12. ΤΕΚΤΟΝΙΚΗ ΓΕΩΜΟΡΦΟΛΟΓΙΑ

12.2. Η επίδραση της τεκτονικής στα ποτάμια συστήματα

Η παραμόρφωση της επιφανειακής μορφολογίας που οφείλεται στην τεκτονική δράση δεν περιορίζεται μόνο στην περιοχή ενός ρήγματος, αλλά επεκτείνεται αρκετά πέρα από αυτό. Ακόμα και όταν η παραμόρφωση περιορίζεται στενά στη ζώνη διάρρηξης, η γεωμοφολογική ανταπόκριση του αναγλύφου εξαιτίας της μπορεί να διαδοθεί μακριά από την ζώνη του ρήγματος και να έχει επιπτώσεις σε άλλα μέρη του επιφανειακού αναγλύφου.

Γνωρίζουμε ότι πολλά μορφολογικά στοιχεία των ποτάμιων συστημάτων είναι αλληλένδετα μεταξύ τους. Παρόλα αυτά κάθε στοιχείο δεν έχει παρόμοια χρονική ευαισθησία ανταπόκρισης στις αλλαγές που υφίσταται (Whipple και Tucker, 1999).

Για παράδειγμα σε μια λεκάνη απορροής, η ευαισθησία σε αλλαγές των στοιχείων που συνθέτουν τη μορφολογία της είναι συγκεκριμένη. Ξεκινώντας από τα πιο ευαίσθητα έχουμε:

                  I.            Κοίτες ποταμών

               II.            Κλιτύες

            III.            Χαλαρές μεσοποτάμιες αποθέσεις (interfluves)

           IV.            Μετατόπιση της υδροκριτικής γραμμής

Προκείμενου να μετατοπιστεί ο υδροκρίτης θα πρέπει τα χαλαρά υλικά (interfluves) ανάμεσα σε δύο κλάδους του υδρογραφικού δικτύου να μετατοπιστούν αντίστοιχα. Αλλά για να μετατοπιστούν τα υλικά αυτά θα πρέπει να οπισθοχωρήσουν αντίστοιχα οι πλευρικές κλιτύες (πρανή) που καθορίζουν το χώρο απόθεσης τους. Τα πρανή είναι περισσότερο ευαίσθητα στη μεταβολή της γωνίας κλίσης τους. Οι μεγαλύτερες γωνίες κλίσης οδηγούν σε μεγαλύτερη αστάθεια και κατ’ επέκταση στη γρηγορότερη μετακίνηση των υλικών τους προς τη βάση της κοιλάδας. Τέλος οι αλλαγές στη γωνία κλίσης των πρανών οφείλονται στις υψομετρικές διαφορές που προκαλούνται από μετατόπιση του πυθμένα της κοίτης του ποταμού εξαιτίας της κατά βάθος διαβρωτικής του δράσης. Κατά συνέπεια, η διάβρωση ή η απόθεση ιζημάτων στις κοίτες των ποταμών επηρεάζει έντονα την ανταπόκριση των πλευρικών κλιτύων

Τα υδρογραφικά δίκτυα των ποταμών μπορούν να μας παρέχουν τη δυνατότητα να γνωρίζουμε την φύση της παραμόρφωσης κατά την πάροδο των ιστορικών και προϊστορικών χρόνων. Επειδή οι ποταμοί είναι πολύ ευαίσθητοι στις αλλαγές της κλίσης τους, ανταποκρίνονται πολύ γρήγορα στις τεκτονικές αλλαγές. Η μικρή μεταβολή της κλίσης των ποτάμιων αναβαθμίδων εξαιτίας τεκτονικής δράσης, είναι δύσκολο να ανιχνευθεί ακόμα και με προσεκτική χαρτογράφηση. Μπορεί όμως να οριοθετηθεί με απλή παρατήρηση των αλλαγών στον τύπο της κοίτης του ποταμού από χάρτες, αεροφωτογραφίες και δορυφορικές εικόνες.

Σημεία καμπής (Knickpoints)

Όταν η ομαλή κλίση του πυθμένα της κοίτης ενός ποταμού, διακόπτεται από ένα απότομο μέτωπο, δημιουργώντας έναν αναβαθμό με υψομετρική διαφορά ανάμεσα στα δύο επιμήκη τμήματα του πυθμένα της κοίτης του ποταμού, τότε έχουμε την δημιουργία ενός σημείου καμπής (knickpoint) (Σχήμα 12.4.).

Σχήμα 12.4.: Α. Επιμήκης διατομή της κοίτης του Elder Creek στην Καλιφόρνια. Τα Τ₁ και Τ₂ σημεία δηλώνουν τις θέσεις των σημείων καμπής (knickpoints) πάνω στο υπόβαθρο που δημιουργούν δύο αναβαθμούς στην κοίτη του (τροποποιημένο από Seild & Deitrich, 1992).
Β. Μοντέλα της προς τα ανάντη μετακίνησης των σημείων καμπής. Τ_c = κρίσιμη δύναμη για να ενεργοποιηθεί η διάβρωση Τ₀ = πραγματική διατμιτική πυθμένια τάση (τροποποιημένο από Gardner, 1983, Seild & Deitrich, 1992).

Τα σημεία καμπής μπορεί να διαμορφωθούν τεκτονικά από τη δράση ρηγμάτων στον ρου του ποταμού. Κανονικό ρήγμα που βρίσκεται στην διεύθυνση του κάτω ρου ενός ποταμού δημιουργεί μια αναβαθμίδα στην τομή με την κοίτη του, εξαιτίας της βύθισης του κατώτερου τμήματός του. Ομοίως, ανάστροφο ρήγμα δημιουργεί ένα σημείο καμπής μεταξύ άνω και κάτω ρου εξαιτίας της ανάδυσης του ανώτερου τμήματος. Σε κάθε περίπτωση από τις παραπάνω, το βασικό επίπεδο διάβρωσης για τον άνω ρου του ποταμού έχει μεταβληθεί (ταπεινωθεί) κατά μήκος του ρήγματος. Επειδή ο ποταμός δεν βρίσκεται πλέον σε ισορροπία, θα αρχίσει να ρυθμίζει ξανά την καμπύλη ορίου κλίσης της κοίτης του (προφίλ ισορροπίας) (Σχήμα 8.4). Κατά μήκος του σημείου καμπής η υδραυλική δράση θα αυξηθεί από την αυξανόμενη κλίση και η διάβρωση της κοίτης θα ενισχυθεί τοπικά. Η επίδραση αυτής της διάβρωσης προκαλεί τη μετανάστευση ή τη διάδοση του σημείου καμπής προς τον άνω ρου του ποταμού.

Ο ρυθμός μετανάστευσης ενός σημείου καμπής βρέθηκε να είναι ανάλογος προς την παροχή του ποταμού. Έτσι όταν οι πηγές του ποταμού προσεγγίστηκαν, ο ρυθμός μετανάστευσής του επιβραδύνθηκε (Σχήμα 12.5.).

Φανταστείτε τώρα τι συμβαίνει σε ένα καθορισμένο σημείο στον κάτω ρου ενός ποταμού. Πριν από τη μετανάστευση του σημείου καμπής, δεν υπάρχει καμία διαφορά στο βασικό επίπεδο διάβρωσής του και διατηρεί τη θέση του. Καθώς το σημείο καμπής μεταναστεύει, η διεύθυνση ροής του νερού γίνεται πιο απότομη και η υδραυλική δράση αυξάνεται. Η διάβρωση είναι εντονότερη της απόθεσης και η κοίτη υποβαθμίζεται έως ότου να φτάσει στο βασικό επίπεδο διάβρωσης (αν και κάτι τέτοιο προσωρινά μπορεί να μην έχει επιτευχθεί). Καθώς το σημείο καμπής μεταναστεύει όλο και προς τα ανάντη, η ροή ιζημάτων προς τα κατάντη αυξάνεται εξαιτίας της ενισχυμένης προς τα ανάντη διάβρωσης. Χωρίς αντίστοιχη αύξηση της παροχής ή της κλίσης της κοίτης έχουμε αύξηση στην απόθεση των ιζημάτων, στην κοίτη του κάτω ρου του ποταμού..

Τελικά, καθώς το σημείο καμπής πλησιάζει στις πηγές του ποταμού, η παραγωγή των ιζημάτων μειώνεται, και ο ποταμός διαμορφώνει την κοίτη του (Σχήμα 12.5.β). Ο μηχανισμός σχηματισμού και ο ρυθμός μετακίνησης ενός σημείου καμπής προς τα ανάντη δεν έχουν επαρκώς τεκμηριωθεί. Πρόσφατες μελέτες της μετανάστευσης των σημείων καμπής έδειξαν ρυθμούς μετανάστευσης που κυμαίνονται από 2 mm/έτος (Seidl et αl., 1994), έως και 1 m/έτος (Burbank et αl., 1996) για ποταμούς που η κοίτη τους διαμορφώνεται πάνω σε σκληρά πετρώματα του υποβάθρου.

Σχήμα 12.5.: Α. Βαθμός μετανάστευσης των σημείων καμπής σε σχέση με την έκταση της υδρολογικής λεκάνης.

Β. Εγκάρσιες μορφολογικές τομές που παρουσιάζουν την ανταπόκριση της ποτάμιας κοίτης στη μετανάστευση των σημείων καμπής.

1.   Πρόδρομη της μετανάστευσης του σημείου καμπής κατάσταση με μικρές αλλουβιακές αναβαθμίδες στις όχθες της κοίτης

2.   Εκβάθυνση της κοίτης του ποταμού αμέσως μετά τη διέλευση του σημείου καμπής από τα ανάντη της τομής

3.   Αύξηση του ποτάμιου φορτίου εξαιτίας της διάβρωσης των ανάντη τμημάτων της κοίτης

4.   Μείωση του ποτάμιου φορτίου και εκβάθυνση της κοίτης

Γ. Το ποτάμιο φορτίο όπως προκύπτει από τη μεταβολή του βασικού επιπέδου σε σχέση με την αποροή (τροποποιημένο από Schumm et al., 1987).

Μεταβολές στους τύπους των κοιτών των ποταμών

Είναι ιδιαίτερα χρήσιμο να εξεταστεί η μορφή του υδρογραφικού δικτύου ενός ποταμού, προκειμένου να καθοριστεί η φύση της ενεργού τεκτονικής παραμόρφωσης κατά μήκος της κοίτης του. Για να επιτευχθεί αυτό, είναι αναγκαίο να γνωρίζουμε πώς οι μορφές των υδρογραφικών δικτύων των ποταμών συσχετίζονται με τους διάφορους ρυθμούς παραμόρφωσης. Επιπλέον, είναι αναγκαίο να γνωρίζουμε πώς να διακρίνουμε τις αλλαγές της μορφής των υδρογραφικών δικτύων που προκύπτουν από τις τεκτονικές ή μη αιτίες.

Οι ποταμοί έχουν την ικανότητα να αλλάζουν τον ρου τους, καθώς η κλίση και το μέσο μέγεθος των κόκκων μεταβάλλονται. Έτσι η μεταβολή της κλίσης που οφείλεται σε τεκτονικές διαδικασίες θα μπορούσε να έχει επιπτώσεις στην πλεξοειδή ή ελικοειδή πορεία των κοιτών των ποταμών.

Σχήμα 12.6.: Α. Ο βαθμός μαιανδρισμού ενός ποταμού ως αποτέλεσμα της μεταβολής της κλίσης της κοίτης του (τροποποιημένο από Schumm & Khan, 1973)
Β. Ο βαθμός μαιανδρισμού ως αποτέλεσμα της μεταβολής της υδραυλικής ισχύος για τρεις διαφορετικές παροχές (τροποποιημένο από Edgar, 1973).

Τα πειράματα που σχεδιάστηκαν για να ερευνήσουν τις πιθανές ανταποκρίσεις των μορφών των υδρογραφικών δικτύων στις μεταβαλλόμενες κλίσεις εμφανίζουν προβλέψιμες μεταβάσεις στους τύπους των ποτάμιων κοιτών (Σχήμα 12.6.). Καθώς η κλίση αυξάνεται ενώ οι παροχές σε νερό και ιζήματα παραμένουν σταθερές, οι αρχικά ευθυτενείς κοίτες γίνονται πιο ελικοειδείς. Η περιέλιξη συνεχίζει να αυξάνεται έως ότου επιτυγχάνεται μια κρίσιμη κλίση. Οποιαδήποτε πρόσθετη αύξηση των κλίσεων οδηγεί σε έναν πλεξοειδή ποταμό.

Τα περαιτέρω πειράματα δείχνουν ότι, για διαφορετικές παροχές, η μετάβαση σε πλεξοειδείς ποταμούς εμφανίζεται σε διαφορετικές τιμές ισχύς των ρευμάτων, αλλά περίπου στην ίδια κλίση (~0.012-0,013) για κάθε παροχή (Edgar, 1973). Είναι σημαντικό να σημειωθεί, ότι το μέγεθος κόκκων κρατιέται επίσης σταθερό. Για κάθε ένα από αυτά τα παραδείγματα, το πλάτος ποταμών αυξήθηκε και το βάθος μειώθηκε με την αυξανόμενη κλίση. Αν και οι λόγοι για τους οποίους οι ποταμοί μαιανδρίζουν δεν είναι απόλυτα κατανοητοί, είναι σαφές ότι οι μαίανδροι μέσω της τοπικής παράκτιας διάβρωσης και μεταφοράς ιζημάτων, τείνουν να διασκορπίσουν την ενέργεια σε ίσα ποσά ανά μήκος κοίτης, ελαχιστοποιώντας τη συνολική ενέργεια που καταναλώνεται.

Όταν ένα κανάλι γίνεται πιο απότομο, η ταχύτητα ροής αρχικά αυξάνεται, έτσι ώστε μια κοίτη που βρισκόταν σε ισορροπία να βρεθεί σε κατάσταση αστάθειας. Αυξάνοντας τους ελιγμούς η κοίτη επιμηκύνεται, με αποτέλεσμα η κλίση κατά μήκος της γραμμής του μέγιστου βάθους να αυξάνεται και να αντιδρά στην αύξηση της κλίση της ευρύτερης κοιλάδας.

Στο σχήμα 12.7.α παρουσιάζονται οι μεταβολές στην κοίτη ενός ποταμού όταν η κλίση του μεταβλήθηκε από την παρουσία μιας πτυχής (knick fold) που παραμόρφωσε το κεντρικό τμήμα της βάσης της κοιλάδας. Η τοπική ανύψωση προκάλεσε αύξηση της κλίσης της κοιλάδας στο κατάντη της πτυχής τμήμα, ενώ παράλληλα μείωσε την κλίση στο ανάντη τμήμα.

Έτσι κατά την πτύχωση ενός προϋπάρχοντος μαιάνδρου, η αρχική ανταπόκριση στην άνοδο, ήταν μια αύξηση του βαθμού μαιανδρισμού στο κατάντη τμήμα όπου η κλίση αυξήθηκε (Σχήμα 12.6.α). Η αύξηση του βαθμού μαιανδρισμού επιμήκυνε την κοίτη μειώνοντας αντίστοιχα την κλίση της. Με τον τρόπο αυτό αντισταθμίστηκε η απότομη μεταβολή της κλίσης της κοιλάδας.

Σχήμα 12.7.: Σχηματική αποτύπωση της αντίδρασης ενός μαιάνδρου με μεικτό ποτάμιο φορτίο στην ανάπτυξη ενός αντικλίνου. Στο δεξί τμήμα παρουσιάζεται η κάτοψη του ποταμού, με τις μεταβολές του τύπου και του βαθμού μαιανδρισμού της κοίτης που οφείλονται στην άμεση αντίδραση του ποταμού στην μεταβολή της κλίσης της κοιλάδας του.
Β. Σχηματική αναπαράσταση της αντίδρασης ενός πλεξοειδούς ποταμού στην μεταβολή της κλίσης της κοιλάδας του εξαιτίας της ανάπτυξης ενός αντικλίνου (τροποποιημένο από Ouchi, 1985).

Στο ανάντη της ανύψωσης τμήμα της κοίτης, η μείωση της κλίσης οδήγησε στην απόθεση υλικών κατά μήκος της κοίτης και δημιουργήθηκε ένας πλεξοειδής ποταμός με πολλαπλές διακλαδιζόμενες κοίτες. Η υδραυλική δράση του ποταμού στα επόμενα στάδια εξομάλυνε το ανάγλυφο, δημιουργώντας μια κοίτη παρόμοια με την αρχική. Παράλληλα η εκβαθυντική δράση του ποταμού στο σημείο της ανύψωσης δημιούργησε πλευρικές αναβαθμίδες διάβρωσης.

Αντίστοιχα πτυχωμένοι πλεξοειδείς ποταμοί προκάλεσαν διάβρωση στις κορυφές των πτυχών (Σχήμα 12.7.β). Στο κατάντη του άξονα της πτυχής τμήμα, η αυξημένη κλίση και η αυξανόμενη ροή ιζημάτων (εξαιτίας της διάβρωσης της πτυχής) αύξησαν τον αριθμό των πλευρικών κοιτών και των νησίδων. Αντίθετα στο ανάντη τμήμα η μείωση των κλίσεων δημιούργησε εναλλασσόμενα φράγματα με μια τάση να δημιουργηθεί μια μονή μαιανδρίζουσα κοίτη.

Λαμβάνοντας υπόψη την απλή παρατήρηση ότι η περιέλιξη τείνει να αυξηθεί με την αυξανόμενη κλίση (μέχρι ένα όριο), είναι αναμενόμενο ότι η ενεργός παραμόρφωση θα μπορούσε να αποκαλυφθεί από χάρτες υδρογραφικών δικτύων των μαιάνδρων που εμφανίζουν τοπικές αλλαγές στον βαθμό μαιανδρισμού τους κατά μήκος της κοίτης του ποταμού ή που δείχνουν μια χρονική αλλαγή στη περιέλιξη κατά μήκος μιας δεδομένης διεύθυνσης. Ομοίως, κατά μήκος των πλεξοειδών ποταμών, οι ζώνες, ευθυτενών κοιτών που οριοθετούνται από αναβαθμίδες είναι πιθανές ζώνες της ενεργούς ανόδου.

Μια εξίσου σημαντική περίπτωση τεκτονικής παραμόρφωσης είναι η μεταβολή της κλίσης μιας κοιλάδας παράλληλα προς την ανάπτυξή της. Η μεταβολή αυτή μπορεί να επιτευχθεί με στρέψη (tilting) κατά μήκος του επιμήκους άξονά της. Εάν υπάρξει μια τέτοια έστω και μικρή μεταβολή στην κλίση τότε η κοίτη του ποταμού που την διαρρέει θα μετατοπιστεί κατά προτίμηση προς το εξωτερικό, χαμηλότερο τμήμα της μαιανδρικής ζώνης (Σχήμα 12.8.). Ένας τρόπος για να εξετάσει κανείς εάν αυτό έχει συμβεί, είναι να μετρηθεί η θέση της ενεργού κοίτης σε σχέση με ολόκληρο το πλάτος της ζώνης μαιάνδρου. Με τη συσχέτιση πολλών εγκάρσιων διατομών πέρα από τη ζώνη του μαιάνδρου, μπορεί να καθοριστεί η μέση θέση της κοίτης του μαιάνδρου (Reid, 1992). Μια σημαντική μετατόπιση από το στατιστικό κέντρο μπορεί να ερμηνευθεί ως τεκτονική στρέψη που αναγκάζει τη συνεχιζόμενη μετανάστευση της κοίτης.

Κατά την διαδικασία της παράλληλης μετάθεσης, ο μαίανδρος θα εγκαταλείψει παλιομάνες και αποκομμένους βρόγχους (μικρούς κλάδους) ως αποτυπώματα της δράσης του. Με συνθήκες σταθερής κλίσης, αλλά χωρίς σημαντικές μεταβολές που μετατοπίζουν εντελώς τη ζώνη του μαιάνδρου, αναμένουμε να δούμε μια ακολουθία από ίχνη του μαιάνδρου να βρίσκονται στην ίδια κατεύθυνση και να δείχνουν τη γενικά προσανατολισμένη μετανάστευση του ποταμού πέρα από την κοίτη ροής του προς ένα χαμηλότερο σημείο (Alexander et αl., 1994) (Σχήμα 12.8.α).

Σχήμα 12.8.: Α. Σταθερή στρέψη με παράλληλη συρρίκνωση του ποταμού.
Β. Σταθερή στρέψη με μετανάστευση της κοίτης του ποταμού.
Γ. Απότομη στρέψη και αποκοπή της παλιάς κοίτης.

Εάν η στρέψη και αντίστοιχα η μεταβολή της κλίσης ήταν περισσότερο απότομη, τότε θα προκαλούσε μια σημαντική απόσπαση και επαναμετάθεση της ζώνης μαιανδρισμού διαμορφώνοντας ένα νέο μοντέλο κοίτης (Σχήμα 12.8.β & γ).

Η μελέτη του ποταμού Ινδού στο δυτικό Πακιστάν (Jorgensen et αl., 1993) δείχνει τους σαφείς συσχετισμούς μεταξύ των μεγάλης κλίμακας τύπων της κοίτης του ποταμού με την τρέχουσα παραμόρφωση (Σχήμα 12.9.). Ο Ινδός ποταμός είναι πεπλεγμένος προς τα ανάντη. Ανάντη των ενεργών τεκτονικών ανυψώσεων επικρατούν λεκάνες απόθεσης. Στις ζώνες τεκτονικής παραμόρφωσης δημιουργούνται αναβαθμίδες εξαιτίας της διαβρωτικής δράσης του ποταμού που τείνει να εξομαλύνει την παραμόρφωση. Η αύξηση της κλίσης στις ζώνες παραμόρφωσης είναι η αιτία του μαιανδρισμού του ποταμού.

Σχήμα 12.9.: Σχέση μεταξύ του περιγράμματος της κάτοψης ενός ποταμού (τύπος κοίτης), των τοπικών ζωνών ανύψωσης – βύθισης και των περιοχών διάβρωσης και απόθεσης κατά μήκος της κοίτης του Ινδού ποταμού.