Uniwersytet Warszawski Wydział Geografii i Studiów Regionalnych Emilia Bala Dynamika holoceńskich procesów fluwialnych w świetle badań sedymentologicznych na przykładzie Liwca Rozprawa doktorska w zakresie nauk o Ziemi dyscyplina geografia Rozprawa doktorska przygotowana pod kierunkiem Prof. UW dr hab. Ewy Smolskiej Wydział Geografii i Studiów Regionalnych Warszawa, 2018 Niniejszym pragnę serdecznie podziękować mojej promotorce Pani Profesor UW dr hab. Ewie Smolskiej za wszelką okazaną pomoc, życzliwość i cierpliwość. Dziękuję za poświęcony czas na konsultacje, badania terenowe i laboratoryjne oraz konstruktywną krytykę. Dziękuję wszystkim moim bliskim za cierpliwość, wyrozumiałość i motywację. 2 Streszczenie Słowa kluczowe: Procesy fluwialne, rzeka meandrująca, aluwia, analiza litodynamiczna, holocen, Liwiec, Mazowsze W niniejszej pracy podjęto próbę rekonstrukcji holoceńskich procesów fluwialnych oraz określenie czynników warunkujących te procesy a także ich zmienność w czasie w dolinie rzeki Liwiec, która płynie na pograniczu Mazowsza i Podlasia. Przeprowadzone badania miały na celu rozpoznanie przebiegu procesów fluwialnych w holocenie, ostatnich 200 latach oraz współcześnie. Badania realizowano na wybranych odcinkach Liwca w jego środkowym biegu i fragmentach doliny. Osiągnięcie zasadniczego celu wymagało przede wszystkim poznania: układu i cech metrycznych koryta współczesnego i w przeszłości oraz osadów korytowych i pozakorytowych, a na ich podstawie wnioskowanie o warunkach depozycji. Na podstawie badań terenowych i laboratoryjnych rozpoznano cechy osadów kopalnych i współczesnych Liwca. Do szczegółowych badań wybrano reprezentatywne odcinki doliny Liwca, w obrębie których wykonano wiercenia, pobrano osady do analiz sedymentologicznych. Do wnioskowania o zachodzących procesach fluwialnych i ich dynamice wykorzystano metody stosowane w sedymentologii tj. analizę uziarnienia, analizę zależności pomiędzy wskaźnikami sedymentologicznymi. Dostępne materiały kartograficzne archiwalne i współczesne wykorzystano do poznania zmian w przebiegu rzeki w czasie ostatnich 200 lat, zmiany holoceńskie określono na podstawie śladów dawnych koryt rozpoznanych w dnie doliny Liwca jak na podstawie ortofotomapy. Obliczono parametry geometryczne badanych paleozakoli i współczesnego koryta rzeki. Fazy osadnicze ustalono na podstawie analizy literatury archeologicznej oraz Archeologicznego Zdjęcia Polski. Liwiec wykorzystuje stosunkowo szeroką dolinę przecinającą obszar staroglacjalny zbudowany z glin zwałowych oraz osadów sandrowych, co sprzyja swobodnemu meandrowaniu. Rzeka w badanym okresie tj. od początku holocenu do dziś zmieniała swój charakter i koreluje z etapami rozwoju wyznaczonymi dla rzek nizinnych w Polsce. W rozwoju Liwca zapisały się etapy: wielkich meandrów, układu wielokorytowego, małych i średnich meandrów oraz antropopresji. Współczesne 3 aluwia wykazują większą dynamikę środowiska niż osady kopalne. Wraz ze zmianą układu koryta i antropopresji następowała zmiana cech teksturalnych aluwiów. Osady bruku korytowego reprezentujące makromeandry charakteryzują się większą średnicą ziarna i ogólnym słabym wysortowaniem, słabszym niż analogiczne osady z paleozakoli małych i średnich rozmiarów. Na podstawie analizy koncentracji pierwiastków śladowych oraz w oparciu o przeprowadzone datowania osadów wypełniających paleozakola wyznaczono dwa etapy zmiany cech aluwiów, które korelują z rozwojem osadnictwa w dolinie Liwca: starszy od epoki żelaza i młodszy od wczesnego średniowiecza. Abstract: The dynamics of the Holocene fluvial processes in the light of sedimentological research in the Liwiec river valley Key words: Fluvial processes, meandering river, alluvia, lithodynamic analysis, Holocene, the Liwiec river, Mazovian district, In this dissertation an attempt was made to reconstruct Holocene fluvial processes and to identify the determinants of these processes as well as their variation over time in the river Liwiec valley, which flows on the border between Mazovia and Podlasie region. The aim of the conducted studies was to recognize fluvial processes in the Holocene, last 200 years and the present. The research was implemented on selected sections of the Liwiec river in its middle course and chosen parts of the valley. The achievement of the essential goal required in the first place to recognize a trajectory of river pattern and its metric features in the past and present, river bed deposits and alluvium (point bar deposits), and depositional conditions. Field research and laboratory analysis have led to reconnoitre features of palaeo and contemporary alluvial sediments of the Liwiec river. For the detailed studies, some representative sections of the Liwiec river valley had been chosen, where there had been done drillings and samples collected for sedimentological analysis. The common sedimentological methods had been used to infer about the fluvial processes and their dynamics: granulometric analysis, relationship between sedimentological indicators 4 analysis. There had been used available archive and contemporary cartographic materials to identify changes in the river channel patterns during the last 200 years. Changes in the Holocene were identified basing on paleochannels visible on orthophotomaps. The geometric parameters of palaeochannels and present river channel had been calculated. Settlement phases had been stipulated on the basis of Archaeological Photo of Poland (in Polish: Archeologiczne Zdjęcie Polski). The Liwiec river uses a relatively broad valley intersecting the oldglacial area built with glacial till and sandur deposits, which is favorable for easy meandering. In the considered period of time (from the beginning of the Holocene to present) the river was changing its channel pattern which corresponds with the stages of rivers development designated for the lowland rivers in Poland. In the development of the Liwiec river, the following stages had been recorded: macromeanders, anastomosing channel pattern, small and middle-sized meanders as well as human impact. Contemporary alluvium shows higher dynamics than fossil deposits. Parallel with changes of channel pattern and human impact there was a change of textural features of sediments. Riverbed sediments representing macromeanders have bigger mean grain size and are generally worse sorted, worse than analogical sediments from small and middle-sized meanders. Basing on geochemical analysis and radiocarbon dating, there had been designated two phases of alluvial changes, which are corresponding with development of settlement in the Liwiec valley, namely older: from Iron Age and younger: from early medieval period. 5 Spis treści Spis treści: ......................................................................................................... 6 1. Wstęp ............................................................................................................. 8 1.1. Przedmiot i cel pracy .............................................................................. 9 1.2. Metody badań ...................................................................................... 10 1.2.1. Metody badań terenowych ............................................................ 10 1.2.2. Metody badań laboratoryjnych ..................................................... 11 1.2.3. Prace kameralne ............................................................................. 12 1.3. Przegląd literatury ................................................................................ 14 2. Charakterystyka środowiska przyrodniczego zlewni Liwca ....................... 17 2.1. Położenie obszaru badań ..................................................................... 17 2.2. Budowa geologiczna ............................................................................. 18 2.3. Cechy rzeźby zlewni i doliny Liwca ...................................................... 20 2.4. Warunki klimatyczne ............................................................................ 27 2.5. Warunki hydrologiczne ........................................................................ 28 2.6. Użytkowanie terenu ............................................................................. 30 3. Zmiany antropogeniczne w dolinie i zlewni Liwca ..................................... 32 3.1. Rozwój osadnictwa ............................................................................... 32 3.2. Zmiany w dolinie Liwca wywołane działalnością człowieka ............... 40 4. Charakterystyka osadów dna doliny i współczesnego koryta ................... 43 4.1. Cechy sedymentologiczne osadów wypełniających paleomeandry ... 43 4.1.1. Pierzchały ........................................................................................ 43 4.1.2. Sowia Góra ...................................................................................... 51 4.1.3. Jarnice .............................................................................................. 64 4.1.4. Liw ................................................................................................... 75 4.1.5. Borzychy .......................................................................................... 82 4.2. Cechy geochemiczne osadów ............................................................... 98 6 4.3. Cechy tekstualne współczesnych osadów korytowych .................... 106 5. Holoceńska ewolucja systemu fluwialnego Liwca .................................... 118 5.1. Zmiany rozwinięcia i parametrów koryta Liwca ..............................