostranstvennoi samoorganizatsii potokov veshchestva zemnoi poverkhnosti raznogo ranga [New Factual Information on Spatial Self-Organization of Flows of Matter on the Earth's Surface of Different Ranks] / N.V. Sokolova // Ekologiya rechnykh basseynov: Trudy 9-y Mezhdunar. nauch.-prakt. konf. Suzdal' 5–8 sentyabrya 2018 g [Ecology of River Basins: Proceedings of the 9th Intern. Research-to-Practice Conf. Suzdal September 5-8, 2018] / Under general. ed. of prof. T.A. Trifonova. – Vladimir: Arkaim, 2018. – P. 551–556. [in Russian]
7. Orlov V.I. Dinamicheskaya geografiya [Dynamic Geography] / V.I. Orlov // – M.: «Nauchnyi Mir», 2006. – 594 p. [in Russian]
8. Mirtova I.A. Vyyavlenie kharaktera nepreryvnykh estestvennykh izmenenii prirodnykh obyektov po aero- i kosmicheskim snimkam [Identification of Nature of Continuous Natural Changes in Natural Oobjects from Aerial and Satellite Images] / I.A. Mirtova, N.V. Sokolova // Izvestiya vuzov. Geodeziya i aerofotos"yemka [University proceedings. Geodesy and Aerial Photography]. 2015. – No. 2. – P. 40–46. [in Russian]
9. Atlas mira [Atlas of the World]. Resp. ed. A.N. Baranov. – M.: MDGC of the Ministry of Internal Affairs of the USSR. – 1954. [in Russian]
10. Karty genshtaba SSSR – arkhiv topograficheskikh kart [Maps of the General Staff of the USSR - Archive of Topographic Maps] [Electronic resource]. - URL: http://satmaps.info (accessed: 01.07.2019). [in Russian]
11. 11 Svitoch A.A. Istoriya poslednego Aralskogo morya [History of the Last Aral Sea] / A.A. Svitoch // Aridniye ekosistemy Arid Ecosystems. – 2009. – V. 15. – No. 2 (38). – P. 1–17. [in Russian]
12. Mandelbrot B. Fraktalnaya geometriya prirody [Fractal Geometry of Nature] / B. Mandelbrot // – M.: “Institute for Computer Research,” 2002 – 656 p. [in Russian]