О методологии реконструции рельефа прошлых эпох

Бутвиловский В.В.

Лейбниц-Институт полимерных исследований, Германия; КузГПА, Россия, e-mail: wladimirbutwilowski@googlemail.com

methodology for the reconstruction of relief from past eras   

Butvilovsky V.V.

Leibniz Institute of Polymer Research Dresden, Germany; KusGPA, Russia, e-mail: wladimirbutwilowski@googlemail.com

Реконструкции рельефа суши обычно сводятся к выяснению характера расчлененности и примерной вы­соты территории на основе изучения от­ложений, образовавшихся за счет сноса с этой территории (http://www.eligiblelatinos.com/paleograf/geo58.htm). В геоморфологических справочниках понятие «рельеф реконструированный» определяют как «древний рельеф, в частности погребенный, восстанавливаемый по ряду геологических данных (анализ мощностей отложений, фаций, гранулометрического и петрографического состава и др.)» [1, с. 111]. «Древний рельеф» (палеорельеф) — рельеф земной поверхности минувших геологических эпох; или — ранее существовавший рельеф» [1, с. 70]. Если принято понятие «древний рельеф», то логично предполагать и необходимость «современного рельефа». И такое понятие было введено в обиход. К сожалению, это тот случай, когда логика заводит в тупик. Такое происходит тогда, когда исходная предпосылка неверна. Палеорельефа, как объективной реальности, не существует. Отмечу, что в других науках подобных терминов («палеолитосфера» или «палеовещество») не предлагают, нет там также и «современной литосферы». Но геоморфологи весьма изобретательны. Понятию «современный рельеф» они придают значения видимого, дневного, наземного, существующего одновременно с абстрактным наблюдателем в ту или иную эпоху и т.д. Утверждается, что современный нам рельеф — тот рельеф, который можно наблюдать в настоящее время. При этом он является гетерохронным образованием. Это очевидная истина и никто из геоморфологов не думает иначе [2]. Зачем же в данном случае обозначение «современный»? Ведь слово «современный» используется для того, чтобы обозначать вещи, возникающие в настоящий момент («современные процессы») или соответствующие требованиям настоящего момента («современная техника»), или сосуществующие во времени («современники») (http://dic.academic.ru/dic.nsf/ushakov/1033518). Поэтому и не спорят о том, современны ли орудия труда каменного века, средневековья или 19-го столетия. Геологи также, к примеру, не утверждают, что слагающие местность горные породы кембрия, триаса или плиоцена являются современными. Полагаю, что лояльность Н.А. Флоренсова [3, с. 19] — «поскольку язык геоморфологии… очень условен, то в этом условном языке выражение «современный рельеф» имеет все права гражданства» — в данном случае нецелесообразна. Почему в той же геологии нет подобных условностей, хотя изучение литосферы имеет сходные методологические проблемы?… Из-за такой лояльности имеем мы то, что имеем: «скептическое отношение к геоморфологии и ее возможностям в решении геологических и других задач» [4, с. 69].

На мой взгляд, достаточно двух общих понятий: «актуальный рельеф» и «рельеф реконструированный» – первый как объективная реальность, изучаемая нами непосредственно; второй как виртуальная реальность, реконструируемая для той или иной эпохи прошлого. «Актуальный» обозначает насущный, действительный, соответствующий состоянию на настоящий момент (http://ru.wiktionary.org/wiki/); «реконструированный рельеф» предлагаю понимать как воссозданный, восстановленный, вычисленный и представленный в виде графического (виртуального) изображения. Чтобы реконструировать рельеф, надо сначала определиться, что такое рельеф и выяснить как он образуется и развивается. Свойства рельефа достаточно подробно рассмотрены в специальной монографии [5]. Они позволяют достаточно объективно выявлять структуру и функцию рельефа и создают основу его реконструкции для геологического прошлого и будущего.

 Термин «рельеф» понимают по разному [1]. Считаю, что вполне эффективны представления основоположников геоморфологии, которые определяли рельеф как совокупность всех форм твердой земной поверхности – неровных и ровных. Это определение требует уточнений, но суть рельефа оно отражает. Итак, примем, что рельеф есть внешний облик-состояние и конфигурация твердой земной поверхности. Объяснение этого первичного геоморфологического понятия дополняется тремя определениями [5]:

• рельеф есть внешний облик-состояние и конфигурация твердой земной поверхности, каждая точка которой количественно оценивается тремя координатами пространства;
• внешний облик-состояние есть воспринимаемые и измеряемые геометрические и физические свойства земной поверхности;
• конфигурация есть совокупность различно ориентированных и различно наклонных плоских геометрических фигур (элементов рельефа), составляющих земную поверхность.

Рельеф состоит из множества различных элементов (склонов), каждый из которых имеет своё образование и развитие. Примем, что «образование» есть появление-возникновение («рождение») элемента (объекта) как части некого целого. Образование элемента рельефа происходит особым способом, в результате чего объект приобретает свой «генезис» и «возраст» (в смысле «даты рождения»). Генезис есть способ возникновения объекта посредством некоторого движущего фактора-среды. Он выражается в геометрических соотношениях текстур-структур горных пород и форм поверхностей; тем самым может быть достаточно точно и однозначно «измерен» и установлен. Образуются элементы рельефа двумя главными способами: отложением твердых частиц, составляющих собою седиментационную поверхность (СР), конформную структуре накопленной толщи; и разрывом-перемещением толщи горных пород, выдвигающих дизъюнктивную (деструктивную) поверхность (ДР), дисконформную структуре этих пород [5]. Возраст элемента рельефа – это место элемента в пространственно-временной последовательности расположения до и после созданных элементов. Последовательности элементов объединяются в геоморфологическую хронологическую шкалу – порядок «раньше-позже» без количественного определения насколько раньше или позже [6]. Возраст элементов рельефа сопоставляется с определенными подразделениями геоморфологической хронологической шкалы и может быть также скоррелирован с возрастными подразделениями геохронологической шкалы или с абсолютным датированием горных пород [5].

«Развитие» есть существование элемента (объекта) в условиях внешней среды и его определенное реагирование на их изменения. Это адекватное реагирование состоит обычно из последовательной смены состояний и положений объекта, называемой «процессом развития» [7]. Процесс – последовательность состояний уже возникшего объекта.Развитие свойственно всему времени существования элемента рельефа, который при этом обязан сохранять свои основные признаки (генезис и возраст), несмотря на все внешние изменения и свою реакцию на них. Эмпирически известно, что рельеф твердой земной поверхности развивается двумя главными способами: отрывом, сносом (удалением) частиц вещества с одних ее участков и накоплением этих частиц на других участках. Эти процессы всегда разобщены в пространстве, ибо там, где идет снос (денудация), там одновременно не может быть накопления (аккумуляции). Это аксиома морфогенеза [5]. Она подводит к необходимости выделения в рельефе двух противоположных друг другу процессов развития склонов: процессов сноса (денудации) и накопления (аккумуляции) [2; и др.].

Рассмотрев все возможные варианты развития дизъюнктивного (деструктивного) рельефа (ДР) для идеальных условий денудации, можно придти лишь к одному: развитие ДР возможно лишь при равном горизонтальном отступании каждой своей точки [5]. Только такая кинематика не противоречит принятому и логически обоснованному статусу ДР, законам сохранения энергии и массы, механики и кинематики. Этот закон обуславливает способность деструктивных склонов сохранять посредством денудации свою первично образованную форму (наклон и экспозицию) и пространственно-временные соотношения (структуру), т. е. оставаться подобным(но не равным) самим себе, перемещаясь в пространстве. Второй закон гласит, что с более крутых склонов денудируется всегда более мощный слой (D) горных пород, чем одновременно с более пологих выше-ниже расположенных, причем толщина этого слоя прямо пропорциональна синусу угла наклона склона и определяется формулой D = S • sin α, где S – величина горизонтального денудационного перемещения склона, и α – угол наклона склона. Он уточняет первый и обосновывает возможность создания в структуре рельефа латеральных «несогласий», локально искажающих самоподобную конфигурацию элементов рельефа в ходе развития ДР, к примеру, когда нижерасположенный, но более крутой склон при смене типа процесса денудации может начать отступать быстрее, чем вышерасположенный, или когда более крутой смежный по латерали склон денудируется и отступает быстрее. При этом статус ДР не нарушается (он остается дисконформным к текстуре горных пород, и на нем не возникает аккумуляции). Нетрудно увидеть, что с учетом местных условий данные законы позволяют и качественно, и количественно оценивать развитие ДР и его пространственные перемещения как для будущего времени, так и для прошлых эпох. Иначе говоря, они являются методологической основой виртуальных реконструкций деструктивного рельефа. Принципиальная схема реконструкции ДР представлена на профильной модели (рис. 1).

Развитие СР в принципе аналогично и происходит при непрерывной аккумуляции или уплотнении седиментов равным вертикальным повышением (понижением) каждой своей точки [5]. При этом седиментационные элементы рельефа перемещаются (повышаются или понижаются) в пространстве параллельно самим себе и тем самым, так или иначе, сохраняется их самоподобие с момента образования. Из законов их развития также следуют возможности качественных и количественных виртуальных реконструкций СР [5].

Итак, рельеф как объективная реальность состоит из разных элементов (склонов) и представляет собой гетерогенное и гетерохронное образование. Одни его подразделения (деструктивные склоновые пояса, седиментационные морфокомплексы) образовались раньше, другие позже (соответственно принципу Докучаева: ниже-моложе) [5]. После образования шло развитие элементов рельефа, более длительное у древних, меньшее – у более молодых. При этом все они испытали соответствущие пространственные перемещения: деструктивные склоны, подвергаясь денудации, перемещались по латерали от места своего образования в сторону водоразделов; седиментационные склоны понижали свою поверхность, оставаясь на месте до тех пор пока конформные им седименты не снесены денудацией, после чего и подстилавший их деструктивный склон вовлекался в общий процесс денудационного сноса и отступания в сторону прилегающего водораздела. Тем самым, большинство элементов актуального рельефа в настоящее время находятся вовсе не в том месте, где они образовались, а в том месте, куда их переместила денудация, причем каждый склон на свое, отличное от других расстояние, определяемое скоростью и длительностью денудации (возраст склона, устойчивость подстилающих горных пород, условия внешней среды).

Обозреваемые нами актуальные рельеф и горные породы — это «миражи» прошлого. Образно говоря, они напоминают звездную картину неба: мы видим на самом деле не расположение звезд, а местоположения точек их излучения, дошедшего до нас от разноудаленных звезд за различное время (за тысячи и миллионы лет). Истинное положение звезд или галактик в настоящий момент неизвестно, его необходимо реконструировать, ибо в том месте, где мы сейчас видим свет звезды, этой звезды уже давно нет, она переместилась на некоторое расстояние, которое можно в принципе рассчитать, зная законы движения небесных тел. Иначе говоря, мы видим места, где были звезды раньше, а не те, где они есть сейчас. В актуальном (реальном) рельефе – всё наоборот: мы видим, где элементы рельефа находятся сейчас, а должны узнать, где они были раньше, откуда «пришли» или куда «уйдут». Для этого и нужны виртуальные реконструкции рельефа прошлых и будущих времен. Всё это имеет прикладное значение, к примеру, для оценки перспектив террасоувалов, педиментов и пологих долинообразных участков (так называемых древних долин) на россыпи и металлоносные коры выветривания. В частности, в горах юга Сибири выделено множество фрагментов поверхностей выравнивания, террасоувалов и пологих приводораздельных долинообразных участков, которые считаются перспективными на полезные ископаемые [8]. Однако поисковые работы в пределах этих участков далеко не всегда оказываются успешными. Почему? Очевидно потому, что поисковики не задумываются о возможном изменении местоположения этих пологонаклонных форм. В том месте, где они находятся сейчас, их не было в прошлые эпохи; они, также как и содержавшиеся в их пределах полезные ископаемые, закладывались на большем удалении от водоразделов; причем, чем древнее террасоувал или педимент, тем больше было это удаление. К примеру, палеогеновый долинообразный участок в период своего образования должен был находиться в 2-5 км ниже по течению от того места, где он находится сейчас. В любом случае, после своего образования его борта и днище подвергались эрозии и денудации. За счет этого участок не мог оставаться на месте и в результате «уходил» в сторону и вверх по течению от того места, где образовался, оставив там и созданное россыпное месторождение. Отсюда следует: чтобы более эффективно вести поиск экзогенных месторождений, необходимо сначала реконструировать рельеф на те или иные эпохи, благоприятные для образования месторождений, и определить исходные местоположения вмещавших их элементов рельефа и их соотношения с актуальным рельефом.

Такая работа была проведена для нескольких районов Кузнецкого Алатау и Горной Шории, для которых была сначала закартирована структура актуального рельефа и на этой основе составлены карты виртуального (реконструированного) рельефа на поздний плиоцен и на поздний эоцен (рис. 2). Реконструированные местоположения склоновых поясов врезания и выполаживания (педиментов), эрозионных террасоувалов и подрезов определялись исходя из законов самоподобного параллельного отступания деструктивных склонов, из средних скоростей денудационного сноса и обусловленного им латерального отступания, выведенных из региональных эмпирических данных.   

Важное значение имеет точность и репрезентативность эмпирических данных. Сравнивая строение и высоты террасоувалов в горах Енисейского кряжа Ю.С. Будилин [9] определил, что величина денудации пологих (3-4°) террас, образованных в конце неогена на кристаллических сланцах протерозоя за время плейстоцена не превышает 3-6 м (0,003-0,006 мм/год); для миоценовых террас она составляет около 12-20 м (0,002-0,004 мм/год). Отсюда легко вычислить величину латерального отступания склонов за эти периоды: величину слоя денудации разделить на синус угла 3 и 4°. Итак, в течение плейстоцена (примерно за 1 млн. лет) пологие площадки и более крутые (8-10°) борта долин отступили по латерали на 43-128 м, за плиоцен-плейстоцен (5 млн. лет) — 173-425 м; средние скорости латерального отступания составляют соответственно 0,04-0,13 мм/год и 0,03-0,08 мм/год. Для низкогорья и среднегорья Горного Алтая мною получены сходные данные [5]. При расчетах величин латеральных перемещений элементов рельефа предлагается использовать средние величины скоростей денудационного отступания. Для них и следует определять местоположение виртуальных границ элементов, но при поисковых работах целесообразно учитывать возможные отклонения этих границ соответственно данным об установленных здесь максимальных и минимальных скоростях денудации. Исходя из имеющихся данных, ширина возможного отклонения границ от среднего составляет в среднегорье Алтае-Саянской области  ± 800 м для позднего эоцена, ± 100 м для позднего миоцена и ± 30 м для позднего плиоцена.

Предстоит еще большая работа по определению абсолютных и относительных скоростей денудации в тех или иных условиях, для тех или иных участков рельефа. И это возможно при методически правильных исследованиях. Необходимость таких исследований оправдывается их практической эффективностью. Уже первый опыт реконструкций рельефа позволил объяснить, к примеру, многие особенности размещения и изменения продуктивности россыпных месторождений исследованных районов Горной Шории [8].

Литература

1. Терминология общей геоморфологии / авт. Д.А.Тимофеев, Г.Ф.Уфимцев, Ф.С. Онухов Ф.С./ — М.: Наука, 1977. — 200 с.

2. Проблемы теоретической геоморфологии /Симонов Ю.Г., Тимофеев Д.А., Уфимцев Г.Ф. и др./ М.: Наука, 1988. 256 с.

3. Флоренсов Н.А. Очерки структурной геоморфологии. М.: Наука, 1978. 238 с.

4. Геоморфологическое картирование. М.: Наука, 1978. 240 с.

5. Бутвиловский В.В. Введение в теоретическую геоморфологию – альтернативные представления. Новокузнецк: Изд-во КузГПА, 2009. 185 с.

6. Салин Ю.С. К истокам геологии. Хабаровск, 1989. 257 с.

7. Советский энциклопедический словарь /под. ред. А.М. Прохорова/. М.: Изд-во «Советская энциклопедия», 1981. 1600 с.  

8. Бутвиловский В.В., Аввакумов А.Е., Гутак О.Я. Россыпная золотоносность гор юга Западной Сибири: историко-геологический обзор и оценка возможностей // Новокузнецк: Кузбасская государственная педагогическая академия, 2011. 241 с.

9. Будилин Ю.С. О сохранности россыпей высоких террас и глубине денудации склонов долины р. Енашино (Енисейский кряж) за четвертичный период // Труды ЦНИГРИ, вып. 79. — М.: 1968. — С. 332-336.