Mady dolin sudeckich. Część III: Subaeralnie i subakwalnie deponowane osady pozakorytowe w świetle eksperymentu terenowego (1977-1979).

Abstract

Katastrofalna powódź w Sudetach w sierpniu 1977 r. umożliwiła realizację planowanych przez autora terenowych badań procesów i osadów pozakorytowych. Badania te prowadzono w kilku stanowiskach w zlewni górnego Bobru, a zwłaszcza na stożku napływowym Miszkowic, w ujściowym odcinku Złotnej (dopływ Bobru). Pole doświadczalne eksperymentu terenowego zlokalizowano częściowo w czaszy suchego normalnie zbiornika przeciwpowodziowego (zbiornik Bukówka na górnym Bobrze). W czasie powodzi sierpniowej 1977 r. w zbiorniku tym utworzyło się na przeciąg kilku dni jezioro przepływowe o maksymalnej głębokości 6 metrów. Umożliwiło to równoczesną obserwację zjawisk związanych z powodzią, a przebiegających w dwóch różnych środowiskach: rzecznym (warunki subaeralne) i jeziornym (warunki subakwalne). W jeziorze stwierdzono działanie w czasie powodzi przydennych prądów gęstościowych, wywołanych przez uchodzące do zalewu wody rzek, silnie obciążone zawiesiną oraz niosące znaczny ładunek obciążenia dennego i saltacyjnego. Na dnie jeziora prądy te przemieszczały się wzdłuż koryt rzek (Złotnej, Bobru i Dębicy), a także przelewały się poza koryta obejmując swoim zasięgiem wały brzegowe i przyległe do nich części zawala. Stwierdzono, że prądy gęstościowe działające w jeziorze wykonywały bardzo podobną pracę erozyjną, transportową i depozycyjną co przepływy powodziowe w dotkniętych powodzią dnach dolin Złotnej, Bobru i Dębicy, położonych poza zasięgiem cofki. Scharakteryzowano żwirowe, piaszczyste i mułowe osady pozakorytowe dolnej Złotnej, zdeponowane subaeralnie w obszarze powyżej cofki, i porównano je z analogicznymi osadami składanymi subakwalnie, na dnie jeziora, przez przy-denne prądy gęstościowe. Tworzenie się większości opisanych form i osadów było obserwowane. Stwierdzono, że osady pozakorytowe deponowane subaeralnie i subakwalnie są reprezentowane przez te same facje (żwirową, piaskową i mułową), formy depozycyjne w obu przypadkach mają podobne wymiary i zarys w planie, a także ujawniają podobne struktury wewnętrzne, wśród których przeważa uziarnienie gradacyjne pensymetryczne lub odwrócone. W obu przypadkach w obszarach pozakorytowych deponowany był głównie materiał transportowany w korycie rzecznym w zawiesinie i w saltacji. W obu badanych środowiskach - rzecznym i jeziornym -żwiry obciążenia dennego rzek były lokalnie wyprowadzane z koryta na wały brzegowe wylotowymi krewasami łagodnymi. Wyniki badań uziarnienia współczesnych i kopalnych (holoceńskich) osadów pozakorytowych dolnej Złotnej przedstawiono m. in. na diagramie C-M Passegi. Na podstawie obserwacji terenowych wyróżniono dwie klasy osadów pozakorytowych odpowiadające utworom deponowanym z zawiesiny i z obciążenia saltacyjnego rzeki. Dwuletni cykl obserwacji terenowych (1977-1979) umożliwił określenie wczesnopostdepozycyjnych przeobrażeń osadów pozakorytowych przez takie czynniki, jak: deszcz, infiltracja, insolacja, mróz, wiatr oraz mechaniczne działanie biosfery (rośliny, zwierzęta, człowiek). W ciągu krótkiego okresu kilku miesięcy czynniki te i związane z nimi procesy prowadzą do daleko posuniętej homogenizacji większości drobnoziarnistych utworów pozakorytowych i włączenia ich w obręb górnej części profilu glebowego. Szansę zachowania się w stanie kopalnym form pozakorytowych zbudowanych ze żwirów i piasków są wprost proporcjonalne do grubości ziarna tych osadów oraz ich miąższości. Formy depozycyjne zbudowane z mułów mają minimalne szansę zachowania się w stanie kopalnym, chyba że zostaną przykryte piaskami lub żwirami, co jest typowe zwłaszcza dla wałów brzegowych. Spośród wszystkich badanych utworów pozakorytowych osady naturalnych wałów brzegowych wykazały największe zróżnicowanie cech teksturalnych i strukturalnych. Mimo trudności wynikających z przeobrażeń postdepozycyjnych, obejmujących również procesy glebowe, oraz podobieństwa osadów deponowanych subaeralnie i subakwalnie możliwe jest ustalenie genezy większości subfosylnych holoceńskich utworów pozakorytowych odsłoniętych w dolinach badanych rzek. Na przykładzie stanowiska holocenu w Miszkowicach (Sudety Środkowe, Brama Lubawska) przedstawiono m. in. rekonstrukcję paleośrodowiskową wraz z próbą datowania holoceńskiej pokrywy aluwialnej, zawierającej w stropie pokład średniowiecznych mad przemysłowych oraz datujących się od średniowiecza do dziś mad rolniczych. Stwierdzono też, że najważniejsze mezośrodowiska strefy pozakorytowej i odpowiadające im osady dają się wykartować na mapie topograficznej w skali 1:10000 i to nawet we względnie wąskich dolinach górskich. Na podstawie badań terenowych i przesłanek teoretycznych opracowano model sedymentacji pozakorytowej właściwej dla rzeki żwirodennej o dużym spadku, odwadniającej dolinę płaskodenną. Zgodnie z tym modelem wysokie powodzie powodują odłożenie w zalanych dnach dolin dwóch facji mułowych (dolnej i górnej), przedzielonych w strefach wałów brzegowych facjami piaskową i żwirową. Maksymalne miąższości osadów pozakorytowych, a zwłaszcza piasków i żwirów, występują w strefie między grzbietem naturalnego wału brzegowego a dolną częścią jego zewnętrznego stoku. Opracowany model może znaleźć zastosowanie do badań osadów pozakorytowych deponowanych przez rzeki żwirodenne o zawiesinowym lub mieszanym typie obciążenia, składanych na odlesionych (łąkowych) dnach dolin, w klimacie wilgotnym, umiarkowanym lub chłodnym.Recent overbank deposits of the Sudetic valleys, SW Poland. Part III: Subaerially and subaqueously deposited overbank sediments in the light of field experiment (1977-1979)Abstract A catastrophic flood in the Sudetes, SW Poland, in August 1977, afford a good opportunity to realize a project concerning field investigations into extra-channel processes and deposits characteristic of gravel-bed rivers draining flat-floored valleys. The investigations have been carried out at several localities in the watershed of the upper River Bóbr and, particularly, on the Miszkowice Fan, at the mouth of the River Złotna, a tributary to the upper Bóbr. The experimental plot was situated partly within the pool of a dry flood-detention reservoir (the Bukówka Reservoir on the upper River Bóbr). During the August 1977 flood, the reservoir was half-full and a shallow lake (maximum depth ca. 6 m) developed within the pool for several days. Thanks to this it was possible to investigate simultaneously processes occasioned by flood-generated flows in two distinct environments: under typically fluvial i.e., subaerial conditions (beyond the backwater limit) and in the shallow lake - under subaqueous conditions. During the flood, density currents were operating within the lake running along river channels (including the Rivers Złotna, Dębica, and Bóbr) towards the bottom sluice in the Bukówka Dam, which was open throughout the flood. Their activity was by no means restricted to the river channels, because density currents overtopped the channel banks running across the submerged natural levees and in part also penetrated adjacent flood plains. The currents were induced in the lake by flood flows heavily laden with sediment. It has been found that morphological results of the activity of density currents were indeed similar to those of „normal” flood flows working subaerially (i.e., outside the lake). The paper deals with gravelly, sandy, and muddy deposits laid down subaerially by the lower River Złotna. The deposits are compared with analogous sediments accumulated subaqueously on the lake's bottom due to the activity of density currents. The origin of the majority of landforms and deposits described in the paper was monitored in the field during the flood. It has been found that subaerially and subaqueously deposited extra-channel sediments are represented by the same facies (gravels, sands, and muds). In both the cases depositional land-forms have similar sizes and planforms. Also, they reveal the same internal structures with pensymmetrical graded bedding and/or reversed graded bedding as the most common ones. In both the environments the extra-channel deposits were composed of detrital materials that were transported within the channel as the suspended and/or saltation load. Locally, the coarsest gravels of the river's load were brought out from the channel bed, through gentle outflow crevasses, onto the natural levees. The results of granulometric analyses are presented, among others, on the C-M Passega diagram. Two genetic classes of the extra-channel sediments, namely suspended and saltation load deposits have been distinguished on the basis of direct field observations. A 2-year field experiment (1977-1979) has been also realized in order to investigate early post-depositional changes of the extra-channel deposits occasioned by exogenic agents including rain, infiltration, insolation, frost, wind, and the mechanical activity of organisms (plants, animals, man). In relatively a short time span of several months the agents lead to an advanced homogenization of the majority of fine-grained extra-channel deposits (excluding thicker accumulations of coarse sand and gravel). As a result these are progressively incorporated with the upper part of a soil profile. Good chances to be preserved in a fossil record have landforms (and deposits) composed of gravel and coarse sand; the coarser and thicker the deposits the better the chances. Depositional forms composed of mud have practically no chance to be preserved as individual units unless covered by sand and/or gravel. Despite of the difficulty that the early post-depositional modifications make the overbank deposits homogeneous and that subaqueously deposited sediments are structurally similar to those accreted subaerially, it is possible to interpret the origin of the majority of Holocene deposits exposed within the Sudetic valleys. The actualistic application of the results of field experiment to (sub)fossil deposits has been tested with the profile of the Holocene fluvial deposits in Miszkowice as an example. The profile involves a top horizon of cohesive overbank deposits containing so-called „agricultural muds” and „industrial muds” dated from the Middle Ages, and a bottom horizon of Subatlantic gravels with tree trunks. The overbank deposits reveal features indicative of having been accumulated on the natural levees, flood plains, flood basins, and abandoned channels that existed on a deforested (grassy) surface of the Miszkowice Fan. It has been also found that at least major mesoenvironments of the extra-channel zone as well as their deposits can be mapped on a topographic map at a scale 1:10000. Field data gathered during the August 1977 flood, summarized on the ground of principles of fluid mechanics, have enabled the author to elaborate a model for deposition of the extra-channel sediments accumulated by a gravel-bed river in its flat-floored valley. According to the model two mud facies (i.e., upper and lower mud facies) may develop within the extra-channel areas owing to high floods. In the zone of the natural levees, the two mud facies are commonly separated by sands and gravels. The extra-channel deposits attain a maximum thickness between the crest of the natural levee and its outer margin. This is true particularly of sands and gravels. The model may be applied to present-day or (sub) fossil overbank deposits accumulated by gravel-bed rivers of suspended- or mixed-load type, draining deforested (mostly grassy) flat-floored valleys under a wet temperate or cold (paleo)climate.