Лекция 4. Геоморфология. Гидрогеология.

Геоморфология – наука о строении, происхождении, истории развития и современной динамике рельефа земной поверхности. Обьектом изучения геоморфологии является рельеф. Рельеф – это совокупность неровностей земной поверхности. Эти неровности имеют разную форму, размеры, происхождение, возраст и историю развития.

Специфика рельефа поверхности Земли.

1. Формы рельефа имеют определенное геологическое строение. Например, холмистый рельеф может состоять из холмов, внешне похожих друг на друга, но различных по строению, а значит и по формированию. Поэтому, изучение рельефа невозможно без четкого представления о геологическом строении слагающих его горных пород.

2. Рельеф земной поверхности не является чем-то неизменным, а находится в постоянном развитии. На него действуют одновременно глубинные (эндогенные) процессы, протекающие в недрах Земли, и внешние (экзогенные) процессы, протекающие в атмосфере и гидросфере. Под действием эндогенных процессов рельеф испытывает разнообразные движения и изменения, а под действием экзогенных процессов происходит преобразование форм. Геоморфолог должен знать процессы, воздействующие на рельеф.

3.Рельеф является составной частью (компонентом) географического ландшафта. Он образует его фундамент, определяет специфику каждого ландшафта: микроклимат, почвы, растительный и животный мир, грунтовые и поверхностные воды.

Методика геоморфологических исследований требует всестороннего и комплексного изучения рельефа. Она включает применение трех подходов: морфологических методов, морфометрических методов и анализа геологической и физико-географической обстановок рельефообразования.

    Морфологические методы – это непосредственное наблюдение внешнего облика форм и их естественных сочетаний.

Морфометрические методы основаны на применении количественных критериев к анализу форм рельефа. По количественным показателям делаются выводы о генезисе форм.

Геологические методы дают представление о геологическом строении форм рельефа, о связи форм рельефа с тектоникой, литологией, для суждения о генезисе форм рельефа.

Рельеф любого участка земной поверхности состоит из отдельных форм. Каждая форма (подобно геометрическим телам (имеет простые элементы.

Элементы рельефа

К элементам рельефа относятся характерные точки, линии и поверхности, на которые можно разложить любую форму. Характерные точки называются угловыми.

Некоторые точки связаны с положительными формами, другие – с отрицательными. Каждая форма имеет грани и ребра Грани – это поверхности, например склоны, равнины. Ребра образуются на пересечении различно ориентированных граней. Система угловых точек и ребер определяет геометрический каркас рельефа. Выделяются еще гранные углы на пересечении трех и более граней.

Формы рельефа

Формы рельефа делятся на положительные (холм, гряда, требет) и отрицательные (долина, воронка, западина). Среди тех и других различаются замкнутые и незамкнутые формы. По очертаниям в плане они могут быть удлиненными, округлыми, дугообразными, неправильных очертаний и др.Формы рельефа бывают простыми и сложными. Первые состоят из одной или нескольких граней (терраса, уступ), последние – из сочетания многих граней или меньших по размеру форм рельефа. Все крупные формы сложные.

Среди экзогенных форм рельефа различаются аккумулятивные и денудационные. Аккумулятивные формы образовались в результате накопления материала. Примером могут служить моренные холмы, барханы. Денудадационные формы возникли за счет выноса материала (овраги, котловины выдувания). Сочетания форм рельефа, обладающих сходным обликом, строением и происхождением и закономерно повторяющихся на определенной территории, называются генетическим типом.

По размерам формы рельефа подразделяются на планетарные, мегаформы, макроформы, мезоформы, микроформы и наноформы.

Планетарные формы имеют площадь в сотни тысяч и миллионы квадратных километров. Это материки, ложе океана, геосинклинальные пояса, срединно-океанические хребты.

Материки являются крупнейшими положительными формами рельефа Земли. Большая их часть представляет собой сушу, значительная часть участвует в строении дна Мирового океана. Важнейшая особенность материков состоит в том, что они сложены земной корой материкового типа. Ложе океана – это часть дна Мирового океана, лежащая на глубинах более 3 км. Оно характеризуется распространением земной коры океанического типа. Современные геосинклинальные пояса располагаются на границе между материками и океанами. Эти планетарные формы отсутствуют на большей части окраин Атлантического, Индийского и Северного Ледовитого океанов. Значительная часть Альпийско-Гималайского геосинклинального пояса от Средиземного моря до Идокитая размещается в пределах суши. Срединно-океанические хребты являются являются крупнейшей горной системой, проходящей через все океаны.

Мегаформы занимают площадь в несколько сотен или десятков тысяч квадратных километров. К ним относятся горные пояса и равнины в пределах материков, крупные впадины и поднятия на территории ложа океана, а также разломы планетарного масштаба. Например, Альпы, Кавказ, Восточно-Европейская равнина, впадина Черного моря.

Макроформы имеют площадь в сотни – тысячи квадратных километров. Макроформами являются отдельные хребты и впадины в пределах какой либо горной страны, Минская возвышенность на Восточно-Европейской равнине. Мезоформы имеют размеры в несколько км², например овраги, балки, моренные гряды. Микроформы осложняют более крупные формы (карстовые воронки, береговые валы). Наноформы представляют собой очень мелкие неровности типа луговых кочек, кротовин, знаков ряби в речных руслах.

       Таблица 1. - Основные гипсометрические уровни

Гипсометрические уровни	Абсолютные отметки, м	Площадь,%
Материковый	2000 – минус 200	30
Океанический	-3000 – минус 6000	50
Остальные (горы, желоба	выше 2000 ниже 6000	20

Выясняя роль эндогенных и экзогенных процессов в образовании этих разных по масштабу форм рельефа можно отметить, что планетарные формы, мега- и макроформы сформированы эндогенными процессами, а мезо-, микро- и наноформы – экзогенными факторами.

Формы рельефа отличаются также асолютными высотами или глубинами. На Земле выделяются следующие основные гипсометрические уровни (Таблица). Средняя высота суши над уровнем моря составляет 875 м. Средняя глубина океана равна – 3730 м. Средняя высота поверхности Земли – минус 2440 м. Наивысшей точкой Земли является г. Джомолунгма (Эверест) в Гималаях – 8848 м. Самая большая глубина расположена в Марианком глубоководном желобе в Тихом океане – минус 11034 м. Размах высот поверхности Земли достигает почти 20 км.

По высоте над уровнем моря выделяют низменный (от 0 до 200 м) и возвышенный (выше 200 м) типы рельефа.Возвышенный рельеф включает возвышенности и возвышенные равнины, плато и плоскогорья, нагорья и горы.

  Возвышенности и возвышенные равнины – это приподнятые участки земной поверхности с абсолютными высотами от 200 до 500 м. По морфологии они могут быть плоские, холмистые, волнистые, грядовые. По генезису выделяются аккумулятивные и денудационные макроформы.

Плато представляет собой повышенную равнину, сложенную горизонтальными или слабо нарушенными пластами пород. Плато имеют ровную или волнистую поверхность и отчетливые уступы, отделяющие от соседних пониженных пространств. По происхождению различают структурные, вулканические и денудационные плато.

Плоскогорья – это плосковершинные возвышенности, сложенные горизонтально лежащими или слабо нарушенными породами. Абсолютные высоты плоскогорий достигают 1 км и более. Они характеризуются более глубокой расчлененностью. Плато и плоскогорья, имеющие бронирующий верхний пласт, называются столовыми странами. Склоны этих форм четкие крутые или ступенчатые.

Нагорья  имеют высоко приподнятый массивный цоколь, на котором находятся горные хребты и массивы, плато, плоскогорья и котловины.

Горы являются территориями со складчтой или складчато-глыбовой структурой земной коры, приподнятые на большую высоту. Горы отличаются резкими колебаниями высот, прямолинейной или дугообразной формой в плане, протяженностью в десятки и тысячи километров, ярусностью рельефа. По гипсометрии горы подразделяются на низкие (до 1 км), средние (1 – 3 км) и высокие (более 3 км). Низкие горы выделяются мягкими округлыми формами, отсутствием вертикальной дифференциации (кроме высоких широт). Такие горы встречаются в областях слабого горообразования и по периферии высоких и средних гор. Средневысотные горы имеют четкую поясность, несут следы ледникового рельефа. Для высоких гор свойственен альпийский тип горного рельефа.

В подводном рельефе океанов и морей выделяются: неритовая зона (глубина 0 – 200 м), батиальная зона (200 – 3000 м), абиссаль (3000 – 6000м) и гипабиссаль (глубже 6000 м).

Возраст рельефа

В геоморфологии выясняется относительный и абсолютный возраст рельефа.

Относительный возраст рельефа. Развитие рельефа является стадийным процессом. Относительный возраст рельефа предполагает определение стадии его развития по комплексу морфологических и динамических признаков. Например, по свежему морфологическоу облику ледникового рельефа с обилием озер можно сказать, что он сформировался сравнительно недавно и находится в стадии юности..Если ледниковый рельеф имеет сильно расчлененные склоны, покров склоновых отложений, развитую овражно-балочную сеть, заполненные озерные котловины, то предполагается, что такой рельеф находится в процессе развития в стадии зрелости. Сильно денудированный рельеф со сглаженными вершинами, пологими склонами, исчезнувшими озерами свидетельствует о длительном его существовании и стадии старости.

Относительный возраст рельефа применяется также при изучении взаимоотношений одних форм с другими. Например, дюны, осложняющие рельеф побережий морей. Дюны являются более молодыми вторичными формами по отношению к морской равнине. Определение относительнго возраста рельефа означает установление того отрезка времени, когда рельеф приобрел черты, в основном аналогичные его современному облику.

Возраст форм рельефа и слагающих слоев определяется геологическими методами. Факторы рельефообразования – это причины и обстоятельства, предопределившие возникновение форм рельефа на том или ином участке. К их числу относятся эндогенные и экзогенные факторы.

Гидрогеология.

Вопросами гидрогеологической стратификации занимается региональная гидрогеология, которая изучает закономерности распространения и формирования, а, следовательно, и возможности использования подземных вод в пределах конкретных территорий.

Наиболее часто при оценке гидрогеологических условий регионов используют понятия: водоносный горизонт, водоносный комплекс, обводненная зона.

Водоносный горизонт – это обводненная, выдержанная по площади и разрезу толща горных пород, представляющая в гидродинамическом отношении единое целое. При сложном строении обводненной толщи говорят о водоносном комплексе. Разделяющие их водонепроницаемые породы (глины, плотные сланцы и т.д.) образуют водоупоры. В кристаллических породах обводнена верхняя трещиноватая часть, так называемая «зона» трещиноватости, или протяженные тектонические нарушения. Заключенные в водоносных породах подземные воды могут быть безнапорными (грунтовыми), когда они имеют свободный уровень, или напорными, если при их вскрытии уровень поднимается выше кровли водоносного горизонта. Для выделения основных условий формирования подземных вод в гидрогеологических системах проводится районирование, в основу которого положены факторы, определяющие закономерности формирования и распределения подземных вод. В основе районирования лежит выделение различных типов гидрогеологических структур, базирующихся, как указывалось выше, на анализе геологического строения и выделения подземных вод по условиям их залегания.

Пластовые скопления подземных вод преобладают в пределах платформ, предгорных равнин и передовых прогибов, в межгорных и внутригорных впадинах. Структуры, для которых характерно преимущественное развитие напорных пластовых вод, представляют собой артезианские бассейны (рис. 3). В пределах артезианского бассейна выделяют грунтовые воды, межпластовые безнапорные, межпластовые напорные – это воды чехла, трещинные напорные и трещинно-жильные воды.

Для артезианских бассейнов характерна гидрогеологическая зональность и смена условий водообмена с глубиной. В приповерхностной верхней части разреза артезианских бассейнов располагается верхняя гидродинамическая зона скоплений подземных вод, в основном грунтовых и межпластовых безнапорных. Это зона свободного водообмена, имеющая непосредственную связь с наземной гидросферой (реки, озера, моря и др.) и с атмосферными водами. Глубина этой зоны достигает 300-500 м. Для нее характерны самые высокие скорости движения. Возобновление ресурсов здесь происходит в течение столетий. Ниже располагаются межпластовые скопления напорных подземных вод, приуроченные к зоне затрудненного водообмена. Они имеют ограниченную связь с гидросферой и атмосферой через зону свободного водообмена, преимущественно в краевых частях бассейнов, по долинам рек и в озерных котловинах, где водоносные горизонты вскрыты, выхолят на поверхность или прикрыты рыхлыми четвертичными отложениями небольшой мощности. Скорости движения вод подавлены, связь с поверхностными водами затруднена. Темп водообмена составляет десятки и сотни тысяч лет. Глубже (1,5-2 км) располагается зона весьма затрудненного водообмена. Подземные воды этой зоны имеют связь с водами вышележащих зон на отдельных участках. В размещении гидродинамических зон артезианских бассейнов главная роль принадлежит геологическому строению и важная роль по соподчинению – рельефу. Второй тип вод типичен для горно-складчатых областей. Структуры, для которых характерно преобладание различных трещинных вод, представляют собой гидрогеологические массивы.

Рисунок 3. - Схематический гидрогеологический разрез части речной долины

1 – песок; 2 – песок водоносный; 3 – супеси; 4 – глины; 5 – известняки; 6 – уровень верховодки; 7 – уровень грунтовых вод; 8 – уровень межпластовых ненапорных вод; 9 – уровень артезианских вод; 10 – источники; 11 – направления движения безнапорных подземных вод; 12 – разгрузка артезианских вод в речной аллювий.

 

Классификация подземных вод по условиям залегания.

 По условиям залегания выделяют следующие типы подземных вод:

1. почвенные воды;

2. верховодка;

3. грунтовые и артезианские воды;

4. трещинные и карстовые воды;

5. подземные воды в многолетнемерзлых породах;

6. минеральные, промышленные и термальные воды.

Почвенные воды. К почвенным водам относятся гравитационные воды в почвенном слое, которые образуются в результате проникновения атмосферных осадков и конденсации водяного пара. Наличие значительного количества почвенной воды указывает на избыточное увлажнение, приводящее к заболачиванию. Питание почвенных вод происходит как сверху, так и снизу – путем перехода в свободное состояние капиллярно-подвешенной воды, особенно в случае неглубокого залегания грунтовых вод.

Верховодка образуется в зоне аэрации, инфильтрационная вода встречает на своем пути водоупор среди водопроницаемых пород. Водоупорным ложем могут быть линзы глин или суглинков в толще песков, участки коры выветривания на скальных породах, мерзлые толщи. Верховодка отличается сезонным характером и локальным невыдержанным по площади развитием. С грунтовыми или речными водами она обычно не имеет гидравлической связи. Мощность верховодки чаще всего равна 0,4–1,0 м, редко 2–5 м. На формирование верховодки сильно влияет характер рельефа. Наилучшие условия для верховодки создаются на плоских водоразделах и в степных пространствах с местными понижениями, куда стекает дождевая влага, и задерживаются талые воды. Режим верховодки зависит от климатических условий. Эти воды легко загрязняются. В естественных условиях верховодки различны. В районах избыточного увлажнения она слабо минерализована, характеризуется относительно высоким содержанием органических веществ. При аридном климате образуются соленые воды и рассолы.

Грунтовые и артезианские воды. Под грунтовыми водами понимают свободные (гравитационные) воды первого от поверхности Земли, изменяющегося во времени, но постоянно существующего водоносного горизонта, заключенного в рыхлых отложениях или в верхней трещиноватой части коренных пород и залегающего на первом от поверхности выдержанном водоупоре.

Поверхность грунтовых вод свободна. При вскрытии грунтовых вод буровой скважиной или колодцем их уровень устанавливается на той же глубине, где они были встречены. Поверхность грунтовых вод именуется зеркалом.

Мощность водоносного горизонта определяется расстоянием по вертикали от зеркала грунтовых вод до кровли подстилающего водоупорного пласта. Сравнительно неглубокое залегание грунтовых вод на первом от поверхности водоупорном пласте, связь с поверхностными метеорными водами определяют следующие особенности:

1. Грунтовые воды безнапорные, имеют свободную поверхность с давлением на ней, равным атмосферному и передвигаются под действием силы тяжести в направлении уклона их зеркала.

2. Питание осуществляется преимущественно за счет инфильтрации атмосферных осадков и конденсации влаги в зоне аэрации, область питания совпадает с областью распространения.

3. Разгрузка происходит у основания склонов или в поверхностные водоемы и водотоки, с которыми грунтовые воды имеют гидравлическую связь.

4. В зависимости от климатических условий уровень, расход, температура и другие параметры водоносного горизонта подвержены сильным колебаниям во времени.

Карты гидроизогипс

Для выявления характера поверхности (зеркала) грунтовых вод составляют карты гидроизогипс. Гидроизогипсы - линии, соединяющие точки с одинаковыми абсолютными или относительными отметками уровней грунтовых вод. Эти линии аналогичны горизонталям рельефа местности и подобно им отражают рельеф зеркала вод. Карты гидроизогипс необходимы при решении задач, связанных с проектированием водозаборов подземных вод, борьбой с подтоплением территории и др. Для построения карты гидроизогипс замеряют уровни грунтовых вод в скважинах, расположенных обычно по сетке. Замеры уровней воды должны быть единовременными. Абсолютные отметки уровня подземных вод hв в скважинах определяют по формулам. Полученные абсолютные отметки надписывают над каждой скважиной и затем методом интерполяции строят гидроизогипсы. Сечение гидроизогипс (частоту их заложения) выбирают в зависимости от масштаба карты и густоты расположения точек замера от 0,5 до 10,0 м, чаще 0,5; 1,0 и 2,0 м.

С помощью карты гидроизогипс, совмещенной с топографической картой, можно выяснить направление и узнать скорость движения грунтового потока в любой точке, а также можно определить глубину залегания грунтовых вод (по разности отметок горизонталей и гидроизогипс).

Карта гидроизогипс позволяет установить характер связи грунтовых вод с поверхностными водами (реки, каналы, водохранилища). Эти воды могут питать грунтовые воды или, наоборот, подземные воды являются источниками этих водоёмов. Следует учитывать этот факт при определении водопритоков к водозаборам.

Вопросы для подготовки:

1.Что такое рельеф?

2.Специфика рельефа земли?

3.Какими формами обладает рельеф?

4.Что такое возраст рельефа?

5.Что такое водоносный горизонт?

6.Как классифицируют подземные воды?

7.Что такое гидроизогипсы?

8. Какую информацию несут карты гидроизогипс?