Романовский С.И. Седиментологические основы литологии

Подождите немного. Документ загружается.

Описанная задача, как легко понять, относится к категории

обратных задач. Прямой же задачей является установление ана-

литических связей параметров волнового режима с морфологи-

ческими характеристиками ряби. Она решается как путем модели-

рования в седиментационных лотках [344, 345, 456], так и путем

наблюдений в натурных условиях. Как в первом, так и во втором

случае теоретической базой прямой и обратной задачи является

классическая теория волн, элементы которой мы привели в начале

главы.

Из той же теории следует, что при известных параметрах

волны (период,

длина

и высота) и при фиксированном размере

частиц донных отложений можно оценить глубину воды, соответ-

ствующей

началу рифелеобразования. Такие расчеты провел

В.

В. Лонгинов [179] для фракции частиц песка 0,1—0,25 мм

(табл.

15). Можно видеть, что даже при сильном волнении моря

поверхностные волны способны продуцировать рябь только в зоне

шельфа.

ТАБЛИЦА

Глубины воды, соответствующие началу рифелеобразования,

по В. В. Лонгинову [179]

Период

волны,

сек

Длина волны,

Высота

волны,

Период

волны,

сек

Длина волны,

4,5-4,6

6,4—6,6

9,1—9,5

12,8

128

256

10,7

17,9

28,8

16,3

28,4

51,0

36,2

65,2

116,3

Прежде чем описать решение отмеченной обратной задачи более

юдробно,

отметим, что предпринимались попытки и упрощенного

?е

толкования, когда путем введения гипотетических характе-

ристик типа «скорости отложения терригенного материала из

суспензий»,

«темпа

транспортировки осадка волочением по дну»

т. д. оценивались углы наклона хребтиков ряби (рифелей)

целью интерпретации режимов палеотоков [352] или реконстру-

фовался

орбитальный диаметр образующих рябь придонных

юлн по данным о

длине

ряби и медианном диаметре зерен осадка

[361].

Как уже отмечалось, постановка обратной задачи в таком

*иде некорректна.

Из известных в настоящее время подходов к восстановлению

гараметров

водной среды по характеристикам волновой ряби

выделяются вероятностный, который развивается в основном

1мериканским

геологом У. Ф. Теннером

[557],

и детерминиро-

ванный, который превалирует в работах большинства исследова-

'елей, но в наиболее полном и законченном виде он содержится

трудах Б. А. Шуляка [344, 345]. Что касается вероятностного

юдхода

к решению данной задачи, то следует отметить, что он

не дает возможности восстановить численные значения параметров

волн для каждого конкретного случая, но зато устанавливается

связь

(в статистическом смысле) заданных характеристик волне-

ния с замеренными морфологическими признаками волновых

рифелей.

У.

Ф. Теннер [557] реализовал

данный

подход на материале

многих озер США, включая Великие озера, а также на основе

непосредственных наблюдений в Мексиканском заливе. При этом

исходные данные наблюдений он разбил на 5 категорий: а) при-

брежные точно контролируемые эксперименты; б) частично кон-

тролируемые эксперименты (мелкие озера и открытое море);

в)

несколько выборочных наблюдений из других объектов, близ-

ких к наблюденным пределам изменчивости замеряемых характе-

ристик в опробованных ранее объектах; г) замеры морфологи-

ческих признаков ряби в древних отложениях (морисонские

песчаники юрского

возраста).

Данные наблюдений обрабатыва-

лись с использованием регрессионного анализа. По первой группе

данных (прибрежная волновая рябь) фиксировались и донные

волнени я: длина и период волны, а также орбитальная скорость

частичек воды.

Резонно предполагалось, что существует определенная связь

между

длиной

ряби S (расстояние между смежными рифелями)

и характеристиками волнения:

длиной

волны X

высотой волны K

глубиной воды H

а также медианным размером зерен донных

осадков Ig Md. Методами регрессионного анализа установлено,

что наибольшая зависимость существует между S и X

(55,4%),

наименьшая — между S и Ig H

(37%).

При фиксации двух незави-

симых переменных те же зависимости принимают вид

Окончательные уравнения регрессии, учитывающие наиболее

тесно связанные величины, У. Ф. Теннер получил в виде

Полученные таким путем уравнения регрессии У. Ф. Теннер

использует для

оценки

регрессионных зависимостей для

«вос-

станавливаемых»

характеристик K

X. Например, из уравнений

(160)

и (161) можно найти, что

S=f(X, In Md)

я^82%;

= f(h, In Md) ^ 75%;

S=J(InMd

ln#)^69%;

S=f(h,

1пЯ)я^55%.

= 4,04 In Md + 1,65 In H + 0Л7Х

—

24,15;

5 = 4,201n Md + 0,58Я-19,64.

(160)

(161)

In H = 14,64 + 0,615-2,45 In Md - 0,28Я;

= 33,77 + 1,725- 7,22 In Md.

(162)

(163)

Построив таким образом систему из 4 уравнений с 4 неизвестными,

можно найти

оценки

интересующих характеристик волнения.

Эти оценки, безусловно, будут иметь смысл средних величин,

справедливых только в пределах всей исследуемой выборки. Это

одновременно и достоинство (поскольку найденные характери-

стики, несомненно, устойчивы в рамках анализируемых условий

седиментации) и недостаток статистического подхода, так как

статистические

оценки

характеристик волнения не дают возмож-

ности использовать полученную информацию для расчета

величин

тех

же параметров, но по

данным, не входившим в

исходную выборку.

По материалам полу-

ченных уравнений регрес-

сии У. Ф. Теннер построил

любопытную диаграмму

(рис.52),

дающую возмож-

ность приближенно оцени-

вать

высоту волн и глу-

бину воды по данным о

длине

ряби и медианном

размере

зерна осадков.

Диаграмма эта построена

по материалам современ-

ных осадков и не годится

для практического исполь-

зования при решении

палеоседиментологических

задач,

поскольку для оп-

ределения высоты волны h или глубины воды H требуется по-

мимо

длины

ряби S и медианного размера зерен Md знать одну

из этих характеристик. Это еще одно неизбежное следствие

представления исходной информации в терминах регрессионного

анализа (см. левую вертикальную ординату диаграммы на рис. 52).

Детерминированный подход к задаче восстановления гидро-

динамических характеристик среды по параметрам волновой ряби

наиболее полно, как уже отмечалось, изложен в исследованиях

Б. А. Шуляка. Он установил

[3451,

что для всех видов волн на

поверхности сыпучей среды справедлива зависимость общего

вида

S^afitflu^u'nJtt,

' (164)

где Si — шаг периодичности (расстояние между рифелями); G

—

динамическая часть зависимости; и — скорость потока; и'

кр

—

сдвигающая

скорость; t — характеристика с размерностью

вре-

мени; i — индекс* вида волн; п — показатель степени.

Наиболее физически обоснованным оказывается решение обрат-

ной задачи для волновых осцилляционных знаков ряби. Причем

см

4-5

10 20 50 100 200 500

Рпс. 52. Диаграмма, иллюстрирующая

связь

между

длиной

ряби

и медианным

размером зерна, с

одной

стороны, и гидро-

динамическими

характеристиками (высотой

волны и

глубиной

воды) — с другой

[557].

при ее решенпи

принципиально

возможно оценивать лишь 3 ха-

рактеристики — высоту и период волны, а также глубину воды

(потока),

которая, кстати говоря, лишь в частном случае соответ-

ствует

глубине бассейна. Часто же эти понятия необоснованно

отождествляются.

результате экспериментов в 15-метровом канале шириной

(0,5

X 0,8) м

с кварцевым песком (Md = 0,25 мм) Б. А. Шу-

ляк [345] установил следующие зависимости:

где

= 0,128 (и/ + и*) Т; \ = 0,023 (и* + и*)Т,

и' = Kh/(Tsh Ш)

(165)

максимальная величина горизонтальной составляющей

придонной

скорости жидкости: и* = u

— первая критическая скорость

взаимодействия потока и дна.

Высота

рифелей /г

и длина ряби \

глубиной потока изменяются по закону l/(sh кН) и, следова-

тельно, зависят только от величины сдвигающей скорости и.

От

периода волн T К

и /г

зависят

линейным

образом. Если учесть

размер

частиц Md, то эмпирическое соотношение для

длины

ряби

приобретет вид

с*

(Md)*-*

(и +

;

)

т.

(166)

Для приближенных оценок параметров волн по характеристи-

кам ряби можно пользоваться номограммой, которую Б. А. Шу-

Ар,см

,CM

= 5

сеп

ЗА

2,8

Kp,

см

hp,

см

'do

0,5

-1Q-B-ZOZ

6 10 14

и',см/сек

J—L

40 50

Кем

Рис. 53. Графики зависимости параметров волновых ри-

фелей от орбитальных скоростей, периода волн и глу-

бины потока

[345].

ляк [345] построил по результатам своих лабораторных исследо-

яаний

(рис. 53).

Заканчивая краткий обзор существующих в настоящее время

подходов к реконструкции характеристик среды седиментации

по морфологии и гранулометрическому составу рифелей, необхо-

димо отметить, что ни статистический, ни детерминированный

пути решения этой задачи не являются вполне удовлетворитель-

ными применительно к аналогичным объектам геологического

прошлого по следующим соображениям.

1. При статистическом методе решения задачи требуется увязка

морфологии рифелей с параметрами волнения, фиксируемыми

непосредственно во время эксперимента. Именно эти характери-

стики затем входят в конечную систему уравнений регрессии,

по которым и восстанавливаются интересующие исследователя

параметры

(высота и длина волны, глубина потока и т. д.). Однако

коэффициенты, входящие в уравнения регрессии, справедливы

лишь для опробованного комплекса условий и, вообще говоря,

не годятся при использовании этих уравнений применительно

к объектам геологического прошлого, где эти

«условия»

восста-

навливаются.

Полученные таким путем оценки можно рассматри-

вать

только как приблияленные значения требуемых характери-

стик, а не как их истинные величины. Положительно то, что

статистический подход исключает влияние единичных значений

параметров

рифелей на конечные величины гидродинамических

параметров,

которые по крайней мере в пределах опробованного

комплекса условий являются достаточно устойчивыми.

Детерминированный метод решения той же задачи по

суще-

ству

не дает явной связи образуемой рифельной структуры с гра-

нулометрией составляющих ее осадков. Кроме

того,

наличие в

рас-

четных формулах эмпирических коэффициентов, которые также

справедливы только применительно к условиям конкретного

эксперимента, не позволяет рекомендовать и этот метод для точных

расчетов

гидродинамических параметров на объектах геологи-

ческого прошлого. Его можно использовать только как алгоритм,

дающий оценки порядка изменений параметров, по не точные их

величины.

Как первый, так и второй методы лишь косвенно опираются

на теорию волн, а по существу конечные расчетные формулы

являются итогом либо эмпирических обобщений, либо экспери-

ментальных работ. Ситуация та же, что и при восстановлении

условий осадконакопления по фракционному составу осадков,

когда

найденные рецепты оказываются справедливыми только

для опробованных выборок, но не годятся пи для других неопро-

бованных представителей тех же условий, ни для перенесения

этих рецептов на породы геологического прошлого.

заключение остановимся на одном, чрезвычайно важном для

палеоседиментологических реконструкций вопросе, касающемся

возможности

определения глубин бассейнов седиментации по

морфологии и гранулометрическому составу знаков ряби. При

этом

под глубиной бассейна следует понимать батиметрический

уровень накопления слоев, в которых фиксируются диагности-

рующие

глубину признаки. Такими признаками могут быть

колониальные кораллы, распределение в осадках микроорганиз-

мов

(фораминифер, радиолярий и т. п.), минералогические крите-

рии (глауконит и шамозит) и, наконец, структурные и текстурные

критерии гидродинамики бассейна. Интересно отметить, что все

перечисленные признаки являются косвенными, позволяющими

оценить только

нижний

предел глубины, но не саму глубину,

поскольку диапазон их изменения чрезвычайно велик — от не-

скольких сотен до тысяч метров. В этом плане текстурные при-

знаки пород, в частности знаки ряби, как бы фиксирующие гидро-

динамику среды, характеризуются меньшим диапазоном изменчи-

вости,

но зато страдают другим недостатком: они являются функ-

ционально связанными с множеством гидродинамических пара-

метров

и при направленном изменении одной или нескольких

характеристик может сформироваться рябь того же облика, что

и при изменении другой комбинации гидродинамических пара-

метров,

и в первую очередь глубины бассейна. Иными словами,

С,%

—

•

111

I I

.1 I

I I ! •

ЮОО

100

1 cLjMkm

Рис. 54. Диаграмма, иллюстрирующая общее со-

отношение между содержанием органического ве-

щества

и размером зерна осадка в донных отложе-

ниях южнее Калифорнии

[418].

—

пляжи;

2 —

отмели;

3 —

бассейн Лос-Анджелес;

4 —

прибрежные впадины;

5 —

бассейны средних глубин;

6 —

мелководные бассейны;

7 —

континентальный склон;

8 —

глубокое

море.

морфология и вещественный состав рифельных структур конвер-

гентны относительно глубин их формирования. О важности про-

блемы восстановления глубин бассейнов по косвенным признакам

свидетельствует

и то, что ей был посвящен специальный номер

журнала «Морская геология» («Marine

Geology»,

1967, т. 5,

№

5/6).

Неоднозначность восстановления глубин по единичным при-

знакам

заставляет искать наиболее информативные их комбина-

ции, сужающие диапазон изменчивости глубин. Одной из таких

комбинаций является зависимость содержания органического

вещества

от гранулометрического состава донных осадков

(рис. 54).

Связь эта далеко не линейная, и, по-видимому, необхо-

дима комбинация большего числа характеристик, чтобы миними-

зировать

степень неоднозначности при реконструкции глубин

древних бассейнов. Различные методы оценки глубин осадконако-

пления

освещаются в работах В. Е. Хаина

[314],

Дяч. Р. Ал-

лена

[352],

С. А. Мороза

[195],

Г. А. Каледы [130] и других

авторов.

И. А. Одесский

[205]

предпринял попытку восстановить глу-

бины палеобассейпов по морфологии и гранулометрическому

составу

знаков ряби, увязав в едином функциональном соотно-

шении влияющие на морфологию ряби начальную энергию вол-

нения,

глубину бассейна и размер зерен донных осадков. Как

мы

уже показали, все эти характеристики неоднозначно опреде-

ляют

глубину формирования знаков ряби, а значит, и глубину

бассейна

в общем случае восстановить нельзя. Существует лишь

связь

характеристик ряби с глубиной потока (либо глубиной воды)

но не с глубиной бассейна, которая лишь в условиях мелководья

соответствует

глубине потока. Помимо этих чисто содержательных

соображений можно указать и на то, что при выводе своей конеч-

ной формулы, однозначно увязывающей глубину бассейна с

длиной

рифеля и медианным размером зерна, И. А. Одесский допустил

ошибку математического характера, устранение которой приводит

к тому, что задача оказывается нерешаемой, что и должно быть

на самом деле, если исходить из современных представлений

физике процессов рифелеобразования.

ЧАСТЬ

ТРЕТЬЯ

ЭЛЕМЕНТЫ

ВЕРОЯТНОСТНОЙ

ТЕОРИИ

СЛОЕНАКОПЛЕНИЯ

ГЛАВА

ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ

ТРАКТОВКА

ПРОЦЕССА

ВЫТЕКАЮЩИЕ

ИЗ НЕЕ

ВЕРОЯТНОСТНЫЕ

МОДЕЛИ

ГИПОТЕЗЫ

ФОРМИРОВАНИЯ

СЛОИСТОЙ

СТРУКТУРЫ ОСАДОЧНЫХ

толщ

Прикладные задачи литологии и тектоники, для решения

которых требуются либо реконструкция динамических условий

осадконакопления, либо восстановление первоначальной

мощ-

ности накопленных осадков, либо, наконец, оценка длительности

формирования фиксированной части разреза, представляющей

интерес для стратиграфии, опираются на вполне конкретные

представления об условиях формирования слоистой толщи, так

как от этих представлений зависит прежде всего интерпретация

полученных результатов.

Однако, несмотря на то, что проблему образования слоистости

геологи признают одной из кардинальных проблем теоретической

геологии, в ее решении получены пока лишь самые общие резуль-

таты.

Эта общность заключается не столько в неразработанности

схем

слоенакопления применительно к отдельным типам слоистых

образований, сколько в том, что постановка и решение проблемы

самом общем и притом неформализованном виде не дают

воз-

можности на основе принятой схемы процесса получать новые

характеристики, которые оказались бы интересными не только

теоретическом, но и в практическом отношении.

Хорошо

известно, что с рядом осадочных горных пород, а зна-

чит, и со слоями (как формой их залегания) связаны многие цен-

нейшие полезные ископаемые. И если изучение структурных

и вещественных особенностей пород, а также распределения в них

промышленных концентраций отдельных элементов позволяет

вскрыть существенные черты механизма их образования, то из-

учение закономерностей пространственного размещения, условий

залегания, взаимосвязи полезного ископаемого с вмещающими

породами немыслимо без анализа структурно-вещественных

осо-

бенностей слоистых толщ.

Внимательное рассмотрение наиболее распространенных в на-

стоящее

время схем или гипотез слоенакопления показывает, что

они составляют 2 группы: гипотезы, опирающиеся преимуще-

ственно на тектонические представления, и гипотезы, целиком

основанные на седиментологической трактовке процесса, в кото-

рых тектоническая составляющая присутствует лишь опосредо-

ванно.

Для

целей

данной работы существенный интерес предста-

вляет выявление на основе анализа геологических гипотез слое-

накопления

тех факторов, которые характеризовали бы прежде

всего

механизм процесса, а не

причины

и первоисточники этого

механизма.

Такой подход объясняется тем, что построение вероят-

ностной схемы слоенакоплепрш должно базироваться на кон-

структивных геологических предпосылках, которые можно из-

влечь только из тех схем процесса, которые рассматривают глав-

ным образом его внутреннюю структуру, т. е. механизм, а не

среду, в которой он протекает.

Разумеется,

такое противопоставление механизма процесса

слоенакопления и среды, т.е. фациальных условий в палеогеогра-

фическом смысле, выглядит на первый взгляд искусственным,

так как хорошо известно, что внешние условия во многом опре-

деляют морфологический облик слоистой толщи, характер тек-

стурных особенностей отдельных слоев, их минеральный и хими-

ческий

состав и т. п. Тем не менее столь же хорошо известно, что

сходные типы стратификации,

идентичные

текстуры, не говоря уже

о более детальных характеристиках вещественного состава пород,

могут

сформироваться в совершенно различных фациальных об-

становках,

в несхожих с геоструктурных позиций бассейнах

осадконакопления.

Первой схемой слоенакопления, выдержавшей испытание

вре-

менем, явилась хорошо известная схема Н. А. Головкинского [81].

И хотя в дальнейшем она неоднократно подвергалась заслуженной

критике, так как по существу трактовала «желаемое как действи-

тельное»,

непроизвольно подменяя процессы слоенакопления миг-

рацией фаций в пространстве под влиянием колебательных дви-

я^ений

земной коры, схема Н. А. Головкинского не потеряла своей

научной актуальности вплоть до настоящего времени. Последу-

ющие гипотезы слоенакопления явились не более чем детализа-

циями

концепции

Н. А. Головкинского. К ним относятся схемы

слоенакопления А. А. Иностранцева и И. Вальтера, получившие

впоследствии права

«закона

фаций», схемы М. М. Тетяева

[300],

В.

В. Белоусова [21, 22], Ю. А. Жемчужникова [НО] и др.

Общим у всех перечисленных схем является толкование слое-

накопления

как процесса смещения фациальных зон

накопления

осадка в фиксированной точке бассейна седиментации под влиянием

колебательных движений земной коры. "У В. В. Белоусова [22]

это смещение трактуется как последовательное поступление новых

порций

осадка в зону «пространства возможного накопления»,

расположенную ниже

«базиса

действия

волн»,

где якобы и ре-

ализуется устойчивое накопление осадка. При опускании дна

бассейна происходит смещение фациальных зон в сторону берега

и в данную точку бассейна поступают частицы осадка меньшей

размерности, формирующие слой другого литологического состава

и т. д. «Окончательная мощность отложений в условиях сложных

колебаний с чередованием опусканий и

поднятий

будет равна

сумме

движений земной коры» [22, с. 56]. Из приведенного выска-

зывания В. В. Белоусова с очевидностью следует

идея

о всеобщей

компенсации прогибания накоплением осадочного материала,

которая долгое время была господствующей в нашей научной

и учебной литературе. И лишь

тонкий

фациальный и палеогеогра-

фический

анализ конкретных типов отложений, осуществленный

многими исследователями, заставил пересмотреть аргументацию

идеи

В. В. Белоусова

[347].

Вполне современной, хотя прошло уже более 20 лет с момента

ее опубликования, является

концепция

Н. Б. Вассоевича [38—

40],

который в отличие от перечисленных исследователей пред-

ставлял процесс слоенакопления не в таком схематизированном

и претендующем на однозначность решения виде. Н. Б. Вассоевич

выделил «миграционную слоистость», образование которой проис-

ходит при миграции береговой

линии,

управляемой тектони-

ческими

осцилляциями

дна бассейна седиментации, и «мутацион-

ную»,

формирующуюся при фиксированном положении берега,

т.

е. при полном затушевывании тектонического фактора факто-

рами седиментологическими. В выделении второго, а именно

мутационного, типа слоистости и состоит, на наш взгляд, основное

значение

концепции

Н. Б. Вассоевича. Эта

идея

вновь (впервые

это сделал Н. А. Головкинский) заставила геологов обратиться

к проблеме слоенакопления, которая многими уже считалась

решенной, и с новых, значительно более глубоких позиций подойти

к интерпретации разнообразных типов стратификации.

мутационной можно отнести ленточную слоистость —

варвы

[355, 477, 478], слоистость турбидитов [467] и ряд других

характерных типов слоистости. Истолкование, например, флише-

вой слоистости как мутационной приводит к

«мутьевой»

гипотезе

образования флиша, которая объясняет многие бывшие неясными

морфологические особенности флишевого многослоя [237, 239,

250,

323, 467]. .

Параллельно с чисто тектоническим подходом к решению

проблемы слоенакопления интенсивно развивается седиментологи-

ческое направление, сторонники которого считают тектонический

фактор как бы

«разрешающим»

течение процесса, но не определя-

ющим ни характер наслоения, ни морфологию текстур слоя, ни

собственно механизм слоеобразования и слоенакопления. По

существу

седиментологическое направление нацелено на объясне-

ние прежде всего механизма процесса формирования слоистости

и притом преимущественно мутационного типа.

этом плане широко известны работы Ф. Кюнена

[470],

Дж. Аллена

[353],

П. Джоплинга [447] и многих других преиму-