Романовский С.И. Седиментологические основы литологии

Подождите немного. Документ загружается.

и пульсообразныы скоростной режим движения потока, при каж-

дом пульсе скорости выталкивающий в осадок небольшую порцию

частиц [473, 512]. Слоистость в турбидитах пытались связать

осадкообразующей деятельностью только хвостовой части потока

за

счет разжижения суспензии чистой водой [564] или вообще

не связывать ее с мутьевыми потоками, а считать собственно

турбидитом лишь нижнюю более грубозернистую и часто не-

слоистую часть турбидита

[431].

Предлагались и экзотические

гипотезы, согласно которым каждый (далее миллиметровой мощ-

ности) слоек является продуктом самостоятельного мутьевого

потока

[451].

Сам

Ф. Кюнен [470] полагает, что горизонтальная слоистость

турбидитах может развиться только в том случае, если в про-

цессе движения мутьевого потока имеется хотя бы незначительное

трение о дно. Он пишет [470, с. 530]: «...нельзя требовать, чтобы

суспензии, осалэдающейся в виде слойков, имела место предва-

рительная сортировка материала. Турбулентный режим потока

должен поддерлчивать взвешенный материал до конца в смешанном

состоянии. Следовательно, сортироваиность должна произойти

после того, как частицы выпадут из течения. Причем сортировку

осуществляет

сам поток, транзитом проходящий над уже выпав-

шими в осадок частицами». Эту гипотезу Ф. Кюнен и проверял

экспериментально в круговых лотках, первоначально на материале

глинистых

[167],

а затем песчано-г л инистых суспензий

[470].

Всего

было поставлено более 10 различных экспериментов,

причем их продолжительность изменялась от 15 мин до 2 ч, а ско-

рость течения варьировала от 20 до 170 см/сек. которая постепенно

гасилась вплоть до полной остановки потока. В процессе торможе-

пия потока наблюдалась интенсивная седиментация частиц, при-

чем с уменьшением скорости течения уменьшались и размер

и количество выпадавшего в осадок первоначально взвешенного

материала. Кроме того, было хорошо видно, как поток в процессе

постепенного торможения осуществлял сортировку осевших ранее

частиц. В ряде экспериментов при ипом режиме торможения

потока слоистость была плохо выраядата, а в редких случаях

и совсем отсутствовала. В то же время отчетливая горизонтальная

слоистость формировалась и в том случае, если па фоне плавного

торможения потока возникали отдельные пульсации скорости

и местные турбулентные завихрения.

Следовательно, не эти явления локальной турбулизации яв-

ляются определяющими при формировании аналогичной слой-

чатости и у природных турбидитов, а очень медленный процесс

седиментации частиц и их последующая сортировка по крупности

плавно останавливающимся потоком. Немаловажным фактором

является и время тормоячения потока. Так, наилучшие экспери-

ментальные результаты были получены Ф. Кюненом в опытах

продоллчительностыо 1—2 ч, а короткие по времени экспери-

менты оказались менее интересными. Это еще одно существенное

доказательство

преимущества круговых седиментационных лотков

перед возвратно-прямоточными.

заключение этого раздела рассмотрим еще 2 интересных

экспериментальных результата по воспроизведению в лотках

сложноинтерпретируемых типов слоистости — косой слойча-

тости,

наклоненной

против течения потока, и так называемой

конволюнтной слоистости, или слоистости завиваьия.

Первый эксперимент был осуществлен А. В. Джоплингом

и Е. В. Рихардсоном

[448].

Они воспроизвели в прямоточном

лотке при сверхкритическом реядаме потока косую слоистость,

наклоненную против течения. Схема эксперимента показана

на рис. 8. В опыте использовался песок с Md = 0,77 мм. В зазор

Рис. 8. Формирование обратной слоистости в лабора-

торном лотке

[448].

между дном лотка и специально смонтированной заслонкой с боль-

шой скоростью устремлялся поток воды, в который через воронку

подавался песок. После сильных турбулентных завихрений в го-

ловной части лотка песок оседал, образуя тонкие слойки, накло-

ненные

против течения под углом 30°. Применительно к скорости

потока такого типа слоистость формируется в антидюнную стадию,

когда поток из сверхкритического режима, при котором невоз-

можна аккумуляция осадка, переходит к критическому, соответ-

ствующему

аитидюнной стадии.

Вторую

серию экспериментов провели Е. Д. Макки и М. Гольд-

берг

[486] с целью выяснения механизма формирования кон-

волюнтной слоистости. Существуют по

крайней

мере 3 гипотезы,

трактующие этот механизм. Согласно первой, слоистость завива-

ния является результатом постседиментационного горизонталь-

ного перераспределения осадка в соответствии с направлением

прикладываемой нагрузки. Эта гипотеза проверялась экспери-

ментально С. Джулинским, М. Кжижкевичем и Ф. Кюненом

[396].

Результаты оказались противоречивыми. Согласно второй гипо-

тезе,

конволюытная слоистость развивается только в песчаных

осадках в условиях турбулентного режима потока, когда дно

выполнено перемещающейся рябью. Тогда во впадинах между

гребнями ряби происходит как бы засасывание песка, который

обладает при этом свойствами гидропластичности. Гипотеза вы-

двинута Ф. Кюиеном [465] и вследствие физически необоснован-

ного механизма была оставлена. Третью гипотезу можно считать

наиболее

логичной

с позиций физики явления. Она представляет

механизм образования конволюнтной слоистости как результат

воздействия высокоскоростного плотностного потока, перегружен-

ного песком, на неровное илистое или песчаное дно, когда возни-

кает

асимметричная эпюра распределения нагрузки. Эта гипотеза

и проверялась в серии из 15 экспериментов в седиментациопиом

лотке Е. Д. Макки и М. Гольдбергом. В опытах менялись следую-

щие факторы: тип осадка,

наличие

или отсутствие органического

вещества,

соленость, характер поверхности осадка, характер

нагрузки, тип движения частиц в воде и т. д. В результате про-

веденных исследований установлено, что наибольшее значение

при формировании слоистости завивания имеют распределение

пагрузки и форма поверхности осадка, а характер основания

(песок или ил) и

наличие

или отсутствие органического вещества

существенного значения не имеют.

суперкритическими плотностными потоками, т. е. с потоками,

для которых число Фруда превышает

единицу,

работал Б. Хэнд

[420].

Им установлено, что основной текстурой осадка, образу-

ющейся в таком потоке, являются аитидюны,

длина

волны которых

определяется скоростью потока и соотношением его плотности

плотностью перекрывающего флюида. Если полагать, что при-

родные мутьевые потоки относятся к категории сверхкритических,

то

отсюда следует, что текстуры типа антидюн должны являться

одной из характерных разновидностей текстур природных турби-

дитов.

Таким образом, эксперименты в седиментационпых лотках

позволяют

устанавливать точные зависимости менаду параметрами

потока и морфологическими характеристиками образующейся

слоистости, а также проверять гипотезы, трактующие механизм

процессов текстуро- и слоеобразования. Несомненно, что такого

рода работы во многом способствуют созданию физически обосно-

ванной общей теории седиментогенеза.

МЕТОДЫ

ТРАССЕРОВ

Трассерами будем называть искусственно меченные частицы,

которые помещаются в определенную зону водного бассейна

целью исследования направлений и интенсивности разноса оса-

дочного материала волнением и течениями. Этот метод исследова-

ния нашел применение в седиментологии сравнительно недавно,

середины 30-х годов, но одновременно с развитием техники

приготовления трассеров, совершенствованием измерительной ап-

паратуры и разработкой общих аналитических моделей, связы-

вающих

интенсивность разноса материала с теориями морских

волн и донных течений, получал все более широкое признание.

настоящее время наиболее распространены 2 вида трассеров:

флюоресцентные и радиоактивные, причем последние занимают

явно

подчиненное

положение. Так, В. В. Патрикеев и Г. А. Ор-

лова

[210, с. 341] отмечают, что «применение люминофоров для

изучения

двия^ения

наносов (в океанологии и гидрологии все

современные осадки именуются наносами. — С. Р.) в береговой

зоне и реках в течение более чем десяти лет выявило их существен-

ные преимущества перед радиоизотопами, используемыми в этих

же целях».

При использовании трассеров возникает своя довольно серь-

езная проблематика. Во-первых, вещество, которым метятся

частицы, должно обладать достаточной стойкостью в отношении

морской воды и абразии, чтобы частицы не теряли своих свойств

во

все время проведения экспериментов. Во-вторых, меченые

частицы доляшы безошибочно диагностироваться в общей массе

осадка. В-третьих, вещество, которым покрываются частицы,

должно допускать автоматизацию счета меченых частиц специ-

ально изготовленными приборами. В-четвертых, выбранное для

индикации

частиц вещество должно быть дешевым и достаточно

безопасным в работе. И, наконец, в-пятых, процедура нанесения

вещества-индикатора доляша быть без ущерба точности простой,

чтобы в короткое время осуществлять массовое мечение частиц.

Как полагают ведущие специалисты, долгие годы работающие

трассерами [122, 187, 210, 432, 499, 558, 559, 577 и многие дру-

гие],

наиболее оптимальным веществом-индикатором являются

различные виды люминофоров, обладающих эффектом флюорес-

ценции.

Поэтому

усилия

исследователей в настоящее время напра-

влены на поиски таких видов люминофоров и связующих (клея-

щих)

веществ, которые бы в максимальной степени удовлетворяли

перечисленным выше требованиям. О сложности этой проблемы

говорит, например, следующий факт. Американский

ученый

Р. Г. Телеки [558] за период с 1961 по 1965 г. перепробовал 13 ви-

дов синтетических связующих смол и 106 различных органических

красителей, из которых 55 оказались флюоресцентными, а реко-

мендованы к практическому использованию лишь 2 вида красящих

смол.

В. В. Патрикеев и Г. А. Орлова [210] такя^е после тщатель-

ного и всестороннего анализа рекомендуют нерастворимый в воде

краситель типа

«Судан-I,

-II и

-III».

ряде случаев, например, когда требуется постановка повтор-

ных экспериментов, ранее использовавшиеся красители должны

быстро утрачивать свои свойства, чтобы не вносить дополнитель-

ные ошибки в контрольные опыты. С этой целью используют так

называемые «недолго живущие» люминофоры. Чаще всего они

изготовляются на базе природных связующих веществ, таких

как агар-агар, казеин и крахмал

[499].

Радиоактивные трассеры,

как считает В. П. Зенкович

[122],

оказываются полезными лишь

при исследовании путей миграции в прибрежной зоне илистого

осадка.

Важной

проблемой метода трассеров является быстрый, а глав-

ное, точный подсчет меченых частиц. Было замечено, что подсчет

вручную (на глазок) всегда содержит значительную ошибку.

Поэтому разрабатывается специальная аппаратура, призванная

автоматизировать

этот процесс. Примером одного из таких при-

боров

может служить автоматический счетчик флюоресцентных

частиц

(AFPC),

разработанный во Флоридском университете

[559].

Этот

счетчик пропускает около 55

ООО

частиц песка (Md = 0,25 мм)

секунду.

Обширная программа исследования перемещения осадочного

материала в прибрежных зонах морского и океанического типов

помощью трассеров начала реализоваться в СССР в 50-х годах

на побережье Черного моря и в США в начале 60-х годов на Кали-

форнийском побережье Тихого океана. Уже эти первые исследо-

вания позволили выявить ряд важных закономерностей, определя-

ющих интенсивность и направление разноса осадочного материала

волнением и вдольбереговыми течениями. Так, было установлено

[187,

432, 577], что наиболее интенсивно перемещаются частицы

песка непродолжительное время (до 1—4 ч в зависимости от гидро-

динамики

побережья) после выгрузки пробы меченых зерен.

Затем

этот процесс быстро стабилизируется. Поэтому средняя

скорость разноса материала более надежно определяется по тем

меченым частицам, которые через фиксированное время оказались

наиболее удаленными от места выгрузки пробы. Позднее эту

закономерность удалось обосновать теоретическим путем, на базе

использования теории турбулентной диффузии (см. вторую часть

монографии).

Кроме

того, на тех участках побереячья, где фиксируются

сильные вдольбереговые течения, меченые зерна наиболее интен-

сивно перемещаются параллельно конфигурации берега. Особенно

сильно эта

тенденция

проявляется при слабом волнении. При

сильном волнении песок движется главным образом в сторону

берега от зоны прибоя. Установлено такя^е, что приливы оказы-

вают

незначительное

влияние

на перемещение песков

[432].

На рис. 9, заимствованном нами из работы В. П. Зенковича

[122],

показана устойчивая конфигурация

изолиний,

характеризующих

концентрацию радиоактивного песка в зал. Томакомай. Видно,

что даже через 4

недели

после начала эксперимента максимальное

число радиоактивных зерен продолжает концентрироваться вблизи

от

источника, что подтверждает первую закономерность о быстрой

стабилизации процесса разноса трассеров.

Из рис. 10 можно уяснить основные направления движения

трассеров

в приливно-отливной зоне открытого моря в зависимости

от

различных сочетаний определяющих этот процесс условий.

Если скорость вдольберегового течения и направление движения

волн оказывают равное

влияние

на частицу, то она движется

сторону полосы прибоя (рис. 10, а); если решающим фак-

тором

оказывается высокоскоростное вдольбереговое течение

Рис. 9.

Один

из опытов разноса

радиоактивного индикатора в зал.

Томакомай,

глубина 2,8 м

[122].

20, 3O

50,

100

—

изолинии частот им-

пульсов

минуту.

Рис. 10. Блок-диаграммы, иллюстри-

рующие

главные направления движе-

ния меченых зерен на приливно-отлив-

ном побережье открытого моря

[432].

—

результирующий вектор,

показывающий

направление перемещения трассера;

2 —

на-

правление

движения

вдольберегового течения.

Рис. 11. Схематическая диаграмма, иллюстриру-

ющая

движенце зерен под действием ударной вол-

ны

[432].

{v >>60

см/сек), то зерна движутся в направлении этого течения

(рис.

10, б) и, наконец, когда скорость движения волн значительно

превосходит

скорость вдольберегового течения, то трассер дви-

жется

от берега как бы подныривая под набегающие волны

(рис.

10, в).

Рис. 11 иллюстрирует механизм движения частиц разной круп-

ности в зоне действия прибойных волн. Видно, что наиболее круп-

ные песчаные зерна перемещаются сальтацией вдоль

линии

по квазиэллиптическим орбитам. Более мелкие частицы находятся

во

взвешенном состоянии и движутся по траектории А. Зерна,

двигающиеся от береговой зоны под действием сгонной волны С,

и зерна, перемещающиеся вместе с нагонной волной D, подныри-

вают

под волну, по существу воспроизводя траектории движения

отдельных частичек воды.

Таким

образом, с помощью трассеров удается не только полу-

чить данные, которые к тому же имеют количествершый характер,

направлениях и интенсивности разноса осадочного материала

волнением и вдольбереговыми течениями, но и вскрыть точный

механизм

поведения частиц песка как функцию от гидродинами-

ческих параметров водной среды. Все это создает надежные пред-

посылки для разработки математических моделей процессов пере-

носа

обломочного материала. При этом модели создаются как

терминах теории вероятностей, так и на базе использования

теории турбулентной диффузии. Однако разработанные на сегод-

няшний день модели еще достаточно сильпо расходятся с факти-

чески полученными данными [364, 526, 527].

ГЛАВА

III

АНАЛИТИЧЕСКОЕ

ОПИСАНИЕ

ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ СЕДИМЕНТОГЕНЕЗА

АНАЛИТИЧЕСКИЕ

МОДЕЛИ

Литолог при изучении геологических объектов (разрезов оса-

дочных толщ, текстур и структур пород, концентраций в пределах

отдельных разностей пород минералов тяялелой фракции и т. п.)

обращает

внимание прелюде всего на те характерные признаки

этих объектов, которые дают возможность восстановить гипоте-

тическую историю их формирования. В зависимости от того,

какая генетическая интерпретация приписывается тому или иному

признаку, и в зависимости от степени согласованности этой интер-

претации в общей картине, реставрирующей геологическую исто-

рию объекта, и конечный результат исследования, т. е. генетиче-

ская модель, оказывается в различной степени гипотетичным.

Основную содержательную нагрузку генетических моделей

составляют

дредставления о процессе, приведшем к формированию

изучаемого

объекта. Специфика те геологических объектов за-

ключается прежде всего в том, что процессы их формирования

принципиально

ненаблюдаемы и суждения о них либо черпаются

из данных, полученных при

изучении

современных процессов

(актуалистический подход), либо вводятся дедуктивным путем

(«с

потолка»)

с последующей проверкой согласуемости следствий

из такого рода модели с фактическим материалом.

Таким

образом, основным

принципом

реставрации геологи-

ческой истории является

принцип

эмпирической непротиворечи-

вости

независимо от

того,

что явилось источником информации

механизме геологического процесса. При этом достоверность

критериев, с помощью которых оценивается эмпирическая непро-

тиворечивость,

в значительной мере определяется конструктив-

ностью

предлагаемой модели в том смысле, что следствия из нее

должны по возможности однозначно предопределять генетическую

интерпретацию фактического материала. Конструктивность же

модели прежде всего зависит от метода, реализующего взаимо-

связь

предполагаемых характеристик процесса и фиксируемых

свойств

объекта исследования. Эта взаимосвязь в наиболее полном

виде может быть выявлена только в аналитических моделях,

причем независимо от

того,

в какой терминологии (вероятностной

или детерминированной) трактуется механизм процесса. Для того

чтобы оценить достоверность этого высказывания, необходимо

определить, что понимается под аналитической моделью седи-

ментогенеза.

Аналитической моделью седиментогенеза мы будем называть

любые

генетические построения ретроспективного плана, в кото-

рых теми или

иными

методами устанавливается аналитическая

зависимость

мея^ду признаками объекта и соответствующими им

характеристиками среды его формирования, т. е. предполагается,

что аналитическая модель является своеобразным оператором,

помощью которого реализуется ретросказапие в системе

«объ-

ект

—

среда».

Ясно, что аналитическая модель седиментогенеза

может

быть построена только на основе формализованных пред-

ставлений о механизме процесса, предполагающих либо функци-

ональные зависимости меящу его отдельными характеристиками,

либо количественные соотношения между ними, устанавлива-

ющими их вклад в конечную реализацию процесса. При разра-

ботке

такого рода моделей используется как мощный аппарат

математического

анализа в

приложении

к исследованию уравнений

гидромеханики, так и весь арсенал

дисциплин

вероятностного

цикла, включающий математическую статистику, теорию случай-

ных процессов и т. д.

Определенные таким образом аналитические модели седименто-

генеза

являются объектом исследования математической геологии

трактовке А. Б. Вистелиуса [58, 59], если седиментогенез интер-

претируется как случайный процесс, или математической геологии

расширенном толковании, допускающем разработку детерми-

нированных схем процесса [3, 208, 236].

Мы

не ставим перед собой цель построить в данной работе

сколько-нибудь строгую классификацию аналитических моделей

седиментогенеза, поскольку, какое бы основание такой классифика-

ции не было выбрано, полученные классы неизбежно окажутся

Стра

тигра

срическое

по-

ложение

Рис. 12. Схема взаимодействия основных процессов, влияющих на осадко-

накопленпе в условиях мелководья

[320].

Штриховой

линией

отделены

экзогенные процессы, которые оказывают

влияние

на систему, но не имеют

обратных связей.

пересекающимися. Поэтому мы ограничимся краткими поясне-

ниями

той терминологии, которую разные исследователи исполь-

зуют

при разработке конкретных аналитических моделей.

Раз-

личные наименования отдельных моделей возникают главным

образом

из разных

схем,

описывающих исследуемый процесс.

Существующие

в настоящее время подходы к разработке моделей

седиментогенеза поясним на примере осадконакопления в при-

брежной зоне моря.

Хорошо

известно, что прибреячная зона открытых морей

является своеобразным фильтром, через который неизбежно

проходит весь поступающий с суши обломочный материал. Часть

этого материала выносится реками, некоторая доля (в отдельных

случаях весьма значительная

[123])

принадлежит осадкам, обра-

зующимся в результате абразии поберея^ья; меньший процент

осадков поступает из атмосферы в процессе их переноса ветром,

дующим в сторону моря, и т. д. Попадая в прибрежную зону,

осадок интенсивно перерабатывается волнами и разносится вдоль

побережья приливно-отливными и вдольбереговыми течениями.

Дальнейшая судьба поступающего в море обломочного материала

во

многом определяется морфологией и геологическим строением

зоны шельфа и интенсивностью тектонических процессов, пред-

определяющих возможность захоронения осадков в условиях

трансгрессивных и регрессивных колебаний уровня моря. Это

самая

общая, всем хорошо известная схема. Основные, определя-

ющие

данный

процесс факторы и характер их взаимодействия

показаны на рис. 12.

Если исследователь поставил перед собой цель — построить

модель конкретного геологического разреза таким образом, чтобы

эта

модель воспроизводила и последовательность наслоения,

и лито логический состав слоев, и их мощности, то эта задача

принципе

решается только на основе самых общих представлений

о взаимодействии различного рода процессов, определяющих

характер осадконакопления в прибреяшой зоне так, как это пока-

зано на рис. 12. При этом фиксируется число учитываемых про-

цессов и задается их гипотетический вклад в общую реализацию,

т.

е. геологический разрез. Учитывается, естественно, и возмояшая

мера

их взаимодействия. Затем непосредственно у пульта ЭВМ

по составленной заранее программе перебираются различные

комбинации входных

величин

с одновременной рисовкой модели

разреза

на графопостроителе. Та комбинация исходных данных,

при которой модель разреза оказалась наиболее похожей на его

реальный прототип, и является основополагающей при последу-

ющей интерпретации условий его образования

[368].

Описанный подход реализует

принципиальные

черты так назы-

ваемых

концептуальных моделей, которые

получили

наибольшее

развитие в американской седиментологии. Их подробное описапие

содержится в недавно переведенной на русский язык монографии

Дж.

Харбуха

и Г. Бонэм-Картера

[320].

С помощью концептуаль-

ных моделей исследуются условия образования стратиграфических

последовательностей генетически различных типов отложений,

анализируется общая схема эвапоритового седиментогенеза, реа-

лизованная в известной модели Л. Вриггса и Г. Поллака [32,

373];

фиксируется взаимодействие процессов, определяющих тек-

стурные характеристики на поверхности осадка и т. д.

Концептуальные модели седиментогенеза имеют большое зна-

чение

прежде всего в том отношении, что с их помощью удается

выявить и установить более или менее точное соотношение меяеду

отдельными, определяющими течение процессов факторами; а это