Романовский С.И. Седиментологические основы литологии

Подождите немного. Документ загружается.

констатировать, что в настоящее время сколько исследователей,

столько и теорий, точнее, эмпирических формул

[179J.

Долгие годы популярным был подход Г. Хьюльстрема к опре-

делению значений #

кр

для частиц разных размеров, но сегодня

ок сохранил лишь чисто исторический интерес. Метод В. Н. Гон-

чарова

[82], используемый также для

оценки

кр

, основан на

предположении, что для отрыва частиц от дна основным фактором

является подъемная сила потока, возникающая в пограничном

слое благодаря

наличию

градиента скорости. Итог — очередная

полуэмпирическая формула. Свои эмпирические соотношения

для определения

величин

срывающих скоростей в разные годы

предлагали И. К.

Никитин,

М. А. Великанов, И. И. Леви,

В.

С. Кнороз, Л. С. Клячко, Г. "У. Менард, Ж. Ларра, Ф. Биро,

Р. Бэгнольд и многие другие ученые. Все эти соотношения отли-

чались лишь опытными коэффициентами, фиксировавшими

раз-

личные

условия эксперимента, крупность частиц, уклон и шеро-

ховатость

дна и т. д.

Приведем несколько примеров рекомендуемых значений срыва-

ющей скорости для частиц разных размеров. Г. У. Менард назы-

вает

цифры v

= 24 см/сек, при которой начинается формирова-

ние рифелей из песка с Md = 0,5 мм, а Дж. Лаутон считает, что

при у

кр

= 20 -f- 40 см/сек начинается формирование рифелей даже

из более мелкого песка с Md = 0,2 мм

[180].

В. В. Лонгинов [179]

еще

более снижает значения г;

кр

, полагая, что уже при г;

кр

15-7-20 см/сек образуются рифели из песка с Md = 0,2 мм.

Данные по срывающим скоростям при образовании ветровой

эоловой ряби содержатся в работе М. Е. Бельгибаева и О. Е. Се-

менова

[24], которые моделировали рябь в аэродинамической

трубе.

По результатам их экспериментов при скорости воздушного

потока и = 4 м/сек начинается перенос частиц супеси. При v =

6 м/сек закладываются основы ряби. При ь = 7 -f- 9 м/сек

возникает четко выраженная ветровая рябь. Наконец, при v Г>

10 м/сек ветровая рябь разрушается.

Таким образом, практически важной критической скоростью

волновом потоке следует считать скорость начала рифелеобра-

зования на ровном дне. Не зная же конкретные значения у

кр

трудно описать физически обоснованную картину образования

периодических рифельных структур, а тем более решать обратные

седиментологические задачи, т. е. восстанавливать гидродинамику

среды по морфологии и вещественному составу рифелей.

Б. А. Шуляк

[345],

наиболее глубоко изучавший физику

процессов рифелеобразования, считает, что следует различать те

граничные значения и

кру

при которых меняется механизм взаимо-

действия волнового потока и дна. Таких граничных значений v

три: v'

— начальная сдвигающая скорость;

и'кр

— критическая

скорость,

соответствующая отрыву частиц от поверхности дна,

при которой частицы начинают перемещаться во взвешенном

состоянии или сальтацией; v'

' — критическая скорость стирания

образованных ранее подвижных форм донного рельефа, в ча-

стности рифелей. Так, для песка с Md = 0,25 мм у,'

= 18 -~

20 см/сек, для эолового потока v'

^ 350 ~ 400 см/сек. Для

песка той же размерности соотношения между различными гра-

ничными значениями критических скоростей имеют вид: v"

я»

2^кр и ^

ЗУкр.

Б. А. Шуляк [345] справедливо полагает,

что для волнового потока значения

г>к

зависят прежде всего от

характера

донной поверхности и предыстории процесса взаимодей-

ствия потока и дна. Так, если донная поверхность деформирована,

то

значения v'

понижаются почти в 2 раза. На рис. 46 показана

зависимость сдвигающих скоростей от размера частиц.

Формула,

по которой Б. А. Шуляк [345] предлагает оценивать

величину сдвигающей скорости, имеет вид

,:,-/.,2

Jul+(£)•-£.

dsn

где р' и р — плотность осадочных частиц и воды; g — ускорение

свободного падения; d — размер частиц; \х — вязкость воды.

Существенно отличается формула, которую для тех же целей

предлагают П. Д. Комар и М. С. Миллер

[457]:

KP)

(P'

—P) gd

-0,3

где d

— орбитальный диаметр движения частиц воды при вол-

нении,

который находится из уравнения

dQ==

sin

(Li/

А)

•

(159)

Коэффициент 0,3 в формуле (158) появился при сопоставлении

вычисленных значений v'

с экспериментальными данными Р. Бэг-

нольда. Соотношение (158) имеет существенный недостаток, так

как для определения v'

необходимо знать все гидродинамические

характеристики волнения

(159),

что не дает возможность исполь-

зовать

эти теоретические результаты на материале древних осад-

ков.

В этом отношении метод Б. А. Шуляка нам представляется

более работоспособным, по крайней мере при решении задач

палеоседиментологии, нацеленных на реконструкцию гидродина-

мики среды по рифельным структурам. По уравнению (158)

П.

Д. Комар и М. С. Миллер построили график начала движения

условиях волнового потока кварц-полевошпатовых зерен (p' =

2,65 г/см

) размером до 10 мм (рис. 47).

Для понимания физики процессов, формирующих знаки ряби,

важен еще следующий эмпирически установленный факт: в сред-

нем во взвешенном состоянии * перемещается обычно не более

20%

влекомого потоком кластического материала, а около 80%

Имеется в виду распределение частиц в вертикальном

сечении

потока.

частиц сосредоточено в

придонной

части потока, т. е. в слое в не-

сколько десятков сантиметров от дна, но именно эта часть осадков

наиболее интенсивно взаимодействует с донными отложениями,

связи с чем и начинается при про-

чих условиях формирование рифелей.

Отметим, кстати, что различным зна-

чениям

скорости волнового потока

соответствуют

и разные режимы

взаимодействия в системе «поток —

дно»,

в результате чего последова-

тельно формируются подвижные

формы рельефа на поверхности дон-

ных осадков: рябь — слабоволнистая

поверхность —

«дюны»

— сильновол-

пистая поверхность

[545].

Каждая

последовательная форма соответ-

ствует

большим значениям скорости

потока. На рис. 48 показана зави-

симость образующихся форм под-

вижного донного рельефа от скорости

и глубины потока, из которой нагляд-

но можно видеть описанную закономерность. Данные соотноше-

ния важны не только в теоретическом, но и в практическом

отношении, поскольку при достаточно отчетливой морфологии

-2 -7

lgrd

Рис. 46. Зависимость сдвига-

ющих

скоростей потока от

размера

частиц донных отло-

жений

[345].

d,CM

Рис. 47. Порог двия-х'ения кварц-полевошпатовых пе-

сков

в условиях ламинарного пограничного слоя.

t —

период волны

[457].

текстурных форм в древних отложениях можно с определенной

долей надежности реконструировать и скоростные характеристики

потока, разумеется, в том случае, если другими методами удастся

определить батиметрический уровень формирования этих

осадков.

Таким образом, с учетом всех сделанных выше замечаний можно

остановиться на детальном описании механизма рифелеобразо-

вания. В настоящее время существуют 2 конкурирующие гипо-

тезы:

турбулентная, которая восходит еще к Рейнольдсу, и

«вих-

ревая»,

которую выдвинул и усиленно развивает Б. А. Шуляк.

Рнс. 48. Соотношение между скоростью потоков и глубиной воды при фор-

мировании рифельных структур.

— по

лабораторным

данным

Дж.

Хармса

[424]:

1 —

«дюны»,

2 —

рябь высокоэнерге-

тических потоков,

3 —

рябь низкоэнергетических потоков,

4 —

перенос осадков отсут-

ствует;

б — по

обобщениям А. Джоплинга [443]:

1 —

антидюны,

2 —

устойчивые волны,

3 —

переходные

типы

текстур,

4 —

«дюны»,

5 —

рябь.

Наибольший вклад в развитие турбулентной гипотезы внесли

исследования М. А. Великанова, В. М. Маккавеева, Б. А. Фрид-

мана и других ученых. Сущность ее заключается в следующем.

любом потоке с турбулентным спектром скоростей имеются

крупномасштабные структурные образования,

наличие

которых

приводит к упорядоченным пульсациям мутности потока. Размер

первичных форм подвижного рельефа дна определяется главным

образом

гидродинамическими характеристиками потока, т. е.

глубиной и скоростью, а

влияние

фракционного состава донных

отложений сказывается лишь посредством

влияния

шероховатости

дна на поле скоростей. Окончательная же форма и размеры ри-

фельных структур определяются уже и гидродинамикой потока,

и составом донных осадков

[191].

Считается также, что крупно-

масштабные

структурные образования оказывают существенное

влияние

при передаче механизма воздействия скоростного поля

потока на донные осадки. «Роль мелких вихрей и соответству-

ющих им высокочастотных пульсаций скорости сводится к рас-

качиванию лежащих на дне твердых частиц, которые отрываются

от

дна под действием низкочастотных пульсации, обладающих

максимальной энергией» [191, с. 37].

Существенным недостатком турбулентной гипотезы является

то,

что из нее все же не следует в явном виде механизм образования

именно рифельных структур. То, что волновой и поступательный

потоки характеризуются турбулентным спектром скоростей, со-

мнений

не вызывает, но вот каким образом

наличие

турбулентного

скоростного режима влияет на образование рифелей и каков

физический механизм этого процесса, остается неясным. Поэтому

более приемлемой нам представляется

«вихревая»

гипотеза

Б. А. Шуляка

[345],

которая, разумеется, не отрицает турбулент-

ный режим движения потока, но зато центр тяжести от крупно-

масштабных

структурных образований в теле потока смещает

сторону локальных пульсаций скорости и соответствующих им

мелких структурных вихрей.

Сущность

гипотезы Б. А. Шуляка заключается в следующем.

Основную роль в механизме образования и динамике периоди-

ческих рифельных структур играет локальное возрастание ско-

ростей над вершинами возвышений. Причем независимо от соот-

ношений между глубиной потока и высотой возвышений в не-

посредственной окрестности их высот сужение сечения потока

приводит к локальному возрастанию придонных скоростей. При

сильном возмущении потока происходит разрыв непрерывности

тангенциальных составляющих скорости, вследствие чего обра-

зуется

струя со значительно большей энергией взаимодействия

дном, что приводит к развитию присоединенных (локальных)

вихрей. По мере роста интенсивности взаимодействия потока

дном вращательным движением охватывается вся область потока

над ложбиной. При этом скорость вращения частиц жидкости

радиусом, равным радиусу кривизны ложбины, оказывается

одного порядка со скоростью в струе. Образование периодических

рифельных структур начинается с роста отдельных локальных

неровностей дна, высота которых достаточна для того, чтобы

скорости потока, меньшие и

кр

, вдали от этих неровностей при

подходе к ним превысили значения v

. С ростом высоты неров-

ностей дна увеличивается общее турбулизирующее возмущение

потока, что ведет к еще большему росту скоростей над

возвыше-

ниями,

а следовательно, и в вихревой области. Механизм после-

довательного роста возвышений, приводящий к периодическим

рифельным структурам, показан на рис. 49.

Скорость

генерации рифелей зависит, таким образом, от перво-

начальных неровностей дна и высоты волн. Сами же

рифели

обра-

зуются

тогда и только тогда, когда на дне уже имелись начальные

флюктуационные возвышения, способные создать условия локаль-

ного повышения скорости потока. Эти начальные флюктуационные

возвышения создаются волнами на первоначально ровном, но

шероховатом

дне. Важно отметить, что «взаимосвязанный рост

рифелей, размеров турбулентной области потока и скоростей

ней ограничивается условием равновесия между количеством

песка, поступающего на вершину рифеля, и количеством песка,

сносимого с нее путем волочения и взмучивания. Этим равновесием

определяются высота и шаг рифелей при данной крупности песка,

величине придонных скоростей и периоде волн» [345, с. 62].

При перемене направления движения в волне (в следующем

полупериоде) перемещение песка будет происходить в обратном

направлении. Если в потоке прямые и обратные скорости сим-

метричны, то суммарный пе-

ренос песка равен нулю, центр

тяжести рифеля не изменится,

профиль волновой ряби бу-

дет иметь симметричный вид.

Следовательно, шаг рифелей,

их высота и характер профиля

знаков ряби определяются в

первую очередь скоростным

режимом потока. Даже вол-

новой поток, чаще всего про-

дуцирующий

осцилляционные

симметричные знаки ряби,

при несимметричной направ-

ленности векторов скоростей

разные полупериоды волн

способен создавать и асиммет-

ричный

профиль ряби. Не ис-

ключена возможность возник-

новения дополнительных

гребней (рифелей) в ложбинах

и на вершине основных рифе-

лей, а при наложении на волновой поток

течений

со скоро-

стями, значительно превышающими #

кр

, периодические системы

рифелей могут преобразоваться и в более крупные уже

типично

русловые формы: валы

течений

и различные промежуточные дю-

нообразные формы.

Таким образом, с позиций сегодняшнего состояния наших

знаний о физике процессов формирования периодических рифель-

ных структур можно заключить, что традиционные представления

геологов о том, что симметричные знаки ряби являются однознач-

ными индикаторами волнового процесса в условиях побережья,

асимметричная рябь указывает на однонаправленный поток типа

донного течения или русла реки, нуждаются в пересмотре. Для

того

чтобы палеогеографические реконструкции, базирующиеся

на морфологии и гранулометрическом составе ряби, приобрели

доказательную основу, требуется обоснованная увязка характе-

ристик ряби (в частности, различных индексов) с типом потока,

ее продуцировавшего. При этом станет возможным и решение

задач

динамической палеогеографии

[311],

нацеленных на рекон-

Рис. 49. Схема генерации рифелей вол-

новой ряби

[345].

Прямой стрелкой

показано направление вектора скорости

первой фазе волны.

А —

ровное дно, флюктуационные возвыше-

ния отсутствуют;

Б —

ровное

дно с

одним

флюктуацноиным возвышением;

В —

флюк-

туационное

возвышение превысило критиче-

скую

высоту;

Г — в

струе потока, обтека-

ющей рифель, вихри скорости достигли сдви-

гающих величин;

Д —

первое возвышение до-

стигло

предельной высоты; второе выросло

до

размеров

предыдущего (Г). Началось

обра-

зование

третьего возвышения, расстояние

между

возвышениями увеличилось вместе

ростом

их

высоты.

зтрукцию параметров потока по вещественным характеристикам

сформированной им ряби. Однако даже при такой постановке

задач

восстанавливать глубины бассейна по морфологии рифель-

аых структур не удается.

СИСТЕМАТИКА

РИФЕЛЬНЫХ ФОРМ

Дж.

Хармс

[424] деликатно заметил, что деление знаков ряби

голько на симметричные (осцилляционные) и асимметричные

потоковые) соответствует уровню знаний начала XIX в. Поэтому

данной работе мы приведем иную систематику, соответствующую

крайней

мере второй половине XX в., хотя не исключено, что

она в некоторых отношениях окажется неудовлетворительной.

Следует отметить, что при разработке такого рода систематик

эифельных форм возможны 2 подхода: морфологический и дина-

мический (генетический). Последовательная реализация каждого

них в

принципе

может привести к разработке весьма совершен-

ных и гибких классификаций рифельных форм. Неурядицы и не-

точности начинаются тогда, когда пытаются найти однозначное

соответствие

между этими систематиками, т. е. когда произвольной

гериодической рифельной структуре, выделенной по чисто мор-

фологическим признакам, пытаются найти однозначное соответ-

ствие

в генетической систематике, сопоставив с ней соответству-

ощий тип водного или воздушного потока.

Наглядной иллюстрацией может служить систематика, по

)тпошению к которой так неуважительно высказался Дж.

Хармс.

Действительно, деление ряби на симметричную и асимметричную

является примером хорошей (не очень, правда, гибкой) морфоло-

гической систематики. С другой стороны, выделение двух гене-

тических типов ряби — волновой и потоковой — также вполне

зерно в рамках генетической систематики. Но когда попытались

установить однозначное соответствие между этими системати-

ками, проведя равенство между симметричной и волновой рябыо,

i также между асимметричной и потоковой, оказалось, что такой

юдход не только не прибавил нового знания, но, напротив, от-

5росил качество палеогеографического анализа по рифельным

структурам на уровень XIX в.

Причину

такой

оценки

легко понять, если вспомнить содер-

кание предыдущей главы, где рассматривались возмояшости

восстановления обстановок и условий осадконакопления по фрак-

ционному составу пород. Там было показано, что гранулометрия

герригенных пород не является однозначным индикатором обста-

новок нахождения осадков, поскольку в одних и тех же условиях

шгут

формироваться осадки, имеющие разный гранулометри-

юский облик, и в то же время в разных обстановках можно за-

фиксировать осадки, тождественные с точностью до характери-

стик их фракционного состава. Основным фактором оказалась

конвергенция гидродинамики среды в отношении распределения

частиц по размерам (фракциям),

данном случае

налицо

та же ситуация: волновой режим

способен продуцировать как симметричную, так и асимметричную

рябь;

потоковая же рябь всегда асимметрична. Помимо этого,

рябь может образовываться на разных глубинах — от нескольких

сантиметров

(в районе песчаных пляжей) до тысяч метров (в глу-

боководных каньонах и проливах, в пределах континентального

Рис. 50. Профили ряби, продуцированные тече-

ниями

(вверху),

комбинированными потоками (в се-

редине) и волнами (внизу). По результатам экспери-

ментов

в прямоточном лотке Дж.

Хармса

[424].

Стрелки указывают направление течений

вектора ско-

рости

на

уровне

3 см от

дна.

склона океанов и т. п.). Причем решение обратной задачи, т. е.

восстановление

глубины бассейна по морфологии и гранулометри-

ческому составу знаков ряби, оказывается невозмояшым, по-

скольку одна и та же рябь (даже имеющая асимметричный про-

филь),

которая характеризуется к тому же одним и тем же ин-

дексом и тем же медианным размером зерен, может образовываться

широком диапазоне глубин. И здесь определяющей оказывается

конвергенция гидродинамики среды по отношению к морфологи-

ческому облику образуемой ряби. Профили знаков ряби, которые

генерируются течениями, комбинированными потоками и

вол-

нами, показаны на рис. 50, а на рис. 51 представлены 2 система-

тики

знаков ряби — морфологическая и динамическая (генети-

ческая) по режимам процессов, генерирующих рябь. Можно

видеть,

что однозначного соответствия между этими системати-

ками получить не удается.

У.

Ф. Теннер [555] предлояшл устанавливать соответствие

между морфологией ряби и режимом породившего ее процесса

по численному значению различных индексов. Наиболее попу-

лярны, как известно, 2 индекса: индекс ряби RI, т. е. отношение

длины ряби (расстояние между двумя смежными рифелями) к ее

высоте,

и индекс симметрии ряби RSI, т. е. отношение большего

склона к длине меньшего склона. В добавление к этим У. Ф. Тен-

нер предложил оценивать еще 5 индексов: непрерывности,

раз-

двоения, прямизны и 2 индекса параллелизма. Не останавливаясь

Рис. 51. Взаимосвязь процессов, формирующих перио-

дические рифельные структуры, и морфологического об-

лика знаков ряби.

на содержательной стороне этих новых индексов, которые так

и не получили должного признания, отметим лишь, что всякое

введение новых формальных характеристик, пусть даже и име-

ющих морфологическую направленность, должно сопровождаться

анализом связи этих характеристик с гидродинамикой среды

таким образом, чтобы определенный диапазон изменений числен-

ных значений индексов соответствовал не только единственному

режиму процесса, но и параметрам этого режима (скорости, глу-

бине потока и т. п.). В противном случае любая формальная

характеристика теряет содержательную основу и ни в коей мере

не способствует решению задач палеоседиментологии.

Что же касается индекса ряби и индекса симметрии ряби, то

эти характеристики более четко увязаны с гидродинамикой среды.

Действительно, мы видели, что высота ряби изменяется не бес-

предельно: при фиксированном гранулометрическом составе осад-

ков она точно соответствует энергии потока (скорости и глубине),

длина ряби в первом приближении может интерпретироваться

как длина горизонтальной оси эллипса, соответствующего про-

филю волны в мелком море [см. формулу

(156)].

Кроме того, если

индекс

симметрии ряби в точности равен единице, то это означает

симметрию процессов генерации рифелей в первом и втором полу-

периодах волны, что, вообще говоря, может иметь место только

при волновом режиме. Однако и в данном случае четкая увязка

морфологических характеристик ряби с гидродинамикой среды

еще

не означает столь же четкой увязки этих характеристик

режимом процесса, генерировавшего рябь. Наиболее уверенно

интерпретируемая в этом отношении формальная характеристика

(индекс симметрии ряби) и та не имеет однозначного образа в про-

странстве

условий осадконакопления.

Так,

У. Ф. Теннер [555] проанализировал большой факти-

ческий

материал по морфологии знаков ряби, образованной

разных обстановках осадконакопления и под действием разных

режимов процессов генерации рифелей. В результате он уста-

новил, что

индекс

симметрии ряби RSI изменяется в следующих

пределах: для ряби прибоя 1 ^

i?*S/^

1,5; для волновой рябп

1 ^ RSI ^ 3; для ряби

течений

RSI ^ 2,5 и, наконец, для

ветровой

ряби 2 ^ RSI ^ 4. Можно видеть, что даже этот ин-

декс не дает возможности однозначно диагностировать режим

процесса

формирования знаков ряби. Лишь в частном случае,

когда

RSI ^ 1, можно быть уверенным, что анализируемая рябь

имеет волновой генезис.

СВЯЗЬ

МОРФОЛОГИИ И ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКОГО

СОСТАВА

ЗНАКОВ РЯБИ С ГИДРОДИНАМИЧЕСКИМИ

ХАРАКТЕРИСТИКАМИ

СРЕДЫ

Как

уже отмечалось, в ряде случаев морфологический облик

знаков

ряби позволяет реконструировать тип и направление

движения водного потока, первоначальную ориентацию слоев

(кровлю

или подошву) и в отдельных случаях качественную

гидродинамику среды, т.е. относительно спокойный или активный

режим в сравнении с другими слоями, в которых также фикси-

руются

рифельные структуры. Что же касается восстановления

параметров

потоков по характеристикам сформированных ими

периодических рифельных структур, то это является сложной

и практически трудно разрешимой задачей. Она мояшт быть

решена

применительно к волновому режиму, и только в том слу-

чае,

если он формирует рябь с четко выраженной периодичностью.

Для поступательных потоков решение этой задачи оказывается

неоднозначным, а с учетом невозмояшости проконтролировать

решения другими методами и выбрать из них то единственное,

которое

соответствует конкретной анализируемой ситуации, при-

ходится считать, что применительно к однонаправленным водным

потокам

(течения и русла рек) задача восстановления параметров

потока

по морфологии и фракционному составу сформированных

им знаков ряби является неразрешимой

[344].