Геоморфологическая цикличность и модели развития рельефа

Лекция 4 ГЕОМОРФОЛОГИЧЕСКАЯ ЦИКЛИЧНОСТЬ И МОДЕЛИ РАЗВИТИЯ РЕЛЬЕФА Концепция геоморфологических циклов, разработанная одним из основоположников геоморфологии У.М. Дэвисом в 1899 году, до настоящего времени широко применяется для объяснения строения, происхождения и развития рельефа во времени. В истории каждого крупного участка суши периоды общего поднятия сменялись периодами замедления поднятий или даже опусканиями. Промежуток времени, в течение которого происходит чередование эпох (фаз) усиленного расчленения поверхности равнин и гор, усложнения их рельефа и эпох сглаживания контрастов поверхности, общего выравнивания вместе составляют геоморфологический цикл. Геоморфологические циклы служат естественными подразделениями истории рельефа, его непрерывной эволюции. В результате завершения каждого цикла на крупных участках суши формируются выровненные поверхности, приблизительно одинаковые по площади и высоте. В начале цикла в эпоху поднятия, то есть расчленения, эти выровненные поверхности оказываются на разной высоте в зависимости от интенсивности тектонических поднятий. В таком случае эти выровненные поверхности называют поверхностями выравнивания. Их сохранность в современном рельефе зависит от первоначальной площади выровненной поверхности и интенсивности денудации. Так как тектонические движения носят разнонаправленный характер, то при опускании выровненные участки суши оказываются погребенными. Положение в пространстве и времени поверхностей выравнивания четко фиксировано, поэтому прослеживание поверхностей выравнивания и определение их возраста дает возможность установить количество циклов в истории развития каждой территории и их датировать. 4.1. ПОВЕРХНОСТИ ВЫРАВНИВАНИЯ И МЕХАНИЗМЫ ИХ ОБРАЗОВАНИЯ Идея эволюции рельефа была заложена еще в трудах Д. Поуэлла, М.В. Ломоносова в начале XVIII в. В конце XIX - начале XX в. появились концепции эволюционного цикла У.М. Дэвиса и множественности выровненных ступеней в горах В. Пенка. У.М. Дэвис предложил способ распознавания в рельефе земной поверхности стадий его развития, вместе составляющих геоморфологический цикл. По его представлениям, созданный тектоническими процессами рельеф подвергается обработке экзогенными процессами, главными из которых являются речная эрозия и аккумуляция. Выравнивание осуществляется путем длительного денудационного среза горной страны и превращением ее в равнину - «выравнивание сверху». В процессе обработки экзогенными процессами рельеф проходит несколько стадий. На стадии юности и зрелости экзогенные процессы протекают очень активно, образуются глубоко врезанные речные долины с крутыми склонами, то есть формируется резко расчлененный рельеф. Постепенно усиливается аккумуляция, речные долины расширяются, междуречья выполаживаются и снижаются за счет денудации, превращаются в низкие горы, а затем в холмы. В стадии старости склоны становятся более пологими, рельеф дряхлеет, изнашивается. В результате на месте некогда расчлененного рельефа образуется слегка волнистая невысокая выровненная поверхность – почти равнина - пенеплен (рис. 11). В этих последовательных изменениях рельефа и заключается по У.М. Дэвису геоморфологический цикл. Новый цикл наступит, если пенеплен будет снова поднят тектоническими процессами. В истории Земли эти циклы повторялись, и каждый из них оставлял свои следы в формах рельефа и отложениях, формируя стадиальные геоморфологические ландшафты. У.М. Дэвис упростил схему эволюции рельефа. У него цикл начинается не с активизации поднятий, а со времени их стабилизации, чтобы показать ведущую роль денудации в разрушении гор. Ему важны были не детали, а сам принцип цикла. На основе исследования фрагментов пенепленов разного возраста и стадий развития в Аппалачах он первым представил периодичность рельефообразования. Рис. 11. Схема нормального эрозионного цикла по У.М. Дэвису. (Мир географии, 1984) Критикуя концепцию У.М. Дэвиса, В. Пенк предположил, что экзогенные процессы «не ждут», когда образуется эндогенно обусловленный рельеф, а «работают» уже в процессе его создания. В сущности, он не отрицал пенеплен как конечную стадию развития горного рельефа, и в его построениях также есть конечная остаточная равнина. По мнению В. Пенка, процесс выравнивания на любой стадии может быть прерван тектоническими движениями. Впервые в Альпах он установил ступенчатость на склонах, иногда на водоразделах. Ступени разделялись не прямолинейными уступами сбросового происхождения, а типично денудационными склонами, «заливами» заходящими в долины рек в виде «предгорной лестницы». Ярусное строение склонов гор говорит о периодическом ослаблении тектонической активности в процессе их поднятия и усилении экзогенных процессов, что приводит к образованию множества разновозрастных выровненных поверхностей - «предгорной лестницы». В. Пенк предложил другой механизм выравнивания – по горизонтали, то есть вбок, путем отступания склонов параллельно самим себе. Этот процесс он назвал педипленизацией (педипланацией), а сформированную таким образом денудационную равнину – педипленом (лат. pedis – нога, подножие и анг. plane - равнина). Процесс образования педиплена начинается с того, что у подножия склона в коренных породах формируется пологонаклонная (до 5о) площадка – педимент. На каждый данный момент времени подножие склона покрыто шлейфом склоновых отложений. Затем они удаляются водой, подножие очищается, склон отступает, сохраняя свою крутизну. В результате возникает наклонная выровненная поверхность, прилегающая к подножию склона, то есть педимент. Педименты со временем сливаются, и в центре междуречий остаются останцовые горы и холмы (рис. 12). Рис. 12. Педиплен с отдельными останцами (Рычагов, 2006) Не всегда образование останцовых гор связано с препарированием более стойких горных пород. Сам механизм процесса педипленизации определяет их образование и при однородном геологическом строении. Например, в пустынях Средней Азии островные горы, выработанные при горизонтальном залегании пород, имеют плоские вершины и образуют рельеф столово-останцовых возвышенностей. Их почти отвесные склоны на плато Устюрт высотой до 100 м называют чинками (см. гл. 9.2). У.М. Дэвис создал первую геоморфологическую модель, В. Пенк ее детализировал и углубил. У.М. Дэвис изучал середину и конец цикла, В. Пенк прослеживал весь цикл, начиная с восходящей фазы. Дополняя друг друга, они установили, что цикловые поверхности выравнивания (педименты и педиплены) формируются в процессе роста гор, то есть в начале цикла, а пенеплен завершает цикл. Различия в механизме выравнивания «сверху» или «сбоку» не являются принципиальными, поскольку в природе наблюдается и то и другое. Пенеплен, или остаточная поверхность выравнивания рассматривается как показатель длительности процессов континентальной денудации в условиях стабильного тектонического режима. «Предгорная лестница» или «ярусно-возвышенный рельеф» - показатель прерывистого развития, протекавшего в условиях периодической смены фаз нисходящего развития фазами восходящего развития рельефа. Л. Кинг (1967) перенес возможность педипленизации на эволюцию платформенных равнин. Работая в Южном полушарии, он обратил внимание на то, что рельеф равнин докембрийских платформ не пологий холмистый, а резко контрастный. Для объяснения этого феномена он соединил представления У.М. Дэвиса и В. Пенка. Л. Кинг считал, что на всех стадиях, в том числе и на стадии старости, могут сохраняться уступы и крутые склоны, изначально образованные либо тектоническими движениями, либо глубинной эрозией. Если пенеплен образуется за счет «изнашивания», выполаживания склонов, расширения речных долин под действием денудационных процессов, то та же склоновая денудация вызывает отступание склонов в сторону водоразделов параллельно их первоначальной поверхности без выполаживания, что тоже приводит к выравниванию рельефа и образованию педиплена. В отличие от пологоволнистого пенеплена педиплен имеет резко очерченный рельеф – геоморфологический ландшафт островных гор. Таким образом, геоморфологическая цикличность отражается в рельефе путем формирования поверхностей выравнивания разных рангов от педиментов и педипленов до цикловых поверхностей выравнивания - пенепленов. До 40-х годов XX в. термин «поверхность выравнивания» применялся только к пенепленам. Ю.А. Мещеряков (1981) расширил понятие «выровненная поверхность» и разработал представление о базисных полигенетических поверхностях выравнивания. Он определял их как поверхности разного генезиса, которые формируются в условиях компенсации эндогенных процессов экзогенными процессами. Каждая такая поверхность в пределах суши состоит из денудационных равнин, которые сопряжены с озерно-аллювиальными равнинами. Вблизи береговой линии моря в их состав входят абразионные, абразионно-аккумулятивные и дельтовые равнины. Их продолжают равнины в пределах шельфа. Проблема образования поверхностей выравнивания до сих пор остается открытой. Большинство исследователей придерживаются взглядов У.М. Дэвиса, В. Пенка и Л. Кинга, отводя главную роль в образовании поверхностей выравнивания процессам пенепленизации (эрозионный размыв и плоскостной смыв) (см. гл. 6.2 и 7.1), связанным с развитием древней эрозионной сети, или процессам педипленизации – параллельному отступанию придолинных склонов до полного уничтожения междуречных пространств. Образование педиментов, педипленов и пенепленов возможно только в условиях нисходящего развития рельефа. Самая высокая ступень «лестницы» поверхностей выравнивания всегда самая древняя, а каждая последующая ступень вырабатывалась на более низком уровне. Это говорит о прогрессивном поднятии земной коры и о компенсации поднятия врезанием долин рек и углублением денудационных понижений. Тектонические движения играют ведущую роль в образовании поверхностей выравнивания, стимулируя разную активность экзогенных процессов, но при этом большую роль играет климат. Процесс пенепленизации связывают с тропическим теплым и влажным климатом, а педипленизации – с условиями аридного климата, когда длительное время материал накапливается в подножии склонов, а затем удаляется. Как установлено сейчас, во влажных тропиках выполаживание рельефа происходит одновременно двумя путями. Пенепленизация осуществляется вследствие смещения вниз по склону переувлажненного грунта в основном глинистого состава. Крутые (скальные) склоны подвержены педипленизации. Вследствие переувлажнения подошвы склона наблюдается эффект «подкопа» под склон. Нарушение равновесия быстро передается наверх, и отступание происходит особенно быстро. Островные горы и педименты влажных тропиков – не реликтовые образования, а активно развивающиеся современные. В условиях нивального и полярного климатов главным механизмом образования денудационной равнины является педипленизация. Морозное выветривание, солифлюкция, нивальные процессы быстро разрушают склоны, и образуются педименты. Результатом педиментации является образование в скальных породах гольцовых террас (см. гл. 8.2). Таким образом, для образования педипленов наиболее благоприятны области с резкими климатическими контрастами. В гумидных условиях наблюдается примерно равное участие того и другого механизмов выравнивания. 4. 2. МАКРОЦИКЛЫ В ИСТОРИИ ГЕОМОРФОЛОГИЧЕСКОГО ЭТАПА На геоморфологическом этапе в связи с периодами существования Пангеи и ее последующего распада, сопровождавшегося активизацией тектонических движений, образованием резко контрастного рельефа, увеличением общей высоты суши и направленным похолоданием климата, формировались разные поверхности выравнивания. Ю.А. Мещеряков и И.П. Герасимов в 1970 г. выделили три главных цикла в истории геоморфологического этапа развития. Каждый цикл завершался образованием качественно нового морфогенетического типа поверхности. I макроцикл – формирование глобального мезозойского пенеплена. Это самый длительный макроцикл, охватывающий мезозой и ранний кайнозой (до начала неотектонического этапа). В условиях относительно стабильной тектонической обстановки и теплого влажного климата на Пангее формировалась обширная выровненная поверхность с корой выветривания латеритного типа - глобальный мезозойский пенеплен, который послужил основой для образования современного рельефа суши. По мере распада Пангеи эта поверхность подвергалась тектоническим деформациям. В одних районах она оказалась приподнятой, в других, наоборот, глубоко опущенной, или свободно изогнутой, или разломанной на отдельные блоки. В результате в современном рельефе мезозойский пенеплен представлен отдельными фрагментами, занимающими разное гипсометрическое положение. II макроцикл – формирование денудационно-ярусного рельефа. Это сравнительно короткий макроцикл, продолжавшийся в течение неогена. Резкие и частые изменения интенсивности и направленности неотектонических движений привели к образованию ярусных возвышенностей (в областях поднятий) и пластовых аккумулятивных равнин (в областях опусканий). В связи с похолоданием климата, вызванным увеличением высоты суши, и начавшимся в конце палеогена оледенением Антарктиды, происходило «великое остепнение». В умеренных и субтропических широтах формировались ландшафты саванн или полупустынь. Переменно влажный климат и разреженная растительность способствовали развитию процессов педипленизации. Однако выравнивание не охватывало всю сушу, а происходило локально. В периоды ослабления неотектонических движений поверхности выравнивания образовывались на ограниченных территориях, а не в виде глобальных поверхностей выравнивания. В разных районах суши эти процессы развивались почти синхронно и привели к усложнению рельефа, образованию ступенчатого денудационного рельефа. III макроцикл - террасового развития начался в плейстоцене. Выделение этого макроцикла связано не только с возрастанием тектонической активности и увеличением скорости деформаций ранее созданного рельефа. В плейстоцене появились новые факторы, влияющие на ход денудационно-аккумулятивных процессов: мощные ледниковые покровы и периодические крупные колебания уровня Мирового океана. Во всех речных бассейнах, находящихся в областях распространения ледниковых и водноледниковых отложений сформировались серии хорошо выраженных аккумулятивных террас, а на низких равнинных территориях - аллювиально-озерные равнины, переходящие в гляциально-морские поверхности. Таким образом, рельеф Земли еще больше усложнился и постепенно приобрел современный облик. В разных морфотектонических областях поверхности выравнивания имеют неодинаковый характер. В пределах равнинно-платформенных областей прослеживается 2-3 разновозрастные поверхности выравнивания. Наиболее древние (фрагменты поверхности глобального мезозойского пенеплена) сохранились на щитах. Все поверхности, даже самые древние и высоко поднятые, слабо деформированы и сохраняют первоначальный почти горизонтальный профиль, чем объясняется равнинность рельефа платформ. В молодых горах (Кавказ, Копетдаг) насчитывается 8-10 поверхностей выравнивания, возраст которых не древнее олигоцена – миоцена. Они представляют собой узкие террасированные ступени, образовавшиеся в сравнительно короткие периоды приостановки роста гор, и занимают небольшие площади. В рельефе этих гор преобладают уступы и крутые склоны, которые отмечают длительные фазы интенсивного поднятия. В возрожденных горах своеобразно сочетаются реликтовые поверхности выравнивания типа пенепленов и «лестницы» поверхностей выравнивания, которые не отличаются от поверхностей выравнивания молодых гор. Пенеплены - свидетели доорогенной стадии развития, в течение которой древние (в геоморфологическом смысле) складчатые горы были подвержены денудации в условиях платформенного тектонического режима (рис. 13). Фрагменты древних пенепленов высоко подняты и занимают большие пространства в пределах возрожденных гор. Например, на Урале они прослеживаются на высоте 1000 м, на Тянь-Шане – на высоте 4000 м. Эти нагорные пенеплены оставляют неизгладимое впечатление. После долгого подъема на перевале вместо узкого гребня открывается обширная волнистая равнина. «Лестницы» поверхностей выравнивания – свидетели нового орогенного этапа. Например, в горах Тянь-Шаня установлено 5-7 таких поверхностей неоген-четвертичного возраста. Рис. 13. Поверхность выравнивания, перемещенная по разлому (Сваричевская, 1984) Каждая эпоха выравнивания охватывала большие территории с разным рельефом и геологической структурой, поэтому поверхности выравнивания определенного возраста распространяются на обширных участках суши. Их изучение – основной путь разработки геоморфологической хронологии. Анализ деформаций поверхностей выравнивания является одним из основных геоморфологических методов оценки амплитуды неотектонических движений. Однако до сих пор отсутствуют сводные карты поверхностей выравнивания, и продолжается дискуссия о возрасте поверхностей выравнивания и возрасте рельефа в целом. Изучение поверхностей выравнивания имеет не только большой научный интерес, но и практическое значение, поскольку к ним приурочены коры выветривания (см. гл. 6.1), с которыми связаны месторождения многих полезных ископаемых. Данные о возрасте поверхностей выравнивания и их деформациях могут быть использованы для общего прогноза рудных полезных ископаемых. Когда формируются денудационные равнины, сносится не только осадочный покров, но срезаются и древние структуры. А.Е. Ферсман еще в 30-е годы XX в. предположил, что металлогенические провинции определяются сочетанием геологических структур и величиной денудационного среза. Разной величине денудационного среза соответствуют свои комплексы полезных ископаемых. Наиболее глубоко (до 5 км) денудированные области докембрийских кристаллических щитов содержат полезные ископаемые, связанные с корнями магматических тел (молибден, редкие металлы). Полной противоположностью являются молодые горы с малой глубиной денудационного среза (около 1 км) и преимущественным распространением полезных ископаемых, характерных для верхних геохимических концентров (свинец, цинк, мышьяк, ртуть и др.). Большим своеобразием отличаются комплексы рудных месторождений возрожденных гор, где глубокий денудационный срез сочетается с вторичными орогеническими движениями, вторичным магматизмом и новой фазой рудообразования. В возрожденных горах полезные ископаемые относятся к разным геохимическим концентрам.