Романовский С.И. Седиментологические основы литологии

Подождите немного. Документ загружается.

существовавшими

средами, и конечное отложение должно было

происходить во вполне определенном бассейне (морском, речном,

озерном,

воздушном) и диктоваться процессом их развития, в ко-

тором

роль тектоники не единственная». Для седиментологии,

тем более для физической седиментологии это положение яв-

ляется программным.

Действительно, создалась парадоксальная, на первый взгляд,

ситуация, когда чисто тектоническая концепция седиментоге-

неза

[221, согласно которой только тектоника определяет и харак-

тер стратификации накапливающейся толщи, и ее мощность,

и литологический состав, и даже текстурные особенности отдель-

ных слоев, долгие годы господствовавшая в нашей научной и учеб-

ной литературе, оказала отрицательное влияние на развитие

работ

по исследованию процессов седиментогенеза. Концепция,

которая увязывала в единое целое все многообразие процессов

осадконакопления, подчипяя их ход лишь одному фактору —

амплитуде, скорости, знаку и частоте тектонических движений,

по существу тщательно

«скрывала»

их механизм за этими поня-

тиями, пытаясь объяснить все, на самом деле почти ничего не

объясняла. И только когда седиментология стала развиваться

некотором роде независимо от господствовавших ранее сугубо

тектонических концепций, появились первые успехи и первые

по-настоящему

серьезные результаты. Достаточно указать на

работы

по механизму формирования текстур

[164],

по анализу

механизма

становления фракционной структуры пород [277 и др.],

по реконструкции динамических характеристик палеопотоков

[209],

по моделированию процессов формирования отдельных

генетически важных признаков осадочных толщ [56 и др.]

и-ряд

других исследований.

Заметим,

кстати, что, говоря об «отрицательном»

влиянии

чисто тектонических воззрений в литологии на развитие седи-

ментологических представлений, мы имели в виду прежде всего

тот

аспект тектонических концепций, который традиционно ис-

пользуется

литологами для своеобразного «оправдания» своих

построений. Эту же мысль удачно выразил Н. М. Страхов [289,

с.

25]:

«Касаясь

влияния тектонических движений на литогенез,

литологп, как правило, оказываются в плену у тектонистов и по

существу

лишь пересказывают созданные ими представления

типах движений земной коры, о том, как эти движения создают

напластования пород и циклическое строение разрезов, как фор-

мируются мощности осадочных толщ; этим дело обычно и ограни-

чивается».

Ясно,

что такое положение дел пе могло не сказаться на

раз-

витии лнтологических представлений, касающихся главным обра-

зом

механизма геологических процессов, которые в рамках текто-

нических концепций описывались настолько общо, что терялась

возможность

говорить об их механизме. Тем более не было доста-

точно серьезных, содержательных оснований для разработки их

аналитических моделей. Мы имеем в виду прежде всего процессы

терригенного седиментогенеза, но это в равной мере относится

и к седиментогенезу вообще.

Пока еще пет обобщающих теорий седиментогенеза, хотя бы

отдаленно напоминающих развитую Н. М. Страховым теорию

типов литогенеза *, но коль скоро седиментология будет разви-

ваться

и далее по наметившемуся к настоящему времени руслу,

они неизбежно появятся. Пока не ясно, что будет положено

основу этих теорий. Скорее всего, они будут строиться на основе

типизации режимов (механизмов) осадконакопления, каждый из

которых адекватен в общем случае нескольким палеогеографи-

ческим обстановкам. Не исключено, что в основу этой типизации

будет положено понятие о «динамическом комплексе», которое

ввел

Н. М. Страхов еще в 1949 г.

[291].

Только интерпретация

этого

понятия

должна быть отличной от той, которую ему

дал Н. М.

Страхов.

Под динамическим комплексом следует понимать совокупность

пород или толщ, характеризующихся общностью механизма их

формирования. Классическим примером динамического ком-

плекса является флиш. В него же должны войти все турбидиты

нефлишевого типа. В данном случае в

один

«динамический ком-

плекс»

сгруппированы отложения, хотя и сформированные в

раз-

ных палеогеографических обстановках, но объединяемые общ-

ностью механизма их образования, — мутьевые потоки различной

эффективной плотности.

Литодинамика.

Термин

«лито

динамик

а»

предложил В. В. Лон-

гипов в 1954 г.

[181].

В его

понимании

литодинамика трактуется

как

один

из важнейших разделов физики земной коры, целью

которого является изучение процессов разрушепия горных пород

и перемещения обломочного материала по поверхности литосферы.

такой интерпретации литодинамика причисляется к

дисципли-

нам геофизического цикла. Однако одна из ее задач, связанная

изучением механизма перемещения и седиментации кластических

частиц различными агентами (водой, воздухом, льдом, снегом

и др.), непосредственно смыкается с седиментологической про-

блематикой. Поэтому литодинамику можно рассматривать в каче-

стве

важнейшего раздела седиментологии, изучающего все аспекты

современного осадкообразования. Иными словамрт, литодинамика

Здесь «седиментогенез», разумеется, не противопоставляется «литоге-

незу».

Если мы говорим о создании теории седиментогенеза, то имеется в виду

прежде всего теория терригенного седимеитогепеза, причем разработанная

до уровня механизма процессов, реализующихся в разных обстановках

различным гидродинамическим режимом. Поэтому если рассуждать «по

принципу

включения», то из того факта, что седиментогенез включается! как

самостоятельная стадия в литогенез и что для литогенеза уже разработана

удовлетворяющая лптологов с позиций знаний сегодняшнего дня теория

Н. М. Страхова, еще не следует, что в эту теорию включается и теория седи-

меитогепеза в нашем понимании.

является единственной содержательной базой, которая лежит

основе любых палеоседиментологических реконструкций. Раз-

витие работ в области литодинамики суши и моря во многом будет

способствовать

развитию седиментологических исследований и

литологии в целом.

В.

В. Лонгинов и А. А. Аксенов [181, с. 753] замечают, что

«изучение перемещения твердого вещества на поверхности лито-

сферы является одной из важнейших задач проблемы литогенеза.

Но,

несмотря па справедливость этого положения, если литологи

и берутся иногда за решение такой задачи, то решают ее весьма

приближенно, качественно, и, как правило, полученные решения

оказываются

неудовлетворительными для использования и в самой

литологии». Думается, однако, что обвинение это не но адресу.

Действительно, для решения многих задач литологии требуются

данные о протекании процессов разрушения материнских пород

и транспортировке кластического материала в конечные водоемы

стока

в современную эпоху. Этими данными литология не рас-

полагает. Поэтому те сведения, которые используют литологи

своих целях, черпаются, как правило, в гидрологии, океаноло-

гии и в других смежных

дисциплинах,

изучающих в глобальном

масштабе

перемещение твердого вещества на поверхности лито-

сферы. И если решения оказываются неудовлетворительными, то

чаще

всего это объясняется непредставителыюстью той исходной

количественной информации, которая доставляется перечислен-

ными смежными науками.

Важнейшим объектом исследования литодинамики является

береговая зона открытых морен — этих своего рода фильтров,

через которые проходит весь поступающий с суши деиудирован-

ный материал. Береговую зону, или «прибойный перелом», изве-

стный американский седиментолог У. Тэннер [554] образно назвал

«ключом

к палеогеографии». Это действительно так, ибо в берего-

вой зоне происходит первая и самая интенсивная обработка посту-

пившего в море обломочного материала и от нее в значительной

мере зависит последующая уясе геологическая его история: сохра-

нит ли он облик континентальных осадков или захоронится уже

как

типично

морское образование. Именно по этой

причине

изуче-

ние литодинамики прибреяшых зон является важнейшей пробле-

мой седиментологических исследований. В этом плане широко

известны работы В. П. Зенковича

[123],

В. В. Лонгинова [179]

и других ученых.

ОБЩАЯ

СТРУКТУРА НАУКИ ОБ ОСАДОЧНЫХ ПОРОДАХ

Определив все важнейшие тематические составляющие литоло-

гии, можно представить общую структурную схему их взаимодей-

ствия. Графически такая схема изображена на рис. 1. Смысл ее

заключается в следующем. Паука об осадочных породах (литоло-

гия) состоит из трех важнейших элементов, изучающих осадочную

оболочку на разных уровнях: геохимическом (литохимия),

минералогическом с привлечением данных о структурах и тексту-

рах пород (петрография) и породном (строение разрезов осадоч-

ных толщ). При этом каждый из них в

принципе

решает конечную

задачу литологии — исследование вещества пород и условий их

формирования, поскольку данные генетического характера могут

Наука

об

осадочных поро

дах

(литология)

Седиментология

Рис. 1. Общая структура

литология.

быть получены на основе фациальных реконструкций с точностью

либо до обстановок осадконакопления (палеогеографический этап),

либо до механизмов процессов седиментогенеза (седиментологи-

ческий

этап).

Седиментологический этап фациального анализа реализуется

и в том случае, когда исследуются современные процессы осадко-

образования, строится модель, опирающаяся на физическую сто

ропу исследуемого процесса, и следствия из модели переносятся

на породы геологического прошлого. Такой путь доставляет

конструктивное, а главное, контролируемое знание для тех объ-

ектов,

которые имеют достоверных гомологов в современных

условиях. Если же современные гомологи достоверно не известны

(например, флиш) и исследуемые отложения представляют собой

так называемые «вымершие фации»

[109],

то седиментологический

этап

фациального анализа реализуется на базе чисто гипотети-

ческих предпосылок о механизме процесса, доставляя нам лишь

вероятностное знание. При этом реализуется стратегия проверки

гипотез (см. Введение).

Процедура трансформации знания о механизме современных

процессов седиментогенеза, которое может быть получено в рам-

ках

физической седиментологии, на породы прошлых геологи-

ческих эпох в общем случае осуществляется с помощью сравни-

тельно-литологического метода. Поэтому можно считать, что

седиментологический подход в рамках этого метода является

практической реализацией

принципа

актуализма при исследова-

нии условий формирования горных пород как на базе их химиче-

ского

и минералогического состава, так и на основе данных

структурах, текстурах пород и типах стратификации осадочных

толщ.

Н.

М. Страхов [292, с. 62] совершенно справедливо отмечает,

что

«общие

представления геологов о древнем литогенезе на каж-

дой данной ступени развития литологии определялись в конце

концов суммой знаний современного осадкообразования». И далее:

«...именно сравнительно-литологический метод, усиленно куль-

тивировавшийся

в русской геологии с 900-х годов, менявший свои

формы и совершенствовавшийся, вывел научную мысль на пра-

вильный путь построения литогенетической теории и создал

основы

ее. Дальнейшее совершенствование теории невозможно

без

дальнейшей работы этим методом».

Вот

почему так важны исследования по литодинамике и физи-

ческой седиментологии, которые в совокупности позволяют полу-

чать

новые данные о механизме современного осадкообразования,

что в значительной мере повышает надежность анализа процессов

литогенеза. По этой же

причине

разработка седиментологических

основ

литологической науки дает возможность подойти к по-

строению целостной

концепции

седиментогенеза, являющейся

важнейшим составным элементом общей теории литогенеза,

также значительно расширит круг прикладных задач литологии,

литостратиграфии и тектоники, решаемых на седиментологи-

ческой основе.

Если

любая из геологических задач сформулирована таким

образом,

что для ее решения либо требуется разработка генети-

ческой модели, трактующей механизм процесса, либо в ее основу

положены предпосылки, имеющие седиментологический смысл,

то

будем говорить, что такие задачи решаются на седиментологи-

ческой основе.

Задачи, отвечающие этим требованиям, могут быть выделены

как в рамках самой седиментологии, в основном физической,

так

и в пределах литологии, стратиграфии и тектоники. Пример-

ная типизация таких задач с учетом их возможного взаимодей-

ствия,

когда результаты одной из них становятся исходными

данными для решения другой, приведена на рис. 2. Разумеется,

Оценка евлза гидро-

динамических пара-

метров

6одной

сре-

ды

фракционной

структурой осадка

Механизм формироба-

ния структурных

текстурных

харак-

теристик осадка

Общие законы седи-

ментации терригенных

и хемогенных осад код

как функции от пара-

метров

среды его

обра-

зования

Механизм слоеобразо-

бания

6различных

гид-

родинамических

об-

ет анобках

Реконструкция

механизма

осадконакопления

Фациально- морфологичес-

кие

общая теории

слоенакопления

Изменение стабильности

слоенакопления

во

бремени

Оценка длительности фор-

мирования фиксированных

единиц разреза

Оценка изменения стаоиль-

ности слоенакопления

пространстве

Синхронизация

стратиграфи

ческих

единиц

Выявление

скрытых пери-

одичностей

строении раз-

резов

восстановление

первичных

мощностей

осадочных

толах,

Реконструкция

спектра коле

бательных дви-

жений земной

коры

Тектоника

Рис. 2. Типизация геологических задач, решаемых иа седиментологической основе.

такая

типизация ни в коей мере не претендует на полноту, тем

более

она не носит характера классификации задач. Просто этой

схемой

мы хотели отразить те тршовые задачи, которые в принципе

можно решать на основе чисто седиментологического (в данном

звучании модельного) подхода, и показать возможность их поста-

новки даже в пределах таких наук, как стратиграфия и тектоника.

ГЛАВА

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ

ОСНОВНЫЕ

ЗАДАЧИ

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ

ИССЛЕДОВАНИЙ

Каждая

дисциплина естественнонаучного цикла в связи с опре-

деленной онтологической спецификой своих объектов обладает

и специфическими средствами познания. В частности, для боль-

шинства

геологических дисциплин, как хорошо известно, основной

отличительной чертой познания является принципиальная не-

возможность

экспериментальной проверки (в прямом смысле)

теоретических положений. Это касается многих теоретических

концепций тектоники, петрологии, учения о месторождениях

полезных ископаемых и т. п. Касается это и некоторых теорети-

ческих построений науки об осадочных породах, главным образом

тех

из них, которые в ретроспективном аспекте трактуют генезис

так

называемых «вымерших фаций».

Отсутствие

возможности постановки экспериментальных иссле-

дований объясняется прежде всего чрезвычайной длительностью

(десятки и сотни миллионов лет) протекания большинства геоло-

гических процессов и как следствие этого отсутствием их досто-

верных гомологов в современных условиях. Именно по этой

причине

основным средством познания прошлого для геологии

является путь последовательного приближения гипотетических

схем,

который реализуется в рамках общей стратегии проверки

гипотез,

подробно описанной нами ранее [931.

седиментологии, по крайней мере у той ее части, которая

изучает

терригенный седиментогенез, есть в этом отношении

определенное преимущество. Смысл его сводится к следующему.

Процессы осадконакопления как в прошлые геологические эпохи,

так

и в настоящее время реализуются в двух средах — водной

и воздушной, причем основным физическим регулятором их меха-

низма является гравитационное поле Земли, которое в сочетании

динамическими характеристиками среды (скорость, энергия

ит. п.) не только определяет все нюансы внутренней структуры

процессов,

но и фиксируется в реализациях процессов осадко-

накопления в виде текстурных характеристик, различных типов

слоистости и т. д. Несмотря па то что гравитационная постоянная

(ускорение свободного падения) с течением геологической истории

менялась (правда, в каком направлении, еще окончательно не

решено),

эти изменения могли сказаться лишь на количественном

соотношении основных движущих процесс факторов, но не изме-

няли

его внутреннего механизма. Например, мог изменяться угол

наклона косых слойков в косослоистых сериях

[278],

но механизм

формирования косой слоистости оставался неизменным. Могло

смещаться

положение дефицита на границе песчаной и алеврито-

вой

совокупности частиц

[277],

но механизм терригенного седи-

ментогенеза,

приводивший к оформлению фракционного состава

пород, также с течением геологического времени пе менялся.

Таким

образом, при реставрации процессов седиментогенеза

геологического прошлого геолог имеет возможность использовать

всю

совокупность сведений, получаемых при исследованиях про-

цессов

современного осадкообразования, в изобилирг добываемых

океанологами, гидрологами и морскими геологами. Кроме того,

отмеченные выше механические особенности процессов осадко-

накопления

позволяют с целью выявления общих устойчивых

закономерностей и их аналитического выражения использовать

хорошо

развитый аппарат гидромеханики, математического ана-

лиза

и теории вероятностей. И. наконец, доступность непосред-

ственному исследованию процессов современного осадкообразова-

ния открывает широкие перспективы экспериментального ана-

лиза,

сводящегося к воспроизведению в лабораторных условиях

всего

комплекса текстурных характеристик, наблюдаемых в древ-

них осадочных породах. Следствием такого подхода является

хорошо

аргументированная, а главное, воспроизводимая теорети-

ческая

база,

допускающая обоснованный перенос знаний на

процессы прошлого. При этом чаще всего используется уже прямая

экстраполяция в прошлое, методологической базой которой слу-

жит

принцип

актуализма, реализующийся практически в сравни-

тельно-лито логическом методе исследования.

основным экспериментальным методам анализа закономер-

ностей седиментогенеза следует отнести лабораторные опыты

седиментационных лотках, различные эксперименты в натурных

условиях, сводящиеся к анализу процессов осадкообразования

помощью меченых частиц (так называемые методы трассеров),

и, наконец, методы экспериментального физико-химического ана-

лиза

процессов осадкообразования. Все виды экспериментальных

исследований в той или

иной

мере рассматриваются в этой главе.

Здесь мы лишь попытаемся сформулировать общие задачи седи-

ментологии, в решение которых существенный вклад вносят

детальные экспериментальные работы.

Важнейшей

задачей экспериментальных исследований является

проверка

опытным путем теоретических положений генетического

характера,

выдвигаемых либо при детальном структурно-веще-

ственном

анализе осадочных пород, либо при обобщении факти-

ческого материала на региональном уровне. Разрабатываемые

при этом генетические модели являются, как правило, результатом

отображения данных о вещественных особенностях пород на

фиксируемую динамику осадкообразования в современных

бас-

сейнах, которые, как полагают, являются аналогами реконстру-

ируемых палеобассейнов (обстановками осадконакопления в палео-

географическом смысле). В отдельных случаях эмпирические

обобщения фактического материала рождают теоретические кон-

цепции,

которые объединяют в единое целое многие разрозненные

и до того необъяснимые данные. Показательным примером такой

концепции

является теория мутьевых потоков, которые изначально

привлекались с целью объяснения происхождения подводных

каньонов

[463],

а впоследствии и для толкования генезиса многих

видов осадочных образований флишевого или флишеподобного

типа [237, 239, 323, 467]. Когда же экспериментальным путем

была доказана возможность формирования мутьевыми потоками

многих видов текстур и различных модификаций внутренней слой-

чатости турбидитов [445, 470 и др.], а также разработана вполне

удовлетворительная гидродинамическая теория, объясняющая ме-

ханизм движения и разгрузки потоков

[513],

гипотеза мутьевых

потоков приобрела статут теории и в настоящее время признается

практически всеми литологами.

Можно привести мноя^ество примеров теоретических полоя^е-

ний, касающихся различных аспектов текстуро- и слоеобразова-

ния, которые апробировались экспериментальным путем и во

многих случаях подтверждались. Это касается и предположения

о мгновенном (в геологическом аспекте времени) формировании

ряда текстур, например так называемой конволютной слоистости,

или слоистости завивания, подтвержденного экспериментами

А.

В. Джоплинга

[444],

а также Е. Д. Макки и М. Гольдберга

[486],

и предположения о диагенетическом происхоягдении вну-

тренней ритмичности слоев (ритмиты), доказанного детальными

физико-химическими экспериментами Г. А. Смирнова и Г. Г. Фе-

доровой

[275],

и предположения о существенном

влиянии

кон-

вективных токов воды на перераспределение частиц в процессе

седиментации и формировании в результате этого процесса вну-

тренних тонких прослоев

глины

в пределах песчаного слоя, такя^е

подтвержденного физико-химическими экспериментами Р. Дотта

[386]

и Г. Г. Федоровой

[303].

Число подобных примеров можно

значительно увеличить.

Другой важнейшей

функцией

экспериментальных работ, кото-

рая,

разумеется, тесно переплетается с только что описанной,

является выявление в процессе эксперимента значимых факторов

среды, которые определяют механизм текстуро- и слоеобразова-

ния. Такое «экспериментальное взвешивание» отдельных характе-

ристик процесса важно прежде всего при дальнейшем уже чисто

теоретическом осмысливании полученных результатов, и оно дает

возмояшость

при разработке аналитических моделей учесть лишь

те

факторы, которые существенно влияют на механизм процесса.

Загаз

1464

Действительно, при разработке аналитических, главным образом

математических, моделей всегда незримо присутствуют 2 альтер-

нативы: либо учесть небольшое число параметров процесса, т. е.

предельно схематизировать явление, но зато развить серьезный

математический аппарат, описывающий процесс; либо учесть

по возможности большее число признаков, т. е. максимально при-

близиться к природе явления, но такая модель оказывается, как

правило, не реализуемой аналитическими средствами. Именно

по этой

причине

экспериментальные работы выступают в качестве

своеобразного

регулятора оптимального решения проблемы и дают

возможность

выбрать небольшое число, но зато действительно

существенных признаков процесса.

Можно отметить еще одну функцию экспериментальных работ,

которая непосредственно нацелена на оценку достоверности палео-

динамических реконструкций по морфологии текстурных форм

и гранулометрическому составу пород. Речь здесь прежде всего

идет о восстановлении параметров потока, включая и глубину

бассейна, если имеются в виду донные течения, по рифельным

структурам (знакам ряби). Когда данная проблема ставилась

на чисто геологическом уровне [205] без привлечения специальных

экспериментальных исследований, решение оказалось заманчиво

простым, т. е. была получена аналитическая зависимость, функ-

ционально связывающая

длину

ряби, медианный размер зерен

и глубину бассейна. Иными словами, предлагалось только по этим

двум

признакам реконструировать глубины палеобассейнов; и

лишь когда экспериментально было доказано, что одни и те же

характеристики ряби можно зафиксировать на любой глубине,

т.

е. когда удалось показать, что морфология и фракционный

состав

ряби не являются однозначными индикаторами глубины

бассейна

[345],

эти попытки пришлось оставить.

Большое значение в последние годы приобретает детальный

седиментологический анализ микротекстурных особенностей от-

дельных типов пород, которые долгое время не удавалось про-

интерпретировать, поскольку не были открыты явления, имеющие

место

при седиментации частиц в структурированных песчаио-

глинистых суспензиях. Эти я\в явления, в частности «конвекция

отстаивания»

[167],

были обнаружены и детальнейшим образом

исследованы в процессе постановки физико-химических экспери-

ментов [167, 275, 303, 386]. Поэтому можно заключить, что экс-

периментальные работы дают возмояшость открывать и исследо-

вать

тонкие явления седиментогенеза и с их позиций истолковы-

вать

противоречивые или неясные детали текстур, а также микро-

горизонтальной или косой слойчатости в пределах отдельных

более мощных слоев. Наконец, отметим еще одну задачу, которая

ставится перед экспериментальными исследованиями. Мы имеем

виду выявление площадных количественных закономерностей,

определяющих интенсивность и направление разноса осадочного

материала вдольбереговыми донными течениями и волнами в при-