Фрактальная структура земной поверхности и ее связь со строением земной коры (на примере северо-запада Архангельской области)

Актуальность исследования. Морфометрические исследования рельефа с применением данных дистанционного зондирования Земли являются одной из важнейших составляющих структурной геоморфологии. Морфометрия на современном информационно-технологическом этапе способна решать задачи структурной геоморфологии только при активном привлечении новых математических принципов. Геоморфология прошлого века в основном опиралась на топографические карты (Берлянт, 1988). Как показывает практика – использование изолинейных моделей как источников информации о рельефе для геометризации форм земной поверхности недостаточно эффективно для современной геоморфологии (Etzelmuller, 2009; Jenson, Domingue, 1988), т.к. теряется информация о структуре земной поверхности при достаточно трудоемких процедурах по ее извлечению. Морфометрия в настоящем обеспечена точными данными мультиспектрального зондирования Земли из космоса и мощнейшим математическим аппаратом программных приложений для обработки получаемой информации (Tribe, 1992; Etzelmuller, 2009). В тоже время, создаваемые морфотектонические модели земной коры далеко не всегда подкреплены количественными характеристиками. Основной вопрос связан с интерпретацией наблюдаемых морфологических закономерностей в структуре земной поверхности (Симонов, 1999). Основываясь на модельных экспериментах, геофизических и геологических данных исследователи создают теоретическую базу возможных процессов в земных недрах (Запорожцева, Пыстин, 1994). При этом, структурная геоморфология затрагивает проблемы проявлений глубинных тектонических процессов на земной поверхности (Лопатин, 2001). Тем не менее, остается нерешенным вопрос насколько полно структура поверхности может выражать строение верхней хрупкой части литосферы – земной коры. Очевидно, что рельеф земной поверхности однозначно связан с недрами т.к. поверхность может рассматриваться как частный случай объемного слоя. Задача состоит в том, чтобы выявить только те структуры поверхности, которые транслированы и функционально связаны с глубинными объектами. Как правило, существование подобных структур приурочено к остаточным формам рельефа высших порядков (Философов, 1975). Успехи геофизики и геологии подтвердили концепцию блокового строения земной коры. Известным геофизиком и сейсмологом М.А. Садовским выявлены самоподобные свойства тектоно-физической среды, введено понятие автомодельности геодинамических процессов (Садовский, 1986). Свойства самоподобия и инвариантности рассматриваются и в другом направлении прикладного применения математической теории множеств – фрактальной геометрии (Мандельброт, 2002). Данная теория решает задачи измерения и определения меры сложности объектов окружающего пространства, описываемого фрактальной размерностью. В этом нет ничего необычного, т.к. первые наблюдения фрактальных зависимостей исследователями были осуществлены на «простых» географических объектах: береговых линиях, горных массивах, речных потоках и др. (Мандельброт, 2002; Сидорчук, 2014; Мельник, 2013). Таким образом, в структурной геоморфологии созданы все предпосылки, чтобы рассмотреть рельеф как частный случай геометрического множества дискретных объектов блоковой структуры земной коры. С применением географических информационных систем (ГИС), это возможно выполнить и для территорий слабоконтрастного рельефа платформенных регионов каким является северо-запад Архангельской области. При этом, вначале выявление общих статистических закономерностей структурного множества поверхности изучаемой территории даст возможность отслеживать мезо- и мегаструктуру земной коры по классифицируемым индикационным признакам. Следующим этапом может стать прослеживание функциональных связей структуры поверхности и тектоно-блокового строения всей литосферы. Это позволяет выявлять зоны тектонической раздробленности поверхности и флюидно-магматической проницаемости, локализацию мантийных диапиров в земной коре, а также определять вертикальную мощность единичных тектоноблоковых объектов и др. В настоящей работе, впервые, рассматриваются фрактальные свойства морфоблокового строения поверхности северо-запада Архангельской области, определяемого многоуровневой тектоно-блоковой структурой земной коры спокойного, в геодинамическом аспекте, региона, а в геологическом отношении, принадлежащем к Восточно-Европейской платформе и юго-западу Тимано-Печорской плиты.
Цель и задачи исследования. Основной целью данной работы является выявление фрактальной размерности наблюдаемой структуры земной поверхности и определение ее связи с тектоническим блоковым строением земной коры в условиях слаборасчлененного рельефа платформенных регионов (на примере северозапада Архангельской области). Для достижения цели потребовалось решить следующие задачи: а) определить характеристическую меру сложности структуры земной поверхности – фрактальной размерности границ морфоблоков северозапада Архангельской области; б) выявить связь фрактальной размерности границ морфоблоков и тектоно-блоковой структуры земной коры северо-запада Архангельской области; в) сопоставить данные фрактального морфометрического анализа с геофизическими данными северо-запада Архангельской области; г) разработать методику практического применения фрактального анализа в морфотектонических исследованиях.
Объектом исследования явились водораздельные пространства территории северо-запада Архангельской области, предметом – их связь с тектонической структурой земной коры.
Использованные материалы и методика исследования. Для выполнения поставленных задач были использованы глобальные цифровые модели рельефа (ЦМР) ASTER GDEM 2010. Данные обрабатывались с применением современных программных ГИС-приложений: ArcGIS, Global Mapper и др. на базе Института наук о Земле СПбГУ. Использовались электронные ресурсы «Всероссийского научно-исследовательского геологического института имени А.П. Карпинского», Института исследования окружающей среды – «ESRI». Также были применены информационные ресурсы таких центров, как: «NASA», «EathExplorer», «British Oceanographic Data Centre», «Управления геологических основ, науки и информатики Роснедропользования Российской Федерации». В исследовании использованы методы пространственного анализа цифровых отображений земной поверхности на основе данных дистанционного зондирования Земли. Теоретические разработки по теме диссертации частично изложены в опубликованных статьях (Сергеев, Егоров, 2014; Сергеев, Егоров, 2015; Sergeev, 2016).
Практическая значимость работы. Теоретическая основа работы может быть использована при определении мощности тектоно-блоковых объектов, положения неявно выраженных новейших разломов и зон повышенной проницаемости, для определения мощности крупных ледниковых тел. Метод фрактального морфометрического анализа, обсуждаемый в настоящей работе, позволяет производить прогноз и поиск магматических объектов взрывного типа в осадочном чехле. Применяемые методики используются в лекционных курсах и семинарских занятиях, на кафедре геоморфологии Института наук о Земле СПбГУ.
Апробация работы и публикации. Основные положения и результаты работы докладывались на семинарах и конференциях: IV Международной научно-практической конференции "Открытые эволюционирующие системы" 18-21 мая 2016 г.; XXXV Пленуме Геоморфологической комиссии РАН 3-8 октября 2016 г., V международной конференции по исторической географии: Историческая география России: ретроспектива и современность комплексных региональных исследований (100-летие завершения издания томов серии "Россия. Полное географическое описание нашего Отечества") 18-21 мая 2015г., а также изложены в опубликованных автором статьях.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, который насчитывает 72 наименований книг и статей, и 2 приложений. Общий объем работы составляет 118 страниц, включает 1 таблицу и 32 рисунка.