Чернова И.Ю., Хасанов Д.И., доценты кафедры геофизики, Жарков И.Я, доцент кафедры гидрогеологии, Бильданов Р.Р., Каширина Т.С., студенты IV курса,
Казанский государственный университет, геологический факультет, г. Казань, тел.: (8432)315575, E-mail: inna.chernova@ksu.ru
Результаты изучения современных и новейших движений земной коры дают неоценимый материал для расширения представлений о закономерностях тектонических процессов. Они важны также для решения практических задач геологии, поскольку тектонические процессы являются причиной формирования и переформирования различных геологических структур и образований, в том числе и связанных с полезными ископаемыми.
Целями и задачами выполненного проекта были обнаружение и изучение пространственного распределения зон новейших вертикальных движений земной коры на территории Поволжского региона, охватывающего Республику Татарстан, прилегающие области и республики (рис. 1).
 Рис. 1. Обзорная карта региона. |
Основными методами изучения новейших движений земной коры являются геоморфологические методы. Они основаны на том, что движения земной коры, взаимодействуя с экзогенными процессами и преодолевая их выравнивающую деятельность, находят, в конечном счете, свое отражение в современном рельефе и характере речной сети [1]. Универсальным для платформенных областей является морфометрический метод — наиболее тонкий из методов структурно-геоморфологического анализа. Этот метод впервые был предложен В.П. Философовым и применен к поискам перспективно-нефтегазоносных локальных поднятий [2]. Доныне этот метод не утратил своей актуальности, но не получил большого развития из-за своей трудоемкости. Современные ГИС освобождают исследователя от рутинной работы. Использование инструментов ГИС сокращает время создания карт в сотни раз, появляется возможность исследования больших территорий, что ранее было невозможно из-за огромного объема ручных построений.
Проект выполнялся с использованием ArcGIS 8.2. и ArcView GIS 3.2. Исходный материал представлял собой цифровые топографические карты масштаба 1:200000 (105 планшетов) в формате PC ARC/INFO. Предварительно были выполнены следующие виды работ:
- Импорт данных в базу геоданных;
- Подгонка и сшивка листов;
- Генерализация полигональных водных объектов, представляющих (в данном масштабе) русла крупных рек, до линейных объектов;
- Проверка и коррекции топологических и атрибутивных данных;
- Построение направленной геометрической сети рек и водотоков;
- Создание цифровой модели рельефа в виде матрицы точек с координатами (X,Y,Z), где X,Y – прямоугольные координаты точек в метрах, Z – абсолютная отметка высоты в метрах.
Морфометрические карты строятся на основе топографических карт, традиционная методика их построения описана в руководствах [2, 5]. Точнее, для построения морфометрических карт нужна гипсометрическая поверхность и линейная сеть водотоков, включающая временные и пересыхающие русла.
В ArcGIS имеется более 20 функций, предназначенных для гидрологического моделирования и построения корректных топографических поверхностей, учитывающих все морфометрические особенности изучаемой территории. Поскольку эти функции работают с растровым типом данных, методика получения карт и их интерпретация существенно отличается от традиционной.
Для построения корректной гипсометрической поверхности использовалась функция topogrid (ArcInfo Workstation), позволяющая рассчитывать модель рельефа, качество которой многократно превышает качество моделей, получаемых обычными методами интерполяции, такими как, например, сплайн или кригинг. В данной функции учитывается не только пространственное положение изолиний рельефа и отметок высот, но и расположение речной сети, закрытых водоемов (озер), локальных понижений рельефа. Есть еще ряд дополнительных опций topogrid, позволяющих получить хорошо скорректированную гипсометрическую поверхность, пригодную для гидрологического моделирования и учитывающую все особенности рельефа изучаемого региона. Выбранный размер ячейки грида 200х200м обеспечивает точность грида, достаточную для региональных исследований, и не чрезмерен для расчетов (рис. 2).
 Рис. 2. Гипсометрическая поверхность (дневной рельеф). |
Для построения карты порядков речных долин входной грид рельефа последовательно обрабатывался специальными гидрологическими функциями FLOWDIRECTION, FLOWACCUMULATION, STREAMORDER (рис. 3).
 Рис. 3. Алгоритм создания карты порядков речных долин. |
FLOWDIRECTION для каждой ячейки входного грида определяет уклон поверхности (или направление потока), FLOWACCUMULATION для каждой ячейки грида рассчитывает кумулятивный поток на основе поверхности уклона (направления потоков). В результате получается растровая модель водных потоков. Сравнение растровой и векторной моделей водных потоков показывает их большое сходство (рис. 4), причем растровая модель более полная в сравнении с векторной (показана красным цветом) за счет объектов, выявленных в результате гидрологического моделирования, но не нанесенных на топографическую карту как постоянный или временный поток (показаны синим цветом).
 Рис. 4. Сравнение растровой и векторной моделей водных потоков. |
Функция STREAMORDER определяет порядок потоков в растровой модели. На последнем шаге гидрологического моделирования растровая модель сети потоков конвертировалась в векторную и для каждого элемента сети был определен его порядок (рис. 5). За долину 1-го порядка принимается долина, в которую не впадает ни одна долина [4]. При слиянии двух долин 1-го порядка образуется долина 2-го порядка, при слиянии долин 2-го порядка образуется долина 3-го порядка и т.д. Для улучшения читаемости долины 1-го порядка на схему не выносились.
 Рис. 5. Схема порядков речных долин. |
Для построения карты порядков водораздельных линий был предложен следующий способ. В цифровой модели рельефа, представленной в виде матрицы точек (X,Y,Z), координата Z была заменена на координату Z? = Z*(-1). На основе новой матрицы точек с помощью функции TOPOGRID была получена поверхность обращенного рельефа, где речные долины изображаются гребнями (возвышениями), а водоразделы выглядят как речная сеть (области понижения). Далее повторялись те же операции гидрологического моделирования, что и для потоков речной сети. Всего было получено 10 порядков речных долин и 8 порядков водораздельных линий.
Различие в значении наибольшего порядка речных долин и водораздельных линий для одной и той же территории является для морфометрического анализа тривиальным. Геоморфологи объясняют это явление тем, что водораздельные линии проявляются в рельефе менее отчетливо, чем линии тальвегов, и поэтому более трудны для обнаружения. Недостатки расчетных алгоритмов также вносят дополнительную погрешность.
Базисной поверхностью называют поверхность, объединяющую местные базисы эрозии. Основой для построения базисных поверхностей являются точки пересечения тальвегов с горизонталями рельефа. На этом шаге построения морфометрических карт было решено перейти к векторному способу представления данных, так как распределение точек пересечения является более равномерным в сравнении с растровым способом, а значит и более благоприятным для проведения интерполяции. Для нахождения точек пересечения речных потоков и изолиний рельефа использовалось специальное приложение Intersect Lines под ArcView GIS (http://arcscripts.esri.com). Эту операцию можно проводить и на растре, импортировав векторный слой изолиний рельефа в растровый и выполнив операцию наложения с растровой моделью водных потоков. При этом пространственная точность уменьшается, но время расчетов существенно сокращается.
Карты базисных поверхностей можно строить для всех долин (базисная поверхность 1-го порядка) или с исключением долин 1-го порядка (базисная поверхность 2-го порядка), а также долин 1-го и 2-го порядка (базисная поверхность 3-го порядка) и т.д.
По одной топооснове можно построить целую серию карт базисных поверхностей разного порядка. Аналогично рассчитываются и строятся карты вершинных поверхностей, основой для построения которых являются точки пересечения изолиний рельефа с водораздельными линиями. При расчете поверхности рельефа и всех производных поверхностей задавался единый экстент грид-тем. Поскольку пространственное расположение и размер ячеек гридов для всех тем одинаковый, расчет разностных поверхностей выполнялся простым вычитанием значений соответствующих ячеек. Операции вычитания легко выполняются с помощью Калькулятора Растров модуля Spatial Analyst [3]. Этим способом были получены разности базисных поверхностей смежных порядков, карты локального размыва, карта суммарных амплитуд поднятий и др.
Карты вершинных и базисных поверхностей относятся к статическим картам. По ним выявляются статические связи между морфометрическими поверхностями и тектоническими структурами без учета их развития. Базисные и вершинные поверхности низших порядков лишь незначительно отличаются от топографической поверхности, а различия с поверхностями более высоких порядков уже заметны (рис. 6).
 Рис. 6. Сопоставление базисных поверхностей высокого порядка (6-го (а) и 7-го (b)) с известными тектоническими элементами. |
Для количественной оценки амплитуд вертикальных движений, а также выявления локальных активных структур более полезны карты разностей базисных поверхностей смежных порядков. Разности между базисными поверхностями показывают алгебраическую сумму вертикальных движений земной коры и эрозии за определенные промежутки времени: 1 и 2 порядка, 2 и 3 – короткие; 3 и 4, а также 4 и 5, 5 и 6, 6 и 7 — более длительные. Поднимающиеся участки (светлые оттенки серого цвета) на разностных морфометрических картах (рис. 7) локализуются на фоне относительно спокойных или погружающихся площадей (темные оттенки серого цвета).
 Рис. 7. Сопоставление разностных поверхностей с известными тектоническими элементами: разность базисных поверхностей 6 и 7 (а), 5 и 6 (b) порядков. |
Современные высоты местности в основном стали формироваться, начиная с неогена. По мере изменения направления колебаний земной коры от более древних геологических эпох к современной сохраняется только часть долин высшего порядка, долины низших порядков исчезают полностью. Прямолинейные отрезки древних долин, как правило, приурочены к глубоким разломам, уходящим в фундамент платформы. В настоящее время широко распространены представления о глыбово-блоковом характере строения кристаллического фундамента. Базисные поверхности высокого порядка (6-го и 7-го) и, в особенности, разность базисных поверхностей (рис. 7) служат хорошей иллюстрацией данного положения.
Структуры, проявляющиеся на морфометрических поверхностях, имеют четкие контуры (рис. 6, 7). Их легко соотнести с основными тектоническими структурами Волго-Уральской антеклизы: Южно-Татарским, Северо-Татарским, Токмовским сводами, а также крупными прогибами – Мелекеской впадиной и Казанско-Кажимским прогибом.
Очевидно, тектонический режим исследуемого региона не был спокойным и претерпевал изменения на всем наблюдаемом промежутке времени (т.е. со времен начала формирования современного рельефа и до настоящего времени). Сравнение карт базисных поверхностей позволяет выявить относительный возраст основных структурно-тектонических элементов данного региона и с большой вероятностью восстановить последовательность их формирования. Так, например, сравнение базисных поверхностей 5–7 порядков дает основание полагать, что разломы, по которым развивались долины рек Кама и Волга, составлены из разновозрастных фрагментов, имевших наибольшую активность в разные геологические периоды.
Сравнение поверхностей 7 и 6 порядков показывает, как происходило раздробление и перестройка более древних формирований. В этом смысле интересен блок почти треугольной формы в центральной части региона. Его контуры четко проявляются на базисной поверхности 6-го порядка, на карте базисной поверхности 7-го порядка он отсутствует, а на базисной поверхности 5 порядка затушевывается более молодыми структурами. При этом видно как происходило смещение северной границы блока в разные интервалы времени.
Если характеризовать исследуемый регион в целом, то наиболее интенсивные (с максимальными амплитудами) перестройки происходили на границах самых крупных структур. Подобная пространственная корреляция легко объяснима, так как этим зонам соответствуют наиболее ослабленные участки земной коры.
Для характеристики развития рельефа исследуемый регион удобно разделить на южную и северную зоны, условную границу между которыми можно провести по долинам Волги и Камы до их слияния.
Для южной территории в большинстве случаев более молодые формы рельефа унаследованы от более древних: современные возвышенные участки соответствуют древним возвышенностям, пониженные – пониженным участкам. Изрезанность более позднего рельефа создавалась за счет образования новых разломов и более мелких блоков земной коры, а также движения блоков относительно друг друга. Для Южно-Татарского свода (район Ромашкинского купола) характерно образование кольцевых вложенных друг в друга зон, которые перемещались относительно друг друга с амплитудой порядка 50 м (рис. 7). Фундамент северной части региона составлен из более мелких блоков. Сравнивая базисные поверхности разных порядков и разности базисных поверхностей смежных порядков, можно судить об их относительном движении.
Казанско-Кажимский прогиб является одной из наиболее древних структур 1 порядка Поволжского региона и относится к погребенным. Прогиб, как отрицательная форма, отображается в рельефе базисной поверхности только одного, самого высокого порядка. Несмотря на сложную эволюцию Казанско-Кажимского прогиба, некоторые поднятия развивались унаследовано, испытывая на каждом этапе тектонического развития подъем. В плане эти поднятия соответствуют современным возвышенностям на территории Кировской области — Вятские Увалы и возвышенности на северо-востоке Республики Мари Эл. Амплитуду поднятия этих структур на разных этапах развития можно оценить по разностям базисных поверхностей всех смежных уровней. На ранних этапах тектонические подвижки были более интенсивными (амплитуда поднятия по картам разности базисных поверхностей 6 и 7 порядков составляет 20-30 м, по разности базисных поверхностей 5-6 и 4-5 порядков – 30-50 м), в сравнении в более поздними (амплитуда поднятия по разности базисных поверхностей 2-3 и 1-2 порядков – 15-20 м).
Карты базисных поверхностей 6-го порядка, разностей 6-7, 5-6 и 4-5 иллюстрируют историю развития структур, смежных с Казанско-Кажимским прогибом. Структура, известная в настоящее время как Немский погребенный выступ, отчетливо проявляется как положительная структура на базисной поверхности 6 порядка и разности базисных поверхностей 6 и 7 порядков. Карты разности поверхностей 5 и 6 порядков и всех других низших порядков показывают, что в последующие этапы этот участок земной коры находился в спокойном состоянии (не поднимался) и, в результате, оказался погребенным более молодыми отложениями (рис. 7b).
На карте разности базисных поверхностей 1 и 2 порядков (рис. 8a) отчетливо проявляется мелкая ячеистая структура самых верхних слоев земной коры. Наиболее светлые участки карты соответствуют поднимающимся блокам. Амплитуда поднятий составляет от 0 до 30-50 м. В большинстве случаев они имеют вытянутую форму, редко — изометричную. Линейные размеры этих участков составляют от 2 до 20 км и могут быть использованы в качестве оценки размеров наиболее мелких (и наиболее молодых) подвижных блоков земной коры.
 Рис. 8. Морфометрические карты разности базисных поверхностей 1 и 2 порядков (a), локального размыва (b). |
Вершинная поверхность высшего порядка показывает, как бы выглядел рельеф, если бы имели место одни восходящие вертикальные движения земной коры при отсутствии эрозии и денудации. Она представляет собой верхний предел высот рельефа, совпадая с наиболее древней поверхностью выравнивания или с ее останцами. Вычитание современной поверхности рельефа из вершинных поверхностей высокого порядка дает представление о степени и распространенности эрозионных процессов на исследуемой территории в разные периоды времени. Интенсивность процессов эрозии прямо пропорциональна разности геопотенциалов [2]. Чем больше эта разность, тем сильнее идут процессы эрозии и денудации, тем энергичнее расчленяется поверхность рельефа. Максимальная разность геопотенциалов наблюдается на границах между поднимающимися и опускающимися блоками земной коры. Таким образом, максимальные значения локального размыва пространственно соответствуют активным тектоническим разломам, вдоль которых поднимаются и опускаются смежные блоки земной коры. На исследуемой территории положение максимумов эрозии (наиболее светлые участки поверхностей) совпадает с глобальными разломными зонами, пересекающими территорию региона с запада на восток и с севера-запада на юго-восток (рис. 8b). Активная эрозия наблюдается и по склонам Южно-Татарского свода, что также является косвенным признаком тектонической активности этого района.
При сопоставлении карт морфометрических поверхностей с различными данными обнаружилась интересная зависимость. Разность базисных поверхностей 5 и 6 порядков (а также базисная поверхность 5 порядка) и местоположения разведанных месторождений нефти имеют высокую пространственную корреляцию: площади разведанных месторождений в большинстве случаев расположены в областях понижения. Случайна ли обнаруженная корреляция? Или она показывает реально существующая взаимосвязь природных явлений? Ответить на этот вопрос не так-то просто. Здесь требуется привлечение дополнительных данных о геологическом и тектоническом развитии исследуемого района и их всесторонний анализ.
Но в этом и состоит замечательная способность ГИС — ставить подобные вопросы и побуждать исследователей иначе взглянуть на уже хорошо известные данные. Если эта корреляция истинна, то на остальной территории Поволжского региона можно очертить вероятные области обнаружения нефтяных залежей (рис. 9).
Рис. 9. Наложение контуров месторождений нефти на разность базисных поверхностей 5 и 6 порядков. |
Литература
1. Хаин И.Е. Общая геотектоника. М., изд-во «Недра», 1973.
2. Философов В.П. Основы морфометрического метода поисков тектонических структур. Изд-во Сарат. ун-та, 1975.
3. МакКой Д., Джонстон К. ArcGIS Spatial Analyst. Руководство пользователя. Изд-во DATA+, 2002, с.214.
4. Хортон Р.Е. Эрозионное развитие рек и водосборных бассейнов. Изд-во иностр. литературы, 1948.
5. Философов В.П., Денисов С.В. О порядке речных долин и их связи с тектоникой. – В кн.: Морфометрический метод при геологических исследованиях. Изд-во Саратовского ун-та, 1963.