Представим себе равнинную область, вовлечённую колебательными движениями большого размаха в процесс поднятия, которое приводит к образованию на земной поверхности крупной выпуклости типа антиклинория.
Образующаяся выпуклость подвергается на всех этапах своего формирования непрерывной обработке go стороны экзогенных деятелей, среди которых особенно заметная (но не исключительная) роль принадлежит речной эрозии, обеспечивающей вынос продуктов разрушения горных пород далеко за пределы области поднятия.
Проследим, как будут изменяться на отдельных стадиях абсолютные и относительные высоты местности, памятуя, что первые зависят от соотношения скоростей поднятия и денудации, а вторые — от соотношения скоростей углубления долин и понижения водоразделов. Иными словами, если U — скорость поднятия, Е — скорость углубления долин, D — скорость понижения водоразделов, А — изменение абсолютной высоты местности и В — изменение её относительных высот, то A = U — D; В = Е — D.
Так как колебательные движения земной коры со временем меняют свой знак, то в какой-то момент тектоническое поднятие должно прекратиться, после чего теоретически возможны два случая: 1) поднятие закончилось, но долго не сменяется опусканием, 2) поднятие, достигнув своего максимума, сразу же уступает место опусканию.
Рассмотрим первый случай.
Пока денудация отстаёт от поднятия (U>D), абсолютные высоты рельефа будут расти. Однако, чем выше поднимается местность, тем ниже становится общий для неё базис эрозии; следовательно, скорость денудации всё время увеличивается. Наступит момент, когда U = D, и тогда А станет равным нулю, несмотря на продолжающееся воздымание участка земной коры. В дальнейшем, после прекращения тектонического поднятия (U = 0), абсолютные высоты неизменно станут уменьшаться, так как снос продолжается и, естественно, D>U.
Как будут меняться относительные высоты? Сперва, пока молодые долины узкие, а водораздельные пространства между ними относительно широкие и плоские, снос с водоразделов меньше, чем врезывание долин (Е>D), и относительные высоты рельефа увеличиваются. Но когда долины станут широкими, а водоразделы превратятся в узкие гребни, тогда Е и D сравняются по величине и, следовательно, В = 0. Равенство значений Е и D сохранится до тех пор, пока углубление долин не прекратится (Е = 0), после чего Е станет меньше D (так как процессы сноса водоразделов продолжаются), и относительные высоты вступят в стадию прогрессивного уменьшения.
Таким образом, тектоническое вздутие испытывает сперва под действием глубинной эрозии всё более и более глубокое расчленение; если конечная высота поднятия была достаточно велика, оно путём расчленения превращается в настоящую горную страну. Затем, уже при господстве боковой эрозии, горная страна постепенно снижается, и на её месте возникает в конце концов денудационная равнина, или пенеплен, т. е. слабо волнистая почти-равнина с отдельными останцами — невысокими и немногочисленными остатками когда-то значительных возвышенностей, уцелевшими от окончательного размыва главным образом по причине прочности слагающих их пород.
Если тектоническое поднятие сразу же сменяется тектоническим опусканием, абсолютные высоты после прекращения поднятия тоже будут уменьшаться, но гораздо быстрее, чем это было в примере, разобранном нами выше, так как А = — U — D, т. е. U и D действуют сейчас уже в одном направлении. Что касается изменения относительных высот, то они практически тоже начнут уменьшаться сразу же после начала опускания местности, так как Е скоро станет равным нулю, а затем и отрицательной величиной (ввиду повышения базиса эрозии и, стало быть, развития процессов аккумуляции рыхлых отложений на дне долин и других впадин рельефа). Стадия пенеплена в случае II достигается за более короткое время, чем в случае I.
Всё изложенное представляет собой самую общую схему, — так сказать, лишь идею развития рельефа в её наиболее отвлечённом виде. Конкретные судьбы рельефа гораздо сложнее. Развитие типов морфоструктуры в условиях геосинклинального режима идёт иначе, чем на платформах. Развитие рельефа на молодой платформе протекает не так, как на древней. Особенности развития морфоструктуры всегда зависят от геологического строения местности, от пережитых данным участком земной поверхности разнообразных фаз геологической истории, от характера современных географических процессов. Известно, например, что к орогенетическим типам морфоструктуры относятся сложно построенные горные сооружения и межгорные и предгорные впадины, а к типам платформенным — остаточные сглаженные горные массивы (кряжевые возвышенности), денудационные равнины с островными горами, внутриконтинентальные аккумулятивные низменности, пластовые возвышенности (с искони равнинной поверхностью, образованной горизонтально залегающими и отложенными в платформенных условиях осадочными породами). Изучение происхождения и развития этих конкретных типов рельефа составляет одну из важных задач геоморфологии. Мы сознательно отвлеклись от характеристик конкретных случаев с тем, чтобы выделить основную тенденцию в развитии горных стран. В этом отношении теория пенеплена представляет большой общий интерес.
В ходе развития рельефа Земли догеосинклинальные равнины превращаются в геосинклинальные области, последние — в горноскладчатые области, а эти, в свою очередь, в платформенные равнины, одной из разновидностей которых является пенеплен. Следовательно, переход от геосинклинального режима к платформенному сопровождается и переходом от складчатых гор к денудационной равнине. Поскольку платформы тоже развиваются — ни один из типов платформенного рельефа (в том числе и пенеплен) не является конечным. Мало того, участки платформы со временем опять могут быть вовлечены в процессы горообразования, и тогда на месте взломанного и поднятого тектоническими силами пенеплена образуются глыбовые горы. Эти горы неуклонно подпадают под действие процессов денудации, и в конечном счёте горная страна вновь должна будет уступить место пенеплену.
В наших примерах формы рельефа прошли долгий путь эволюции от равнины через горную страну к пенеплену. Однако, очевидно, что пенеплен не есть простое повторение первоначальной равнины, потому что он представляет собой новый срез земной коры, образовавшийся в связи с удалением огромных масс материи, выдвинутых кверху тектоническими движениями. Процессы разрушения, сноса и выноса вещества вскрыли и вывели на дневную поверхность более глубокие слои земной коры, обнажили массивы глубинных магматических пород.
Пенеплен формируется медленно. При такой, какая сейчас наблюдается, скорости денудации, на приведение земной поверхности к стадии пенеплена понадобилось бы 13 млн. лет, а если учитывать ослабление процесса во времени, то и много больше. Исходя из подобных подсчётов, а также из того, что земная кора часто испытывает движения, оживляющие эрозию, многие учёные считают стадию пенеплена голой абстракцией. По их мнению, состояние пенеплена нигде и никогда не было достигнуто и не может быть достигнуто.
Вопреки указанным скептическим соображениям, в природе волнистые поверхности пенепленов всё же встречаются. Мы видим их в более или менее плоских гребнях некоторых гор (Тянь-Шань, Алтай и др.), обнаруживаем в геологических разрезах погребёнными под позднейшими отложениями, причём наличие здесь поверхностей пенеплена обусловливает несогласное залегание пород. Попытки приписать происхождение подобных поверхностей результатам морской абразии в большинстве случаев не выдерживают критик», так как абразионно-аккумулятивная равнина должна быть гораздо более плоской, чем действительно обнаруживаемые в природе поверхности, которым, следовательно, только и остаётся приписывать эрозионное происхождение. Примером пенепленов могут служить Донецкий и Тиманский кряжи, Северная Родезия и Катанга в Африке, большая часть Финляндии, область к северу от р. Св. Лаврентия, значительная часть Бразильско-Гвианского массива и т. п.
Утверждение, что земная кора часто испытывает подвижки, оживляющие эрозию и, стало быть, мешающие выработке реками профилей равновесия и соответственно поверхностей пенеплена, заслуживает полного внимания, но сила этого аргумента окажется меньшей, если мы вспомним, что на Земле обширные территории, пережившие развитие в геосинклинальных условиях, затем в течение десятков миллионов лет живут в условиях платформ, т. е. испытывают колебательные движения очень медленные и очень малой амплитуды. Малой амплитуде отвечает и незначительное оживление эрозии, а медленность поднятия, сопоставимая со скоростью денудации, благоприятствует сохранению возникшего до поднятия пенеплена.
Впервые общая концепция об изменении рельефа была сформулирована И. Д. Черским. Позже Дэвис разработал теорию эрозионного, пустынного, ледникового и морского циклов преобразования рельефа; каждый его цикл заканчивается выравниванием рельефа под действием соответствующего агента денудации. Серьёзный методологический недостаток изложения Дэвисом хода эрозионного цикла заключается в том, что, в целях упрощения, он условился, что эрозия начинается лишь после прекращения тектонического поднятия, тогда как на самом деле она действует и во время поднятия.
В. Пенк при исследовании эрозионного цикла создал схему, исходя из того, что поднятие страны и эрозия происходят одновременно. Его схема лучше отражает общую закономерность.
Рассматривая рельеф в движении и учитывая разнообразие факторов, принимающих в этом участие (эндогенные силы, реки, ветер, ледники, море), Дэвис внёс в учение о рельефе положительный вклад. Однако другие стороны его концепции не могут нас удовлетворять. Помимо недостатка, указанного выше (разделение во времени процессов поднятия и денудации), вовсе неприемлемо представление Дэвиса о каждом цикле преобразования рельефа (морском, пустынном, ледниковом, эрозионном), как о чём-то замкнутом в себе, а о всех циклах — как о круговых процессах, обособленных друг от друга.
В. Пенк анализирует только один цикл — эрозионный и тем самым уступает Дэвису в широте трактовки преобразования рельефа. Хотя в работах Дэвиса и Пенка идёт речь об изменениях рельефа, представление об определённой общей направленности развития рельефа Земли обоим авторам остаётся чуждым.
В теории пенеплена рассматривается воздействие уже сложившейся гидрографической сети на поднимающийся участок литосферы. Поэтому известный интерес представляет попытка Р. Е. Хортона установить закономерности возникновения и развития гидрографической сети на территории, находящейся в состоянии тектонического покоя, тем более, что при этом автор высказывает новый взгляд и на развитие рельефа.
Представим себе наклонную поверхность территории, недавно вышедшей из-под уровня моря, и проследим, следуя Хортону, развёртывающиеся на ней эрозионные процессы. Атмосферные осадки (та их часть, которая не впитывается почвой) образуют на такой поверхности склоновый сток — сплошной пеленой, без русел. Однако в связи со случайными неправильностями поверхности происходит всё же концентрация поверхностного стекания и первая стадия расчленения наклонной территории будет заключаться в развитии системы узких неглубоких параллельных борозд и невысоких разделительных гребешков между ними. Когда борозда образовалась, поверхностное стекание, направленное вниз по склону выше её верховья, станет отклоняться и вливаться в борозду, вследствие чего борозда начинает быстро расти вверх (против течения).
Так как всякий грунт и порода обладают известной сопротивляемостью эрозии, то эрозия на рассматриваемой наклонной поверхности начинается не от самой высокой, водораздельной её части, а несколько ниже по склону — там, где эродирующая сила равна сопротивляемости грунта. Вдоль водораздела всегда остаётся «пояс отсутствия эрозии» (ширина его зависит от сочетания ряда условий), в пределах которого стекающая вода не переносит никакого минерального материала.
Система параллельных бороздок закладывается на всех тех участках, где длина поверхностного течения (т. е. расстояние, проходимое водой, прежде чем она сосредоточится в определённое русло) превышает ширину пояса отсутствия эрозии. Первая борозда появляется там, где интервал, в котором может сказаться эрозия, окажется наибольшим. Очевидно, что именно первая борозда, раньше других возникшая и, следовательно, дольше всех подвергавшаяся эрозии, становится более глубокой и широкой по сравнению с другими, делается главной бороздой и представляет собой зачаток будущей главной реки бассейна.
Параллельная система борозд со временем преобразуется. Разрушение или затопление сильными ливнями водораздельных гребешков между бороздами приводит к тому, что поток, идущий по более высокой борозде, отклоняется в более низкую. Эти «микрозахваты» постепенно стирают начальную систему борозд и разделительных гребней и заменяют её одним потоком, текущим в направлении главной борозды. Пунктиром показаны параллельные борозды, коленчатой линией — серия микрозахватов, отводящая воду в главную борозду; течение по бороздам на участках, расположенных ниже пунктов микрозахвата, отмирает; стрелки показывают направление начального стекания по бороздам, направление стекания на участках микрозахватов и результирующую стекания при образовании объединённого потока, направленную наискось вниз по склону.
Таким образом, если вначале существовал только склон, параллельный простиранию главной борозды (реки), то теперь по обе стороны борозды он заменён новыми склонами, падающими к этой борозде. Этот процесс называется перерасчленением. На каждом вновь возникшем склоне повторяется то же самое, что было и на первичной наклонной поверхности: обособление в верхней его части пояса отсутствия эрозии, закладка системы параллельных борозд со своей главной бороздой, микрозахваты, объединение струй в один поток и образование склонов, падающих к этому новому потоку. Склоны нового потока испытывают ту же участь. В конце концов развивается древовидная сеть потоков.
Всё изложенное представляет модель возникновения и развития гидрографической сети — образования главной реки, её постепенно ветвящихся притоков, всё новых и новых внутренних водоразделов в речном бассейне, а вместе с ними всё новых и новых поясов отсутствия эрозии, доля которых в общей площади бассейна, таким образом, всё время увеличивается. Увеличение этой доли в известный момент кладёт предел развитию гидрографической сети: развитие прекращается, когда в речном бассейне останутся уже только такие участки, в которых никакое перерасчленение не смогло уничтожить область отсутствия эрозии. Следовательно, в бассейне ещё сохраняются водораздельные возвышенности и плато, в дальнейшем не подвергающиеся эрозии или пенепленизации.
Из сказанного вытекает, что один лишь главный водораздел есть остаток первичной поверхности, в результате расчленения которой образовалась гидрографическая сеть. Внутренние же водоразделы — это остатки перерасчленённой поверхности, т. е. такой, на которой когда-то господствовала эрозия. Но, однажды возникнув, внутренний водораздел сохраняется; его расчленение заканчивается в тот момент, когда зарождаются прилегающие к нему реки. Этот вывод резко расходится с классической теорией пенеплена, согласно которой расчленение водораздела продолжается до тех пор, пока оно не будет завершено разделяемыми им реками.
По Хортону, поверхность речного бассейна, в котором закончилось формирование гидрографической сети, будет мало похожа на пенеплен. В идеальных условиях она примет форму сегмента параболоида, отсечённого плоскостью, непараллельной его оси. Такую вогнутую в целом поверхность, осложнённую рёбрами внутренних водоразделов, автор предлагает называть базальной поверхностью, так как она служит базисом первичной поверхности, из которой она развилась. Нижняя часть базальной поверхности совпадает с базисом эрозии, верхняя часть на главном водоразделе выходит на первичную материнскую поверхность.
На наш взгляд, серьёзный недостаток концепции Хортона состоит в том, что автор её искусственно обособил эрозию от других процессов разрушения земной поверхности. Оттого и получилось, что «пояс отсутствия эрозии» будто бы достаточен для страховки подвластных ему участков рельефа от дальнейшего выравнивания, т. е. от пенепленизации. Эрозия не всюду действует непосредственно, но, например, подмыванием склонов, хотя бы и «забронированных» от неё самой пресловутым «поясом», вызывает по всему склону перемещение продуктов выветривания под действием их собственного веса с высоких уровней на более низкие, т. е. способствует дальнейшему выполаживанию рельефа. Кроме того, самое существование «пояса отсутствия эрозии» сомнительно. Н. И. Маккавеев показал, что в условиях склонового стока наибольшему размыванию подвергаются как раз верхние части склонов.
Новейшая попытка пересмотра теории пенеплена принадлежит В. Д. Дибнеру. В противоположность своим предшественникам, автор рассматривает судьбу приподнятого тектоническими процессами участка литосферы, имеющего не однородное, а сложное геологическое строение, а в противоположность Хортону (с которым у Дибнера есть и общие точки зрения) не обрывает развитие рельефа на стадии его предельного дробления гидрографической сетью.
Первичные эрозионные потоки в местности со сложным геологическим строением будут приурочены к морфологически выраженным отрицательным геологическим структурам, направление которых и предопределяет направление рек. На этой стадии эрозионная деятельность регулируется местными базисами эрозии; базисы, лежащие за пределами горной страны, будут сказываться только на периферии последней.
Два потока, имеющие общий водораздел и текущие в противоположные стороны («сопряжённые потоки»), взаимодействуют. Суть взаимодействия: поток, обладающий большим средним уклоном на участке от истока до ближайшего базиса эрозии и, стало быть, более активный в отношении регрессивной эрозии, наступает на менее активный водоток, вследствие чего водораздел между ними отодвигается в сторону более слабого. В конце концов происходит захват сильным потоком верхней части более слабого.
Явлениям захвата В. Д. Дибнер отводит исключительно большую роль. То, что сказано в отношении двух сопряжённых потоков, происходит и в отношении двух (а затем и более) соседних речных систем, из коих у одной более низкий базис эрозии, чем у другой. Благодаря таким захватам осуществляется неоднократная перестройка гидрографической сети (в которой участвуют впоследствии и базисы, лежащие вне горной страны). Реки из одной системы переходят в другую, образуются мёртвые долины, возникают новые речные потоки и т. д.
Важнейший результат многократной перестройки гидрографической сети — измельчение («иссечение») рельефа, т. е. увеличение количества склонов в пределах данной горной страны, и уравнивание высот положительных форм рельефа, поскольку наиболее приподнятые участки быстрее всего и сглаживаются. Рельеф снижается и дробится.
Следствием снижения и дробления рельефа неизбежно будет ослабление эрозионной деятельности потоков по многим причинам: при постоянном климате энергия каждого потока уменьшится, так как увеличилось число склонов и, значит, общее число потоков; увеличение числа склонов означает усиление площадной денудации, т. е. загрузки потоков рыхлым материалом; скопление рыхлых продуктов выветривания на склонах и аллювия в речных руслах усилит фильтрацию воды в грунт, — уменьшится водоносность потоков. В результате расширения склонового сноса и соответственно ослабления эрозионной работы рек развивается процесс деградации речной сети. Горная страна превращается сперва в мелкосопочник, а затем приобретает предельнопологие склоны и становится пенепленом. Стадия мелкосопочника отвечает промежутку времени от образования предельно-коротких склонов до образования склонов с предельно-пологими углами.
Тектонические движения, заметно нарушающие геологические структуры местности, тормозят или даже поворачивают вспять процесс пенепленизации. Что касается обычных колебательных движений, то они способствуют пенепленизации, потому что региональное поднятие, ускоряя перестройку гидрографической сети, тем самым помогает измельчению рельефа, а региональное опускание благоприятствует выполаживанию рельефа, если последний достиг уже известной степени измельчения.
Таким образом, для объяснения пенепленизации нет необходимости требовать длительных эпох тектонического покоя. Пенепленизация — двухстадийный процесс: первая стадия — измельчение первичного рельефа путём неоднократной перестройки гидрографической сети, вторая стадия — окончательное выполаживание.
В заключение нашего обзора отметим, что в последнее время в зарубежной геоморфологической литературе, в противовес теории пенеплена, развивается новый взгляд на происхождение денудационных выравненных поверхностей — теория так называемого педиплена. Педиплен, как и пенеплен, есть конечная стадия развития рельефа; в этом отношении между ними нет существенного различия. Принципиальная разница заключается в представлении о путях образования этих конечных выравненных поверхностей.
Теория пенеплена требует, чтобы склоны в ходе своего развития понижались к выполаживались. Пенепленизация — это уменьшение относительных высот местности, срезание неровностей рельефа сверху, снижение вершин возвышенностей до уровня долинных днищ.
По теории педиплена, неровности рельефа уничтожаются благодаря отступанию склонов с сохранением первоначального их уклона; неровности рельефа, стало быть, срезываются с боков и снизу; боковое смещение склонов происходит при неизменном или незначительно меняющемся по высоте базисе денудации.
Во всяком вполне развитом склоне сверху вниз различают четыре элемента; растущий склон, с выпуклым профилем; открытый, или обнажённый, склон — наиболее крутой, с прямым профилем; осыпной склон; наконец, отмирающий склон, или педимент, с полого вогнутым профилем. Поверхность педимента считается наиболее удобной для быстрого стекания ливневых вод с наименьшей эрозией; она и есть результат отступания склона. Медленнее всего развиваются, отличаясь долговечностью и устойчивостью, верхний и нижний элементы склона. Обе его средние части, наименее долговечные, развиваются особенно активно, их смещение и есть основной процесс развития склона.
Отступание склона идёт до тех пор, пока он не соединится со склоном на противоположной стороне возвышенности и пока, следовательно, эта возвышенность не окажется уничтоженной. На определённом этапе соседние педименты сливаются и образуют педиплен. Если соседние педименты развиваются с разной скоростью, тогда более «сильный» (развивающийся быстрее) растёт за счёт поглощения более «слабого».
Педимент является формой геоморфологического равновесия. При нарушении последнего тектоническими подвижками или изменением климата появляется новая генерация педиментов на более низком уровне, которая постепенно и «поедает» предыдущую генерацию. Этим объясняется многоярусность денудационных поверхностей выравнивания, т. е. наблюдаемое нередко сосуществование их в данной местности на разных высотных уровнях.
Сторонники теории педиплена полагают, что она может стать общей теорией развития рельефа. Но для этого нужно прежде всего доказать, что отступание склонов параллельно самим себе и без изменения их первоначального уклона возможно в любых климатических условиях (а не только в сухом климате, для которого такая возможность считается установленной).