В период с 20-го по 30 июля сотрудники лаборатории глубинного геологического строения и динамики литосферы (Институт геодинамики и геологии ФИЦКИА УрО РАН) продолжили полевые работы на площади Холмогорского тектонического узла по наземной верификации (проверке) так называемых «бессточных впадин», выделенных при цифровом моделировании рельефа.

Геологический словарь (Геологический словарь: в 2-х томах. — М.: Недра. Под редакцией К.Н. Паффенгольца и др., 1978) дает следующее определение: «Бессточной (или замкнутой) называется впадина, которая не имеет стока, но принимает постоянные или временные потоки, поэтому на ее дне возникают или постоянные или временные водоемы».

Предварительно бессточные впадины были выделены учеными лаборатории на цифровой модели рельефа (ЦМР), построенной для территории Архангельской области на основе глобальной модели ASTER GDEM v2 в процессе гидрологической коррекции методом Wang/Liu. В результате был получен растр маски глубины заполнения впадин. Далее, с использованием модуля Vectorising Grid Classes в ПО SAGA GIS, маска впадин переводилась в векторный формат, из нее вычитались заведомо известные крупные водоемы, речные разливы и прочие водные объекты для отсечения априорно известных водных накопителей. Таким образом, выделялись «сухие» бессточные впадины, т.е. впадины, не имеющие на дне достаточно надежного водоупора.

Для полигонов векторной маски впадин строились центроиды. Центроид – это центральная точка каждого отдельного полигона. Чтобы подсчитать количество точечных объектов, вся исследуемая территория разбивалась на квадраты 10?10 км (рис. 1).

\

Рис. 1. Разбивка территории на квадраты 10?10 км и построение центроидов

Далее проводилась интерполяция с применением модуля Resampling методом B-spline в SAGA GIS. В результате была получена карта плотности бессточных впадин на единицу площади (рис. 2А). После проведения кластерного анализа значения плотности бессточных впадин разбиты на три класса – минимальных (1), средних (2) и максимальных (3) значений (рис. 2Б).

Рис. 2. Плотность бессточных впадин (А) и кластерные значения (Б)

Для цифровой модели рельефа бессточная впадина, или приемник – это локальный минимум, не имеющий стока вниз по склону ни к одной из смежных ячеек цифровой модели (рис. 3). Ложные впадины – это недостатки цифровой модели, их наличие обусловлено ошибками входных данных, ошибками интерполяции в процессе генерации цифровой модели, округления интерполированных значений, усреднения значений высоты.

Рис. 3. Профиль локального понижения

Однако необходимо разобраться в топологии выделяемых на ЦМР впадин. Далеко не все впадины являются недостатками (ошибками) ЦМР как принято считать. Некоторые из них могут быть естественными, особенно в карстовых областях. В работе (Lindsay, 2016) приведена следующая схема топологии впадин на ЦМР (рис. 4). Автор (Lindsay, 2016) отмечает, что в категории «закрытые топографические понижения» следует выделять естественные элементы рельефа. По сути, топографическая поверхность воронок – это поверхность бессточных впадин. Поэтому вполне корректно использовать методы гидрологической коррекции ЦМР для обнаружения локальных карстовых понижений и воронок (рис. 5).

Рис. 4. Топология впадин на ЦМР

Рис. 5. Карстовый ландшафт в природе и на схеме

Для верификации (проверки) полученных по ЦМР данным по бессточным впадинам сотрудники лаборатории проводятся полевые выезды с целью обнаружения и замера карстовых воронок на местности. Поскольку исходное разрешение ЦМР составляет около 30 м, выбирались небольшие воронки, от 20 до 50 м в диаметре. Такие понижения наиболее соответствуют техническому понятию «ошибки» модели. Нашей же целью было установить, что это не ошибки модели, а реально существующие элементы карстового рельефа или проявлений современных тектонических процессов на локальном уровне.

Развитие карста на территории Архангельской области определяется максимально благоприятными условиями: широким распространением карстующихся пород, выходящих на поверхность или покрытых чехлом четвертичных отложений, тектонической неоднородностью, нетипичной для платформенных условий, циркуляцией пресных агрессивных вод. На карбонатных породах среднего и верхнего карбона и ассельского яруса нижней перми формируются воронки в основном без нарушения целостности почвенного покрова (т.е. еще не достигшие стадии провала). Такие понижения выполнены либо другим типом растительности (смена хвойного древостоя на лиственный и кустарниковый при более глубоком понижении, или кустарничкового яруса на травянистый при малой глубине), либо заболачиваются (смена кустарничковой растительности на моховую). На фото ниже (рис. 6-8) приведены примеры подобных понижений на местности (лес в районе 80 км по автодороге Архангельск-Пинега).

Рис. 6. Пример карстовой воронки со сменой хвойной растительности на лиственную и кустарниковую

Рис 7. Пример карстовой воронки со сменой кустарничковой растительности на травянистую (понижение выполнено хвощем лесным), в.н.с. Полякова Е.В.

Рис. 8. Пример небольшого карстового понижения (смена кустарничковой растительности на моховую)

Таким образом, был подтвержден важный вывод о том, что метод обнаружения бессточных впадин, используемый при гидрологической коррекции цифровой модели рельефа с целью устранения ошибок, может быть использован как экспресс-метод выделения начальных стадий активизации карстового процесса, что особенно актуально для лесопокрытых северных территорий с возрастающей антропогенной нагрузкой.

«Сухие» бессточные впадины, в принципе, являются каналами, связывающими формы современного рельефа с более глубокими горизонтами разреза, и могут быть путями глубинной дегазации, оказывающей воздействие на состояние компонентов природной среды, в первую очередь, на растительный покров.

В настоящее время в центре внимания экологии – изучение последствий техногенного загрязнения природной среды. Однако одновременно с ним на биотические компоненты экосистемы воздействует и комплекс климатических, геологических, гидрологических факторов, влияние которых в большинстве исследований не учитывается. Так, геологические процессы обуславливают глобальную миграцию вещества, в том числе поступление радионуклидов и тяжелых металлов в окружающую среду (Handy et al., 2007; Барабошкина, 2002). К глубинным тектоническим разломам приурочены аномалии гравитационного, магнитного, электромагнитного, электростатического и акустического полей (Трофимов, Зилинг, 2005, Кутинов и др., 2009). Тектонические процессы вызывают непрерывную дегазацию Земли в зонах повышенной трещиноватости и проницаемости земной коры, и именно активность эманационного поля радона наиболее ярко отражает расположение разломных зон и изменение сейсмической активности (Spivak, 2014).

Геофизические и геохимические аномалии в зонах активных разломов могут вызывать широкий спектр ответных реакций у биоты (Trifonov, Karakhanian, 2004; Экология человека…, 2008, Кутинов, Чистова, 2012). Установлено влияние активных разломов на распределение растительности и появление азональных биоценозов (Виноградов, 1955; Бгатов и др., 2007), на изменение содержания химических элементов в растениях, увеличение уровня изменчивости их морфологических (Boyarskikh, Shitov, 2010) и биохимических (Боярских и др. 2011, 2012; Boyarskikh et al., 2016) признаков, а также появление уродливых форм (Trifonov, Karakhanian, 2004).

Поэтому, кроме верификации (проверки наличия) бессточных впадин, нами проводились на их площади замеры плотности потока радона в грунтах, содержания кислорода, углекислого газа, метана, углеводородов, с целью определения наличия глубинной дегазации, так как максимальная плотность бессточных впадин пространственно совпадает с тектоническими узлами. Измерения проводились полевым газоанализатором ECOPROB-5 (RS DYNFMICS, CZ) и радиометром радона и торона Альфарад плюс РП, с пробоотборным устройством и автономной воздуходувкой АВ-07.

Возможно, изменение характера растительности на площади впадин связано не только с карстом, но и с глубинной дегазацией тектонической структуры. Полученные результаты измерений находятся в процессе обработки, но предварительные результаты говорят о наличии связи бессточных впадин с глубинной дегазацией. Работы будут продолжены в следующей экспедиции. Фотографии рабочего процесса измерений на «сухих» бессточных впадинах приведены на рис.9-10.

Рис.9 Кутинов Ю.Г. и Кулаков А.В. – готовы к работе по выявлению подтока глубинных газов.

Рис.10. Пример мелкой бессточная впадины в беломошниках.