обложка
Оглавление
Предисловие редактора перевода
Предисловие
Благодарности
I. Происхождение частиц осадочного материала
2. Происхождение зерен карбоната кальция
3. Эвапориты, биогенный кремнезем, фосфаты
4. Свойства зерен
II. Поток жидкости и транспортировка осадков
6. Транспортировка зерен осадка
7. Гравитационные потоки осадочного материала
III. Донные формы и осадочные текстуры
9. Донные формы, обусловленные эрозией связанных осадков
10. Краткое введение в биогенные и органогенно-осадочные структуры и текстуры
11. Структуры деформации нелитифицированных осадков
IV. Анализ обстановок осадконакопления и фаций
V. Континентальные обстановки осадконакопления и фациальный анализ
14. Конусы выноса
15. Речные долины
16. Озера
17. Ледниковые или гляциальные обстановки
VI. Морские берега, шельф и фациальный анализ
19. Дельты
20. Эстуарии
21. Линейно-вытянутые побережья с терригенным осадконакоплением
22. Шельфы с терригенным осадконакоплением
23. Побережья, шельфы и бассейны с карбонатным и эвапоритовым осадконакоплением
VII. Океанская среда и фациальный анализ
25. Условия образования кластических осадков
26. Пелагические океанские осадки
VIII. Диагенез: преобразование осадка в породу
28. Терригенные кластические отложения
29. Карбонатные отложения
30. Эвапориты, кремнезем, железо и марганец
31. Углеводороды
Литература
Именной указатель
Предметный указатель
Географический указатель
обложка 2
Text
                    Седиментолоrия





а М. R. Leeder Sedimentology Process and Product } George Allen & Unwin London Boston Sydney . j
М. Лидер лr . Процессы и продукты Перевод с анrлийскоrо кандидатов rеол. мин. наук Н. п. lриrорьева. Е. 1. lурвича, л. Н. Индолева, л. п. Раченской и кандидата reorp. наук Н. с. Сперан CKoro под редакцией доктора rеол. мин. наук В. 1. Кузнецова Москва «Мир» 1986
ББК 26.323 Л55 УДК 551 Л55 Лидер М. Седиментолоrия. П роцессы и продукты: Пер. с анrл. М.: Мир. 1986.---439 с., ил. rлавное внимание в моноrрафии видноrо анrлийскоrо ученоrо М. Лидера уделяет ся факторам, механизмам и процессам транспортировки и седиментации, составу обра зующихся осадков и морфолоrии осадочных тел, описанию континентальных, при брежных, шельфовых и океанских фаций. Изложение основывается на новейших материалах по исследованию осадков и осадочных пород, обобщенных на базе COBpe менных теорий и rипотез. Полнота охвата проблемы, четкость изложения, арryменти рованность выводов, большое число интересных иллюстраций делают книrу полезной для rеолоrов широкоrо профиля, литолоrов, стратиrрафов, нефтяников, уrольщиков. Может служить учебным пособием для аспирантов и студентов этих специальностей. л 1904010000 334 112-----85 ч. 1 041 (01)-----86 ' ББК 26.323 552 Редакция литературы по zеолоzии @ М. R. Leeder, 1982. This book was originally publi shed in the English language Ьу George Аllеп & Unwin (Publishers) Ltd. of London @ перевод на русский язык, «Мир) , 1986
Or лавление Предисловие редактора перевода . ПредИсловие. Перевод Е.Т. rурвuча 1 Происхождение частиц осадочноrо материала 1. Происхождение терриrенных класти ческнх зерен. Перевод Е.Т. rурвuча 2. Происхождение зерен карбоната каль ция. Перевод Е. Т. rурвuча . з. Эвапориты, биоrенный кремнезем, фос фаты. Перевод Е. Т. rурвuча . 4. Свойства зерен. Перевод н.п. Tpи 20рьева 2 Поток жидкости и транспортировка осадков 5. Свойства жидкостей и их движение. Перевод н.п. Три20рьева 6. Транспортировка зерен осадка. Перевод н. п. Три20рьева . 7. rравитационные потоки осадочноrо Ma териала. Перевод н.п. Три20рьева 3 Донные формы и осадочные текстуры 8. Донные формы и текстуры в зернис тых осадках. Перевод н. п. Tpи20pьe ва 9. Донные формы, обусловленные эрозией связанных осадков. Перевод л.п. Pa ченской 10. Краткое введение в биоrенные и opra ноrенно осадочные структуры и TeKCTY ры. Перевод л.п. Раченской . 11. Текстуры деформации нелитифициро ванных осадков. Перевод л. п. Рачен ской 4 Анализ обстановок осадконакопления и фаций 12. Общее введение в фациальный анализ и обстановки осадконакопления. П е pe вод л. п. Раченской 5 Континентальные обстановки осадконакопления и фациальный анализ 13. Пустыни. Перевод л. п. Раченской . 14. Конусы выноса. Перевод н.п. Tpи 6 8 20рьева 176 15. Речные долины. Перевод н.п. Tpи _ 20рьева 181 16. Озера. Перевод н. С. СпераНСКО20 . 195 17. Ледниковые или rляциальные обста новки. Перевод н. С. СпераНСК020 . 202 12 6 Морские береrа, шельф и фациальный анализ 28 48 53 18. q)изические процессы в береrовой зоне и на шельфе. Перевод н. С. CпepaHCKO 20 19. Дельты. Перевод н. С. СпераНСКО20 . 20. Эстуарин. Перевод н. С. СпераНСК020 . 21. Линейно вытянутые побережья с терри reHHLIM осадконакоплением. Перевод н. С. СпераНСК020 22. Шельфы с TeppHreHHLIM осадконакопле ннем. Перевод л.н. Индолева 23. Побережья, шельфы и бассейны с Kap бонатным и эвапорнтовым ocaДKOHa копленнем. Перевод л.н. Индолева . 67 91 103 7 Океанская среда и фациальный анализ 113 24. Процессы в океанах. Перевод Е. Т. Typ вuча 25. у словин образования кластических осадков. Перевод Е. Т. rурвuча . 26. Пелаrические океанские осадки. Пере вод Е. Т. rурвuча 135 139 144 8 Диаrенез: преобразование осадка в породу 154 27. Диаrенез: общие вопросы. Перевод Е. Т. rурвuча 28. Терриrенные кластические отложения. Перевод Е. Т. rурвuча . 29. Карбонатные отложения. Перевод л. н. И ндолева 30. Эвапорнты, кремнезем, железо и Map rанец. Перевод Е. Т. rурвuча . 31. Уrлеводороды. Перевод л. П. Рачен ской 170 Именной указатель Предметный указатель rеоrрафический указатель. 212 225 236 240 249 259 285 297 309 319 333 352 376 387 423 428 437
Предисловие редактора перевода Началом развития учения об осадочных rорных породах в нашей стране послу жили работы Н. И. Андрусова, В. В. ДOKY чаева, А. д. Арханrельскоrо, К. д. rлинки, Б.П. Кротова, В.П. Батурина, М.С. Шве цова и ряда друmх исследователей. Перво начально эта отрасль науки получила назва ние петроrрафии осадочных пород, т. е. науки о составе, строении и условиях обра зования отдельных типов пород. В t 940 r. л. В. Пустовалов рассмотрел некоторые об щие закономерности образования и разме щения осадочных rорных пород в простран стве И времени, показал историчность науки и предложил называть ее литолоrией. После фундаментальных исследований Н. М. Страхова это название прочно вошло в лексикон ученых и rеолоrов практиков. Возникновение литолоmи и отделение ее от общей петроrрафии (петролоmи) были обусловлены потребностями rеолоrической практики, и прежде Bcero нефтяной rеоло rии. Второй, переживаемый ньше период ин тенсивноrо развития науки связан с резким раСIIШрением изучения Мировоrо океана и ero осадков, что наряду с общенаучным имеет и практическое значение для поисков и освоения полезных ископаемых на мор- ском дне. Настоящий этап развития литоло rии характеризуется накоплением принци пиально новых данных по океанскому осадкообразованию, которые послужили основой для публикации ряда важных работ как у нас в стране, так и за рубежом. С определенной долей условности можно сказать, что литолоrические исследования ныне идут по трем направлениям. Стадиальный аспект литолоmи paCCMa тривает историю осадочной rорной породы от зарождения осадочноrо материала через ero осаждение, превращение осадка в oca дочную rорную породу и до исчезновения последней в результате mперrенеза или Me таморфизма. Седиментационно rенетиче ский аспект акцентирует внимание на первых стадиях осадочноrо процесса, pac сматривает факторы, механизмы и обста новки осадконакопления и тесно связан с фациально rенетическим анализом. Этот раздел литолоmи советские ученые назы вают седиментолоmей (ю. п. Казанский, С. И. Романовский). Историческое напра вление изучает эвотоцию, а также перио дичность (цикличность) осадочноrо поро дообразования в истории Земли. Исследования зарубежных ученых по этим трем направлениям далеко не равноз начны. Так, за рубежом мало внимания yдe ляется вопросам эвотоции, особенно в сравнении с теми успехами, которые дo стиrнутыI в СССР и прежде Bcero блаrодаря постановке этой проблемы академиком А. л. ЯНIIШным, ero личным исследованиям, работам rеолоrов ero школыI и ряда после дователей. Полученные ими данные в значи тельной мере обобщены в докладе А. л. ЯНIIШна на XXVII сессии Междуна родноrо rеолоrическоrо KOHrpecca 1984 r. в Москве. Из зарубежных исследователей можно упомянуть лишь интересную, но во MHoroM спорную книrу Р. rаррелса и Ф. Маккензи «Эволюция осадочных пород» (М., «Мир», 1974). Известны также инте ресные исследования постседимента ционных изменений осадков и осадочных rорных пород (Bathurst R. G., Carbonate sediments and their diagenesis. Developments in sedimentology. Amsterdam. Elsevier, 1971, 12, 620р. Sediment Diagenesis. Ed. Parker А. Dortrecht, 1983, 418 р.), переведенная у нас книrа «Диаrенез и катаrенез осадочных образований» (Под редакцией r. Ларсена и Дж. В. Чилинraра. М., «Мир», 1971) и HeKO торые друmе, однако раБотыI советских ученых в этом направлении более мноrочис ленны и успехи их более значительны.
7 Преднсловве редактора перевода Широко развернувшиеся за рубежом ис следования осадков морей и океанов и co BpeMeHHЬ процессов осадконакопдения привели к тому, что в обобщающих общели толоrических работах стали отчетливо пре обладать седиментационно rенетические или седиментолоrические аспектыI, а саму науку все чаще стали называть седименто лоrией. Наrлядным примером может слу жить предлаrаемый перевод книrи М. Лиде ра. По ряду вопросов она во мноrом уступает отечественным моноrpафиям и учебникам и совершенно не затраrивает исторических эвотоционнь аспектов oca дочноrо породообразования, относительно мало и конспективно излаrает вопросы CTa диальноrо анализа и постседимента цИонных изменений. По принятой в зару беж ной литературе терминолоmи все эти процессы названы единым термином «диа rенез», который oxвaThlвaeT понятия «диаrе нез» и «катаrенез» советских литолоrов. Oд нако в rл. 31, посвященной преобразованию орrаническоrо вещества, явно под влиянием работ советских учень , и прежде вcero Н. Б. Вассоевича и ero учеников, исполь зуются оба понятия «диаrенез» и «KaTare нез». Вместе с тем собственно седиментолоrи ческие аспектыI науки разобраны достаточно подробно и представляют несомненный ин терес для cOBeTcKoro читателя. Прежде вce ro это хорошая и полная сводка новейших дaнHЬ об осадках континентов и Мировоrо океана и их отдельных зон. При этом дe тально рассмотрены пока малоизвестные и плохо изученные формы и механизмы транспортировки в виде различнъ потоков обломочноrо материала. К положительным сторонам относится и попытка рассмотреть процессы образования осадочноrо материа ла, ero транспортировки и осаждения с при влечением достижений mдромеханики, Me ханики rpYHToB, химии, физико химии, reo химии изотопов. Весьма наrлядно, хотя это специально и не отмечается, показано един ство процессов седименто и морфоrенеза (ч. 3), блаrодаря чему в разнь обстановках формируются различные донные формы и осадочные текстуры. Это позволяет на oc нове изучения текстур и морфолоrии oca дочных образований проводить фа циальные реконструкции. Ч то касается caMoro перевода, то здесь не всеrда однозначно можно было перевести некоторые специальные термины. Для еди нообразия по возможности ИCIIользовалась терминолоrия трехтомноrо «Толковоrо словаря анrлийских rеолоrических терми нов» (М., «Мир», 1977, 1978, 1979) и ДBYXTOM Horo «Словаря общеrеоrрафических терми нов» (М., «Проrресс», 1975, 1976), хотя в ряде случаев при неоднозначности значения Te мин переводился по смыслу текста (напри мер, слово mud чаще переводилось как ил, но иноrда как rлина или пелит, термин texture обычно переводился как структура, но иноrда как текстура или строение и т.д.). Ряд терминов, достаточно широко вошед ших в отечественную литературу (см., Ha пример: «Карбонатные породы». Под ред. Дж. Чилинrара, r. Биссела и Р. Фэйрбрид жа. Т. 1. M.: «Мир», 1970, с. 138 159), ис пользовался без перевода (хардrраунд, rрейнстоун, микрит, ваккстоун и т. д.). Можно надеяться, что публикация пере вода содержательной книm М. Лидера по зволит советским читателям познакомиться с состоянием зарубежнь исследований по одному из важнейших направлений COBpe мен ной литолоrии, а студентам rеолоmче ских специальностей даст интересный дo полнительный материал при изучении KY сов «Литолоrия», «Петроrрафия осадочных пород», «Фации и фациальныIй анализ». В. Кузнецов
Кейт БО2И пРИ20ворили Сизифа вечно вкатывать на 20рУ камень, который, достИ2нув вe шины, скатывался обратно под действием собствеННО20 веса. БО2И не без основания дy мали, что нет более страШНО20 наказания, чем бесполезная и безнадежная работа. .. .Каждый атом тою камня, каждая ча стичка той 02рОМНОЙ 20рЫ сами по себе являются целыми мирами. Уже одНО20 cтpe мления к вершинам достаточно, чтобы Ha полнить радостью человеческое сердце: Си зиф был счастлив это должно быть ясно, как день. Камю. «Миф О Сизифе» Предисловие в центре внимания седиментолоrов Haxo дится вопрос о происхождении, переносе, отложении и захоронении природных ча стиц осадочноrо материала. Эта проблема является поистине междисциплинарной : за ее решением пристально следят специа листы в области наук о Земле, она предста вляет значительный интерес для rидродина-: миков и инженеров, имеет большое практи ческое значение в ряде отраслей промыш ленности. В седиментолоmи возможны два подхо да: описательный (при мерами MorYT слу жить традиционная петроrрафия и фа циальный анализ) и количественный, с привлечением законов физики и химии. Оба подхода дополняют друr друrа, и для Toro, чтобы находиться на уровне послед них значительных достижений седименто лоrии, их следует применять совместно. Цель настоящейкниrи ознакомить с таким комбинированным подходом студентов старших курсов и аспирантов, а также при влечь внимание профессиональных специа листов в области наук о Земле. Поэтому Ha ряду с описательными диаrраммами в книrе использованы физические и химические уравнения. Автор старался изложить материал таким образом, чтобы вопросы происхождения ча стиц осадочноrо материала, их переноса, OT ложения и диаrенеза (преобразования ocaд ка в породу) лоrически следовали один за друrим. Книra писалась в расчете на то, что читатель уже владеет некоторыми фунда ментальными знаниями в области наук о Зе мле, а также в области общей физики и хи мии. Некоторые важные дополнения даны в приложениях. Я избеrал сложных MaTeMa тических выкладок, поскольку считаю озна комление с наиболее важными физическими и химическими основами процесса для CTY дентов более важным, чем формальные Ma
9 Предисловие тематические преобразования неболыпоrо количества .данных. Т. r. rексли писал: «Математику можно сравнить с совершенней шей мельницей, которая перерабатывает веще ство до любой степени измельчения. Несмотря на это, то, что вы получаете, определяется тем, что вы в мельницу закладываете. И так же как самая rрандиозная мельница на свете не в состоянии перемолоть rороховую шелуху в пшеничную мy ку, так и страницы формул не дадут точный pe зультат на основании неточных данных». Мне кажется, что я должен сдела ть HeKO торые, на мой взrляд, важные замечания и подчеркнуть суть этой книrи: в ней pac сматриваются rлавным образом при1tципы. у меня возникли некоторые трудности при решении вопроса о том объеме, который должна была нять история вопроса изуче ния древних осадочных пород с позиций фа циальноrо анализа, анализа бассейна седи ментации и тектоническоrо режима. по скольку опубликовано очень большое коли чество подобноrо рода исследований (см. работу [666], являющуюся наиболее пол ным кратким руководством), а также вслед ствие Toro, что каждый автор ПОдХодит к этому вопросу со своей точки зрения, я в целом оrраничился кратким выборочным рассмотрением некоторых древних приме ров для каждоrо типа среды седиментацИ}l. И действительно, в книrе сделан уклон в сторону изложения фациальных моделей, Блаrодарности я хочу поблаrодарить следующих лиц, про читавших предварительный план этой кни rи, отдельные ее части, а также всю ее цели ком и принесших большую пользу автору своими конструктивными и критическими замечаниями: Дж. Бриджа, п. r. Бриджеса, Дж. Д. Коллинсона, К. А. Крука, Р. r. Джек сона, Дж. Д. Хадсона, А. Д. Майолла, Х. r. Ридинrа, Р. Стила, r. Тейлора и Р. r. Уокера. Естественно, я должен при нести извинения за некоторые возможные ошибки и вольности интерпретации. Мои коллеrи М. Р. Талбот и r. Клемми оказыва ли мне всестороннюю помощь и столь необ ходимую мне поддержку. Эрик Даниэлс и Дэвид Бейли из фотолаборатории Универ основанных на изучении современных ocaд ков. Оrpаниченный объем вынудил меня oткa за ться от написания самостоятельных r лав, посвященных следующим вопросам: а) aHa лизу бассейнов седиментации с точки зрения тектоники плит; б) неоднородным фациям (таким, как полосчатыIe железные руды); в) экономической седиментолоrии и пла стовым рудам металлов. Эту книrу в наибольшей степени я aдpe сую молодым исследователям Земли. Я надеюсь, что она будет способствовать достижению истинноrо понимания процес сов, иrрающих важную роль в формирова нии лика нашей планеты и в образовании природных ресурсов. В заключение несколько слов о литера турных источниках. Из за оrраниченности объема (и для rладкости изложения) я не CMor дать полноrо доказательства каждой приведенной формулировки. В книrе даны ссылки на работы, опубликованные, как правило, недавно, однако это не следует pac сматривать как выражение неблаrодарно сти или иrнорирование тысяч друrих иссле дователей, чьи результатыI представляют собой сумму наших современных (и все же неполных) знаний. М.Р. Лидер Лидс, март 1981 ситета в Лидсе выполнили большую часть фотоrрафических работ, а Джоан Фолл перепечатала часто неразборчивую PYKO пись. Роджер Джонс из издательства Аllеn and Unwin курировал эту книrу от идеи ее создания до выхода в свет, давая при этом дружеские советы и оказывая поддержку. Я блаrодарен следующим владельцам ориrиналов за разрешение воспроизвести их фотоrрафии: Р. У. Куку (8.21, б, в), издатель ству Кембриджскоrо университета (5.17), Обществу экономических палеонтолоrов и минералоrов (4.4, 11.2, в, 28.7), издатель ству Elsevier (8.9, б, 8.21, а, д, е, 9.2, 9.3, 28.6), Институту ropHoro дела и металлурrии (30.4, а 2).
10 Предисловие Все остальные штриховые рисунки были перерисованы и приведены мною в COOTBeT ствие со стандартным форматом. По ходу изложения я выражаю признательность aB торам ориrиналов. Я блаrодарю более чем 300 авторов и нижеперечисленных владель цев ориmналов, которые разрешили ис пользовать эти штриховые рисунки после изменения их формата (номера в скобках co ответствуют номерам рисунков в тексте): издательство Academic Press (21.1 21.3, 26.1); рис. 24.13 воспроизведен из книm А. К. Даксбэри "The Earth and its oceans" [227] с разрешения из дательства Addison Wesley; Американскую acco циацию reолоrов нефтяников (15.19, 23.1 23.17, 25.8,25.11,25.14,27.10,28.2, 29.17, 30.2, 31.10); AMe риканский reолоrический институт (20.1, 25.13); Американский reофизический союз (2.3, 18.7); журнал "American Journal of Science" (14.4, 15.6); Американское общество rражданских инженеров (15.13); издательство Edward Amold (5.22, 17.1, 17.4); А.А. Бэлкема (17.8, 17.9, 17.11); издатель ство Blackie (5.2 7); издательство Бlackwell Scientific (19.17, 19.18, 22.14); У. С. Брёккера (2.1, 2.10); издательство Кембриджскоro университета (5.19, 5.20, 8.10); Канадское общество reолоrОIr нефтяников (14.1, 14.3, 14.8, 15.20); издательство Chapman and Наll (4.6, 5.13,6.9, 8.23); Дж. М. Кол мена (19.1{}",-,19.12), журнал "Economic Geology" (30.8); издательство Elsevier (3.4,3.5,9.1, 10.4, 13.1, 13.6, 15.7, 15.11, 15.12, 18.13, 19.9, 22.7, 22.8, 22.11, 25.4,26.6,26.8,27:2, 27.9, 29.2); рис. 7.3 воспроизве ден из книm А. М. Джонсона "Physical processes in geology" [426] с разрешения издательства Freeman Cooper Inc.; Р. М. rаррелса (27.6); reo лоrическую ассоциацию Канады (21.10, 21.16, 23.1, 23.28, 23.29, 26.5, 26.6); Американское rеоло rическое общество (1.3 1.5, 5.10, 14.7, 15.5, 16.6, 16.7, 19.2, 19.3, 19.6, 19.7, 19.16, 21.11, 24.11, 28.3, 28.4,28.9,29.1,29.11,29.14, 30.6, 30.7); Лондонское reолоrическое общество (17.7,26.7, 26.11); rеоло rическую службу Канады (31.2 31.4); журнал "Geologie Mijnbouw" (11.4,22.9,22.10, 22.14); Acco циацию reолоrов (1.8; 8.5); издательство Gordon and Breach (25.1); п. М. Харриса (23.19); рис. 22.5 воспроизведен из книm под редакцией Д. Свифта и др. "Shelfsediment transport: process and pattern" [809]@ 1972 Hutchinson Ross Pиblishing Со.; Ин ститут британских reоrрафов и r. с. Бултона (17.5); Международную ассоциацию седименто ' лоrов (6.4, 7.5, 8.16, 8.24, 8.26, 8.27, 11.3, 12.9, 13.3, 14.6, 15.10, 16.1, 16.4, 19.13,22.12, 22.13, 26.3, 26.4); Международное rляциолоrическое общество (17.3); рис. 23.10,23.12 и 23.13 воспроизведены из книm под редакцией Л. А. Харди и др. "Sedimentation оп the modem carbonate tidal flats of NW Andros Island, Bahamas" [340] с разреше ния издательства Университета Джона rопкинса; х. А. Лоуэнстама и Т. У. Доннелли (2.6); изда тельство Macmillan Inc. (12.8); рис. 15.12 воспро изведен из журнала "Nature", Physical Science, 237, с. 7 76, с разрешения издательства Масmillап Joumal Ltd.; рис. 12.3 воспроизведен из книm Р. Тилла "Statistical methods for the Earth scientist" [824] с разрешения издательства Macmillan Pиblishers Ltd.; рис. 1.2 воспроизведен из книm К. Краускопфа "Introduction to geochemistry" [475], а рис. 30.9 из книm Р. Берн ера "Principles of chemical sedimentology" [74], оба с разрешения издательства McGraw Hill; рис. 18.10 и 18.14 вo спроизведены из книm Р. Триккера "Вores, breakers and Waves" [829] с разрешения издатель ства Mills and Вооп; издательство North Holland (5.23, 8.2); рис. 24.9, 24.12 и 25.2 воспроизведены из книm Б. К. Хизена и r. Д. Холлистера "The face of the deep" [363] с разрешения издательства Оксфордскоro университета; издательство Pergamon Press (2.4, 2.5, 16.4); рис. 5.15 воспрои зведен из книm М. А. Карсона "Mechanics of erosion" [145] с разрешения издательства Pion Ltd.; рис. 12.5 воспроизведен из книm Р. Мэтть юза "Dynamic stratigraphy", с. 51, 58 [5431 а рис. 18.12, 21.5 и 21.9 из книm п. Комара "Вeach processes and sedimentation", с. 136, 274, 289 [468], все с разрешения издательства Prentice Hall Inc.; рис. 22.2 воспроизведен из кни m под редакцией Райта и Фрея "The Quatemary of the United States" с разрешения издательства Принстонскоro университета; Королевское reo rрафическое общество (17.6); издательство Scientific American Inc. (22.1); издательство Scientific Press (31.8); Общество экономических палеонтолоrов и минералоrов (1.6, 1.7, 6.1, 8.11, 8.25, 13.4, 13.5, 15.9, 15.15, 17.10, 17.13, 18.5, 19.14, 19.15,21.7,21.8,21.15,23.14,23.21,23.24----23.27,25.3, 26.9, 26.10, 27.7, 27.8, 27.12, 28.8, 28.11 28.14, 29.3, 29.7, 29.12, 29.15, 29.16, 31.5); рис. 6.3 и 6.8 BO спроизведены из статьи В. Чепила [151] с разре шения Американскоrо общества наук о почвах; издательство Springer (8.18, 16.3, 21.12, 23.3, 23.4, 23.9, 23.22, 23.23, 26.2, 27.1, 28.10, 28.14, 30.1, 30.3, 31.6,31.7); издательство Чикаrскоrо университета (6.10, 8.22, 12.7, 22.4, 24.3, 26.5); издательство Van Nostrand Reinhold (3.2, 5.12); рис. 24.2 и 24.5 вo спроизведены из книm Дж. Харвея "Atmosphere and осеan" [349], опубликованной для Ореп University Press издательством Artemis Press, Sussex с разрешения издательства Vision Press Ltd.; издательство Wiley (15.14); Йоркширское rеолоrическое общество (19.17). Я также блаrодарен издательству Оксфордско ro университета и издательству Penguin Books за разрешение использовать отрывки из стихотво рений поэтов Бантинrа и Монтале, а также re<r лоrическому обществу за длинную цитату, поме щенную в разд. 29д.
Происхождение частиц осадочноrо материала я предпочел бы быть бесчувственным и первозданным' Подобно камням, катящимся с 20р; Я СО2ласился бы быть разъеденным солью, Материи вневременным осколком, Всевидящим и беспристрастным верным оком. Монтале. «Я предпочел бы» ФОТО 1. Известковая водоросль рода Peпicillus с субстратом, к которому она прикреплена. OrpoM ное количество таких водорослей встречается в мелководных лаrунах Флориды и Баrамских островов. После rибели водоросли ее нежные орrанические ткани разлаrаются, а мельчайшие араrонитовые иrолочки «скелета» этоrо растения опускаются на дно лаrун. Некоторая часть иrолочек накапливается в виде араrонитовоrо ила и по внешнему виду неотличима от xeMoreH Horo араrонита (коллекция Р. Тилла). . , . ...\ >о ..\.' ." t ;!f\\' "',,; . f; . 'Но .. \. '. ,..t., ., ,,',1, . . ' . 1' .". ,,-..... .'. . \io. ;- J"" . . .','i . , ". . : ,//f: . F . . .' t l t. '1 ,\ ;. : '1' ' '<;: I!>'r , i' ; '.. '. о( , ,'. i. ' ". /f'. .4' . . , .'. ,. > \, . , .\,' ' . ' J . i , . .. ' ';..:ow \'. "" .. .....:.. '.. "'t,' ' \". , ',' ..... ..... ::r....... : t; ::: /.. . ., ., .. ... ."' .... ! " . : ? : ; . ; " "': . .;.. .... ; V" . .. "; . f " . J i : ,; : }.; '.';. },i/ < \',,' "'..'\- , "", 1,; 1" f : '" " {. , . ,. . ; ц '. \ \fj' . \ . ;. . \ I#,t if(:" oI :1. о 'r."j " !I " , . \ ' ,; \. \ ' "' .. ,., \\ ,. " ' ." t . ,\,.,. ...... .I. .... ! , . \:, t . . ;'"'' -\ \ .' I! ." \ . \ '" .. \' \ ,\ .. , ' . . . , $ ""\ ' I, . . ',It \"'\ " .\. , ' .' !!' .,' "'" , \ ' , ' :\ . \ '\" . " \ !:..>.o:.'-.. ,' : ,( , .. \.. 1 ' .It;',"t.., t'. ',\ , i} .""' 1\." ," '\' ' . " rt '" 11 . " " .&;. 't , \ . \ · ",'.,.' '"1 ... , J ' \." \,\ \. ll. . ) . 'н",':" I .i" н. 1... \\"''. ,, . ,:"J..1' R. t. . f . ' . : \. '.. \ \ . ' , 'p., ,,'1,... .. I . . . . . t /l!. J . . . . \, " . I .' . . " i' 'tt. . " 1 , . ". 4i / "', f -: 1,. "<..,' ,\. .а' ! {.:: il # ('.. ". , - ... ;". ..'- , '..' ,',1,;;";; .У j ;i..?, .' ." .]0 ... .; '# ..1 '\ 1; , , \ ... . , , -:.:-: . \ . . . . \ . . JH 'IJ ;, .... А. ,,' '.. \ :\ ' , )r , . ""')' '\ \ " . \. t \: . t\.. .: ;' . !.. .1'" " . '" "". :1.- :to- ,"' '\' \ . ..... t! ... ; .. , ...:.. .,. ,. .с ,t f . . .... . ;' ..""-1 .. :. '. . .. . . ," ,-.
12 Часть I Тема. В первой части мы рассмотрим происхождение и структурные характеристики основных видов частиц осадочноrо материала. Эти частицы подверrаются воздействию сил, управляющих водным потоком, а также силы тяжести, что в конечном счете при водит к их отложению и формированию слоев осадков. Вообще rоворя, частицы осадочноrо материала образуются вследствие а) химическоrо и физическоrо выветривания материнских изверженных, метаморфических или осадочных пород (процессы выветривания вызывают образование терриrенных кластuческuх зерен), б) химическоrо выпадения из раствора различных минералов и солей (приводит к образованию xeMozeHHblX зерен) и в) биохимическоrо осаждения различных минералов (приводит к образованию бuozенных зерен). Типы зерен осаДочноrо материала весьма разнообразны и определяются климатом, химическим составом вод, продуктивностью орrаническоrо вещества и рельефом. В течение rеолоrической истории Земли эти факторы изменялись в пространстве и во времени. Помимо использования в палеоrеоrрафических реконструкциях характер зерен может дать полезную информацию для понимания эволюции атмосферы, rидросферы и биосферы. 1 Происхождение терриrенных кластических зерен lа. Введение. Терриrенные кластические (обломочные) зерна являются фраrментами пород и минералов, образующимися при физическом или химическом разрушении исходной породы. Каждая приповерхност ная порода или поверхностное обнажение служат потенциальным источником таких частиц. Нарушения, такие, как трещины OT дельности или кливажа, rраницы между кристаллами и зернами, плоскости спайно сти кристаллов, подверrаются химическому атмосферному и почвенному выветрива нию, а также выветриванию физическому. Породы дробятся на составляющие их кри сталлыI или на небольшие кусочки. Эти зер.- на подверrаются химическому воздействию, и в результате образуются характерные продуктыI разрушения и растворы. Перенос под действием силыI тяжести, а также с по мощью ветра и воды (см. ч. 2) будет приво дить к дальнейшему разрушению и измене пию частиц. Такие изменения особенно существенны у трещиноватых или He твердых минералов. Химические изменения частиц MOryT происходить и после их отло жения, в области диаrенеза (см. ч. 8). Поэто му С caMoro начала мы можем быть YBe рены, что по своей химической и физической природе обломочные отложения будут pa дикально отличаться от исходной породы. Например, среднее содержание полевых шпатов в изверженных и метаморфических породах составляет около 60%, Тоrда как в песчаниках только около 12%. Но с дpy rой стороны, песчаники обычно значитель но обоrащены кварцем по сравнению с из верженными и метаморфическими порода ми. Рассмотрим некоторые причины таких различий. 16. Роль воды в выветривании пород. Не BЫ зывает сомнений тот факт, что наиболее
13 Происхождение частиц осадочноrо материала важной особенностью поверхности нашей планеты в сравнении, скажем, с безводной Луной является присутствие значительноrо количества воды и водяноrо пара. Вода обладает необычными свойствами. Моле ку лы воды, помещенные между пластинами заряженноrо конденсатора, ориентируются: положительно заряженные атомы BOДOpO да по направлению к катоду, отрицательно заряженные атомы кислорода по напра влению к аноду. Этот эффект сходен с ориентировкой маrнита в маrнитном поле. молекулыI воды обладают полюсами, сходными с полюсами маrнита, и такие MO лекулы ведут себя как электрические диполи. Величина дипольноrо момента (измеренная в соответствующих единицах) зависит от Be личины зарядов и расстояния между ними. Существование таких полярных молекул, как молекулыI воды, является следствием асимметричной ковалентной связи, коrда элементы, подобные кислороду, «оттяrи вают» большую часть электронноrо облака. Это дает сильно электроотрицательному атому кислорода частичный отрицательный заряд за счет частичноrо присоединения электронов атома водорода; менее элек троотрицательный атом водорода приобре тает поэтому положительный заряд. Хими ческие связи между атомом кислорода и двумя атомами водорода представляют собой результат перекрывания облаков электронов и s электронов а томов BOДO рода. Теоретически эти связи должны быть расположены под уrлом 900 относительно друr друrа и состоять из молеку лярных o биталей, занятых парой электронов. На практике, вследствие отталкивания между атомами водорода, уrол между связями co ставляет немноmм более 1040 при длине связи O H 9,8. 10 8 мм. Коrда молекулы воды находятся в большом количестве, они ориентируются относительно друr друrа посредством водородных связей из за по лярной при роды только что описанных KO валентных связей Н 2 О. С помощью BOДO родных связей образуются тетраэдрические rруппы из четырех молекул (рис. 1.1). CKa занное объясняет мноmе из отличительных .... своиств воды: а) Полярная природа молекул обусло ' вливает очень эффективную растворяющую способность воды по отношению к веще ствам с ионным типом связи. Положи тельные и отрицательные концы диполей молекул воды присоединяются COOTBeT ственно к отрицательным и положительным ионам вещества, нейтрализуя их заряды, так что происходящий при механическом пере мешивании отрыв атомов может способ ствова ть растворению вещества. (а) (б) \ .f..ff Ковалентные связи '( о . ,.,....._ . P' - - -:{ (:{ ij;; ,... :.., .'8..... "-Ъ 9,8.1O 9 мм О ..+ ' ...:,. 104040' Атом кислорода Полярная молекула + 2 атома водорода воды (в) poдн," .,' Рис. 1.1. Структура молекул воды. а, 6 образо вание полярной молекулы воды посредством ковалентных связей; в молекулы воды, соеди ненные водородными связями. б) Тетраэдрические rруппировки молекул воды являются причиной таких ее свойств, как высокое поверхностное натяжение и большая способность проника ть по капил лярам, высокая температура плавления и большой диапазон температур, при KO торых вода находится в жидкой фазе. в) Понижение температуры вызывает уменьшение тепловоrо движения молекул воды и увеличение числа водородных свя зей, а отсюда размера связанных ими acco циаций молекул. Таким образом, с пониже нием температуры вязкость воды возра стает (rл. 5). r) Плотность воды при понижении TeM пера туры увеличивается. Это обусловлено сжатием, вызываемым уменьшением тепло Boro движения молекул. Однако в то же самое время идет обратный процесс: из за образования все большеrо числа BOДO родных связей происходит расширение. Этот процесс преобладает при темпера туре ниже 4 ОС, поскольку в дальнейшем TeTpa эдрические молекулярные rруппировки Ha чинают перестраиваться в rексаrональные структуры льда, и поэтому плотность вновь уменьшается. Расширение продолжается вплоть до температуры 22 0 С, при KOTO рой лед достиrает своей минимальной плот
14 Часть 1 ности И максимальноrо давления расшире ния. r ексаrональные кристаллы льда имеют максимальную скорость роста по нормали к плоскости. Так что рост кристаллов в ми кротрещинах пород может вызывать BЫCO кие напряжения. д) Молеку лыI воды диссоциируют на ионы Н + И ОН при любых температурах, однако обычно степень диссоциации очень мала. Ион Н + ответствен за кислотность водных растворов. КOlщентрация BOДO родных ионов может весьма значительно изменяться, поэтому Кислотность принято выражать в виде отрицательноrо лоrариф ма концентрации свободных ионов Н + , BЫ раженной в rpaMMax на литр. Ero называют величиной рН. При комнатной температуре в 1 л чистой воды содержится лишь 1 О 7 молей ионов водорода (и столько же ионов ОН ). в этом случае rоворят, что наблю дается нейтральная величина рН (равная 7). Большие значения рН указывают на щелоч ную среду, а меньшие на кислую. В водных растворах под действием друrих реакций И.реаrентов образуются ионы Н+ или OH . Например, ионы Н + образуются в реч ной или почвенной воде при участии уrле кислоrо rаза в ходе реакции Н 2 О + СО 2 Н 2 СО з 1 (1.1) Н+ + НСОЗ-, а также под действием rуминовых кислот и кислот бактериальноrо происхождения (см. rл. 2). е) Разрушение силикатных минералов ча сто происходит вследствие 2идролиза, в ходе KOToporo небольшие сильно заряженные ионы Н + В воде замещают катионы метал лов в кристаллических решетках, так что ионы ОН или НСОЗ- MorYT соединяться с замещенными катионами и образовывать растворы или локальные осадки. rидролиз имеет место вдоль нарушений в породах или минералах, таких, как трещины кливажа и отдельности, rраницы между кристаллаl\Ш и плоскости спайности минералов. lв. Окисление, восстановление и Eh рН ди. [""раммы. Химические элементыI' присут ствующие в первичных изверж нных или метаморфических минералах, в зоне BывeT ривания имеют теlЩенцию к достижению равновесия с окружающей их окислительноu или восстановительной средой. Окисление влечет за собой потерю электронов элемен тами или ионами и приводит к увеличению их положительноrо заряда или к уменьше нию отрицательноrо. При восстановлении мы имеем обратную картину, например в обратимой реакции железо со степенью окисления + 2 в таких минералах, как пи роксен, оливин или роrовая обманка, может окисляться по схеме Fe 2 + Fe 3 + + е (1.2) закисное окисное железо железо электрон в поверхностных водах наиболее важным природным окисляющим areHToM является растворенный кислород вследствие ero очень высокой электроотрицательности. Окислительно восстановительный потен циал (редокс потенциал) можно измерить посредством фиксации разности потенциа лов между поrруженными в измеряемую среду инертным электродом (обычно плати новым) и водородным электродом с из вестным потенциалом. Окислительно вос становительный потенциал реакций, обо значаемый для краткости Eh, сравнивается с условной величиной 0,00 мВ для водорода в реакции 2Н + + 2е ----+ Н 2 (1.3) при температуре 25 0 С, давлении 1 атм (101325 Па) и концентрации ионов водорода 1 моль/л (рН О). Отрицательные величины Eh обозначают восстановительные условия, а положительные окислительные условия по отношению к условной водородной шкале. Большинство элементов в зоне выветри вания и в верхних частях колонок отло женных осадков окисляется. Исключения наблюдаются в бедных кислородом заболо ченных почвах, в которых в большом коли честве присутствуют анаэробные бактерии. Здесь может идти реакция (t .2), и HepaCTBO римое окисное железо восстанавливается до растворимоrо закисноrо железа. BOCCTaHO вительная среда существует ниже поверхно сти аэробной зоны при субаквальном HaKO плении осадков, а также в так называемы» эвксинных условиях слабо аэрируемых мор.- ских водных масс или обоrащенных орrани ческим веществом рассольных водоемов.
[5 IIроисхождение частиц осадочноrо материала Если в результате лабораторных измере ний получен стандартный потенциал для конкретной реакции и имеются данные по левых измерений ЕЬ в зоне выветривания, то можно предсказать степень окисления для конкретноrо иона. Например, CTaH дартный потенциал для пары Fe 2 + Fe 3 + в реакции (1.2) составляет + 0,77 В. Если, к примеру, полевые измерения в кислой cpe де (рН 2) дали величину + 0,5 В, то можно ожидать, что устойчивой фазой железа в этой обстановке будет Fe 2 + (см. rл. 27, 30). На практике было обнаружено, что HeKO торые из реакций, определяюIIШХ величину ЕЬ, протекают очень медленно и что водная среда долrо не приходит в равновесие с из мерительными' электродами. Таким обра зом, полевые измерения окислительно вос становительноrо потенциала в большинстве случаев позволяют дать только полуколиче ственную оценку. При нанесении на rрафик значений ЕЬ и рН может БЫ1]> получена исключительно информативная диаrрамма. Оrраниченная жирной линией на рис. 1.2 область показы вает обычные пределыI величин ЕЬ и рН, об наруживаемые в приповерхностных усло виях. Нижний предел для рН составляет около 4. Он обусловлен при родными KOH центрациями С0 2 и орrанических кислот, paCTBopeHНbIX в поверхностных и почвенных водах. Верхний предел для рН составляет около 9. Он достиrается в водах, контакти рующих с карбонатными породами при сла бом контакте с атмосферным С0 2 . Наи большие величины ЕЬ определяются peaK uией Н 2 О 1/202 + 2Н+ + 2e ЕО == + 1,23В. Эта реакция в действительности зависит от величины рН. Зависимость выражается сле дующим образом: ЕЬ == + 1,22 0,059 рН. Наименьшие величины ЕЬ определяются реакцией H2 2H+ + 2e ; ЕО == О,ООВ, (1.5) которая зависит также от рН. Зависимость имеет следующий вид: ЕЬ == 0,059 рН. 1.4 1,2 1.0 0,8 0.6 Eh, В 0,4 0,2 0.0 ..... 02 , Н/)' , , f/J":, 1,<, . . <-"'0 ОК-иёли .OS9 it!Jl HefI. '. . /J4 t(Иf;ЛIIЯ. .. : . : . обс;tаiюв а. : . : . " .:... .:: ..QКл.(! k;' " . :.. : . : X I1 H\UI. " . . ... ще}ючнtuI ......., q ..... )6ё.,ай IiКа. , i :.: :.:.: : <: . .:...:....: о : :-: :.: -: :. : :-:. 8.occ!aIioL . : .: о- Н О ВmеЛltнаЯ:. .. .... ....., 2 к сЛ . : ..... .. : Н 2 .....,..... ббс'i,!:. Яо !,! о: .......... l{aeKa. "В ЦJ)r.ная. 4", .. .... :Щ ло'll-iаЯ ..., -... О ..:: -: QQOT.a:' ,OS9 .. rюliк. A/t . . .'. 0,2 4),4 0,6 О Нейтральное значение рН , , , ..... 4 2 6 8 10 12 14 (1.4) рН Рис. 1.2. Диаrрамма, показывающая обычный диапазон значений Eh и рН на поверхности Земли (контур, покрытый точками) и диапазон устойчивости воды (по Краускопфу [475]). Важно подчеркнуть, что область природ ных значений ЕЬ и рН на рис. 1.2 вклю чает «нормальные» условия. Местные усло вия MoryT иноrда значительно отклоняться от условий этой области. Например, при окислении пирита возникает очень кислая среда, а при разложении орrаническоrо Be щества без контакта с водой среда BOC становительная. Еh рН диаrраммы [292] MorYT быть построены для множества peaK ций и peareHToB. Они оказывают ценную помощь при интерпретации химических pe акций, происходящих 80 время вьmетрива ния, отложения и диаrенеза (см. rл. 27). Однако эти диаrраммы ничеrо не rоворят нам о скорости таких реакций, их завер шенности, или, иначе rоворя, о степени достижения равновесия. 1 r. Поведение породообразующих минера дов в процессе выветривания. В этом раз": деле мы приступаем к наиболее важной теме, касающейся образования кластичес ких частиц. Даже самое элементарное зна комство с тремя основными rруппами по
16 Часть 1 род изверженными, метаморфическими и осадочными вскоре убеждает наблюдате ля в том, что набор распространенных типов минералов в кластических осадочных породах обычно HaMHoro более оrраничен, чем в изверженных и метаморфических по родах. С чем это связано? Начнем с рассмотрения результатов ис следования У олстромом [839] минералов, сохраНИВlllИХСЯ в верхнепалеозойской коре выветривания, развитой на rранодиоритах Боулдер, Колорадо (США). На рис. 1.3 CYM мированы данные, показывающие измене ние минеральноrо и химическоrо составов в про филе выветривания с rлубиной, по мере приближения к неизмененному MaTe ринскому rранодиориту. Отметим устойчи вость кварца и в меньшей степени микро клина; неустойчивость плаrиоклазов, био тита и роrовой обманки; образование «HO выю> минералов, таких, как каолинит, MOHT мориллонит И иллит. Если в первом при ближении увеличение rлубины рассматри вать как показатель уменьшения степени выветривания, то выходит, что роrовая об манка разрушается при выветривании пер вой; далее минералы следует за ней в таком порядке: плаrиоклаз, биотит, микроклин. Химические анализы rлавных окислов по казывают, что при движении снизу вверх по профилю выветривания содержания А1 2 О з , Fе20з и К 2 О возрастают, а coдep жания Si0 2 , FeO, СаО и Na 2 0 уменьшают ся. {.., с $" ' fJ fj fJ. I Bы e t'G q" "" осадки :! r$ r$ ..... t ..L ... 4- KpaCHO I цветы-: J I I : I .." :1: -Зона" :::Е выщел о с р., чивания м l о.. t .....", ......... t:: е: ......: ' l : '.-. .....:..; ,.eBЫB: -: " релыи '$ rранодиорит ff. !: j "IМfW\J"VN <tr fj '" fj :r; t! G- <tr ff J с $; $/ . с :! IJ ::I; Над этими резуль татами стоит HeMHoro подумать. В процессе выветривания HeKO торые минералы, очевидно, были более yc тойчивыми, чем друrие. Ряд минералов вновь образовался. Некоторые окислы бы ли почти полностью вынесены. тоrда как количества друrих увеличились. В настоя щем разделе мы остановимся на вопросе устойчивости минералов. Мноrочисленные исследования процесса выветривания в большинстве случаев под тверждают первоначальный постулат rол дича [305], соrласно которому для обыч ных минералов изверженных пород может быть установлен ряд «выветриваемости» (или «устойчивости к выветриванию». Ред.) (табл. 1.1). Обратите внимание на то, что этот ряд напоминает реакционный ряд Боуэна, характеризующий процесс кристал лизации маrматических пород из расплава. Обычно не составляет труда установить, что менее устойчивые в коре выветривания минералы высокотемпературные, началь ные температуры образования которых значительно отличаются от температур в приповерхностных условиях Земли. Тем не менее это не дает нам убедительноrо OT Рис. 1.3. Изменение минеральноrо и химическо ro составов в профиле выветривания мисси сипскоrо возраста (нижний карбон), развитом на rранодиоритах вблизи Боулдера. шт. Коло радо, США (по У олстрому [839]). $ i j t.; & Si0 2 $ о 20 40 Весовые про центы Na 2 0
17 Происхождение частиц осадочноrо материала Таблица 1.1. Ряд «устойчивости к выветрива нию» силикатных минералов изверженных по род Порядок расположения здесь минералов противоположен их порядку в реакционном ря ду Боуэна, характеризующем кристаллизацию минералов из силикатных расплавов [305] Оливии Авrит "'- Роrовая обманка ')J Биотит Натриевый nлаrиоклаз / Калиевый полевой шпат J.. Кальциевый nлаrиоклаз Натриево кальциевый nлаrиоклаз Мусковит + Кварц вета на вопрос: «Почему некоторые M!1:He ралы более стабильны?» Не проясняет этот вопрос и использование предложенноrо Райхе индекса потенциалов выветривания (WPI Weathering potentials index) для по род и минералов, который представляет собой выраженное в процентах отношение 100 х (К. 2 О + Na20 + СаО + MgO (Si0 2 + А1 2 О з + К 2 О + Na20 + Н 2 О) моль ----+ + СаО + MgO Н 2 О) моль. ----+ Малоустойчивые минералы и породы име ют высокий индекс, и наоборот (табл. 1.2). Индекс служит rрубым ориентиром OTHO сительной устойчивости пород и минера лов. Он основан на том, что щелочные и Таблица 1.2. Индексы потенциалов выветрива пия (WPI) Райхе для некоторых силикатных ми нералов [144] Минерал Средний WPI Диапазон измене ния WPI Оливин 54 Авrит 39 Роrовая обманка 36 Биотит 22 Лабрадор 20 Андезин 14 Олиrоклаз 15 Альбит 13 усковит 10 Кварц 1 65 21 46 21 63 7 32 1 20 2 91 (1.6) щелочноземельные элементы леrче подвер rаются выветриванию. Помимо этоrо ин декс мало что объясняет. Интересная попытка объяснить относи тельную устойчивость минералов в зависи мости от свойств их кристаллических CTPYК тур была предпринята Келлером [ 435]. Он предположил, что порядок образования из маrмы некоторых силикатных минера лов частично обусловлен относительными силами связей различных катионов с кисло родом. Такое предположение в значитель ной степени подтверждается расчетом CYM марных сил связей между катионами и кислородом в минералах реакционноrо ря да Боуэна. Несомненно также, что мине ралы с относительно небольшим количест вом связей Si O являются неустойчивыми по сравнению с минералами, имеюшими MHoro таких связей. Это обусловлено тем, что большая сила связи стремится coxpa нить структуру кристалла независимо от нарушения друrих слабых связей вида Ka тион кислород. Например, связь Mg O относительно сильная, однако форстерит (Mg 2 Si0 4 ) относится к числу наименее yc тойчивых минералов изверженных пород из за Toro, что у Hero мало сильных свя зей Si O. Поэтому наиболее устойчивыми являются минералы, состоящие исключи тельно из соединенных друr с друrом тетраэдров кремнезема. Коrда в кристалли ческой решетке присутствуют друrие ионы, по разному присоединенные к тетраэдрам кремнезема, минерал менее устойчив, по скольку эти ионы MorYT быть нейтрали зованы полярными молекулами воды. Подход Келлера ПРИВОДИТ нас к понима нию фундаментальной термодинамической природы и дает возможность оценить yc тойчивость минералов. По существу, мож но сказать, что характер изменения cвo бод ной энер2ии реакции позволяет опре делить, какая из двух возможных реакций будет иметь место. Изменение стандартной свободной энерrии реакции представляет собой сумму свободных энерrий образо вания (.1G f ) всех продуктов реакции ми нус сумму свободных энерrий peareHToB. Коrда раССЧlпанные изменения свободной энерrии отрицательны, реакции будут про текать самопроизвольно. Чем больше OT рицател?ная величина изменения свобод
18 Часть 1 ной энерrии, тем более вероятным должно быть протекание реакции. Кертис [183] взялся за решение пробле мы устойчивости минералов при выветри вании с точки зрения термодинамики и по лучил обнадеживающие положительные pe зуль таты. Для Toro чтобы определить yc тойчивость, мы должны написать KOHKpeт ные уравнения химических реакций при BЫ ветривании, про исходящих с «первичными» минералами изверженных и метаморфи ческих пород (табл. 1 .3). Эксперименталь ные значения величин стандартных свобод ных энерrий образования возможных pea reHToB, а также продуктов реакций затем используются для расчета приведенных в табл. 1.3 свободных энерrий (ДG;). Напри мер, CaAl 2 Si 2 0 8 + 2Н+ + Н 2 О----+ анортит в растворе вода ----+ AI 2 Si 2 0s(OH)4 + Са 2 + . каолинит в растворе Таким образом, ДGj== (ДGjАI 2 Si 2 ОS(ОН)4 + ДGjCа 2 +) (ДGjCаАI 2 Si 2 О 8 + ДGj2Н+ + + ДGjН 2 О) == ( 904 + ( 132,2» ( 955,6 + о + ( 56,7» == 1036,2 + + 1012,3 == 23,9 ккал.моль 1. (1.7) Этот результат показывает, что анортит будет реаrировать с ионами водорода в водных растворах, и в итоrе образуется rлинистый минерал каолинит и ионы каль ция. Отрицательное значение изменения свободной энерrии свидетельствует о том, что реакц я протекает самопроизвольно. Данные аналоrичных расчетов для десяти друrих силикатов изверженных пород при ведены в табл. 1.3. Для Toro чтобы упрос тить сравнения между разными химичес кими уравнениями, результаты расчетов, полученные в ккал. моль 1, следует затем перевести в ккал. r . атом 1 путем деления Таблица 1.3. а) Уравнения выветривания, записанные в виде уравнений реакций распространенных породообразующих силикатных минералов с водной фазой [183] I 1. Fe 2 Si0 4 + 1/202 ----+ Fе 2 О з + Si0 2 2. Mg 2 Si0 4 + 4Н + ---+ 2Mg 2 + + 2Н 2 О + Si0 2 3. МgSiО з + 2Н + ---+ Mg 2 + + Н 2 О + Si0 2 4. СаМg(SiО З )2 + 4Н + ----+ Mg 2 + + Са 2 + + 2Н 2 О + 2Si0 2 5. Mg 7 Si B 0 22 (ОН)2 + 14Н+ ---+ 7Mg2+ + 8Н 2 О + 8Si0 2 6. Ca2Mg5SiB022 (ОН)2 + 14Н + ---+ 5Mg 2 + + 2Са 2 + + 8Н 2 О + 8Si0 2 7. CaAl 2 Si 2 0 B + 2Н + + Н 2 О ---+ Al 2 Si 2 0 5 (ОН)4 + Са 2 + 8. 2NаАISi з О в + 2Н + + Н 2 О ---+ Al 2 Si 2 0 5 (ОН)4 + 4Si0 2 + 2Na + 9. 2КАISi з О в + 2Н + + Н 2 О ---+ Al 2 Si z 0 5 (ОН)4 + 4Si0 2 + 2К + 10. 2КАl з Si з 0 1о (ОН)2 + 2Н + + 3Н 2 О ---+ 2К + + 3Al 2 Si 2 0 5 (ОН)4 б) Величины свободных энерrий rиббса для реакций выветривания 1 10, приведенных в табл. 1.3, а [183] Минерал I1GJ, ккал'r,атом l I1Gj, ккал. моль 1 1. Оливин (фаялит) 2. Оливин (форстерит) 3. Пироксен (клиноэнстатит) 4. Пироксен (диопсид) 5. Амфибол (антофиллит) 6. Амфибол (тремолит) 7. Са полевой шпат (анортит) 8. Na полевой шпат (альбит) 9. К полевой шпат (микроклин) 10. Слюда (мусковит) 52,7 44,0 20,9 38,1 137,2 123,2 23,9 23,1 17,3 17,3 6,58 4,00 2,98 2,72 2,49 2,24 1,32 0,75 0,32 0,32
19 Происхождение частиц осадочноrо материала на число атомов в продуктах каждой peaK ции. Необходимость такой поправки опре деляется тем, что значение I1.Gj зависит от количества атомов в молекуле, а при cpaB нении сопоставляются количества энерrии, высвобождаемые набором атомов, являю щихся продуктами реакции. Окончатель ные результаты (табл. 1.3,6) хорошо COOT ветствуют данным, полученным при поле вых исследованиях, подобных тем, о KOTO рых rоворилось выше. Следует подчерк нуть, что все рассмотренные реакции вклю чают в себя полное окисление, которое вполне возможно в наиболее хорошо дpe нируемых, но влажных rоризонтах коры выветривания. Изложенные в настоящем разделе дaH ные должны бьти бы привести нас к предположению, что кварц, мусковит и op токлаз будут преобладать среди класти ческих минеральных компонентов, обра зующихся вследствие эрозии из BЫBeTpe лых изверженных и метаморфических по род. Однако опыт подсказывает, что хотя кварц, несомненно, и является наиболее распространенным кластическим минера лом, распространенность друrих первичных'..' минералов весьма изменчива и зависит от ряда факторов, таких, как климат и тип выветривания, распространенность пород, содержащих те или иные минералы, TBep дость минералов, первоначальный размер их зерен, скорость осаждения и др. Важ ную роль иrрают также минералы, вновь образованные в процессе выветривания; они будут рассмотрены в следующем раз деле. lд. Продукты разрушения пород и вновь образованные минералы. Происходящие в процессе выветривания реакции окисления и rидролиза обычно приводят к высвобож дению щелочных и щелочноземельных эле ментов (К, Na, Са, Mg) и их переводу в раствор в виде rидратированных ионов; остаточными продуктами этих реакций яв ляются кремнезем и алюмосиликаты. Железо со ст"епенью окисления + 2 теряет один электрон и переходит в устойчивую нерастворимую форму со степенью окисле ния + 3. Реакции, приведенные в табл. 1.3, а, являются верными с точки зрения TepMO динамики, но в природе основным источ 2* ником ионов водорода служит ДИССОllиация уrольной кислоты, образующейся при paCT ворении в воде уrлекислоrо rаза: Н 2 О + СО2 Н2СОз Н+ + НСО-З, (1.8) так что высвобожденные щелочные и ще лочноземельные элементы быстро образу ют растворимые карбонаты или бикарбо наты. Например, 2КАlSi з О в + Н 2 СО з + Н 2 О----+ ортоклаз уrольная вода кислота ----+ К 2 СО з + A1 2 Si 2 0s(OH)4 + 4Si0 2 (1.9) карбонат каолинит KpeM калия незем (Кислая среда) или 4КМg2Fе(ОН)2АlSiЗОl0 + 12Н 2 СО з + биотит уrольная кислота + пН 2 О ----+ 4КНСО з + 8Мg(НСО З )2 + вода бикарбонат бикарбонат калия маrния + 2Fе20з. пН 2 О + 2A1 2 Si 2 0 s (ОН)4 + rидратированная окись железа каолинит + 8Si0 2 , кремнезем (t .10) а также хорошо известная реакция, при водящая к химическому разрушению из вестняков: СаСО з + 2Н 2 СО з Са(НСОЗ)2 + Н 2 О + кальцит уrольная бикарбонат. вода кислота кальция +СО 2 . уrлекис лый rаз Одной из наиболее важных rрупп вновь образованных в коре выветривания мине ралов являются 2линистые минералы. Ими может бьпь представлена основная часть элювия (остаточноl"О продукта выветрива ния). rлинистые минералы MorYT леrко переноситься к месту отложения, rде в слу чае отсутствия постседиментационных прео6разований (rл. 27, 28) они дают нам ценную информацию об условиях выветри вания. Каолинит образуется на кислой CTa дии rумидноrо выветривания пород, обоrа
20 Часть 1 щенных полевыми шпатами, посредством реакций, подобных приведенным выше «1.9) и (1.10». Нллит (rидратированный силикат калия и алюминия) образуется на щелочной стадии выветривания полевых шпатов и слюд в случае, коrда выщела чивания подвижных катионов, подобных калию, не происходит. Монтмориллонит (смешанослойный силикат) образуется на щелочной стадии выветривания основных изверженных пород в условиях дефицита ионов к+. Ниже (разд. 1з) мы рассмотрим rруппы rлинистых минералов. lе. Физическое выветривание. Две наиболее важные формы физическоrо выветривания морозное и солевое" выветривание. В ходе обоих процессов при кристаллизации TBep дой фазы из раствора в мельчайших Tpe щинах возникают напряжения. Морозное выветривание частично является результа том аномальноrо расширения и уменьше ния плотности во время замерзания воды (разд. Iв). Увеличение объема примерно на 10% приводит к возникновению в неболь ' ших трещинах напряжения растяжения, дo статочноrо для расщепления и расширения трещины. Величины этих напряжений, воз никающих при простом расширении, MorYT быть превзойдены в 1 О раз в результате дополнительных напряжений, обусловлен ных образованием скоплений параллель ных иrольчатых кристаллов льда, растущих по нормали к замерзающей поверхности. Если в небольшую трещину поступает HO вая порция воды, то напряжения, связан ные с ростом кристаллов, оrраничиваются только натяжением воды, которая «под тяrивает» молекулы Н 2 О к концам paCTY щих кристаллов посредством капиллярных пленок. Морозное выветривание наиболее действенно в тонких трещинках и расще линах неправильной формы в условиях от YMepeHHoro до субарктическоrо климата, коrда ежедневно чередуются таяние и замо раживание. Иноrда процесс ежедневноrо замораживания и оттаивания, и порой в значительных масштабах, наблюдается в жарких пустынях, rде зимние дожди и роса дают достаточное количество влаrи. Раньше солевое выветривание как вид выветривания резко недооценивалось. По видимому, имеют место следующие факто ры, посредством которых поступление co лей может вызывать напряжения, приводя щие к разрушению породы: rидратация, разоrрев и рост кристаллов [169, 31 1]. Последние два фактора, вероятно, наибо лее важны. Они действуют в пустынях и прибрежных районах на всех широтах, rДе концентрируются соли и rде роса, прибреж ный туман, морские брызrи и обычные осадки поставляют необходимую жидкую фазу. Напряжения, возникающие за счет роста кристаллов, сильно зависят от по ристости пород. Особенно велико их влия ние в пористых осадочных породах. По своей способности разрушать породы соли неодинаковы. Наиболее активны в этом отношении сульфаты натрия и маrния. Ha пряжения, связанные с ростом кристаллов, отмечаются в извилистых трещинах, Haxo ходящихся под давлением. Внезамкнутых пространствах, rде соли кристаллизуются вследствие испарения, не происходит из менения объема, и, следовательно, напря жения не MorYT иметь места. В настоящее время полarают, что cy точные изменения температуры в пусты нях не MorYT приводить к расслоению по род, поскольку в мноrочисленных лабора торных экспериментах этот процесс не yдa лось воспроизвести. Расслоение относят за счет отщепления частично выветрелоrо хи мическим путем внешнеrо слоя породы, причем выветривание нередко приурочено к затененным поверхностям породы, rде oco бенно сильно и длительно проявляется воздействие поверхностной влаrи. Однако, несмотря на приведенные выше замечания относительно влияния физи ческоrо выветривания, можно утверждать, что, по видимому, на большей части по верхности Земли оно иrрает подчиненную роль по сравнению с химическим BЫBeт риванием. lж. Вынос осадочНо....о материала. Можно предположить, что твердые кластические зерна выносятся из разных районов по разному. Наиболее важными с rеолоrи ческой точки зрения контролирующими факторами являются климат, растительный покров, литолоrический состав пород, а TaK же рельеф. Однако возделывание земель и вырубка лесов в прошлом и в настоя
21 Пронсхожденне частнц осадочноrо матернала щее время привели к значительным из менениям, особенно в низких широтах. Об разовавшийся в результате химическоrо и физическоrо выветривания обломочный материал отделяется от обнажающейся на поверхности земли массивной породы со скоростью, зависящей от литолоrическоrо состава этой породы, а также от эффек тивности процесса сноса. Последний KOHT ролируется rлавным образом количеством осадков. Скорость траНСIIОРТИРОВКИ CBO бодноrо обломочноrо материала eCTeCTBeH ными водотоками в речные системы затем контролируется характером поверхностных склонов и величиной стока осадков. Oca дочный материал, образовавшийся на по верхностных склонах водосборноrо бассей Рис. 1.4. а взаимоотношение между средним ['одовым количеством атмосферных осадков и выносом осадочноrоматериала(денудацией)(по Шумму [721]) С учетом обобщенноrо влияния сезонности по. Уилсо.ну [875]; 6 rипотетические связи между средним ['одовым количеством aT мосферных осадков и выносом осадочноrо Ma териала: 1 до развития растительноrо покрова суши (досилурийское время); 2 появление при митивной pac тительности (силур девон); 3 появление ЦBeT ковых растений и хвойных деревьев (карбон юра); 4 появление трав (поздний мел) (по Шум му [721]). (а) :s: 400 t:[ 't:[ <u О t:[ ..... 7. ::t :s: :.: 1:; . .... 200 t>: t>: :I: О. U O IJ <# / '! / //../ / /.0С; <# //.':>.'l.J / "" ,.,0 CJ'l.J 200 400 800 Среднее rодовое количество осадков, мм на, переносится речной системой со CKO ростью, зависящей от силы потока (разд. 5r). Увеличение поверхностноrо стока в слу чае водосборноrо бассейна заданноrо раз мера способствует увеличению объема по ставляемоrо осадочноrо материала. По верхностная растительность будет препят ствовать этой тенденции. Аридные и семиа ридные районы характеризуются неболь шим растительным покровом. Возрастание роли травяноrо покрова и лесов с увеличе нием количества осадков будет способство вать резкому уменьшению количества CHO симоrо поверхностным стоком со склонов выветрелоrо материала. Соотношение меж ду этими двумя факторами показано на рис. 1.4 [486]. Увеличение количества ocaд ков выше примерно 1000 мм может вызы вать ослабление сдерживающеrо влияния растительноrо покрова, что приведет к по степенному увеличению выноса осадочноrо материала, особенно в условиях сезонноrо и мyccoHHoro климатов [875]. Важно OTMe тить, что рис. 1.4 построен rлавным обра зом на основании данных по небольшим BO досборным бассейнам центральной части США. Даже если в друrих районах абсолют ное значение выноса осадочноrо материала иное, общая тенденция будет оставаться той же. (6) 1200 os 4 1:; os :s: g. .... os ::t 2 о 3 :I: ::r о t:[ os u О u О :I: 2 ':s: :i3 :I: '" 5 .... :s: u о :I: .... О 3 2 4 о 200 400 600 800 Среднее rодовое количество осадков, мм
22 Часть 1 Можно предположить вслед за Шуммом [721], что в rеолоrическом прошлом в дo кембрии и раннем палеозое (4500---400 МЛН. лет назад) из за отсутствия на суше расти тельноrо покрова сдерживающее влияние последнеrо на увеличение выноса осадочно ro материала при возрастании поверхност Horo стока не проявлялось. Поэтому в Цe лом поверхность Земли, по видимому, вела себя подобно поверхности современных полузасушливых семиаридных районов. П роrрессировавшее уменьшение выноса осадочноrо материала во внутренних рай онах с rодовым количеством осадков свыше 250 мм, видимо, определялось развитием хвойных лесов в раннем мезозое и, что ca мое важное, трав в раннем мелу (рис. 1.4). Некоторые авторы предпринимали попытки построить мировые KapThI CKOpO стей выноса осадочноrо материала. В своем замечательном исследовании Фурнье [274] приводит такую карту, составленную на oc нове эмпирическоrо уравнения, полученноrо при допущении, что вынос осадочноrо MaTe риала является функцией количества ocaд ков и рельефа. Он оперировал данными при мерно по 80 отдельным водосборным бассейнам. На сходной карте, построенной Страховым (рис. 1.5), виден максимальный вынос осаДОЧНQrо материала в тропических районах с периодами сезонных дождей. В направлении к экваториальным районам, rде сезонные факторы отсутствуют, вынос уменьшается. Уменьшение происходит и по направлению к аридным зонам (как жарким, так и холодным) с небольшим количеством осадков. Влияние рельефа 01Четливо видно в районах Кордильер и rималаев. Друrие авторы отмечают, по существу, те же TeH денции, однако они при водят величины BЫ носа осадочноrо материала, отличающиеся более чем на порядок по абсолютным значе ниям. Такое большое расхождение отражает большие трудности при отборе данных и при про ведении подобноrо p дa исследо ваний. Особый интерес представляют карты, показывающие вынос твердоrо oca дочноrо материала из бассейнов больших рек (рис. 1.5). Следует обратить внимание на то, что связь между размерами BOДO сборных бассейнов и выносом осадочноrо материала невелика. Она зависит от множе ства друrих климатических, ороrрафических и литолоrических факторов; сюда же сле дует добавить и очень важные антропо rенные воздействия, являющиеся результа том сельскохозяйственной деятельности че ловека в течение нескольких тыIячелетий.. Рис. 1.5. Мировое распределение величины Me ханической денудации, водосборные бассейны крупнейших рек и приблизительное значение разrрузки твердоrо материала, осаждающеrося вблизи устьев рек (по Страхову [798] и CTOД дарту [792]). ДЕНУДАЦИЯ, T'KM 2 ..: :".":::::::.::; ....,........... > 100 .:...::: :. ::::-:.: 1.:"." :: .:'.: :j 10 100 D<IO
23 Пронсхождение частиц осадочноrо матернала 1з. Кластические частицы и идентификация их источников. В кластическом осадочном материале среди зерен песчаной и алеврито вой размерностей (см. rл. 4) наибольшим распространением пользуются зерна KBaJr ца. Срезы отдельных кристаллических KBap цевых частIЩ при скрещенных николях MO rYT иметь прямое или волнистое поrасание. Недеформированный вулканический кварц имеет прямое поrасание, в то время как кварц изверженных rлубинных и MeTaMOp фических пород имеет либо прямое, либо волнистое поrасание. Последнее является следствием деформации кристаллической решетки. Недавно проведенные статистиче ские исследования [58] показали, что cpeд нее значение уrла поrасания частиц кварпа метаморфических пород больше 50, тоrда как rлубинных изверженных пород меньше 50 (рис. 1.6). Частицы кварца MorYT быть как MOHO , так и поликристаллическими. Почти все частицы кварца вулканическоrо проис хождения относятся к монокристаллическо 35 30 :i 25 !ОО u О 20 os :J" <u cl. !ОО 15 u os !ОО 10 о !ОО U os ::r' 5 Маrматический кварц (п == 335 ) Метаморфический кварц ( п == 571) о O l 4 S 8 9 12 13 16 1120 21 24 2S 28 29 2 3 6 7 1O 1l 14 IS 18 19 22 23 26 27 30 31 Истинный уrол волнистоrо поrасания (в rрадусах) Рис. 1.6. Частотные кривые, показывающие pac пределение истинных уrлов волнистоrо поrаса ния в зернах обломочноrо кварца rлубинных и сла.бометаморфизованных пород. Обратите внимание на значительное перекрытие кривых. Величины основаны на данных универсальных измерений (по Басу и др. [58]). му типу. В rлубинных изверженных породах содержание полuкристаллuчеСКО20 кварца минимально (рис. 1.7); оно возрастает в BЫ сокометаморфизованных породах и дости raeT максимума в слабометаморфизо ванных. Точно так же количество монокри сталлов в поликристаллическом кварце является наибольшим в слабометаморфизо ванных породах и наименьшим в силъноме таморфизованных rлубинных изверженных породах (рис. 1.7). Нанося информацию об этих свойствах кварца на двойную TpeXKOM понентную диаrрамму, а также используя ПОJJИКРИСТaJIJIИ\IССКИЙ кварц (2-3 единичных кристалла на зерно; > 75'! rюликристаллическоrQ кварца) Кварц с ВОЛНИСТЫМ поrасанием . ] .2 +3 .4 Поликристаллический кварц (> 3 единичных кристаллов на зерно; >25% поликристаллическоrо кварца) Рнс. 1.7. Трех компонентные диаrраммы, по казывающие распределение отдельных типов кварца из различных пород. 1 хлоритовая и био титовая зона; 2 rpaHaT и силлиманит; 3 rpaHY литовая зона; 4 маrматические rраниты (незату шеванные значки аномальные образцы) (по Басу и др. [58]). данные изучения состава кварца известноrо происхождения в современных водотоках для осадков первоrо цикла (т. е. не подвер rавшихся переотложению) (разд. 1и), можно получить полезный индикатор для опреде ления источника частиц (рис. 1.7). Полевошпатовые зерна представлены ще лочными полевыми шпатами (ортоклазом, микроклином), пертитом и плаrиоклазом (от альбита до анортоклаза). Относительная распространенность частиц полевошпа товых минералов обычно отражает ряд устойчивости этих минералов к химическо му выветриванию. Микроклин широко pac пространен как в метаморфических поро дах, так и в rлубинных изверженных породах. Состав плаrиоклазов изменяется в зависимости от химическоrо состава rлу бинных изверженных, а также метаморфиче
24 Часть 1 ских пород. В водотоках с большими укло нами, rде часты сильные соударения частиц, сдвоенные кристаллыI (особенно в случае карлсбадскоrо двойникования) имеют TeH денцию к разрушению вдоль плоскостей двойникования. Поэтому их количество рез ко уменьшается [641]. Сложные плаrиокла зовые двойники в меньшей степени подвер жены такому воздействию. Небольшое содержание полевых шпатов во мноmх пляжных песках (по сравнению с речными песками), по видимому, отражает склон ность частиц полевых пrnатов к разруше нию вследствие их раскалывания по Tpe щинам в области прибоя. Ф ра2менты пород полезно подразделить на внутриформационный и экзотический типы. К внутриформационным фраrментам относятся преимущественно нетвердые обломки суrлинка, вынесенные из илистых пластов, к экзотическим целая raMMa фраr ментов изверженных, метаморфических и осадочных пород. Более крупнокристал лические rлубинные породы, сланцы и rнейсы обычно встречаются в виде более крупных обломков rравийной размерности, распадающихся в процессе последующеrо выветривания или абразии на свои мине ралъные компонентыI песчаной размерно сти. К числу важных обломков более тонкой размерности относятся фраrменты кислых вулканитов, стекловатых туфов, кремней, арmллитов и кварцитов. Тяжелые минералы редко составляют бо лее 1 % осадка или породы. Для исследова ния их необходимо отделить от рыхлоrо осадка или раздробленных пород, исполь зуя тяжелыIe жидкости (с плотностью более 2,8 r .CM 3) (см. [146]). Среди тяжелыIx мине ралов в наибольших количествах обычно встречаются непрозрачные минералыI Mar нетит и ильменит. Из прозрачных минера лов неибольшим распространением поль зуются твердые и устойчивые циркон, турмалин, рутил и rpaHaT. Высокое coдep жание турмалина служит индикатором обо rащенных бором плутонических питающих провинций. Очень ценные данные в этом смысле MorYT дать современные методы определения абсолютноrо возраста по OT ношению 40 Ar / 39 Ar в обломочном TypMa лине [27]. f'ранаты чаще Bcero встречаются в r линистыIx сланцах. Увеличение степени метаморфизма последних сопровождается уменьшением в них содержаний кальция и маrния, тоrда как в кристаллической pe шетке rpaHaTa содержания железа и маrния увеличиваются. Из друrих метаморфиче ских минералов в тяжелых фракциях BCтpe чаются ставролит, дистен и силлиманит. Xo тя исследования тяжелыIx минералов в настоящее время «немодны», их резуль таты (коrда они представлены в COOTBeT ствующей статистической форме) совместно с данными изучения палеотечений и палео rидравлики, а также с данными фациально ro анализа MorYT дать очень интересные pe конструкции древних речных бассейнов (рис. 1.8). Однако следует отметить, что после захоронения в пределах пласта MorYT происходить растворение и переосаждение, которые приводят к изменению абсолютно ro и относительноrо состава ассоциаций тя желых минералов. rлавными 2линucтыми минералами являются каолинит, хлорит и смешано слойные rлинистые минералыI. Основная структура rруппы rлинистыIx минералов xa рактеризуется чередованием октаэдриче ских слоев rnббсита и тетраэдрических слоев кремнезема (рис. 1.9). Во мноrих rли нистых минералах в обоих слоях происхо дит замещение ионов алюминия или KpeM ния. Это при водит К дефициту зарядов, который компенсируется межслоевыми Ka тионами. Каолинит образуется за счет полевых пrnатов на кислой стадии выветривания по средством реакций, подобных описанным уравнениями (1.9) и (1.10). Структура каоли нита проста и заключается в чередовании слоев mббсита и кремнезема. В структуре каолинита отсутствуют межслоевые Ka тионы, поскольку замещение кремния алю минием незначительно (в одном случае из 4(0). Каолинит составляет от 8 до 20% об щеrо содержания rлинистых минералов в современных океанских осадках и поль зуется наибольшим распространением в осадочном материале, образовавшемся в процессе выветривания в тропическом климате низких широт (рис. 1.1 О). И ллит находится в близком родстве с мусковитом, но отличается тем, что coдep жит больше кремния и меньше калия. В слоях кремнезема ионы АР + замещают
25 Пронсхождение частнц осадочноrо матернала ионы Si 4 + В отношении 1 : 7. Образующиеся при этом замещении свободные отрица тельные заряды уравновешиваются ионами К +, которые связывают смежные «сандви чи» вида кремнезем rиббсит кремнезем (рис. 1.9). Эти межслоевые ионы К + препят ствуют попаданию друrих катионов и моле кул воды, обусловливая малую емкость об мена, оrраничивающуюся лишь краями кристаллов. В некоторых почвах, подв.ер женных выщелачиванию, MorYT содержать ся де2радированные uллumы, которые имеют меньше ионов К +, чем следует (их высокая способность поrлощать ионы К + находит применение в сельскохозяйственной практи ке для повышения плодородия почв). Иллит составляет от 26 до 55% общеrо содержания rлинистыIx минералов в современных OKeaH ских осадках. Он наиболее распространен в районах, примыкающих к умеренным и полузасушливым континентальным обла стям (рис. 1.1 О). Рнс. 1.8. Пример использования распределения фракций тяжелых минералов в палеоrеоrрафиче ских реконструкциях; вельдские (нижний мел) фа ции Северо Западной Европы. 1 перенос обло мочноrо материала; 2 суша; 3 обоrащенные турмалином источники сноса; 4 флювиальная фация; 5 rpaHaT; 6 ставролит; 7 дистен; 8 апатит; 9 амфибол; lО пироксен (по п. Ал лену [26, 27]). м онmморuллонum принадлежит к rруппе. смектитов. В нем ион Mg 2 + замещает ион АI З + в слоях rиббсита в отношении 1 : 6. Mo rYT осуществлять и дмиrу, замещения, rлавным образом замещение иона Si 4 + ио ном АР +, а также иона АI З + ионом Fe 2 +. Образующиеся при таких замещениях CBO бодные заряды частично компенсируются небольшим числом межслоевых катионов, обычно ионами Na+ или Са 2 +. Между эти ми структурными слоями леrко адсорби руется вода. Поскольку базальное расстоя ние равно 1 21 А, в ero пределах MorYT поместиться 1 3 слоя воды. При наrревании до 1 0 2000C смектиты теряют межслоевую воду. Этот процесс обратим. Все смектиты обладают способностью к катионному об мену. Ero ОСНОВНОЙ причиной является He сбалансированность зарядов в каркасообра зующих слоях. В целом энерrия замещения у ионов с большим зарядом выше, а их спо собность К замещению меньше. Поэтому, например, ионы Са 2 + удерживаются более прочно. В современных океанских осадках количество монтмориллонита составляет 1 53% общеrо содержания rлинистыIx ми нералов. Наибольшей распространен ностью монтмориллонит пользуется в рай онах, rде породы OCHoBHoro или среднеrо состава подверrаются субаэральному BЫBe триванию или rальмиролизу (подводному выветриванию) в щелочных условиях MOp cKoro дна. Например, это материал, перено IOOKM L.............. 06 07 08 09 C!JIO
в высоких широтах, особенно в районах, подверженнь влиянию ледников (рис. 1.1 О). В современных океанских ocaд ках количество хлорита находится в преде лах 1 1 8% от общеrо содержания rли нистых минералов. К смешанослойным rлинистым минера лам относятся минералы, в кристалличе ской структуре которых различные слои че редуются друr с друrом. Это чередование может быть реryлярным или нереrулярным. Среди значительноrо числа разнь видов смешанослойных минералов наиболее важными с точки зрения седиментолоrии являются иллит монтмориллонитовые типы. Вкраще подчеркнем, что все rлинистые минералы в процессе диаrенеза и захороне- ния претерпевают существенные изменения. Поэтому представление о том, что характер rлинистых пород в «летописи» rеолоrиче ских событий будет отражать состав cвe жеотложенных rлин (rл. 28), является заблу ждением. 26 Часть 1 Октаэдрическая I I А е в шестерной координации Т етраэдрич е ска я / "'- S i в четверной координации I / I / I / I А! ( :' 51 З5i'IАt )k') "' " J ( I 0("') <к+) " " / I Мусковит I ( K +"20 +я Аf==, иллит) ( Mg (ОН)6 ) Каолинит ) ( Катионы + "20 ) ( ( ) ( ) ( Монтмориллонит Хлорит 1 2 1 1 2 1 1 1 1 2 2 2 1 1 1 2 Правильно е чередование Беспорядочное расположение ( Схема смешанослойных минералов: 1- слюда, 2 - монтмориллонит) Рис. 1.9. Схематическое представление структур основных rлинистых минералов (по Петтиджону и др. [635]). Обсуждение см. в тексте. симый в южную часть Тихоrо океана или встречающийся вдоль срединно океаниче ских хребтов (рис. 1.1 О). Х лорuт имеет сложную структуру, вкmo чающую «сандвичи» из слоев талька между слоями кремнезема, чередующиеся с «caнд вичами», состоящими из слоев талька меж ду слоями брусита (рис. 1.9). В незначитель ной степени в хлорите происходит замеще ние ионов Si 4 + и Fe 2 + ионами АР+ и ионов g2 + ионами АI З +. Леrкость окисления иона F е 2 + В слоях брусита означает, что хлорит может встречаться только в тех KO рах выветривания, rДе химическое выветри вание происходит в сильно восстанови тельнь условиях или процесс выветрива ния не идет. Распространение хлорита в современных океанских осадках, таким образом, отражает условия ero coxpaHHO СПl. Поэтому минерал наиболее обычен lи. Источники осадочноf'О материала, диффе ренциация и тектоника плит. Кластические осадочные зерна, образовавшиеся из MeTa морфических или изверженных пород в рай онах, удаленных от прибрежной полосы, можно назвать зернами первО20 ЦИкла. Впос ледствии, после повторения rеолоrическоrо цикла отложения, . литификации (rл. 28) и подъема, эти зерна уже сами по себе MorYT входить в состав пород районов, удаленных от прибрежной полосы. Зерна второю цикла, по видимому, образуются в результа те эрозии этих пород и т. д. В процессе Ka ждоrо цикла отложения, диаrенеза, подъема и выветривания зерна должны становиться более мелкими, более окатанными; при этом увеличивается количество зерен KBa ца (при этом роль поликристаллическоrо кварца уменьшается) и уменьшается количе ство зерен неустойчивых тяжелых минера лов. Иными словами, любые отложения вслед ствие таких процессов становятся все более «зрелыIи>>.. При палеоrеоrрафических pe конструкциях обычной ошибкой является предположение, что кластические осадки co стоят из зерен первоrо цикла; в действи тельности это случается редко.
27 Пронсхожденне частнц осадочноrо матернала Несмотря на указанное предостережение и наличие во мноrих кластических отложе ниях зерен разных циклов, ясно, что на coc тав кластических отложений сильное влия ние может оказывать взаиморасположение континентальных окраин и океанских бас сейнов, реrулируемое тектоникой плит. Ta ким путем мы можем сравнить устойчивые кристаллические и древние осадочные пи тающие ПРОВИНlIИИ типичных пассивных (Атлантический тип) континентальных окраин с вулканическими активными обла стями сноса активных (Андский тип) конти нентальных окраин. Используя точные CTa тистические методы, Валлони иМейнард [835] подразделили rлубоководные пески на основе средних процентных содержаний в них кварца (Q), полевых шпатов (F) и обломков пород (R), определяющихся влиянием тектоники плит. При этом Bыдe лились следующие минеральные ассоциа ции: а) пески пассивных континентальных окраин, имеющие состав Q62F 26R12; б) пес Рис. 1.10. Карты, показывающие распределение высоких содержаний различных rлинистых мине ралов в поверхностном слое донных осадКО8 океанов (по rриффину и др. [318]). Содержания даны в процентах от суммы rлинистых минера лов. Обсуждение см. в тексте. (а) КЗOJUlнит> 20% ки активнь континентальных окраин или зон субдукции С составом Ql0F sзRЗ1; в) пес ки зон rоризонтальноrо смещения с COCTa вом QЗ4F З9R27; r) пески тылвыЪIx дуrовь бассейнов, имеющие состав Q20 F 29RS1; д) пески преддуrовых бассейнов с составом QsF 17 R 7S' ДЛЯ распознавания обстановки седимен тации важнейшими характеристиками являются количество и тип обломков пород, а также тип полевых шпатов. 11(. Выводы. Кластические минеральные зерна и обломки пород образуются из из верженных, метаморфических и ранее обра зовавшихся осадочнь пород в процессе фи зическоrо выветривания. а также в ходе реакций окисления и rидролиза, протекаю щих при химическом выветривании. Мине ральный состав и объем кластических час тиц, образующихся в местах «подrотовки» осадочноrо материала, зависят от ряда фак торов: rеолоrии областей сноса, рельефа, климата, площади водосбора, а также co стояния растительноrо покрова. Кластиче ские зерна MorYT в некоторой степени свиде тельствовать о месте cBoero образования, однако при таком анализе возникают TPYД ности, обусловленные переработкой осадоч Horo материала в процессе последова тельных rеолоrических циклов и диаrенети ческн изменений (см. rл. 28). (6) Монтмориллонит >50% (в) ИтIит>40% (2) Хлорит > 20%
28 Часть 1 Литература, рекомендуемая для дальнейшеrо чтения Необходимый элементарный курс физической хи мии, охватывающий вопросы, рассмотренные в этой и последующих rлавах, имеется в книrе Краускопфа [475]. Более уrлубленно конкретные проблемы rеохимии осадочных пород paCCMa триваются в работе Бернера [74]. Вспомоrательный материал, касающийся иден тификации частиц пород, можно найти в боль.. шинстве петролоrических руководств. Среди них 2 назовем книrи Керра [447], Петтиджона [633], Петтиджона и др. [635]. Необходимые сведения по минералоrии rлин имеются в книrе rрима [320]. Методические стороны петроrрафичес ких исследований рассматриваются Карвером [146]. Освещение вопросов, касающихся источников частиц осадочноrо материала, мультициклично сти, подrотовки осадочноrо материала к перено су и мноrих друrих, можно найти в прекрасной книre Фолка [270], хотя изложенные в ней TeKTO нические КОlЩепции не связаны с современной тектоникой плит. Происхождение зерен карбоната кальция 2а. Введение. В отличие от рассмотренных в предыдущей rлаве обломочных или кла стических зерен частицы карбоната кальция обычно образуются в самом водоеме осаж дения и, как правило, имеют морское проис хождение. Происхождение и значение Ka бонатных зерен невозможно понять без некоторых предварительных знаний физиче ской химии СаСО з в растворах. Поэтому после KpaTKoro описания общих черт pac пределения современных морских карбо натных осадков мы рассмотрим химический состав морской воды, rлавные карбонатные минералы, а также некоторые из проблем, касающихся осаждения СаСО з . 2б. Современные морские карбонатные ocaд ки. На рис. 2.1 видно, что карбонатные осадки имеют очень широкое распростране Ние. Можно выделить три rруппы карбо натных осадков: а) Океанические БU02енные пела2ические карбонаты. Широко распространены в OKea нах (за исключением северной части Тихоrо океана, Арктики и Антарктиды), rде они приурочены к системе срединно океаниче ских хребтов и районам апвеллинrа (rл. 24, 26). Эти биоrенные карбонатные илыI HaKa пливаются на rлубинах, не превышаюIЦИХ 3,5 5 км. б) ШеЛЬфО8ые карбонаты субтропической и тропической ЗОН. Некоторые из более тща тельно исследованных районов указаны на рис. 2.1. Среди карбонатов преобладают биоrенные, однако в ряде мест важную роль иrрает неорrанически осажденный (xeMO rенный) СаСО з . в} ШеЛЬфО8ые карбонаты умеренных ЗОН распространены более широко, чем порой , считается, и являются суrубо биоrенными. Помимо этих морских карбонатов Kap бонатные частицы встречаются во мноrих пресноводных озерах и в озерах с повы шенной соленостью. Из картины распреде ления карбонатных осадков можно видеть (в самых общих чертах), что KOHцeHTpa ция СаСО з убывает в rлавных областях отложения кластических частиц, а также (за счет растворения СаСО з ) в rлубоко водных районах океана. 2в Состав пресных и морских вод. При сопоставлении средних составов речных и морских вод (табл. 2.1) Выявляются HeKOTO рые интересные факты. а) Концентрация растворенных солей в морских водах примерно в 300 раз боль ше, чем в пресных. б) Концентрации растворенных катионов
29 Пронсхождение частнц осадочноrо матернала в морских водах убывают в следующем порядке: Na+, Mg 2 +, Са 2 +, К +, paCTBO ренных анионов Сl , SO , НСО-З. COOT ветствующие ряды в пресных водах имеют вид Са 2 +, Na+, Mg 2 + и НСО-З, SO , Cl . Вследствие Toro что СООТНОlllения paCT воренных солей различны, можно считать, что морская вода не является просто KOH центрированной речной водой. Следова тельно, морская вода должна образовы ваться как за счет испарения, так u за счет ХИМИI<:о биолоrической дифференциа ции речной воды. Например, в солевом остатке речной воды концентрация Са 2 + Рнс. 2.1. Карта, показывающая картину распре деления СаСО з в донных осадках океанов и MO рей. Обратите внимание на приуроченность обо rащенных СаСО з осадков к фланrам и осевым зонам системы срединно океанических хребтов, а также на распространение мелководных карбо натов платформенноrо типа (по Брёккеру [125J и источникам, на которые имеются ссьтки там же). во MHoro раз больше, чем в солевом oc татке морской воды. Это, по видимому, отражает ту относительную леrкость, с KO торой Са 2 + выводится из морской воды под действием биолоrическоrо и в MeHЬ шей степени химическоrо осаждения по сравнению с тремя друrими rлавными Ka тионами: Na+, к+ и Mg 2 +. Указанные сведения подводят нас к теме дискуссии оrромной важности: претерпева ет химический состав океанских вод изме нения во времени или нет? Можно ДOKa зать, что по соотношению основных компо нентов в солевом остатке первичная океан ская вода бьmа, по видимому, ближе к COB ременным речным водам.. Это обусловлено тем, что основным процессом химической дифференциации, действующим в настоя щее время, является биолоrическое BЫBeдe ние СаСО з в твердые части скелетов жи вых орrанизмов. Такое выведение ускори лось начиная с paHHero кембрия и, по ви димому, достиrло максимальной скорости лишь в мезозое по мере эволюции очень распространенной пелаrической карбонат О<25 %СаСО з D 25 75 %СаСО з [[] > 75 % Са СО З Срединно океанические хребты
зо Часть 1 Таблица 2.1. Средний химический состав морских и речных вод, по Свердрупу и др. [804], Ливинr стону [510], rаррелсу и Томпсону [291] Концентрация, r. моль. л 1 Морская вода Ион Речная вода Морская вода Место в ряду Речная вода Место в ряду Na+ 0,47 (2) 2,7.10 4 (3) 1740 К+ 1,0.10 2 (5) 5,9 . 1 О s (7) 170 Са 2 + 1,0 . 1 О 2 (5) 3,8 . 1 О 4 (2) 26 Mg 2 + 5,4 . 1 О 2 (3) 1,7.10 4 (5) 318 Cl 0,55 (1) 2,2 . 1 О 4 (4) 2500 SO 3,8 . 1 О 2 (4) 1 ,2 . 1 О 4 (6) 317 НСО з 1,8 . 1 О 3 (6) 9,55. 1 О 4 (1 ) 1,9 рН 7,9 ",7 Ионная сила 0,65 0,002 ной микрофауны и флоры. Поэтому, воз можно, В течение rеолоrическоrо времени отношение Mg : Са в океанской воде посте пенно увеличивал ось [700] от такой незна чительной величины, как 0,25 (отношение в пресных водах), до cBoero COBpeMeHHO ro значения, paBHoro примерно 5. Этот процесс, видимо, оказывал rлубокое влия ние на минеральный состав карбонатных осадков, поскольку, как мы увидим даль ше, при высокой величине отношения Mg : Са в морской воде наблюдается TeH денция к преимущественному осаждению араrонита вместо кальцита. Подводя некоторый итоr рассмотрению замечательных свойств морской воды, можно отметить, что она является также хорошим буферным раствором с большой ионной силой. Под словами «хороший бу ферный раствор» подразумевается то, что раствор содержит компоненты, которые осуществляют «бдительный контроль» за изменением величины рН. Поверхностная морская вода имеет величину рН, равную 7,878,3. В следующих разделах этой rла вы будут рассмотрены некоторые из хими ческих реакций, которые поддерживают постоянным рН среды. Вкратце поrоворим об ионной силе. Растворимость карбоната кальция в чистой воде может быть рассчи тана на основе термодинамических дaH ных. Однако обнаружено, что в растворе, подобном морской воде, в котором в боль ших количествах присутствуют друrие ионы, растворимость карбоната кальция во MHoro раз выше. Ионы морской воды вместе с полярными молекулами Н 2 О име ют тенденцию rруппироваться BOKpyr про тивоположно заряженных ионов Са 2 + И CO и препятствовать объединению этих ионов, приводящему к осаждению карбо ната кальция. Друrими словами, paCTBO римость СаСО з в морской воде возрастает. Чем выше заряд указанных ионов «заrряз нителей», тем больше эффект. Вследствие образования комплексных ионов и ионных пар растворы, подобные морской воде, Ha зьmают растворами с большой ионной си лой. Морская вода имеет ионную силу около 0,7, тоrда как пресная вода поряд ка 0,002. Вследствие такой разницы в ион ных силах растворимость СаСО з в морской воде HaMHoro выше, чем в пресной (более подробно см. в работе [475]). 2r. rлавные карбонатные минералы. Карбо нат кальция существует в двух минераль ных формах в виде кальцита и apa20 нита. Как кальцит, так и араrонит MorYT образоваться вследствие осаждения абио rенным путем или посредством биолоrи ческоrо секретирования в твердых частях мноrочисленных орrанизмов. Из пресных вод араrонит не осаждается. Свойства обоих минералов приведены в табл. 2.2. В условиях поверхности Земли араrонит является метастабильным, будучи карбона том, находящимся в равновесном состоя нии при высоких давлениях, что обнаружи вается в фации метаморфизма rолубых
31 Происхожденне частиц осадочноrо материала Таблица 2.2. Произведения растворимости (К) и произведения активностей ионов (IAP) дЛЯ кальцита, доломита и араrонита в морской воде при 25 0 С. Произведения растворимости для кальцита и араrонита по Бернеру [74], для доломита по Хсю [389]. IAP дЛЯ СаСО з приблизительное среднее значение для поверхностной морской воды при 25 0 С по Бер неру [74], IAP для доломита по Хсю [389]. Обратите внимаНl!е на то, что поверхностная морская вода является пересыщенной относи тельно всех rлавныx карбонатных минералов Минерал К IAP IАР/К Кальцит 4,0 . 10 . } 1,35. 1 О 8 3,4 Араrонит 6,3 . 1 О 9 (СаСО з ) 2,1 Доломит 1.0 . 1 О 17 1.0 . 1 О 15 '" 1 00 сланцев. Мноrие из проблем диаrенеза Kap бонатов касаются BpeMeHHbJX и химических оrpаничений преобразования араrонита в кальцит и растворения араrонита (rл. 29). Важным следствием сходства величин зарядов и радиусов ионов Са 2 + и Mg 2 +, а также характера структуры кристалличе ской решетки кальцита является то, что в кальците возможно широкое замещение иона Са 2 + ионом Mg 2 +. Поэтому правиль нее записывать формулу кальцита в виде (Са! xMgx) СО з , rде х обычно находится в пределах 0,01 0,25, никоrда не превы шая значений около 0,4. Кальциты с co держанием МgСО з более 5% известны как 8ысокомаzнезиальные кальциты. Содержа ние маrния в некоторых твердых частях орrанизмов, по видимому, связано с темпе ратурой ; в более теплых водах Mg coдep жится больше. Ионы Са 2 + MorYT также за мещаться небольшим количеством ионов Fe 2 + (до нескольких тысяч частей на мил лион), что при низких значениях Eh приво дит к образованию железистых кальци тО8. Замещение ионов Са 2 + следовыми KO личествами ионов мп 4 + вызывает свечение кальцита под действием бомбардировки катодными лучами. Если привнос ионов мп 4 + при кристаллизации кальцита изме няется во времени, то исследование люми несценции позволяет обнаружить индика торные зоны роста, которые в стратиrpа фических разрезах зачастую можно закар тировать. Если араrонит является абиоrенно осаж денной фазой, то ero кристаллическая pe шетка не может присоединять ион Mg 2 + , хотя В некоторых случаях араrонит корал ловых скелетов может содержать около 0,001% Mg 2 +. Араrонитовые решетки MorYT присоединять стронций до максимальных концентраций около 1 %. Форма кристаллов араrонита в химически осажденных и в некоторых биоrенных фазах (карбонатные водоросли) обычно волокнистая, тоrда как кристаллы кальцита MorYT иметь волок нисто ромбовидную форму ИЛИ форму «co бачьих зубов» (скаленоэдрическую). Двойной карбонат доломит, СаМg(СО З )2, в основном является диаrенетическим ми нералом (rл. 29). Ион Mg 2 + может заме щаться ионом Fe 2 + в ряду твердых paCTBO ров доломит анкерит, (CaMgo,7sFeO,2S) (СО З )2. Чистые железисто кальциевые Kap бонаты в природе неизвестны. Кристалли ческая решетка доломита в высокой степе ни упорядочена. В ней чередуются слои катионов и rрупп CO , в которых катион ные слои попеременно представлены иона ми Са 2 + и Mg 2 + (см. рис. 29.13). Современные мелководные тропические и субтропические отложения карбоната кальция сложены преимущественно aparo нитом и высокомаrнезиальным кальцитом, тоrда как мелководные карбонаты YMepeH ных широт представлены rлавным образом кальцитом. Распознаванию карбонатных минералов значительно способствуют методы окраши вания в шлифах и образцах. Таким путем можно различить кальцит, железистый кальцит, высокомаrнезиальный кальцит, араrонит, доломит и железистый доломит (приложение 2.1). 2д. XeMoreHHoe осаждение карбонатов. OT личительная особенность поверхностной морской воды пересыщение в отношении араrонита, кальцита и доломита (табл. 2.2). Тем не менее осаждение СаСО з абиоrен ным путем оrраничено лишь несколькими тропическими и субтропическими района ми, rде оно количественно менее важно по сравнению с биоrенным осаждением СаСО з . Хотя морская вода и пересыщена в отношении араrонита, кальцита и доло мита, непосредственно из нее осаждается
32 Часть ] только первый минерал этой rруппы (иc ключение составляет область диa2eHeтu ческuх поровых вод). Осаждение СаСО з определяется следую щими реакциями: Н 2 О + СО 2 вода двуокись J уrлерода СаСО з + Н2СОз Са2+ + 2НСО-З. (2.1) карбонат уrольная ион бикарбонат кальция кислота кальция ион Эти реакции показывают, что осаждению блаrоприятствуют процессы, уменьшаю щие содержание в растворе СО 2 (т.е. уменьшающие парциальное давление Р со). Такими процессами MorYT быть HarpeBa ние или орrанический фотосинтез. В MOp ской воде большая часть СО 2 находится в форме аниона НСО-З, образующеrося в результате реакций СО 2 + Н 2 О Н 2 СО З , Н2СОЗ Н+ + НСО-З, Н+ +СО НСО-З. Увеличение щелочности влечет за собой увеличение содержания CO за счет peaK ции НСО-З + OH CO + Н 2 О. (2.5) Из уравнений (2.3) и (2.4) видно, что уrоль ная кислота диссоциирует ступенчато, по этому константа диссоциации К для каж дой из реакций может быть написана в виде [Н+] [НСО-З] == к == 10 б,4 [Н 2 СО З ] 1 , [Н+] [CO ] к == 10 10,З [НСО-З] 2 . Поэтому в ходе реакции (2.3) образуется более кислый раствор, однако эта кислота довольно слабая. При обычном значении рН в пределах 8, 1 8,3 морская вода co держит как ион НСО-З, так и большое количество недиссоциированных молекул Н 2 СО З , а также HeMHoro ионов CO (рис. 2.2). Два первых компонента являются rлавными составными частями буферной системы морской воды. Увеличению ее кислотности препятствуют прямая (идущая слева направо) реакция (2.4) и обратная Величина рН, характерная для поверхностноЙ МОрСКОЙ БОДЫ 2,5 6,5 I 1,5 1,0 2 рН образца Рис. 2.2. Изменение соотношения компонентов щелочности морской воды в зависимости от рН. См. в тексте реакции (2.2) (2.5) (по Клауду [157]). (2.2) (2.3) (2.4) (идущая справа налево) реакция (2.3). Кроме Toro, как буфер будет действовать и Haxo дящийся в контакте с морской водой He растворенный СаСО з в реакции СаСО з + Н+ Ca2+ + НСО-З, (2.8) т. е. в случае увеличения кислотности будет растворяться большее количество карбона та кальция. Увеличению щелочности морской воды будут препятствовать также прямая peaK . ция (2.5) и осаждение СаСО з в ходе peaK ции Са 2 + + НСО-З + OH СаСОз + Н 2 О. (2.9) (2.6) Сказанное выше объясняет хорошие бу ферные свойства морской воды. Воды суши с малой щелочностью, наоборот, обладают очень слабыми буферными свойствами. Отложения карбоната кальция, происхо ждение которых, по мнению некоторых ис следователей, связано с абиоrенным oca ждением, обнаружены в нескольких местах, особенно в районе Баrамских островов, в Персидском заливе и в Мертвом море. Во всех случаях ero минеральной формой является араrонит, кристаллыI KOToporo размером несколько микрон имеют xapaK терную иrольчатую форму. В Мертвом море случаи MaccoBoro осаждения связы вают с развитием призрачных вайтиН20в больших неправильной формы белесых пя тен араrонитовой взвеси, внезапно по являющихся в поверхностных водах. Вай тинrи MepTBoro моря [605] сопрово ждаются немедленным уменьшением KOH (2.7)
33 Пронсхождение частиц осадочноrо материала центрации НСО з в водной массе, что свидетельствует об осаждении СаСО з по средством указанной выше обратной peaK ции (2.1). Химические данные по Персид скому заливу отсутствуют, однако размер и природа вайтинrов, по видимому, указы вают на абиоrенное выделение карбонат Horo материала. Причиной вайтинrов было увеличение потребления СО 2 во время пе риодическоrо цветения диатомовых BOДO рослей. Однако при этом возникает новая проблема, связанная с полным OTCYT ствием сохранившеrося араrонита в ДOH ных осадках открытой части Персидскоrо залива (rл. 23). Изменение химическоrо состава xo лодных вод Атлантики во время их прохо ждения над обширными мелководьями Ба (а) Время пребывания Соленость * ..... Изобаты Вайтинr L.............. ....... 4r . ...." :;1. о'" БИ": / h 0'('. Ь:: :::. ,',Б J \;. Океанский \;:зык С 30км о. Андрос Рис. 2.3. а, б карты, на которых показано cpeд нее время пребывания океанской воды на плат форме Баrамских банок, типичные величины co лености и рассчитанные скорости осаждения СаСО з ; в связь между произведением активно стей и временем пребывания воды. Уменьшение пересыщенности (характерной для океанских вод) приблизительно до насыщения с увеличением времени пребывания отчетливо указывает на абиоrенное осаждение (по Брёккеру и Такахаси [ 126]). 3 91 rамских банок, rде вода наrревается, Ha rлядно иллюстрируется рис. 2.3. Обратите внимание на увеличение солености и уменьшение концентрации карбоната кальция (свидетельствующее о ero осажде нии) в направлении от Флоридскоrо про лива через Большую Баrамскую банку. OT метьте также приуроченность вайтинrа именно к району таких изменений химиче cKoro состава BOДbI. Скорость выведения СаСО з определяется путем деления дефи цита СаСО з на среднее время пребывания на банках единичных объемов BOДbI. Пер воначалъно среднее время пребывания бы ло рассчитано на основании данных о по ступлении из атмосферы изотопа 14С, образовавшеrося при атомных взрывах [126]. Средняя скорость осаждения (6) .......70.......... Скорость осаждения СаСО 3 , Mr.cM 2 .roA 1 \:\\ .......... 2 /./\'.......\ .......... ........ :. ". .............. о" 2,0 . (в) Открытый океан 1.8 о u C<:I u ,:;: с1.> 1:; О :r: :s:: ... :.: C<:I с1.> :s:: g :s:: о о.. t:: ос> I ::) 00 ::::. 1,6 :. \ о"" о u 1,4 о ;:s C<:I U 1,2 <::s 1,0 о 0,8 О 300 100 200 Время пребывания сут.
34 Часть 1 СаСО з , полученная таким путем, COCTa вляет около 50 Mr . см 2 . rод 1. Высказы валось предположение, что такие измене ния химизма свидетельствуют о некотором абиоrенном накоплении СаСО з в этом районе (вероятно, до 50% вcero СаСО з ). Однако здесь возникают трудности, свя занные с тем, что содержание 14С в aparo ните, отобранном в вайтинrах, не COOTвeT ствует ero концентрации в обоrащенных 14С поверхностных водах, из которых oca ждался этот минерал. Содержание 14С в араrоните вайтинrов было идентично об наруженному в араrонитах со дна лаrун. Из этоrо следует, что вайтинrи в paCCMa триваемом районе должны в значительной мере отража ть периодические эпизоды вториЧН020 перехода ара20нита во взвешен ное состояние. В разд. 2ж будет paCCMO трен вопрос о биоrенной природе большей части араrонита в современных Баr'амских лаryнах. Выше уже отмечалось, что хотя морская вода и заметно пересыщена в отношении араrонита, кальцита и доломита, лишь первый из этих минералов, по видимому, осаждается непосредственно из морской воды. Почему же это происходит? В результате мноrочисленных эксп ри ментальных и теоретических исследований установлено, что ионы Mg 2 + сдерживают рост кристаллов кальц:йта. Очень тщатель ное лабораторное изучение осаждения кар.- бонатных минералов [75, 78] показало сле дующее (рис. 2.4): а) Изменение РСО 2 (при фиксированных значениях пересыщения) не оказывает cy щественноrо влияния на скорость выпаде ния из раствора кальцита или араrонита. б) Растворенный ион Mg 2 + в морской воде не влияет на осаждение внесенной в раствор араrонитовой взвеси. (а) 20 о Морская вода, лишенная маrния О O О Океан о о I О I I oQ O t I . 0,2 0,4 0,6 Лоrарифм степени перенасышенности кальцитом '" "" u 10 :.: u Морская вода .:; . О О 0.8 в) Растворенный ион Mg 2 + сильно пре пятствует осаждению кальцита. r) Кальцит, осажденный из морской BO дЫ на чистых кальцитовых зернах, содер.- жит 7 10% МgСО з в составе нароста BЫ сокомаrнезиальноrо кальцита. д) В «морской воде», лишенной части Mg 2 +, при содержании Mg менее 5% от ero нормальной концентрации ион g2+ не препятствует в ощутимой мере осажде нию внесенной в раствор кальцитовой взвеси. Поэтому низкомаrнезиальный кальцит может быть устойчивым в пресно водных условиях. Можно привести две mпотезы, объяс няющие такое воздействие ионов Mg 2 + на осаждение кальцита. Соrласно первой, ионы g2 + действуют как поверхностный «ЯД», который сдерживает кристаллиза цию. Это может происходить из за Toro, что ионы Mg 2 + сильнее rидратируются полярными молекулами воды по cpaBHe нию с ионами Са 2 +. Процесс деrидрата ции ионов g2+ требует большей термоди намической работы, чем процесс деrидрата ции ионов Са 2 +, необходимых для роста кристаллических решеток араrонита [63, 508]. Ионы g2 + не оказывают влияния на образование кристаллических решеток apa rонита из за особенностей структуры этоrо минерала. Рост же кристаллов кальцита затрудняется адсорбцией сильно rидратиро ванных ионов Mg 2 +. На кристаллах apa Рис. 2.4. Соотношение между скоростями спро воцированноrо затравкой осаждения (в условных единицах) и степенью пересыщения кальцита (а) и араrонита (6) в морской воде и в «морской BO де», лишенной маrния. Все скорости начальные. 19 РС0 2 == 1,51, Т == 25 0 С (по Бернеру [75]). Обратите внимание на замедление осаждения кальцита в морской воде. 20 (б) '" "" 8.10 о :.: u О . Океан · i О I 10 . о!.. 1,0 О О о----- 0,2 0,4 0,6 0,8 Лоrарифм степени перенасыщенности араrонитом
35 Происхождение частиц осадочноrо материала rонита такая адсорбция не происходит. Вторая rипотеза предполаrает, что BXO ждение ионов Mg 2 + в кристаллическую решетку кальцита, обусловливая рост BЫ сокомаrнезиальноrо кальцита, OДHOBpeMeH но служит причиной заметноrо увеличения растворимости маrнезиальноrо кальцита по сравнению с растворимостью араrони та. Поэтому араrонит является более пред почтительным продуктом кристаллизации. В действительности же чистый кальцит Me нее растворим, чем араrонит (табл. 2.2). Влияние увеличения содержания маrния на свободные энерrии образования кальцита и, следовательно, на растворимость пока зано на рис. 2.5. Можно привеСПI доводы в пользу Toro, что если отношение Mg: Са в морской BO де (разд. 2в) в rеолоrическом прошлом бы ло намноrо меньше, чем в настоящее Bpe МЯ, то тоrда, по видимому, должен был осаждаться только кальцит. Это обусло влено тем, что при таких условиях не Mor существовать механизм задержки осажде ния кальцита ионами маrния. Хотя трудно привести подтверждающие данные, однако в последнее время ряд авторов, исходя из результатов исследования структур HeKO торых древних домеловых оолитов (rл. 29), 264 /0 266 /" /' C! 268 / Измеренная О 270 Рассчитанная о 0,05 0,1 0,15 0,2 СаСО з ( Са 0.8 M 0,2 )СО з Мольная доля Мр; СО З в твердом растворе Рис. 2.5. Соотношение между стандартной энер rией образования маrнезиальноrо кальцита (L\Gf) и мольной долей МgСО з в твердом растворе. П рисутствие маrния увеличивает растворимость. В результате минимальная степень пересыщения, необходимая для начала осаждения кальцита из морской воды, становится намноrо выше степени пересыщения, существующей в открытом океане (по Пламмеру и Маккензи [642] и Бернеру [75]). 3* склонны высказываться в поддержку этой rипотезы [700]. Отсутствие осаждения доломита в MOp ской воде, очевидно, также является след ствием действия механизма, препятствую щеrо такой реакции. Это обусловлено тем, что из морской воды известноrо нам co става доломит должен был бы осаждаться первым ([389]; см. также rл. 29). Очень BЫ сокая степень упорядоченности кристалли ческой решетки доломита, по видимому, служит причиной исключительно медлен Horo образования ядер кристаллизации и малыIx скоростей роста кристаллов. По пытки осаждения доломита в лабора торных условиях привели к образованию менее упорядоченных и метастабильных маrнезиальных кальцитов, имеющих хими ческий состав доломита; они известны под названием протодоломитов. Действие по BepxHocTHoro «ядю>, коrда rидратиро ванные ионы Mg 2 + окружают растущие слои Са 2 + крохотных ядер доломита, MO жет сильно препятствовать росту кристал лов так же, как и при описанном выше Me ханизме, мешающем росту кристаллов кальцита. В завершение KpaTKoro обсуждения при чин, вызывающих преимущественное хими ческое осаждение из морской воды aparo нита, необходимо подчеркнуть, что как кальцит, так и доломит вследствие раз личных причин MorYT образовываться в yc ловиях дuazенетических поровых вод, что будет рассмотрено ниже (rл. 29). Здесь же мы коснулись лишь проблемы свободною химичеСКО20 оса:ж:дения карбонатов из MO[r ской воды. Последний вопрос касается причин пере сыщения мноrих поверхностных морских вод относительно араrонита, несмотря на то что абиоrенное осаждение этоrо мине рала наблюдается сравнительно редко. Co rласно современным представлениям, этот эффект, по видимому, является следствием влияния орrанических компонентов, обна руживаемых в rуминовых кислотах и фуль вокислотах, или фосфатов, которые покры вают в океане все потенциальные ядра взвешенных частиц орrаническим фос фатным монослоем, предотвращая таким образом кристаллизацию при нормальных концентрациях в морской воде [78]. Эти
36 Часть 1 орrанические монослои содержат opraHo карбонатные ассоциации между карбо натными и орrаническими КОJ.\.1Понентами, такими, как аминокислоты, жирные кис лоты и жирные спирты. Если иметь в виду этот контроль, ТО в настоящее время нель зя с определенностью сказать, каким обра зом осуществляется осаждение в таких районах, как Большая Баrамская банка, Персидский залив и Мертвое море. Сходные оболочки орrанических 'веществ покрывают араrонит в карбонате скелетов, предохраняя их таким образом от paCTBO рения. В том случае, если в процессе диаrе неза защитные орrанические оболочки окисляются и перестают существовать, араrонит становится доступным для pac творения. 2е. Биоrенные карбонатные зерна. П реобла дающая часть карбонатных частиц обра зуется из твердых частей скелетов беспо- звоночных известковых орrанизмов. По- этому локальное биотическое сообщество будет приводить к характерному скопле нию на дне карбонатных обломков отмер- ших Ор2ани3МО6. Степень сходства между этим скоплением отмерших орrанизмов и первоначальным фаунистическим сооб- ществом отражает степень физической, хи мической и биолоrической деструкции и перераспределения после отмирания ор- rанизмов. П ростота идентификации твердых карбонатных частей орrанизмов зависит от степени их физическоrо и хими ческоrо разрушения. В частности, чем меньше частица, тем сложнее найти ей Me сто в зоолоrической классификации. Если осадок частично литифицировался или ec ли он преобразовался в породу, то следует использовать методы анализа тонких шли фов. Однако таким способом мноrие ча стицы трудно идентифицировать, посколь ку В шлифах они приобретают различные очертания. Подсчитайте, к примеру, коли чество возможных очертаний, которые бу дут видны в срезе толстостенноrо цилин дра (аналоrа панциря криноидеи) в случай но выбранном направлении. Не удивитель но, что мноrие частицы MOryT быть иден тифицированы только на уровне их биоло rических типов. Особенно БолышIe TPYДHO сти возникают в том случае, если у первоначально араrонитовой раковины после диаrенетическоrо растворения и переосаждения кальцита первичная структура полностью раЗРУIШIлась. OДHa ко следует подчеркнуть, что при опреде ленной практике и упорстве при определе нии фауны в шлифах можно творить чудеса. Биостратиrрафическое расчленение карбона, например, все в большей и боль шей мере основывается на идентификации видов фораминифер в шлифах! Орrанизмы MOryT образовывать свои твердые карбонатные скелетыI из араrони та, низкомаrнезиальноrо и высокомаrне зиальноrо кальцита. Некоторые из них имеют полиминеральные раковины. П ри чины секретирования определенных мине ралов отдельными rруппами орrанизмов неизвестны. Различный химический и ми неральный составы карбонатов твердых скелетов отчетливо определяют присущий последним химико минералоrический пo тенциал сохранности. Характер скелетных карбонатных частиц, образовавшихся в конкретных условиях среды (например, в условиях рифов, зали ваемых приливами отмелей или шель фовых песков), явно менялся в течение reo лоrическоrо времени в соответствии с эволюцией. Поэтому силурийское рифо вое сообщество фауны и флоры отличается от cOBpeMeHHoro рифовоrо сообщества (rл. 23), хотя способы приспособляемости и внешний облик некоторых орrанизмов, по видимому, изменились значительно меньше. Одним из практических следствий эволюции фауны и сообществ является по этому оrромное количество типов карбо натных частиц, с которыми петролоr имеет дело. При дальнейшем изложении автор не предпринимает попыток систематизиро вать все эти этапы. На рис. 2.6 сведены данные об основном минеральном составе и относительной rеолоrической распро страненности наиболее обычных карбона тосаждающих орrанизмов. На рис. 2. 7 2.9 показаны наиболее распространенные типы зерен, встречающихся в современных и древних карбонатных отложениях. Te перь вкраще перечислим ряд моментов, имеющих отношение к вопросу о типе ча стиц (более детально см. в специальных ис следованиях [383, 531, 708]). Очевидно, не
37 Происхождение частиц осадочноrо материала К.А,А,К Во;:rоросли К,А ВМК А Фораминиферы К+А К,А,К,+ А Пелециподы К,А,К+ К,А,К + [астроподы + ? К I '\ К I А,К Цефалоподы . 1 ВИК 1 : вмк К Морские ежи Офиуры (астероиды) Морские лилии К К I Остракоды К+ А, К,А Мшанки А Д. К Коралпы К Брахиоподы (замковые) k ?А Трилобиты Строматопороиды 600 500 100 О Мезозой Кайнозой Палеозой Рис. 2.6. Распределение и относительная значи мость в качестве осадкообразующих KO OHeH тов различных типов известковых растений и жи вотных В течение rеолоr:ическоrовремени. Толщи на линий отражает относительную значимость типов. К кальцит; ВМК высокомаrнезиальный кальцит; А араrонит (по Лоуэнстаму [525]). следует пытаться про водить идентифика цию фауны без обращения к стандартным палеонтолоrическим работам. В раковинах моллюсков наблюдается сложное чередование кальцитовых и aparo нитовых слоев, образующих различные rеометрические узоры и разделяющихся на несколько характерных микроструктурных типов (см. [64]). Раковины брахuопод целиком состоят из кальцитовых (тонких первичных и толстых вторичных) слоев, образующих фибровую структуру. В раковинах некоторых брахио под может встречаться третий внутренний призматический слой. MorYT также наблю даться каналыI' пересекающие вторичные слои. Тканевые каналыI' расположенные перпендикулярно стенкам раковины и за полненные в захороненных окаменелыIx остатках кальцитовым цементом, назы ваются эндопорамu. Вертикальные KOHYCO подобные отростки фибр вторичных слоев носят название псевдопор. У ряда видов в большом количестве встречаются иrлы (рис. 2.8, а), и при некоторой определенной ориентировке в шлифах невнимательный наблюдатель может поначалу спутать их с оолuтамu. Скелеты кораллов, включая наружные оста тки, пластинки, септы и др., построены из крошечных кальцитовых (ячеистые KO раллыI, руrоза) или араrонитовых (шести лучевые кораллы) нитей, имеющих различ ную ориентировку. Раковины форамuнuфер (рис. 2.7,а) обычно построены из кальцита и имеют аплютинированную микроrрану лярную, фарфоровидную, радиально волокнистую, иrольчатую и монокристаллическую CTPYК туру. Морфолоrия стенок раковин фора минифер имеет первостепенное значение для их классификации на подотрядном уровне. Остатки U2ЛОКОЖUХ состоят из петле видных кальцитовых элементов и имеют весьма характерную поровую структуру. Отдельные частицы остатков иrлокожих под микроскопом при скрещенных николях выr лядят как единичные кристаллы каль цита. Диаrенетическое заполнение пор кальцитовым цементом способствует KOH сервации таких единичных кристаллов, по этому остатки иrлокожих в известняках при наличии опыта MorYT распознаваться в скрещенных николях (рис. 2.8) по yraca нию. Известковые бенmосные водорослu имеют разнообразную структуру. Вертикальные ветвеобразные формы, подобные зеленой водоросли Н alimeda и баrряной водоросли [jthothamпioп (последняя иrрает важную осадкообразующую роль в умеренных ши ротах), первоначально разрушаются до ча стиц rравийной размерности. Особенно ти пичной является трубчатая внутренняя структура первой из них (рис. 2.8, б). MHO rие водоросли обладают ячеистой BHYTpeH ней структурой. В пределах отдельных ячеек, в их стенках или за пределами CTe нок может наблюдаться кальцитизация. После rибели кодиевые водоросли (напри мер, Peпicillus; фото 1) MorYT полностью распадаться на араrонитовые иrолочки; последние иноrда составляют значитель ную часть араrонитовоrо ила, обнаружи BaeMoro на подверженных слабому дина мическому воздействию мелководьях в тропических и субтропических районах. Волокнистые известковые водоросли, Ta
,38 Часть 1 ,.. !11 rfr A , t. 'i _ " MM ").... > . ..... . .. " [ y .. ': ..... ,< . f. . ' ; _ , " i '" ., . ... '1 . , '" " .. . '\ ... # .t .-" t . \ ..\ - '" .... . . ", , ".,..,. .......' , (' ... ' , . .. ., , .. '.'" '" I . .... ,.. ,. (а! ... ММ " .,. t. · '. '" , 11 А""'1' .1 ;. t'!!'" ....:Ja 9' .Ь . '. ... \;... &f" '. · Z ... ' i . tJ;. .::' . ........ ... .. - 1 -. .. .. · . . ;. , . '=-<:: .- . .' . . . '. ,.., . (1----. . ,\!,' ;:'l:' ;r .. .' J VЮ) '. .. ..I. -1 . " . . . .... ... . ... ., .:.\ f' " : ,.\."": _. .. -, . >"1 ".:t :' . }..r\., .,1 ., .. 1а.)' '" . .. · · т .' . .... . ... ... . :. '" .;; .. ....' . . ' " .-с- А ".. j... fб) ... .... .. ! J (2) (в) , ;.... Or1I' "" ... iL ' , . .. . /1. . , ,> ' ./. _ " .. . .-.... .. .. . "....-..... '... .., ..... ...t. .fJ1 . I&.: .. . . .. .. .- . · .. j. .. .:., -С!.. · "';. .r: .- А ..:L... _ ..... :" '"'р .. ,. .... , :. ,... .... - .. I .. . /"1 j ,. , 2мм L.............. , 2мм L..............
39 ПРОllсхождение частиц осадочноrо материала кие, как Girvaпella, Garwoodia (рис. 2.8, в) и Ortoпella, иrрают важную инкрустирую щую роль во мноrих древних известняках, особенно верхнепалеозойских и мезозой ских. И звестковые планктонные водоросли представлены в больших количествах во мноrих пелаrических отложениях начиная с юры. Первоначально, при жизни, клетку водоросли окружали мельчайшие диски круrлой до овальной формы, называемые кокколитами. Для кальцитовых кокколи товых пластинок типичен максимальный диаметр от 2 до 20 МК:М. 2ж. Имеют ли араrонитовые илы скелетное происхождение? Несмотря на дискуссион ность химических данных, касающихся осаждения араrонита, является очевидным, что накопление мель айших араrонитовых иrолочек в результате разрушения бен тосных известковых водорослей может вносить существенный вклад в накопление араrонита на дне мноrих участков Баrам ско Флоридской карбонатной провинции. Соrласно данным некоторых авторов, био rенная природа араrонита в значительной мере подтверждается результатами изуче ния изотопноrо состава кислорода (СМ. об суждение в работе [64]). Количество Peпicillus, Н alimeda и друrих известьвыде ляющих бентосных водорослей в типичных лаrунах Флориды колеблется от О до 30 эк земпляров на 1 м 2 В rод [791]. Известно также, что широко распространенные «apa rонитовые» илыI к западу от острова AHД рос (Большая Баrамская банка) характери зуются относительно большим содержа Рис. 2.7. а скелетные карбонатные зерна: OKa танные скелеты моллюсков, фораминиферы, эхи ноиды и фраrменты водорослей; б скелетно пеллетный карбонатный песок. Обратите внима ние на овоидные пеллеты, окатанные форамини феры и rастроподы; в rрейпстоуновая фация с аrреrатами, построенными из микритизиро ванных скелетных частиц и пеллет ; 2 оолитовая фация; обратите внимание на хорошую отсорти рованность, а также на высокую степень отшли фованности отдельных ооидов. Все образцы по лучены драrированием из современных отложе ний в районе Бимини, Баrамские банки (фотоrра фии любезно предоставлены Р. Тиллом). нием высокомаrнезиальноrо кальцита; это позволяет предположить что источником некоторой части материала указанных илов служили продукты разрушения ба rряных водорослей. Более ранние исследо вания показали, что разрушение BOДOpOC лей in situ может обеспечить только около 5% материала отлаrающихся араrони товых илов. Однако недавно проведенные работы в лаrунах Флориды и Баrамских островов [791] навели на мысль об избы точном накоплении водорослевь ОСЦДКОВ и о том, что важной особенностью процес са является перенос араrонита в виде язы ков взвеси и ero переотложение в друrих местах. Это следует иметь в виду при оценке потоков осадочноrо материала [607]. . 2з. Микритовые оболочки и интракласты. При микроскопических исследованиях CKe летных фраrментов, отобранных из карбо натных фаций спокойных вод, часто видно, что внешние части фраrментов покрыты - темной коркой (рис. 2.9, a в). Более тща тельное изучение показывает, что у разных фраrментов корка имеет переменные тол щину и характер. В менее ясно Bыpa женных корках и на внутренних rраниuах более толсть корок MorYT быть видны отдельные трубкообразные уrлубления. Создается впечатление, что корки обра зуются вследствие срастания таких трубок. Последние MorYT быть полыIи или запол ненными очень тонкозернистым араrони том или высокомаrнезиальным кальцитом. Тонкозернистый, иловой размерности, Kap бона т называется микритом, однако в дpy rих контекстах (rл. 29) этот термин обычно оrраничивается кальцитовым микритом. При растворении карбоната раковин раз бавленной кислотой образуется CTyдe нистый остаток, в котором MorYT быть BЫ явлены различные виды сине зеленых BO дорослей. Поэтому было высказано пред положение, что трубки образуются в pe зультате деятельности сверлящих сине зе леных водорослей (отверстия, сделанные растениями, также имеются быстро засе ляющих все карбонатные фраrменты после их отложения [62]. Причина осаждения карбоната в отверстиях точно не YCTaHOB лена, однако она может быть связана с ло калъным повышением рН в трубках вслед
40 Часть 1 "\ ,< , . 1"" : ; V ; ". ;1 ' . t Ь . " ! ;,I.t ' .' ' ь .' ,.,.:. " . ,' ' ), ;- " " ", , " ., ';-0. . h ". . . ... 'С', . . . . е. f "', ' I ' , ",1,$ . ', " ")- , ; а :r, ,:у .. , ., у{,\. - . J '- .. , .. ,. , .' , ' . .. " :- ..."'- d , Р \ \\.. .. ., ' 4 iO\ :.", . I , .\.. l' Ioj \ .... ..,,", . g '.1' А ...", , ',", . '10 " . " " ,t" , , .. .. . .. " ! ,. J " -. . .I'J . , jI . ., . . .... .. .. . -* '. . "00 . , .., . .; ... 1. . t в . .. .... (2 L.. .. -:" .... (: ;..'. . . ;, '/ '" \, '" .... """. ''''';', '!. ( ( )
41 Происхождение частиц осадочноrо материала ствие поrлощения СО 2 соседними фото синтезирующими водорослями или бакте риями, усваивающими орrанические OCTaT ки, сохранившиеся в освободившихся труб ках. В сделанных водорослями отверстиях, обнаруживаемых в карбонатах умеренных широт, не отмечается какоrо либо осажде пия карбонатов [323] даже при пересыще нии морской воды относительно СаСО з . Микритовые оболочки, образующиеся за счет покровов нитевидных водорослей, опи саны Коблуком и Риском [462]. Внутри Ka пилляров и на поrибших водорослях, под нимающихся над поверхностью MopcKoro дна, отмечается быстрое осаждение низко маrнезиальноrо кальцита. Срастание по rибших и отвердевших вследствие отложе ния карбоната кальция нитей может приве сти к образованию водорослевой микрито вой оболочки, которая нарастает по краям частиц, rде до этоrо образовались OTBep стия. Затем происходит микритизация в co ответствии с описанным выше механиз мом, предложенным Батерстом. При дальнейшем анализе имеющихся данных становится очевидным, что образо ванные сверлящими водорослями MиKpи товые оболочки MorYT развиваться внутрь и заполнять раковины целиком. Таким пу Рис. 2.8. Карбонатные зерна в шлифах. а каль цитовые обломки раковин брахиопод (Ь) и шипы (s). Динантский ярус (нижний карбон) юro запада Шотландии; б крупные фрarменты водоросли Н alimeda (Н) с пеллетами, аморфными комками и обломками фораминифер (п. Современные Kap бонатные пески лаrуны Бимини, Баrамские банки (коллекция Р. Тилла); в прикрепляющиеся из вестковые нитевидные водоросли рода Garwo odia. Динантский ярус Нортумберлендскоrо бас сейна, Анrлия; 2 микритизированные скелетные обломки моллюсков в rрейпстоуновой частице (g) и овоидная бесструктурная пеллета (р) (в CKpe щенных николях). Современные карбонатные пе ски Бимини, Баrамские острова; д, е обломки иrлокожих (при параллельных николях и в CKpe щенных николях соответственно); видна xapaK терная «точечная» структура заполненных каль цитом пор, а также отдельные фраrменты, ведущие себя как единичные кристаллы кальцита. Обратите внимание на КOlщентрическое обраста ние частиц цементом (rл. 29), оптически OДHO родным с отдедьными зернами. Средняя юра, район Мендипс, Анrлия. Все масштабные отрезки соответствуют 100 мкм. тем образую ся аморфные комковатые ча стицы. У них нет замысловатой раковин ной структуры, которая в случае coxpaHe ния свидетельствует в пользу первоначаль Horo происхождения частиц из фраrментов раковин [62]. В некоторых лаrунах Баrам ских островов и Персидскоrо залива по добные уrловатые комки составляют зна чительную часть осадка. Такие частицы следует относить к классу карбонатных ча стиц, известных под названием интракла стов. К этому классу обычно относятся карбонатные частицы, которые были пере работаны в бассейне отложения [266]. Ми критовые аморфные комки, образовавшие ся вследствие микритизации, cTporo rOBo ря, не являются интракластами, однако их следует включить в это понятие, поскольку они неотличимы от истинно перерабо танных интракластов иноrо происхожде пия. К интракластам, таким образом, OT носится весьма разнообразная rруппа ча стиц. Они включают переработанные фраr менты бичрока (rл. 29), обломки xapд rраунда (<<твердоrо дню>; rл. 29), rрейп стоуны (разд. 2л), более древние литифици рованные карбонатные частицы, а также аморфные комки скелетноrо происхожде ния. Однако читатель должен обратить внимание на то, что даже самых незначи тельных следов остаточной скелетной структуры в аморфных комках достаточно для Toro, чтобы классифицировать ча стицы ка!\. скелетные обломки. Для надеж Horo отождествления карбонатных корок с микритовыми оболочками и ответа на вопрос: «Может ли быть корка BOДOpOC левым покровом?» необходимы тща тельные наблюдения и терпеливые размы шления. А как же иначе можно установить различия? 28. Пеллеты 8 пеЛО8ДЫ. В тихих лаrунах с араrонитовым илом на дне большое KO личество моллюсков (rлавным образом ra стропод и двустворок), червей и paKO образных пропускают через себя обоrа щенные орrаническим веществом илыI для Toro, чтобы извлечь необходимые пита тельные вещества. Использованный ил BЫ брасывается в виде яйцеобразных фе кальных пеллет размером от 0,1 до 3 мм в длину и от 0,05 до 1 мм в ширину. Вели
42 Часть 1 "....1 <. .' .1::. "" --,,". . ..!" ..' ,,' .. ' (а) 0.':180. " : .' . , ., .. . .. ,> (8) , . '. ;',;: '.,< (ж) . ' ' :11.;, : ..' :0. ,I{II' ..... , . ..... " ..... " '\ :".' _' "; .М'," ';'. (б) (с> ) ,. 1 , ',L' (е .... (3) ....... . . 1 ,.. . -"... ... '" . ; .. :, '""". .. "..... ,'( , < . " ...... t .fI«\, . . L 'f.. ": j ,, ......... .........., , . С, , t '-6 r'""""""""1 '" *.. . :{. .." " ... .. " , so :. 'J , "
43 Ilроисхождение частиц осадочноrо материала чины отношения длины к ширине находят ся в пределах от 1,5 до 3. В разрезе пел леты темные, тонкодисперсные и бесструк турные (рис. 2.7, б, 2.8,2). Они содержат мноrо орrаническоrо вещества и являются мяrкими, пока свежие. Более старые пел леты достаточно твердые, что, вероятно, обусловлено быстрым осаждением карбо натов между. мельчайшими фраrментами. Разнос араrонитовоrо ила может приво дить к формированию пеллетных песчаных отложений, подобных тем, которые BCTpe чаются в Персидском заливе (rл. 23). В древних карбонатных породах фе калъные пеллеты с большим трудом мож НО отличить от отшлифованных аморфных комков, образовавшихся при микритиза ции раковин и друrих процессах, включая и полную микритизацию оолитов. По этой причине для обозначения любой бесструк турной яйцеобразной микритовой частицы, до тех пор пока ее rенезис в ходе друrих наблюдений не будет точно установлен, лучше Bcero использовать термин пелоuд. 2к. ООЛИТЫ. Ни одна друrая карбонатная частица не привлекает большеrо внимания седиментолоrов, чем скромный оолит. Имеются буквально сотни работ, посвя Рис. 2.9. Карбонатные зерна в шлифах. а, 6 фраrмент раковины моллюска с хорошо раз витыми водорослевыми отверстиями при парал лельных николях (а) и в скрещенных николях (6); в фраrмент раковины моллюска с хорошо раз витой микритовой оболочкой, образованной сросшимися и заполненными водорослевыми OT верстиями; 2 интракласт, состоящий из крупно ro аморфноrо комка и сцементированных по средством микритизации пелоидов. Динантский ярус Нортумберлендскоrо бассейна. Анrлия; д, e COBpeMeHHыe ооиды при параллельных (g) и в скрещенных (е) николях. Обратите внимание на оболочечный ооид с пеллетовым ядром (80) и псевдоодноосные сечения; ж ооид крупным планом. Видны тонкие слои и более темные участки орrаническоrо клейкоrо вещества и BOДO рослевых отверстий; з древний оболочечный ооид с пеллетным ядром и радиальной CTPYKTY рой внешнеrо слоя. Динантский ярус Нортумбер лендскоrо бассейна, Анrлия. Все масштабные OT резки соответствуют 100 мкм. Образцы a в, ж получены из современных карбонатов района ла rуны Бимини, Баrамские острова (коллекция Р. Тилла). щенных различным аспектам происхожде ния и диаrенеза оолитов. В этом разделе мы сконцентрируем внимание на происхождении современных оолитов, а обсуждение запутанной проблемы их диаrенеза отложим до rл. 29. оолитыI представляют собой сферические или слеr ка яйцеобразные окруrлые карбонатные частицы, обладающие ядром из обломоч Horo материала и имеющие концентриче скую слоистую оболочку (рис. 2.7,2, 2.9 д, е) из тонкодисперсноrо араrонита или BЫ сокомаrнезиальноrо кальцита, часто с большим количеством тонких орrаниче ских клейких водорослевых слоев. Они встречаются в комплексах песчаных rряд и дюн областей сильных приливных тече ний (rл. 23) или в отложениях пляжей ли торали или мелководной сублиторали. Диаметр ооидов изменяется в пределах от 0,1 до 1,5 мм. Коrда оболочка очень тонка и содержит один или два тонких араrони товых слоя, rоворят, что это ооид в форме оболочки (sиperficial). Обычно отдельные араrонитовые слои имеют толщину до 1 О мкм. Во мноrих шлифах неизмененных араrонитовых ООИДОВ в скрещенных нико лях наблюдается псевдоодноосная отрица тельная фиryра. Это означает, что в дaH ном случае преобладающей ориентировкой араrонитовых кристаллов является та, при которой кристаллыI своими с осями распо ложены танrенциально к поверхности оои да. Сказанное подтверждается peHTreHoB ским и электронно микроскопическим aHa лизами. Электронно микроскопическими исследованиями установлено, что араrони товые кристаллыI имеют форму иrоль чатых частиц длиной 1 2 мкм с упло щенными конечными rранями (см., напри мер, [521 ]). Некоторые оолиты, особенно из Большоrо Соленоrо озера (США) [329, 431, 700], характеризуются ориrинальной радиальной араrонитовой микрострукту рой, а также наличием каких то неориенти рованных qешуек, которыми MorYT быть обоrащены rлинистые минералыI. В Пер-- .сидском заливе в оолитах из областей сильноrо волновоrо воздействия наблю дается хорошо выраженное концентриче ское расположение отдельных араrони товых иrолочек, тоrда как в оолитах из бо лее защищенных от волновоrо воздействия районов араrонитовые иrолочки имеют pa
44 Часть 1 диальную ориентировку и менее плотную упаковку [521]. Что касается без конца обсуждаемоrо вопроса о происхождении оолитов, то мы можем быть уверены, что в областях силь Horo волновоrо воздействия каким то образом стимулируется рост араrонитовых кристаллов по касательной к поверхности оолит тоrда как в областях слабоrо BO лновоrо воздействия (Большое Соленое озеро, лаrуна Мадре, закрытые от ВОЛНО Boro воздействия районы Персидскоrо за лива) происходит радиальный рост кри сталлов. Осаждение чередующихся ооли товых карбонатных и орrанических слоев BOKpyr сферу л в лабораторных условиях наблюдается при высокой КOlщентрации орrаническоrо BeLЦecTBa в виде rYMaToB и в том случае, коrда BOKpyr подходяIЦИХ ядер MorYT образоваться орrанические мембраны [195, 252, 801]. Полученные в ходе эксперимента карбонатные слои представлены араrонитовыми кристалла МИ, растуIЦИМИ радиально при «спо койных» лабораторных условиях; после перемешивания они приобретают TaHreH циальное расположение. Возможно, что араrонитовые кристаллы при их зарожде нии в орrанической массе ооида растут в радиальном направлении, подобно тому как это происходит при непрерывном po сте. любой кристаллической структуры от твердой поверхности. В условиях ВОЛНОВО ro воздействия такая радиальная структура под влиянием турбулентности и периоди ческоrо истирания, по видимому, будет ви доизменяться в структуру танrенциальную, концентрическую. Как предположил Cop би, по аналоrии со снежным комом иrоль чатые кристаллы араrонита попросту Ha липают на внешнюю поверхность ооида при ero перекатывании. Однако с механиз мом «снежноrо кома» трудно соrласиться, поскольку отсутствуют доказательства Ha личия клейкой сцеПЛЯЮLЦей основы на внешней поверхности rладкоrо полирован Horo ооида. Большой проблемой остается источник араrонитовых иrолочек, поскольку трудно себе представить наличие столь крошечных кристалликов в составе наносов, влекомых по дну под действием таких высокоэнерrе тических водных масс, какими являются приливно отливные потоки над оолитовы ми отмелями. Одним из возможных путей решения этой проблемы моrлр бы быть выяснение Toro, не находятся ли оолиты значительную часть времени в прибрежной полосе внутри движущихся донных образо ваний, таких, как песчаные волны, дюны, знаки ряби [195]. Здесь, по видимому, фор мируются орraнические оболочки, которые инициируют рост из поровых вод между оолитовыми частицами тонких слоев pa диально расположенных кристаллов aparo нита. Дальнейшее попадание частиц в тyp булентный слой потока наносов приводит, очевидно, к механическому упорядочению араrонитовых иrолочек в танrенциальном направлении или стимулирует тaHreH циальный рост кристаллов. В спокойных водах у оолитов, вероятно, будет coxpa няться радиальная структура. Развитие че редующихся концентрических слоев можно объяснить периодическими переносом и захоронением. В противоположность вышеуказанному можно отметить, что во время успешных лабораторных экспериментов с бикарбо натными растворами Дилмен [201] полу чил танrенциально ориентированные оолиты типа баrамских. Периодическое перемешивание приводило к тому, что BO Kpyr ядер осаждались иrольчатые кри сталлыl араrонита вследствие процесс аналоrичноrо наблюдаемому при образо вании кристаллов за счет столкновения однотипных частиц. При дальнейшем пере мешивании rрани иrольча тых кристаллов араrонита становились хорошо OKaTaHHЫ ми, а поверхности ооидов хорошо отполи ровывались. Танrенциальные араrонитовые кристаллы удержи вались вместе под дей ствием обычных сил связи. Эти интересные результаты хорошо соответствуют тому, что наблюдается в действительности, будь то свойства природныx ООИДОВ или физи ческая среда их образования. В экспери ментальных образцах, полученных из про стых бикарбонатных растворов, клейкие слои, имеЮIЦИеся в природных ооидах, отсутствовали. Нет сомнений в том, что эти слои должны формироваться во Bpe мя периодов, коrда ооиды не растут и покрываются слизью сине зеленых водорослей.
45 Ilроисхождение частиц осадочноrо материала 2л. rрейпстоуны. Значительные простран ства Баrамских банок покрыты частицами, представляющими собой сцементиро ванные arpera ты более мелких частиц (обломков раковин, ооидов, пеллет) и по внешнему виду напоминающими микро скопические rроздья виноrрада (рис. 2.7, в). Интенсивная микритизация заполненных водорослевых отверстий обычно зату шевывает любую первоначальную BHY треннюю структуру частиц. Полаrают, что цементация посредством микритовоrо apa rонита и интенсивная микритизация OTpa жают форму роста в пределах мата, обра зуемоrо сине зелеными водорослями ниже приливной зоны (rл. 23). Мат обеспечивает устойчивость подстилающих ero осадков к приливным и волновым воздействиям. В дальнейшем при периодическом «раз ламывании» матов во время штормов образуются аrреrаты rрейпстоунов. Поэто му rрейпстоуны, вне всякоrо сомнения, OT носятся к типу интракластов, что следует из данноrо выше определения. 2м. ПОЛИI'енетичные карбонатные зерна. Мы рассмотрели пять основных типов co временных карбонатных зерен: иrольчатые кристаллы а раrонита, скелетные фраr менты, оолиты, пелоиды и интракластыI. Последние четыре типа частиц часто назы вают аллохемамu в противоположность араrониту, осажденному (предположитель но) непосредственно химическим абио rенным путем. Иrольчатые кристаллики араrонита по своим размерам аналоrичны частицам rлинистыIx минералов, слаrаю щих кластические илы, тоrда как аллохемы представлены частицами алевритовой, пес чаной и rравийной размерности (rл. 4). Bы ше мы видели, что иrольчатые кристаллы араrонита MorYT быть осаждены химиче ским путем (т. е. являться хемоrенными) или иметь водорослевое происхождение, а просверленные и микритизованные ча стицы MorYT превраща ться в аморфные комки. Окатанные аморфные комки CKe летноrо происхождения, микритизованные оолитыI и фекальные пеллетыI не всеrда четко отличаются друr от друrа, и во мнo rих случаях их следует относить к единой rруппе пелоидов. Наш вывод прост: образцы частиц данноrо типа MorYT иметь совершенно различное происхождение, т. е. эти частицы являются полuzенеmuчнымu. 2н. Медководные карбонаты умереннOI'О по.. вса. Среди карбонатов YMepeHHoro пояса отсутствуют оолитовые, интракластовые и пеллетные аллохемы, а также BOДOpOC левые и коралловые карбонаты, которые характерны для тепловодных районов [499]. П росверленные водорослями отвер.- стия в карбонатах YMepeHHoro пояса, по видимому, остаются незаполненными; по этому для них не характерны микритовые оболочки. Это является одной из причин сохранности в подобных карбонатах CKe летноrо араrонита. Такие фактыI, как OT сутствие в умеренных широтах указанных выше аллохем и заполнения пор, а также широкое развитие процесса растворения раковин [3], очевидно, отражают меньшую степень пересыщенности морской воды или даже ее недосыщенность карбонатом кальция. 20. Растворение СаСО з в I'дубинах океана. На карте распределения содержания СаСО з в донных осадках Мировоrо океана (рис. 2.1) видно значительное сходство pac пространения пелаrических кокколитовых и фораминиферовых карбонатных илов с положением осевых зон и фланrов си стемы срединно океанических хребтов. Дe тальное картирование показывает, что ни же r лубины около 5 км В А т лантическом океане и около 3,5 км в Тихом океане кар.- бонатные осадки встречаются редко. Такое распределение лишь частично зависит от столь необычноrо свойства СаСО з , как большая растворимость в холодных водах, нежели в теплыI.. С rлубиной температура океанской воды вначале уменьшается очень быстро до значения около 5 0 С на rлубине порядка 1000 м, а затем уменьше ние идет медленнее до тех пор, пока темпе ра тура не достиrнет cBoero минимума, paB Horo приблизительно 2 0 С. Более важное значение имеет увеличение с rлубиной дa вления, которое является причиной роста РСО 2 и отсюда понижения рН. Оба YKa занных эффекта приводят к тому, что с увеличением r лубины уменьшается пере сыщенность морской воды карбонатом кальция. Араrонит более растворимая
46 Часть 1 форма карбоната кальция. С rлубиной He досыщенность им достиrается значительно быстрее по сравнению с кальцитом. В Ти хом океане rлубина недосыщенности apa rонитом появляется на rлубине около 500 м, в Атлантическом около 2000 м (рис. 2.10). Поэтому пелаrические opra низмы с араrонитовыми скелетами, такие, как птероподы (rруппа мельчайших racTpo под), в значительно большей мере подвер.- жены растворению по сравнению с KOKKO литами, имеющими кальцитовый состав. В Тихом океане недосыщенность кальци том достиrается на rлубинах между 400 и 3500 м, в Атлантическом океане между 4000 и 5000 м (рис. 2.10). Зоны, rде Ha чинается недосыщенность морской воды по отношению к араrониту ИJПI кальциту, называют 2лубuнамu карбонатНО20 Hacы щенuя (rкH). Сохранность остатков opra низмов с кальцитовыми скелетами ниже rKH зависит от cKopocrn осаждения ча стиц и cKopocrn растворения СаСО з . По 'Этому скорость растворения частично определяется и размером скелетов. Важным фактором может быть, кроме TO ro, сдерживание растворения адсорбиро ванными молекулами (см. ниже). РазJПIЧИЯ в rлубинах карбонатноrо Hacы щения в разных океанах в значительной мере зависят от величины рН. Воды Тихо ro океана содержат намноrо больше opra нических остатков по сравнению с водами А тлантическоrо океана. При окислении остатков образуются ионы Н +, часть KO торых расходуется в приведенных выше буферных реакциях (2.3) и (2.4). Небольшое КОJПIчестiю ионов Н + В этих реакциях не компенсируется, в результате кислотность rлубинных БОД возрастает. Это явление служит причиной Toro, что карбонат каль ция растворяется в большей мере и поэто му В меньшей степени обоrащает осадки Тихоrо океана по сравнению с осадками Атлантическоrо океана. Как показаJПI pac четыI' около 80% СаСО з , продуцируемоrо планктонными орrанизмами в фотическом слое океанских вод, разрушается вслед ствие растворения. Помимо rлубины карбонатноrо насыще ния следует также опредеJПIТЬ поняrnе кри тической rлубины rлубины, при которой океанские карбонатные донные осадки подверrаются растворению!. rлубина, на 1 В отечественной литературе критической называют rлубину, на которой содержание СаСО з в донных осадках с ростом rлубины сни жается до менее 1 O%. П рим. перев. Рис. 2.10. Зависимость степени насыщенности араrонита и кальцита от rлубины в Тихом и AT лантическом океанах (по Брёккеру [125]). Обсу ждение см. в тексте. о rP" О В [][] а [] [] [] [] []'Ъ[] [] [] [] .. []Н [] . [] . [] [] [][] []I i e "" . . [] [] [] . Араrонит . IC [][] , [tJ . [] . . Кальцит [] 'С[] J [][]I [] 2 []ID 2 . . [][] .1 []1 [] · 3 [][]I:] ::Е [] .:1 :<:3 [] [] I · '" \ [] . '" а9 :I: :I: == [] == [] , . . 4 8 [] I 10 []. . >'4 l:: . l:: []ID[] [] [] 9 . [] . I [] . 5 [] I . [][] []. I . Атлантический [][][]. I 6 [] океан . 6 [] Атлантический океан . Тихий океан [] Тихий океан [] [] . 7 0,3 0,4 0,50,6 0,8 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 Степень насыщенности арarонитом
47 Происхождение частиц осадочноrо материала которой, соrласно данным микроскопиче ских исследований, резко ускоряется pac творение раковин, называется ЛUЗОКЛUНОМ [69]. rлубина, на которой СаСО з исчезает из донных осадков, называется KOMпeHca ЦUОННОЙ 2лубuной карбонаmонакопленuя 1. Как лизоклин, так и компенсационная rлубина расположены ниже rлубины кар-- бонатноrо насыщения и, следовательно, находятся в пределах зоны недосышенно сти. Растворение СаСО з резко ускоряется на критической ступени недосыщенности, которая зависит от концентрации орrани ческоrо вешества и фосфатов в rлубинных океанских водах. Адсорбированные фос фа ты и орrаническое вещество действуют как инrибиторы растворения [1 50]. По следнее не ускоряется до тех пор, пока эти вещества в rлубинных водах не будут yдa лены с карбонатных частиц [76, 588, 811]. 2п. Выводы. Поверхностные субтропиче ские океанские воды являются пересы щенными относительно кальцита, араrони та и доломита, однако мешающие кинети ческие факторы оrраничивают осаждение карбонатов. Поэтому большинство карбо натных частиц в мелководных тропических районах прямо или косвенно имеет биоло rическое происхождение и состоит из Haxo дящихся в переменных соотношениях каль цита, высокомаrнезиальноrо кальцита и араrонита. В океанах на больших rлуби нах происходит растворение карбонатов. Это вызвано уменьшением с rлубиной co держания адсорбированных компонентов в зоне недосыщенности СаСО з . Поэтому и здесь карбонатное равновесие опреде ляется преимущественно кинетическими эффектами. Литература, рекомендуемая для дальнейшеrо чтения Изложение основ физической химии морской воды, а также описание карбонатных реакций в морской воде можно найти в книrах Брёккера [125], Краускопфа [475] и Батерста [64]. Более 1 Понятие было введено Мерреем иРенаром в 1891 r. и принято до сих пор. Компенсацион ной называют rлубину, на которой скорость по ступления карбонатноrо материала равна CKO рости ero растворения. П рим. перев. rлубоко эти вопросы рассмотрены Берне ром [74]. В книrе Батерста [64] имеются прекрасные описания и иллюстрации основных типов кар.- бонатных зерен. Детально состав скелетов и структуры беспозвоночных описаны rоровит цем и Поттером [383], а также Маевски [531]. Работа lllолле [709] представляет собой PYKO водство (с цветными иллюстрациями) по COCTa ву карбонатных пород, их структуре, пористо сти И составу цемента. Приложение 2.1 Методики окраlUивания и получения пленок Кальцит, железистый кальцит, доломит и желе зистый доломит MorYT быть определены по средством следующей методики, основанной на изучении либо непокрытыIx шлифов, либо OT шлифованных брусков, подrотовленных для из rотовления ацетатных пленок. Растворите 1 r ализарина KpacHoro C и 5 r феррицианида в 1 л 0,2% ной НСl (смешайте 998 мл дucтиллироваююй воды с 2 мл KoнцeH трированной кислоты). Имейте в виду, что этот краситель сохраняет свою активность лишь в течение примерно одних суток. Протра вите непокрытый шлиф или отшлифованный брусок в 2% ной НС) в течение 20 с. Немедлен но промойте ero в дистиллированной воде. По rрузите шлиф или брусок в окрашивающий pac твор на 4 мин. Извлеките препарат из раствора и аккуратно промойте дистиллированной водой. Прежде чем покрывать препарат, дайте ему BЫ сохнуть. Мноrие специалисты считают по лезным окрашивать лишь половину шлифа, по скольку окрашивание может скрыть от наблю дателя и сделать непонятными некоторые мел кие петроrрафические детали. С помощью при веденной методики кальцит окрашивается в розовый цвет. Изменение окраски в последо вательности розовая розовато лиловая пур.- пурная синяя свидетельствует об увеличении концентрации Fe 2 + до примерно 5% (подробно сти см. В работе [506]). Доломит не окраши вается (не спутайте ero с кварцем !), железистый доломит окрашивается в бирюзовый цвет. Высокомаrнезиальный кальцит в COBpe менных карбонатах в основном окрашивают с использованием раствора 0,5 r желтоrо peaK тива Клэйтона, 4 r NaOH и 2 r ЭДТА 1 в 500 мл дистиллированной воды, а также фиксажа 20% Horo раствора NaOH. Образец в течение 20 с протравливается в 5% ной уксусной кислоте, BЫ 1 Этилендиаминтетрауксуснокислый натрий (трилон Б). Прим. перев.
.UJ Часть 1 сушивается и поrружается на 20 мин в окраurn вающий раствор. После высушивания на возду хе образцы на 30 с поrружают в фиксаж, а затем окончательно высушиваются и далее поll. ры ваются пленкой. Высокомаrнезиальный ка:IЬЦИТ окрашивается в цвета от KpacHoro до светло розовоrо. Араroнит в современных карбонатах можно окрасить с помощью раствора Файrла. Добавь те 1 r Ag 2 S0 4 в раствор t 1,8 r MnS0 4 .7H 2 0 в 100 мл дистиллированной воды. Доведите до кипения. Охладите. Взвесь отфильтруйте и дo бавь те две капли разбавленноrо раствора NaOH. Через 1 2 ч образовавшийся осадок OT фильтруйте, раствор храните в темной посуде. Араrонит окрашивается в черный цвет, в то Bpe мя как кальцит и доломит не окрашиваются. Пленки делают на сырых окрашенных поверх ностях или на сухих поверхностях HeOKpa шеиных отшлифованных брусков. Поверхность з бруска (отшлифованную карборундовым по рошком с размером зерен не менее 1 /600 дюй ма) поrружают в ацетон, смоченный брусок BЫ нимают и, начиная с одноrо из уrлов бруска, аккуратно раскатывают по поверхности слой тонкой ацетатной пленки. Наклон бруска обус ловливает вытекание из Hero избытка ацетона еще до фиксации ацетата. Однако не следует дo пускать, чтобы до фиксации ацетон на поверх ности бруска испарился. Отставьте брусок в сторону на 1 О мин, за тем снимите пленку. В этом случае получается идеальная репродук ция известняка (и ero окраски). Этот метод COBe туем применять начинающим. Если овладеть методикой, то можно достичь очень высокой производительности. Полученные пленки х рани те зажатыми между стеклянными пластинками, скрепленными по краям защитной липкой плен кой. Первоначальное хранение пленки под rpy зом предотвратит ее скручивание. Эвапориты, биоrенный кремнезем, фосфаты За. Эвапориты. В процессе выпаривания из природных вод осаждаются соли, назы ваемые эвапоритами. rлавные минералыI эвапоритов приведены в табл. 3.1. В этом разделе мы сконцентрируем внимание на морских эвапоритах, осадивIIШXСЯ из за стойных масс рассолов MopcKoro происхо ждения. Дополнительные сведения, касаю щиеся диаrенетических эвапоритов и эва поритовых фаций, можно найти в rл. 16, 23, 26 и 30. Обычная морская вода представляет co бой раствор, не насыщенный по отноше нию ко всем эвапоритовым солям (табл. 3.1). Обратите внимание на то, что в морской воде rаmп более далек от Hacы щения по сравнению с rипсом, поэтому любое выпаривание приведет к тому, что Таблица 3.1. Химический состав и выборочные значения произведений активностей ио нов (IAP) и произведений растворимости (К) дЛЯ растворов rалита, rипса и анrидрита в морской воде [74] Минерал Формула IAP К rалит NaCl 0,12 38 rипс CaS0 4 .2H 2 O 4,6.10 6 2,5 .10 5 Анrидрит CaS04 4,6 . 1 О 6 4,2 . 1 О 5 Сильвии КСI Карналлит КМgСl з .6Н 2 О Полиrалит K2MgCa2(S04)4.2H20
49 Ilроисхождение частиц осадочноrо материала rипс начнет выпадать из раствора раньше rалита. В наибольшей степени недосыщает морскую воду совокупность солей калия, которые осаждаются последними из силь но концентрированных рассолов. На рис. 3.1 схематически показана последова тельность солей, которые выпадали бы при возрастающей степени концентрации MOp ской воды за счет испарения. На рис. 3.2 видно, что идеальная последовательность солей, выпадающих из морской воды, He сколько отличается от реальных последо вательностей, набшодаемых в эвапори товых отложениях rеолоrическоrо прошло ro. При сравнении с лабораторными про дуктами в последних отмечается повышен ная доля CaS0 4 и пониженная сульфатов натрия и маrния. Обеднение маrнием co провождается доломитизацией и осажде нием rлинистых минералов. При просачи вании рапы на завершающих стадиях процесса концентрирования рассолов про исходят важные метасоматические явления. Кроме Toro, приток морской воды может Компоненты 1' морской ::; Кристаллизация солей при воды 0/.. Соли 8 вы паривании морской воды 0,12 СаСО) Кальцит 1,27 Ca50 rипс с полиrалит 27,2 NaC ; rалит " Эпсомит , 0,09 NaBr о каинит , 2,25 MgSO" ('> СИЛl>ВИН > 0,74 ксе 1- Карналлит 3,35 Мя се 2 g '1. Бишофит L.............. Бора с о.., Бора] от ты N llоды маrния 35,1 1:: Плотность 1 О рассола ' Эвапорито вые зоны 1,2 1.3 1,4 1.1 Рис. 3.1. Изменение объема образующеrося pac сола, ero плотности и типа осаждаюIЦИХСЯ солей при выпаривании морской воды (по Валяшко [836]). быть причиной растворения и переосажде ния. Непосредственноrо осаждения анrидрита из морской воды никоrда не набшодалось. Константа равновесия реакции CaS0 4 .2H20 CaS0 4 + 2Н 2 О rипс анrидрит 91 определяется активностью воды (а 2 н 2 О) и позволяет на основании экспер ен тальных данных установить поля устойчи вости rипса и анrидрита (рис. 3.3). В очень соленых рассолах rипс все же осаждается, однако здесь он является метастабильной фазой и может впоследствии перейти в aH rидрит. Этот процесс наблюдается в себ ховых эвапоритах (rл. 23, 30), однако (а) Бишофит "\> \\\\ :.:;. .: С\\'. MgSO / (6) (в) [злит : . : :; / :: } . !/ . . . . :. . :: . Из еЕт-!.l!! I! J!О . МИ-Т.. Рис. 3.2. Сравнение разрезов осаждаюIЦИХСЯ co лей. а экспериментальное выпаривание морской воды; б разрез цехштейновых эвапоритов Фрr; в cpeДHee для друrих мноrочисленных раз зов морских эвапоритов (по Борхерту и Мюиру L97]). структурные данные заставляют coмнe ваться в возможности осуществления здесь первичноrо осаждения. Как будет показано в rл. 30, rипс при захоронении rлубже чем на 1 км становится нестабильным и пере ходит в анrидрит. В течение долrоrо времени считалось, что простой концентрации солей в мор.- ской воде за счет испарения недостаточно для образования толщ эвапоритов, набшо даемых в rеолоrических разрезах. Напри мер, из расчетов следует, что при полном выпаривании вод Мировоrо океана обра зуется слой эвапоритов со средней мощ ностью, составляющей лишь 60 м. Мощ ность же некоторых древних эвапоритовых толщ с большой площадью распростране ния достиrает 1 км. Основные периоды образования эвапоритов, по всей вероятно сти, оказывают резкое кра тк:осрочное воз действие на уровень солености морской BO дЫ до тех пор, пока снова не будет достиrнуто устойчивое состояние. Общий объем солей в Мировом океане составляет
50 Часть 1 примерно 2,2.107 км З [97]. Эвапориты Цехштейновоrо моря, располаrавшеrося в пермский период на территории COBpe менной Северо Западной Европы, имеют общий объем около 2,4. 106 км З , т. е. COCTa вляют около 10% общих запасов солей в океанах! П ростейшей моделью субаквальноrо образования эвапоритов является мелко водный, отделенный от моря валом бассейн (рис. 23.28), в котором испарение происхо дит в полуизолированных от моря усло виях С ПОПОJШением МОРСКОЙ водой через УЗКИЙ входной пороr ИJПI преrраду. При этом степень концентрации рассолов по степенно увеличивается, а за тем происхо дит последовательная кристаЛJПIзация раз личных солей. На rлубине может наблю даться обратный поток рассолов в мор.- ской резервуар, так что рассолыI в течение ДJПIтельноrо периода MOryT иметь опреде ленную концентрацию. Таким путем воз можно накопление весьма мощных толщ сульфатов и хлоридов. Эвапоритовые циклы, в достаточной мере приближаю 80 u 60 о u <tI Z '" 40 1\/ Начальное осаждение rипса 20 о 2 4 8 6 10 Степень концентрации морской воды Рис. 3.3. Фазовая диаrрамма, показывающая по ля устойчивости rипса и анrидрита при раз личных температурах рассола и степени KOHцeH трации морской воды (по данным Харди [338], пересчитанным в единицы концентрации (исходя из ан 2 о) Блэттом и др. [85]). щиеся к «идеальному» циклу (рис. 3.2, а), возникают тоrда, коrда рассолыI бассейна выпариваются ПОJШОСТЬЮ. В отделенных от моря валами бассейнах следует ожидать изменений в составе эвапоритов. Это обус ловлено тем, что из поступающей морской воды по мере ее распространения через по por в направлении к мелководным частям бассейна в первую очередь будет осаж даться rипс, а затем rалит. Субаквальные эвапоритовые фации рассматриваются ни же, в rл. 23. Следующий вопрос касается наJПIЧИЯ Ha блюдаемых во мноrих древних эвапоритах мелкомасштабных ритмов от МИЛJПIме TpOBblX до сантиметровых. Такие ритмы lCM . . """ ..- _.. .... t ' .... . ....... .. .. :'--:: , . < -, " .........' . ,_...... . ""' ....:."'. 'O :?' .,...;..... .:" ";""' ::" с -: .. --.. , ... .." , :----:.; . }; \'1"'" .,4._ ,.."".... ",' -.... .......... . <0>. рис. 3.4. Субаквальные эвапоритовые отложе ния: ленточная анrидрит доломитовая rлина из верхнеюрской формации Хит в Саудовской Apa вии. Обратите внимание на переработанный лен точный обломок в верхней части образца. MorYT быть представлены чередованием а) доломита и анrидрита + кластическая rJПIна (рис. 3.4), б) rJПIНЫ, доломита и анrидрита + rаJПIТ, в) rаJПIта + сильвин и ка рналJПIТ. rлинистыIe прослои в типах (а) и (б) интер претируются как продукты привноса кла стическоrо материала во время сезонов дo ждей. Поступающие воды распресняют рассолы, и это наряду с воздействием более низких температур воздуха приводит либо к перерыву в осаждении эвапоритов, либо к осаждению фаз, более близких к насыще нию. Поэтому, если принять такую схему, можно rоворить о rодовых слоях [681]. Очень высокие скорости отложения в COBpe менных выпариваюlЦИXСЯ рассолах (10 50 мм в rод для rалита) значительно превышают любую разумную скорость по rружения земной коры. Они подтверждают точку зрения, соrласно которой накопление мощных толщ солей в древних бассейнах, по всей вероятности, происходило в первона чально относительно rлубоких заПОJШенных
51 I1роисхождение частиц осадочноrо материала рассолом водоемах (не менее 1 км для перм CKoro Цехштейновоrо моря). 3б. БИOl'енный кремнезем. Основная часть кремнистых зерен поступает на дно океана после rибели радиолярий идиатомей, в больших количествах живущих в фотиче ском слое океанских вод и использующих кремнезем для построения своих панцирей. Морская вода представляет собой раствор, резко неДосыщенный относительно аморф Horo кремнезема. Для реакции Si0 2 + 2Н 2 О H 4 Si0 4 аморфный кремнезем кремнистая кислота К == aH 4 Si0 4 == 2 . 1 О З, и произведение актив ностей колеблется в пределах от 2. 1 О 4 до 1 . 1 О б. Наиболее растворимой является форма H 4 Si0 4 , причем ее диссоциация на Рис. 3.5. Распределение и КOlщентрация биоrен Horo опала в поверхностных донных осадках Ти xoro и Индийскоrо океанов (по данным Лисицы на [509] с изменениями Калверта [136]). Обоrа щенные аморфным кремнеземом илы на OKeaн ском дне отчетливо приурочены к районам высокой биолоrической продуктивности поверх ностных вод (см. rл. 24, 26). (3.2) НзSiО; и Н + оrраниченна (К == 10 9.9). He смотря на столь большое недосыщение, кремнистые планктонные орrанизмы извле кают из морской воды большое количество кремнезема, и из ero аморфной формы опала А строят свои скелеты. Это биоrенное извлечение наряду с частичным paCTBOpe нием скелетноrо материала на rлубине при водит к наблюдаемому в океанах быстрому увеличению концентраuии pacTBopeHHoro кремнезема с rлубиной. Основные области распространения кремнистых илов на океанском дне COOTBeT ствуют областям высокой биолоrической продуктивности, rде диверrенция океанских течений или апвеллинrи вызывают подъем боrатых питательными веществами rлу бинных вод к теплой фотической зоне (рис. 3.5; см. также rл. 24 и 26). Основные черты цикла кремнезема в океанах показаны на рис. 3.6. Для ознакомления с диаrенезом кремнезема отсылаем читателя к rл.30. 3В. ФосфаТЫ.Фосфа ты составляют лишь He большую часть осадочных пород, причем среднее содержание Р 205 В них равно 0,15%. Средняя концентрация фосфора в морской воде составляет около 0,07 Mr. л 1. HeCMO тря на столь низкие концентрации, фосфор представляет собой очень важный элемент,
52 Часть 1 так как это необходимый компонент всех живых клеток. Все возрастающее использо вание удобрений и детальная разведка запа сов природных фосфатов с неизбежностью сфокусировали внимание седиментолоrов на происхождение фосфатных пород. В морской воде фосфор встречается в форме фосфат ионов. В теплыIx поверх ностных водах концентрация фосфора co ставляет лишь 0,003 мr. л 1. Это обусло влено тем, что такие воды являются областью максимальной активности фото синтеза и, следовательно, зоной активноrо поrлощения фосфора планктоном. Более rлубокие холодные воды MorYT содержать 0,1 Mr. л 1 фосфора. Это зона реrенерации, rде фосфор возвращается в раствор в COCTa ве орrанических экскрементов и rде поm шие планктонные орrанизмы растворяются и минерализуются. Наиболее блаrо приятные условия для осаждения фосфатов существуют на неrлубоких континен тальных шельфах (например, на шельфе Юrо Западной Африки), а также на OKeaH ских плато, rде происходит подъем rлу бинных океанских вод вследствие экманов cKoro переноса (rл. 24, 26). Эти боrатые питательными веществами воды поддержи вают фантастическую продуктивность планктона, который пополняет запасы фос':' фатов по мере движения холодных вод, под нимающихся через наклонный шельф или поверхность плато. Фосфат осаждается в ви де фторапатuта или как продукт замеще ния СаСО з в результате увеличения по Ha правлению к береry температуры, рН и солености [321]. В rлубинных океанских водных массах вследствие высокоrо значе ния РСО 2 осаждения фосфатов не происхо дит, несмотря на то что эти воды близки к насыщению по оmошению к фосфату кальция. Приведенная модель осаждения фосфатов (соrласно Казакову) основана на ряде химических доказательств и информа ции О расположении древних фосфатных Me сто рождений. Однако следует подчеркнуть, что в районах современных апвеллинrов осаждение фосфатов, по видимому, не является повсеместным. Так, например, фос:..' фаты, широко распространенные на юrо за паде Африки, представляют собой реликты четвертичноrо и третичноrо периодов. При чины столь небольшоrо объекта COBpe менных фосфатных отложений объяснить трудно. Риrrс [684] подразделил фосфатные по роды на ортохимическую и аллохимиче скую rруппы. Ортохимические фосфаты, Рис. 3.6. Океанский цикл paCTBopeHHoro Kpeмнe зема. Размерность цифр 101 3 r кремнезема в rод (по Хиту L358] с изменениями Рича и фон Рада[683]). При внос речными водами I 43 + Неорzаническая адсорбция 4 Si(OR) растворен ый Биолоzическая фик<;ация r 2500 Неокислительная ре2енерация 125 57 Поток из поровых вод 2030 t Окислительная 8 1 Вул канический привнос ре2енерация Растворение в осадках до захоронения 240 104 1 Si(OR) 4 в поровых водах (порц<лланиты) I Кремни I
53 Происхождение частиц осадочноrо материала имеющие частично диаrенетическую приро ду, являются, по существу, фосфатными илами, образовавшимися in sitи под дей ствием физико химическоrо и биохимиче cKoro механизмов. Периоды осаждения илов, по видимому, совпадают с периодами массовой rибели орrанизмов, включая кремнистый микропланктон, поскольку фосфаты тесно связаны с отложениями диа томитов. Осаждению фосфатов вблизи MOp cKoro дна или на самом дне, очевидно, спо собствуют бактерии, клетки которых MorYT встречаться в илах в больших КOJшчествах. В фосфатных илах часто присутствуют пел леты и следы биотурбации, оставленные илоедами. Аллохимические фосфаты содер.- жат пеллетные, интракластовые, скелетные и оолитовые частицы, образовавшиеся по средством переработки полулитифициро ванных фосфатных илов или вследствие за мещения кальцитовых аллохем фосфатом кальция. Эффективность TaKoro процесса замеще ния иллюстрируется также отложениями ryaHo океанских островов. в которых фос фат из экскрементов морских птиц интен сивно замещает известняк [11 3]. Наблюдается тесная связь между расп.ро странением фосфатов и сложноrо rлинисто ro минерала rлауконита (rл. 30), причем как rлауконит, так и фосфаты имеют тенденцию встречаться в rоризонтах восстанови тельных условий седиментации. Мноrие пеллетные фосфаты характеризуются BЫCO ким содержанием rлауконита [284]. 4 Свойства зерен . 4а. Определения и I'P HY лометрические rpa ницы. Зерна осадков имеют размеры от мельчайших пылинок, переносимых ветром, до rиrантских валунов (табл. 4.1). Заметим, что размеры чаще вcero выражаются едини цами длины. Это не вызывало бы в дальней шем никаких затруднений, имей все зерна примерно сферическую форму, но, к сожале 31'. Вьшоды. Эвапориты образуются в виде солей, осаждающихся из морской воды в процессе испарения. Из рассолов анrидрит обычно не осаждается, вместо Hero выпа дает rипс. Основные эвапоритовые ритмы являются природной записью, фиксирую щей постепенное увеличение солености тол щи рассолов с течением времени. Мощные отложения одной соли свидетельствуют о том, что толща рассолов находится в динамическом равновесии с океаном. He большие переслаивания солей, подобные ленточным rлинам, по видимому, OTpa жают сезонные изменения солености pacco лов. К ремнезем поступает на океанское дно вследствие осаждения поrибших планк тонных орrанизмов, использующих для по строения своих панцирей опал А. Накопление фосфата в океане наблюдает ся в районах апвеллинrа, rде в область шельфа поступают обоrащенные фосфором rлубинные воды и rде происходит осажде ние фосфата кальция и замещение карбона та кальция. Литература, рекомендуемая для дальнейшеrо чтения Изучение rенезиса эвапоритов лучше начать с книr Бернера [74] и Краускопфа [475]. Динами ка поведения кремнезема в океанах рассмотрена Хитом [358] иКалвертом [136] Некоторые статьи. посвященные фосфатам и их rенезису, можно найти в томе 74 журнала Economic Geo logy за 1979 r. нию, это не так. Существует ряд альтерна тивных показателей размерности, которые отражают форму зерен (табл. 4.2). Наиболее ценным из них является объемный диаметр, который определяется как диаметр сферы, объем которой равен объему рассматривае Moro зерна. В данной работе для упрощения изложения и экономии места мы будем pac
Таблица 4.1. Классификация осадочных зерен Аддена Уэнтуэрта (по Петтиджону и др. [635]). Эта шкала размеров пользуется почти универсальным применением у седиментолоrов. Полевые определения rранулометрии облеrчаются использованием небольших образцов эталонов rлавных классов, закрепленных на основе CTaHдapT ные сита Миллиметры Едини Классы США цЫ фи (меш) (ф) шкалы Узнтуэрта Применяются сита с 4096 12 квадратными ячейками 1024 10 Валуны (boulder) 256 256 8 64 64 6 Крупная rалька (соЬЫе) rалька 16 4 5 4 4 2 rалька (pebble) 6 3,36 1,75 7 2,83 1,5 rравий (granule) 8 2,38 1,25 10 2,00 2 1,0 12 1,68 0,75 14 1,41 0,5 Очень крупный песок 16 1,19 0,25 (very coarse sand) 18 1,00 0,0 20 0,84 0,25 25 0,71 0,5 Крупный песок 30 0,59 0,75 Песок 35 0,50 1/2 1,0 40 0,42 1,25 45 0,35 1,5 Средний песок 50 0,30 1,75 (medium sand) 60 0,25 1/4 2,0 70 0,210 2,25 80 0.177 2,5 Тонкий песок 100 0,149 2,75 (fine sand) 120 0,125. 1/8 3,0 140 0,105 3,25 Очень тонкий песок 170 0,088 3,5 (very fine 200 0,074 3,75 sand) 230 0,0625 1/16 4.0 270 0,053 4,25 325 0,044 4,5 К рупный алеврит Алеврит 0,037 4,75 (coarse silt) 0,031 1/32 5,0 0,0156 1/64 6,0 Средний алеврит 0,0078 1/128 7,0 Тонкий алеврит 0,0039 1/256 8,0 Очень тонкий алеврит Применяется пипетка 0,0020 9,0 или rидрометр 0,00098 10,0 0,00049 Н,О rлина 0,00024 12,0 rЛина 0,00012 13,0 0,00006 14,0
55 Происхождение частиц осадочноrо материала сматривать зерна как сферы или сфероиды. Читателю следует помнить, что при изуче нии мноmх зерен, в особенности фраrмен тированных биокластов, из за особенностей их формы возникают затруднения при про ведении рациональноrо rранулометрическо ro анализа. Следует отметить, что масса зерна изме няется пропорционально кубу радиуса (для сфероидов). Следовательно, сфера диамет ром 10 мм в 5 раз «больше», чем сфера диа метром 2 мм, если сравнивать их по cpeДHe му диаметру, но по массе она больше в (53/13 ==) 125 раз. Учитывать массу очень важно, так как она выражает сопротивление движению (инерционная масса), которое нужно 'преодолеть для Toro, чтобы началось перемещение зерен. Широко распространена rранулометриче ская шкала Аддена Уэнтуэрта с шаrом раз мерности, который отсчитывается от цeH тральноrо значения в 1,0 мм в виде проrрес сии, кратной двум (табл. 4.1). Такой шаr леrко приспособить к лоrарифмическому масштабу Ф (разд. 4б). Известен ряд взаимозаменяемых методов измерения размера зерен, причем выбор их зависит от Toro, как зерна физически свя Таблица 4.2. Три полезных показателя величины зерен (по Аллену [12]). Наиболее широко ис пользуется ситовой диаметр, .но приводимые здесь друrие величины MorYT оказаться по лезными для кварцевых зерен и зерен друrоrо состава различноrо размера и плотности Название Определение Ситовой диаметр Размер минимальной KBaдpaT ной ячейки сита, через которую проходит зерно (заметьте, зер но, прошедшее через верхнее си то и задержавшееся на нижнем, более тонком сите, имеет сито вой диаметр, промежуточный между двумя размерами ячеек) Объемный диаметр Диаметр свободноrо падения Диаметр ша ра, имеющеrо объем, равный объему зерна Диаметр шара, имеющеrо такие же плотность и скорость CBO бодноrо падения в одной и той же жидкости (см. rл. 6), как и данное зерно заны в скопления, а также от формы и раз мера зерен (табл. 4.3). Более подробные CBe дения читатель найдет в специальных PYKO водствах. Следует помнить, что измерения, сделанные по шлифам, необходимо OTKOp ректировать, чтобы они были сопоставимы с данными ситовых анализов (см. работы [270, 346]). 4б. Распределение размеров зерен. В каждом образце осадочной породы присутствуют различные по размерам зерна (табл.4.4). Данные по этому разнообразию MorYT быть статистически обработаны, так чтобы мож но было сравнивать различные образцы и представить соответствующую интерпре тацию. В силу этоrо возникает необходи мость каким то образом rрафически сопо ставить частоту встречаемости с размером зерен. П ростейший rрафик представляет собой 2истО2рамма, на которой площадь каждоrо вертикальноrо столбика отражает процент ное содержание (по весу) каждой размерной фракции (рис. 4.1). У простой rистоrраммы имеется то преимущество, что весь характер распределения можно охватить сразу одним взrлядом; ее недостаток заключается в том, что последовательный ход изменений пре рывается на rраницах классов. Разумеется, плавная частотная кривая, или кривая pac пределения, более удобна. Однако при считывании значений с кривой возможны Таблица 4.3. П рименимость различных методик rранулометрическоrо анализа (частично по pa боте [635]). Отвердевшие породы дезаrреrиро вать (с помощью Н 2 О или слабо растолочь пе стиком) (см. работу [146]). Породы, не поддаю щиеся дезаrреrации, изучаются в шлифах, и размеры зерен определяются либо непосред ственно с помощью масштабной линейки поля ризационноrо микроскопа, либо на экране про екционной установки Осадок Методика rалька Прямые замеры (кронциркулем), ситование Ситование; отмучивание; счетчик Каултера (см. МсСауе, Jarvis, 1972) Ситование (крупный); отмучивание; счетчик Каултера; пипетка Пипетка; электронный микроскоп; счетчик Каултера Песок Алеврит rлина
56 Часть 1 ошибки, так как перепады значений вблизи обоих концов кривой малыI. Необходимо, кроме Toro, преодолеть трудности, связанные с большим различием размеров зерен в одном образце. Так, в пе ске с rалькой MOryT присутствовать зерна, различающиеся по размерам на три поряд ка. Наносить такие точки на rрафик в обыч ном масштабе, на арифметической милли метровой бумаrе, неудобно; лучше приме нять лоrарифмическую бумаrу. И наоборот, миллиметровую шкалу Уэнтуэрта можно преобразовать в лоrарифмическую и затем строить rрафик на обычной миллиметровке [476]. В связи с этим следует заметить, что rранулометрические классы в шкале Уэн туэрта образуют проrpессию 8, 4, 2, 1, 1/2, 1/4, 1/8 мм и т.д. Учитывая постоянный по казатель этой rеометрической проrрессии, можно построить шкалу с одинаковым ша rOM делений на классы, взяв лоrарифмы чи сел. К сожалению, десятичные лоrарифмы числовых поrраничныx значений классов имеют вид дробей, а не целых чисел, поэто му Крамбейн предложил использовать 10g2 ; в этом случае наша последовательность, приведенная ранее, приобретает вид 23, 22, 21, 20, 2 1, 2 2, 2 3 мм. Применение отри цательных лоrарифмов ПОЗволяет преодо леть трудности, связанные с необходи мостью выражать обычные размеры пе счаных фракций через отрицательные пока затели степени. Такие показатели предста вляют собой единицы измерения размеров зерен в шкале ф. Следовательно, Ф == == 10g2 мм. Для нашей последовательности, которую мы приводили выше, единицы составят 3, 2, 1, О, 1, 2, 3. Поскольку единицы считаются безразмерными, KOp ректнее будет принять, что d Ф == IOg2 d;;' rде dо «исходный» диаметр в 1 мм. Вероятностное распределение порождает еще одну проблему. Долrое время предпо лаrалось, что кривая распределения с лоrа рифмической абсциссой близка к кривой нормальноrо распределения. В таком случае к распределению зерен должна была бы применяться лоrнормальная функция. Для решения вопроса о лоrнормальном распре делении можно построить rрафик, на KO торый наносится кумулятивная кривая в процентах; при этом для ординаты спе циально построенноrо вероятностноrо pac пределения используется масштаб шкалы ф, а для абсциссы арифметический масштаб. В таком случае лоrнормальному распреде лению будет соответствовать прямая линия. Однако в преобладающем большинстве случаев распределения зерен лишь прибли жаются к лоrнормальному. Таблица 4.4. Детальная характеристика ситовоrо анализа среднезернистоrо хорошо отсортированно ro песка, с положительной асимметрией распределения, эоловоrо (по Бэrнольду [41 ]). Этот анализ ис пользуется как базовый для различных способов rрафической интерпретации распределения rрануло метрии на рис. 4.1 Размер ячейки. Размер ячейки, Ф Вес. % Кумулятивные меш (анrл.) мм вес. % 12 1,58 0,65 0,005 0,005 16 1,17 0,23 0,043 0,048 20 0,915 + 0,13 0,338 0,386 24 0,755 + 0,40 1,855 2,241 30 0,592 +0,75 14,120 16,361 40 0,414 + 1,13 51,776 68,137 50 0,318 + 1.65 20,300 88,437 60 0.261 + 1,92 6,080 94,517 80 0,191 + 2,40 3,860 98,377 100 0,114 +3.13 1,105 99,482 150 0.099 + 3.33 0,404 99,886 200 0,073 + 3.79 0,082 99,968 300 0,054 +4.21 0,024 99,992
57 Происхождение частиц осадочноrо материала 0,5 О 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 100 (а) 99,99 Диаметр зерен, Ф 90 99,9 80 99,8 (в) 70 99 * 60 98 50 95 ( ) 40 90 3 30 80 ".."\. 2 20 / / \ 10 70 / \ z 60 ...5 О 11 0,5 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 50 ;:.... ./.:. ,Нормальное/,,"": . Диаметр зерен, Ф 40 1 -;/ .... (параболическое) \ 30 распределение (6) 2 100 ....o--o ooo()--O --O 0,1 0,5 1,0 2,0 20 90 ( Диаметр зерен, мм 10 (д) * 80 70 5 rрафuческuй метод Фол ка Моменты Среднее арифметическое <u 60 2 1,08 1,1 :Q :I: Медиана 0,99 50 / 1 I Мода 0,92 Сортировка 0,41 0,47 40 0,5 30 Асимметрия 0,36 1,43 о 20 0,2 ) 0,1 Вывод: Песок среднезернистый, хорошо сортированный, 0,01 очень сильная асимметрия + v е 0,5 0,5 1,0 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 O,5 О 0,5 1,0 1,5 Диаметр зерен, Ф Диаметр зерен, Ф Большая часть исследователей наносят данные rpaHY лометрических анализов на ординату, rде показаны кумулятивные про центы в вероятностном масштабе, и на абс Рис. 4.1. Примеры rрафической интерпретации rранулометрических данных, приведенных в табл. 4.3. а rистоrрамма; б кумулятивная кривая с вертикальной осью в арифметическом масштабе; в кумулятивная кривая в вероятност ном масштабе; 2 вертикальный масштаб лоrа рифмический, rде N выраженное в весовых про центах количество данной фракции, задержанное между ситами с определенным размером ячейки. Следует заметить, что (в) и (2) опроверrают пред ставление о rранулометрическом распределении как лоrнормальном. Кривая (2) скорее rипербола, чем парабола (см. Bagnold, Ваrndоrf Niеlsеп, 1980); д сопоставление статистических показате лей, полученных rрафическим методом Фолка, и показателей, рассчитанных на ЭВМ. Заметьте, что rрафический метод сильно занижает асимме трию. циссу, rде размеры выражены в единицах Ф и по казаны в арифметическом масштабе (рис. 4.1), молчаливо подразумевая, что к ним применимы понятия ошибки raycca или вероятностное распределение. Этому противоречат или усложняют ero три oco бенности распределения размеров зерен. Во первых, мноrие авторы предполаrают, что кумулятивная кривая распределения размеров зерен представляет ряд прямых отрезков (рис. 6.10), а не одну линию [838, 573]. Каждый прямо линейный отрезок pac сматривается либо как усеченное «нормаль ное» распределение, либо как часть системы перекрывающихся нормальных распределе ний. Подобные отрезки распределений связывались с rидравлической сортировкой, и в таком случае определенные части отрез ков либо представляли собой фракции ДOH ных или взвешенных наносов (см. rл. 6), ли бо указывали на абразию зерен или на их первоначальное происхождение.
58 Часть 1 BO BTOpЫX, нужно помнить, что в боль шинстве случаев образцы, отобранные для rранулометрическоrо анализа, содержат следы мноrочисленных отличаюIЦИXСЯ одна от друrой 06становок осадконакопления. Друmми словами, rpaHY лометрические aHa лизы выявляют валовую сортировку, а не co ртировку, связанную с отложением или транспортировкой наносов [242]. Недавно проведенные детальные исследования еди ничных слойков в песчаных отложениях по казали, что распределения в них не являют ся ни нормальными, ни лоrнормальными [312]. БолыIшствоo распределений резко усечено, и оказывается, что места усечения в распадаюIЦИXСЯ на сеrменты распределе ниях, о которых упоминалось ранее, нельзя просто объяснить происхождением в pe зультате процесса волочения донных HaHO сов или перемещения взвешенных наносов (rл. 6). Тот факт, что во мноrих кумуля тивных частотных распределениях, приве денных в литературе, отмечается лоrнор малыше распределение, позволяет предпо ЛОЖRТЬ, что валовые пробы, объединяющие сообщества зерен мноrих элементарных слой ко в, представляют собой комплексы Ta ких индивидуально различных элемен тарных распределений, особенности KO торых сrлажены. В третьих, изучение тща тельно pac сеянных на ситах хорошо сортированных образцов эоловых песков показало, что крайние фракции (самые тонкие и самые крупные. Перев.) обычно присутствуют в более значительных количествах, чем сле довало бы ожидать из вероятностноrо pac пределен ия (рис. 4.1). По данным недавно проведенных работ ([ 47J; Bagnold, Baт dorff Neilsen, 1980), такое распределение фракций является ЛО22иперболическим и представляет собой смесь нормальных распределений. В заключение можно добавить, что pac пределение в особых образованиях, таких, как элювиальная дресва, не испытавIIШХ стадии транспортировки, существенно ОТЛИ чается от лоrнормальноro. В них наблю дается своеобразное распределение, подчи няющееся известному закону Розина, KOTO рому на специально разработанной rрафи ческой вероятностной бумаre отвечает пря мая линия. 4в. Характеристика популяций зерен. В дo ПОJllIение к характеристикам распределения зерен с помощью одной или нескольких rpa фических методик, описанных в предыду щем разделе, необходимо знать такие oco бенности, как средний размер зерен и разброс значений относительно среднеrо. Модой называется величина наиболее часто встречаемоrо размера зерен, которая co ответствует самой высокой точке на частот ной кривой или наиболее крутому участку кумулятивной кривой. Медиана делит ча стотную кривую на две равные части и co ответствует точке 50% на кумулятивной кривой. Среднее (J.!) определяется как сумма размеров, деленная на число измерений; за писанное математико статистическими сим волами, оно будет выrлядеть следующим образом: п J.! == I Х; /п , ;== 1 (4.1) rде х; величина i ro измерения; I CYMMa всех значений х от 1 до п. Средний размер зерен более существенный показатель для оценки Bcero распределения, чем медиана или мода. Симметричные частотные кривые имеют одну уникальную ценную особен ность их среднее значение представляет co бой одновременно моду, медиану и среднее арифметическое (рис. 4.2). Разброс значений вблизи средней называется cpeдHeKвaдpa тич ным отклонением, в седиментолоrии именуемое сортировкой; оно представляет собой квадратный корень из дисперсии: п 82 == I (Х; J.!)2/ п , ;= 1 (4.2) (а) Медиана и де rрубые фракIlИИ (6) ( Ф) rR Тонкие фракции (+ф) (в) Медиана :1Ll Рис. 4.2. Иллюстрация понятия о характере pac пределения. а симметричное распределение; 6 положительная асимметрия; в о трица тель ная асимметрия.
59 Происхождение частиu осадочноrо материала rде 82 дисперсия; 8 среднеквадра тичное отклонение. Чем больше разброс значений от cpeДHe ro, тем выше среднеквадра тичное отклоне ние. Следует заметить, что одно cpeДHeKBa дратичное отклонение от среднеrо oXBaTЫ вает 68,3% нормалъноrо распределения, ДBa 95,5%, три среднеквадратичных откло нения охватывают 99,7%. Два показателя, рассчитываемые по фор мулам для получения среднеарифметиче cKoro размера и среднеквадратичноrо OT клонения, называются соответственно пер вым и вторым моментами. Их довольно хлопотно вычислять вручную по необрабо танным данным rранулометрическоrо aHa лиза, но на ЭВМ они рассчитываются без затруднений. Для ускоренной приблизи тельной оценки среднеарифметическоrо размера и среднеквадратичноrо отклонения разработаны rрафические приемы, с по мощью которых необходимые значения размеров зерен считываются с куму лятив ной кривой. [270]. Привод мые ниже простые формулыI при менимы только для кумулятивных кривых или rранулометрических rрафиков в шкале Ф (рис. 4.1): (ф 16 + 50 + 84) J.1z == 3 rрафическое значение среднеrо размера, ф 84 16 CJi== 4 + ф95 5 + 6,6 cpeДHeKBaдpa тичное откло нение, rде Ф 16,50 и т.д. значения Ф на различных процентных уровнях кумулятивной частот ной ординаты. Следующим полезным показателем pac пределения является асимметрия, рассчиты ваемая как третий момент: п s/(== L (Xi J.1)3 jn, i== 1 или, с помощью приблизительных . rрафиче ских методов, ф16+ ф84 2ф50 sk i == 2(ф84 ф16) + Ф 5 + Ф 95 2ф 50 + 2 (ф 95 Ф 5) . (4.6) Следует обратить внимание, что в от ли чие от среднеарифметическоrо и от cpeДHe квадратичноrо отклонений асимметрия не выражается в единицах ф. Для симметри чной кривой асимметрия равна ну JПO. Кривые с избытком тонких фракций xapaK теризуются положительной асимметрией, с избытком rрубых отрица тельной (табл. 4.5). 41. rранулометрические параметры и распре деления. Среднеарифметический размер представляет собой простой параметр для сравнения силыI тяжести, которая должна быть уравновешена для Toro, чтобы прило жение влекущей силы потока обусловило перемещение зерен воздушным или водным потоком. Очень полезны rрафики, отражаю щие взаимосвязь среднеrо диаметра с Ka кой либо величиной, характеризующей транспортирующую способность потока. Таблица 4.5. Значения сортировки и асимметрии для статистических данных, обработанных rpa фически, со словесными определениями [270] (4.3) Стандартное откло нение (СОQтировка) ,З5ф Словесное определение (4.4) 0,35 ,50ф 0,50 , 71 Ф О, 71 l,ООф 1, 2,Оф 2,ОО ,00ф 4,00ф и и Очень хорошая сортиров ка Хорошая сортировка От умеренной до хорошей сортировки Умеренная сортировка Плохая сортировка Очень плохая сортировка болееИсключительно плохая сортировка (4.5) Асимметрия + 1,00 ( + 0,30) + 0,30 ( + 0,10) + 0,10 ( 0,10) 0,10 ( 0,30) 0,30 ( 1,00) Сильная асимметрия в сторону тонких фракций Асимметрия в сторону тонких фракций Почти симметрично Асимметрия в сторону rрубых фракций Сильная асимметрия в сторону rрубых фракций
60 Часть 1 к ним относятся rрафики пороrовых значе ний (разд. 6r) и rрафики состояний донных форм (разд. 8а, 8б). Если принять, что в по ток MorYT поступать с одинаковой вероят ностью зерна любой размерности, то cpeд ний диаметр зерен в рассматриваемом типе отложений будет rоворить о силе потока. Наличие zрадациоююй слоистости свиде тельствует о том, что транспортирующая способность потока изменялась во времени. Сортировка или среднеквадратичное OT клонение в отложениях являются показате лем их однородности, обусловленной дей ствием течения во время транспортировки отложения. В результате селективноrо BЫ мывания (например, в условиях пляжа) TOH кие фракции MorYT быть удалены; вслед ствие выборочноrо износа MorYT накопить ся одинаково тонкие зерна. В эоловых отложениях отсутствуют как тонкие фрак ции, распыляющиеся в атмосфере, так и rрубые, для переноса которых транспор- тирующая способность воздушных течений недостаточна. В результате формируются очень тонкозернистыIe однородные пе счаные отложения. Во время транспорти ровки и отложения ледниковых морен TaKO ro разделения не происходит, и поэтому в них присутствуют любые фракции от rлинистой до валунной. При желании чита тель может припомнить и друrие примеры подобных отложений. При валовом опробовании отложений асимметрия довольно четко отражает xa рактер обстановки осцдкообразования. В некоторых аллювиальных песках асимме трия положительная, так как осцдки обоrа щаются тонкими алевритовыми частицами, осаждающимися после спада паводка. Пля жевые пески по контрасту обычно имеют отрицательную асимметрию, 'поскольку тонкие частицы избирательно вымываются постоянным действием ВОJШ, а более rрубые зерна представляют собой остаточные «XBOCThI» перемывания. Эоловые пески, как правило, характеризуются положительной асимметрией, поскольку ветер малоэффек тивен при транспортировке rрубых частиц, которые обычно остаются на месте, и пред ставляют собой остаточные отложения (lag deposits). Простая диаrрамма, демонстрирующая взаимосвязь сортировки и асимметрии для аллювиальных и эоловых песков [279], по': зволяет увидеть некоторые особенности, упомянутыIe выше. Правда, новейшие иссле дования [736] заставляют усомниться, что такой подход применим во всех случаях. На рис. 4.3 видно, что аллювиальные пески xa рактеризуются сравнительно плохой сорти ровкой И положительной асимметрией, а пляжевые пески хорошей сортировкой и отрицательной асимметрией. Попытки дe тальнее выявить условия осадкообразова ния на основе rpaHY лометрических анализов Примерная линия +2 раздела . . . . .. . . :.. . .. +1 \ . , . . . ... . .. ... ... . '" \ . ..... . :s:: ..... . . g. о v V...... Q) '1 '{. . ) ::Е V '1 V Vv v,. . ::Е V V .. :s:: V v J < 1 VV \ . V V \ 2 '1 '1 '1 \ '1 V \ Речные пески {J '1 \ . '1'1 '1\ ПЛяжные пески v '1'1\ 0,1 0,3 0.5 0,7 0,9 1 1 Срепнеквадратичное отклонение Рис. 4.3. Взаимосвязь асимметрии и cpeДHeKBa дратичноrо отклонения (сортировки) по данным для современных речных и пляжевых песков. Вид но, что поля отчетливо различаются, однако сле дует помнить о критике этоrо метода [736]. Ta кое различение может оказаться полезным для разделения флювиальных и пляжевых песков в стратиrрафическом разрезе (по Фридману [280] ; применение к древним осадкам см. в рабо те Лидера и Нами [498]). обычно не имели успеха, так как поля точек перекрывались, а статистические приемы выделения полей, соответствующих только одной обстановке, отсутствуют. В качестве примера можно привести диаrраммы, в KO торых использованы только три внешние характеристики сообщества зерен: процентиль 1, медиана и процент фракций менее 3ф [627]. Как мы постараемся пока за ть в дальнейшем, построения, касаюIЦИеся 1 Автор диаrраммы Р. Пассеrа в качестве максимальноrо размера зерен использует пара метр С, который представляет собой 1 % ный квантиль, т. е. такой размер, относительно KOTO poro более крупные зерна составляют лишь 1 % от массы породы. Прим. ред.
61 I1роисхождение частиц осадочноrо материала обстановки осадконакопления, должны oc новываться на ряде факторов (фапии, палео течения, rеометрия осадочных тел, размер зерен), а не на одном. 4д. Износ и раскалывание зерен. Несмотря на важность указанных в заrоловке процес сов, в количественном отношении об их CKO рости И механизме известно немноrое. Из нос зерен в процессе транспортировки происходит в результате появления трещин, обусловленных столкновением частиц, при котором кинетическая энерmя передается от зерна к зерну. Естественно предполо жить, что в воздухе описываемый процесс эффективнее, чем в воде. В последнем случае более высокая фактическая плавучесть зерен и высокая вязкость жидкости «сrлаживают» результатыI столкновений. экспериментыI показывают, что эоловый износ кварца в 10 1000 раз больше, чем во время TpaH спортировки речным потоком на то же pac стояние [450]. Как при ветровом, так и при водном переносе износ стремится к ну шо для частиц мельче 0,05 мм. В природных водотоках окруrление rаль ки крупноrо rравия происходит на более KO ротких расстояниях, чем это рассчитывается по данным лабораторных исследований в качающихся цилиндрах. Вероятно, объяс нение этому можно найти в набшодавшихся явлениях абразионноrо износа rальки перед достижением пороrа ее срыва с места и транспортировки [727] или по достижении TaKoro пороrа, коrда на частицу действуют подъемная сила и напряжение сдвиrа (rл. 6). Уменьшение крупности вниз по течению иноrда можно выразить в виде отрицатель Horo экспоненциальноrо отношения, одной из форм KOToporo является «закон» Штерн берrа: W == W o ехр [ а (х хо)], [де W вес наиболее крупной частицы на расстоянии х от места ее происхождения; Wo Bec в какой либо точке хо; а постоян ная величина для данноrо потока. Подо бные экспоненциальные «законы» как будто подходят для объяснения возрастания вниз по течению окруrленности и сферичности зерен (разд. 4е). Эти равенства подтвер ждают результаты лабораторных исследо ваний, которые показали, что уменьшение размеров частиц под действием физическо ro износа становится все менее и менее эффективным по мере Toro, как размеры ча стиц уменьшаются, так что, например, пе счинки кварца MorYT пройти в воде путь в 1000 км, потеряв Bcero менее 0,1% веса. Снижение крупности в таких песчаных отло жениях, набшодаемое вниз по течению, без сомнения, объясняется rидравлической co ртировкой. Это не должно нас удивлять, так как давление, передаваемое от зерна к зерну при их столкновении, связано со степенью потери момента, что в основном опреде ляется массой частицы. Как уже упомина лось, масса выражается как функция куба радиуса, поэтому отношение масс rалек и песчаных зерен радиуса 50, 5 и 0,5 мм paB но 125000: 125 : 0,125. Раскалывание зерен кварца эндоrенноrо происхождения во время транспортировки их водой или ветром сильно облеrчается Ha личием в них интенсивной трещиноватости [589] и ослабленных плоскостей отдельно сти [858] (см. разд. 4е). Трещины MorYT быть связаны с внутренними напряжениями, воз никающими в кристаллах в связи с перехо дом альфа кварца в бета кварц, что имеет место при кристаллизации rранитных тел ниже 573 0 С [763]. Высокотемпературный альфа кварцl имеет более низкую плот ность, чем низкотемпературный бета кварц, поэтому такой переход сопровождается уменьшением объема примерно на 1,5%. Возникающие при этом напряжения, с одной стороны, по видимому, ослабляют связь кристалла кварца, как единоrо целоrо, с соседними кристаллами, повышая ero «эродируемость», а с друrой стороны, co здают внутри отдельных кристаллов си стемы микротрещин. (4.7) 4е. Форма и облик зерен. Часто не разли чают две стороны морфолоmи зерен OKa танность и сферичность. OKaTaHHOCTЬ CTe пень сrлаженности поверхности зерен. Зна чит, MOryT существовать окатанные палоч кообразные зерна. Ока танность можно выразить количественно как отношение среднеrо радиуса окружности, описываю 1 В отечественной минералоrической литера туре принята противоположная индексация, и \1. кварц считается низкотемпературной модифика цией. П рим. ред.
62 Часть 1 щей все уrлыI зерна, к радиусу вписанноrо крут. Вычислить такие соотношения для большой популяции зерен дело довольно трудоемкое. Обычно среднюю окатанность оценивают с помощью стандартноrо набо ра изображений зерен (рис. 4.4). Значения сферичности показывают, Ha сколько близко данное зерно приближается к шару, у KOToporo три перпендикулярные друr друrу оси х, у и z равны. Предложены мноrочисленные формулыI для оценки сфе ричности, но лучший показатель, разрабо танный Снидом и Фолком [772], это MaKcи мальная проектированная сферичность "'р. По их определению, "'р == (s2/li)l/3, rде 1, i и s представляют собой наиболее длинную, среднюю и короткую оси. Эта формула принимает во внимание механизм осажде ния зерен в жидкости, поскольку позволяет сравнить максимальную проекцию зерна с проекцией сферы paBHoro объема. В шли фе сферичность подкрепляется понятием yд линенности, которое определяется как oтнo шение ширины зерна к ero длине. Форма зерен определяется отношением осей 1, i и s. Зерна можно классифицировать по форме, исходя из понятий paBHoocHoro, стержнеобразноrо и дискообразноrо зерна, представляющих собой крайние случаи морфолоrическоrо разнообразия, и приме няя треуrольную диаrрамму [722]. В последние rоды мноrо внимания уделя лось изучению микрорельефа песчаных зе рен с помощью электронноrо микроскопа [536]. Было установлено, что на зернах имеется ряд систем растрескивания и следы r) .. ." ... . Сильно }' rловатые Уrловатые Слабо- уrловатые соударений, причем некоторые из них, воз можно, являются диаrностическими призна ками определенных обстановок. Следует OT метить, что осуществление палеоreоrрафи ческоrо анализа обстановок на основе этих данных дело ненадежное, так как часто присутствуют реликтовые признаки или следы переработки. Несомненно, изучить статистически надежное число зерен и опре делить пропентное содержание зерен с раз личными при знаками нелеrкая и TpyдoeM кая задача. Исследования с помощью электронноrо микроскопа выявили два очень интересных факта. Во первых, было установлено, что в кварце на микроскопиче ском уровне преобладает разрушение по плоскостям отдельности [858], что приво дит К образованию кварцевых обломков размером менее 50 мкм [765], хотя MaKpo скопически видно, что он склонен распа даться по трещинам. Изучение rлин ледни KOBoro происхождения показало, что значи тельная часть этих отложений состоит из очень тонких (3 нм) таблитчатых обломков кварца, отколовшихся по плоскостям OT дельности. Предположительно алевриты эо ловоrо происхождения также содержат Ta кой детрит. BO BTOpЫX, стало ясно, что поведение частиц в процессе трения (см. разд. 7б) помимо хорошо заметных «уrлов», макроскопически наблюдаемых Рис. 4.4. Фотоrрафии зерен, которые можно применить для определения окатанности. " '" Слабо окатанные Окатанные Хорошо окатанные Слабая сферичность
63 I1роисхождение частиц осадочноrо материала при определении окатанности, в известной мере зависит и от МИкронеровностей на по верхности зерен. ..аж. Свойства arperaTOB зерен. Накопление зерен при формировании отложений неиз бежно приводит к образованиlO упаковки, опредеЛЯlOщей мноrие валовые свойства зе рен. Концентрация объема фракций (С) зе рен в пределах каких либо отложений до их цементации представляет собой отношение объема, занятоrо зернами, к общему объе му. Объем пор (р), или пространства, «не за нятоrо» зернами, в пределах HeKoToporo объема можно представить как р== 1 С. (4.8) Бэrнольд [41] развивал концепциlO ли ней ной концентрации (А), которая предста вляет собой оrnошение диаметра частицы (d) к расстояниlO между соседними частица ми (s), т. е. л. == d/s. Эта величина линейной концентрации связана с концентрацией объема фракций следуlOЩИМ образом: С == С. (1/л. + 1) , (4.10) rде С. максимально возможная KoнцeH трация, коrда л. == 00 (s == О) в условиях pOM боэдрической упаковки (см. ниже). С. дЛЯ шара равна 0,74. Упаковка частиц в отложениях частично определяет пористость, проницаемость и прочность. СуществуlOТ разные типы упа ковок для скоплений сферических зерен. Ha иболее простыIии конечными членами ряда ЯВЛЯlOтся кубическая и ромбоэдрическая упаковки (рис. 4.5), в которых пористость составляет 48 и 26% соответственно. Эти Be личины можно принять как максимальнуlO и минимальнуlO для примерно равных сфе роидных тел. В большей части естественных отложений, сложенных зернистыIM ма териа лом и не прошедших стадиlO цементации, пористость имеет промежуточные значения. На характер упаковки, а следовательно, и на мноmе свойства отложившихся частиц влияет ряд факторов. Верояrnо, одним из важнейших является форма зерен. ДOCTa (а) Рис. 4.5. Вертикальные разрезы, иллюстрирую щие кубический (а) и ромбоэдрический (6) спо собы упаковки шаров одинаковоrо размера Эти две упаковки соответствуют теоретическому MaK симуму и минимуму пористости. (4.9) точно представить себе различия, возникаlO щие при неправильной упаковке paBHO OCHbIX сфер, кубов и пластин. Очень высокая пористость может возникнуть при накопле нии обломков раковин, коrда «дыры» coxpa НЯlOтся, если ранняя цементация (rл. 29) препятствовала уплотнениlO. Во мноrих CBe жеотложенных rлинах обнаруживается очень высокая (до 90%) исходная пори стость, связанная с сетчатой укладкой че шуек rлинистых минералов, обусловленной флоккуляцией (rл. 9, 11); но уплотнение, как правило, приводит к исчезновениlO такой пористости. Воздействие скорости осадкообразования на упаковку описано в работе ['рея [315]. При большой скорости осадконакопления происходят соударения частиц и возникаlOТ помехи, мешаlOщие отложениlO на поверх ности осадка (которая перемещается снизу вверх). Это препятствует отдельным части цам занять оптимальное положение для образования правильной ромбоэдрической упаковки, которая может возникнуть при малой скорости осадконакопления. Форми РУlOщаяся местами кубическая упаковка и наличие пустот приводят к повышенной пористости (рис. 4.6). Такие взаимные поме хи должны особенно сильно сказываться при отложении хлопьеобразных частиц, по скольку в накопившейся массе содержится мноrо вертикально расположенных хлопь
64 Часть 1 50 (а) ..;- 45 !- u u :s:: g.40 t:: ...../.... ........... .... ... . . 35 ...... ...... 10° 101 102 103 Интенсивность осаждения , Kr.M 2 .c 1 50 (6) ..;- 45 !- u u :s:: g. 40 t:: ... ... .. .. ......... . -.. 35 10 1 10° 101 Скорость падения ,M.C 1 Рис. 4.6. Пористость песчаных arperaToB как функция скорости отложения (а) и скорости паде ния отдельных частиц (6) (по rрею [315]). ев, что определяет высокую пористость. Рост скорости падения частиц приводит к снижению пористости (рис. 4.6) и обусло вливает плотную упаковку, так как при yдa рах частиц о дно кинетическая энерrия пере дается нижележащим слоям, при толчках возникают напряжения, что и приводит К снижению пористости (рис. 4.6). Пере ориентировка частиц под действием вибра ции широко используется в промышленно сти и в быту для Toro, чтобы добиться наиболее удовлетворительноrо заполнения какой либо емкости или контейнера. Пористость естественных песков с одина ковой упаковкой, разумеется, не зависит от размера зерен, однако она может изменять ся в зависимости от сортировки [65]. Экспе рименты показали, что между хорошо COjr тированными и плохо сортированными песками с одинаковым медианным диамет ром разница в пористости достиrает 25%. Пористость и проницаемость принци пиально различные параметры. Как мы уже знаем, пористость это часть пространства, расположенная между твердыми частицами в данном объеме. Проницаемость, напро,:, тив, характеризуется скоростью, с какой флюид, заключенный в порах, может пере мещаться по их системе 1. Ясно, что между этими двумя параметрами связь вообще MO жет отсутствовать. Уяснению этоrо разли чия может помочь аналоmя с домом, rде комнаты можно сопоставить с порами, а co единяющие их коридоры и двери с прони цаемостью. Степень взаимосвязи пор, He сомненно, имеет большое практическое значение в нефте и водоносных rоризонтах. Мноrие диаrенетические процессы (в OCHOB ном уплотнение и рост аутиrенных минера лов) приводят к уменьшению взаимосвязи между порами (см. rл. 27 30. 4з. Об ориентировке зерен. Изучение CTpoe ния позволяет установить характер ориен тировки зерен в arperaTax. Понятно, что сферические зерна не обладают преимуще ственной ориентировкой. Не равные по раз мерам зерна иноrда MorYT не обнаруживать четкой ориентировки. В обоих случаях мы rоворим об изотропном строении. Анизо тропное строение обычно возникает в про цессе транспортировки зерен или их осажде ния, которые приводят к тому, что зерна «выстраиваются» в KaKOM TO предпочти тельном направлении (см. работу [425]). Be роятно, одним из наиболее распростра ненных видов анизотропноrо строения является черепитчатое расположение, коrда зерна располаrаются длинной осью а пеjr пендику лярно направлению течения, и Ha клонены под небольшим ( < 200) уrлом про тив течения. Такая ориентировка возникает при слабом движении донных наносов (перекатывание или скольжение зерен). При более сильном течении зерна стремятся к сальтации и ориентируются осью а парал лельно направлению течения. Преобладаю щая ориентировка очень сильно зависит как от способа транспортировки, так и от спосо ба отложения. Удлиненные зерна в зеjr нистых и rрязекаменных потоках (rл. 7) TaK же приобретают ориентировку длинной осью параллельно течению, а плоскость Ь с 1 CTporo rоворя, проницаемость это свой ство породы пропускать сквозь себя флюиды. Коэффициент проницаемости, как мера этоrо свойства, имеет размерность площади м 2 . По этому скорость фильтрации при прочих равных условиях является лишь функцией проницаемо сти. Прим. ред.
65 Происхождение частиц осадочноrо материала наклонена против течения. В моренах обломки обнаруживают параллельность осей а направлению движения потока (rл. 17), но определенная их часть ориенти руется перпендику лярно. Изотропное CTpoe ние обычно формируется при очень бы стром отложении, как, например, в осадках мутьевых потоков, очень сильно Hacы щенных твердой составляющей. 4и. Выводы. Современные методы обработ ки rранулометрических анализов на ЭВМ дают возможность быстро вычислить cpeд ний размер зерен, среднеквадратичное OT клонение, асимметрию и друrие статистиче ские характеристики. Эти свойства распре делений размеров зерен являются фунда ментальными описывающими их парамет рами, находящими широкое применение в седиментолоrических исследованиях. В rранулометрии широко используется ло rарифмический масштаб (ф). Интерпретация rранулометрических данных противоре чива, особенно это относится к так назы ваемым прямолинейным отрезкам. Новей шие попытки rидравлической интерпрета ции и изучение rранулометрии отдельных тонких слойков показали, что следует раз личать сортировку вообще и сортировку в процессе переноса. Износ кварцевых зерен и их раскалыIаниеe во время транспортиров 91 ки сильно облеrчаются наличием осла бленных плоскостей отдельности и трещин. Общие особенности совокупности зерен (Ta кие, как пористость, упаковка и проницае мость) определяются рядом переменных, включая форму зерен, скорость ocaдKOHaKO пления и сортировку. Литература, рекомендуемая для дальнейшеrо чтения Книry Фолка [270] можно еще раз peKOMeндo вать как возбуждающее мысль, ясное и не Tpe бующее математической подrотовки вводное из ложение проблемы, касающейся размеров и формы зерен. Ясное введение в статистические проблемы дано в работе Тилла [824]. Методика анализов описана Карвером [146]. Альтерна тивные взrляды на проблему прямых отрезков (rранулометрических кривых. Перев.) изложены в работах Вишера [838] и Мидцлтона [573]. Представления Бэrнольда изложены в ero книrе [41], строrая статистическая терминолоrия в статье, написанной совместно с Барндорффом Нильсеном, специалистом по математической статистике (Bagnold, BamdorfТ Nielsen, 1980), а rрей [315] при водит множество ценных данных об общих особенностях осадочных пород. В статье Бирда и Уэйла [65] приведена серия фо тоrрафий, иллюстрирующих различие сортиров ки в песках; их можно применять для визуальной оценки сортировки, не прибеrая к количественно му детальному анализу.
Поток жидкости и транспортировка осадков До тО20 как отдал я тридцать лет изучению Дзен, видел я, что 20ры это 20рЫ, а воды это воды. ДостИ2нув У2лублеННО20 знания, пришел я к тому, что 20ры это не 20рЫ, и воды это не воды. Но, проникнув в самую суть, достИ2 я спокойствия. Ибо теперь снова вижу я, что 20рЫ это 20рЫ, а воды снова воды. Из высказываний Чинь Юаня q)OTO 2. Интенсивный перенос материала по обнажившейся поверхности межприливной отмели при сильном ветре. Обратите внимание на плоmость и мощность приповерхносmоrо слоя, наrруженноrо транспортируемым материалом (который частично скрывает ноrи человека), и хорошо замеmые «Be тровые rряды» песка, позволяющие наблюдать мощные вторичные завихрения в приrраничном слое BeTpoBoro потока (Уэлс, северный Норфолк, Анrлия). .. ............. .. < " ,,' '1'"
67 Поток жидкости и транспортировка осадков Тема. После образования зерна осадочноrо материала MorYT включиться в мноrочисленные системы потоков, существуюпrn:е на поверхности суши и в море. Во второй части книm мы рассмотрим основополаrаюпrn:е ПРИНЦИIIЫ движения однонаправленноrо потока жидкости, уделяя особое внимание ero способности переносить зернистый материал. Любая движущаяся жидкость может прилаrать к неровным rраницам твердоrо тела rоризонтальную и вертикальную составляющие силы, которые осуществляют работу по перемещению зерен и по размыву слоев осадка. Мы не стремимся здесь к подробному математическому выводу уравнений поведения чистых жидкостей. Большее внимание мы уделяем динамике системы из жидкости и зернистоrо материала с точки зрения общих законов физики. Этот раздел rидравлики размываемоrо дна, интересный сам по себе, представляет научную основу изучения осадочных текстур и осадочных фаIIИЙ. Дальнейшие аспекты условий осадкообразования и природных потоков (в пустынях, зонах приливов и волнений) рассмотрены в соответствуюпrn:х rлавах части 5. 5 Свойства жидкостей и их движение 5а. Введение. В каком "бы климате мы ни жили, каждодневный опыт помоrает нам постичь сложность движения флюидов: по рывы ветра с завихрениями, которые мы Ha блюдаем блаrодаря движению взвившихся в воздух листьев; величественное зрелище переполненноrо обломочными зернами pe чноrо потока, образующеrо водовороты; разливы и паводки, вырывающиеся из YCTЬ ев обычно сухих русел в пустыне; закручи вающиеся внутрь спирали торнадо «дъяво ла пустьшю). В данной rлаве мы paCCMO трим некоторые основные особенности движения жидкостей. Уровень изложения потребует лишь элементарных знаний в области механики. П ростейшие выводы некоторых основных уравнений кратко из ложены в приложениях в конце каждой rлавы. Читатель должен все время помнить о значении в области седиментолоrии фун даментальных особенностей механики жид костей для проблемы транспорта осадочно ro материала. Труды по rидромеханике 5* более высокоrо уровня оБЬNНО носят «чистый» характер и рассматривают Maтe матические выводы фундаментальных ypaB нений потока применительно к жидкости, в которой нет зерен. Поскольку решение Ta ких частично дифференциальных уравнений не просто, мноrое можно установить с по мощью экспериментальных исследований в области механики жидкостей. Применить законы динамики жидкостей к eCTe ственным потокам, транспортирующим твердый материал, нельзя без значительных математических упрощений. Сначала давайте усвоим, что термин жuд кость 1 относится к целому ряду веществ, 1 В переводе использовано дословное значе ние слова fluid. В отечественной научной лите ратуре для обозначения рассматриваемых вe ществ жидкостей и rазов, обладающих YKa занными ниже свойствами, в частности миrра ционной способностью (<<текучестью»), исполь зуется общий термин «флюид», т. е. слово это не переводится. Прим. ред.
68 Часть 2 примерами которых в природе MorYT слу жить такие жидкости, как вода, кровь, сырая нефть, и такой rаз, как воздух. -Для всех перечисленных тел характерно общее свой ство nриложенue самой незначuтельной внешней силы заставляет их изменять внешнюю форму непрерывно, пока nрила 2ается сила. Поэтому жидкость может co хранять однажды принятую собственную форму только в том случае, если она orpa ничена какими то внешними rраницами. Ta кие же оrраничения применимы и к rазам, например к воздуху; кроме Toro, rаз CTpe мится заполнить весь объем, который ему доступен. Следовательно, в отличие от жид кости он не может иметь собственной CBO бод ной поверхности. Далее, соrласимся, что мы не будем учитывть процессы, идущие в жидкости на молекулярном уровне; будем считать, что свойства жидкости, рассмотренные ниже, относятся к некоторому ее объему, в KOTO ром располаrается большое число OT дельных молекул. Приняв эту 2W10тезу KOH тинуума (непрерывности) как формальную, поскольку интуитивно мы ее так или иначе принимаем, мы получаем возможность pac сматривать такие свойства жидкости, как плотность, вязкость, темпера тура и CKO рость, В качестве усредненных параметров применительно к небольшим объемам и OT дельным частицам жидкости. Проиллю стрируем такое упрощение на примере воз душноrо потока. Известно, что отдельные молеку лыI rаза движутся с очень большой скоростью, но довольно беспорядочно, хотя относительно друr друrа их скорости вели ки. Несмотря на это, можно быть YBe ренным в том, что и небольшой объем rаза в целом движется в KaKOM TO направлении с некоторой скоростью. Поскольку вектор скорости поддается измерению, можно принять на основе rипотезы континуума, что наши измерения характеризуют cpeд нюю скорость в некоторой точке. 56. Физические свойства. Плотность (р) пре)l;ставляет собой массу, приходящуюся на единицу объема (ML 3), и ее нельзя CMe шивать ни с удельной плотностью (отноше ние плотности жидкости к плотности BOДЫ которая численно равна плотности только в системе crc (ныне неприменяемой ни с удельным весом (сила веса на единицу объема). Значения плотности ряда eCTe ственных жидкостей приведены в табл. 5.1. rазы, например воздух, характеризуются небольшой плотностью и способностью сжиматься до любоrо объема. Низкая плот ность объясняется малыIM числом молекул на единицу объема, а высокая сжимае мость большими расстояниями между ни ми. Плотность уменьшается при повыше нии температуры. Значительно большая плотность жидкостей по сравнению с щза ми отражает rораздо большее число моле кул на единицу объема. По той же причине сжимаемость жидкостей rораздо меньше, чем у rазов. У большинства жидко.стей при снижении температуры наблюдается TeH денция к снижению плотности; исключение составляет вода, которая, как широко из вестно, расширяется ниже + 4 ос (rл. 1). Вязкость (J.!) является мерой сопротивле Таблица 5.1. Плотность и молекулярная вязкость некоторых естественных и искусст венных «Жидкостей» Вешество Пло-пюсть, Kr. M 3 Молекулярная вязкость, N 'C'M 2 Воздух 1,3 Вода 1000 rлиuерин 1262 Ожиженный песок Изменчива Потоки обломочноrо материа ла* Базальтовая MarMa* Верхняя мантия 15 2600** 2700 3300 1,78 .10 5 (20°С) 1,00.10 3 (20 C) 1.50. 100 (20 C) 1,00.100 1,00.102 1,00.103 3,00.102 3,00.103 1,00.1020 * Потоки неньютоновскоrо типа ** Значения меняются в зависимости от содержания воды.
69 Поток жидкости и транспортировка осадков ния вещества изменению формы при конеч ной скорости: например, при помешивании жидкости в сосуде движение ложки испытыI вает сопротивление из за вязкости веще ства. Вязкость измеряется в единицах силыI, деленной на единицу площади и на единицу rрадиента скорости (ML 1 Т 1). Мы pac сматривали здесь только чистыIe жидкости. Однако надо иметь в виду, что добавление pacTBopeHHoro или тонкораспыленноrо Be щества может резко увеличить вязкость в объеме жидкости, которая становится уже нечистой. Эта проблема была теоретически изучена Альбертом Эйнштейном в 1905 r. для случая сильно разбавленных суспензий. Для седиментолоmи эти результаты имеют важные следствия (rл. 6 и 8). Значения молекулярной вязкости HeKO торых при родных жидкостей и rазов приве дены в табл. 5.1. Вязкость rазов мала, так как их молекулыI MorYT перемещаться на большие расстояния без помех со стороны друmх молекул, поэтому сопротивление движению невелико. Более высокие значе ния вязкости для жидкостей объясняются трудностями перемещения молеку л относи тельно друr друrа из за взаимных СТОЛКНО вений и прилипания (адrезии). Вязкость всех жидкостей уменьшается с ростом темпера туры, поэтому, приводя значения вязкости, нужно указывать соответствующую темпе ратуру. До сих пор мы рассматриваем молекуля ную вязкость как константу (при постоян ной температуре), т.е. считаем, tпо на ее Be личину не действует ускорение сдвиrа. Это означает, что скорость, с которой мы Me шаем жидкость, не оказывает воздействия на сопротивление сдвиrу. Такие жидкости называются ньютоновскими (рис. 5.1). По скольку изменчивость вязкости жидкостей приводит к различным осложнениям, мож но считать удачей, что вода имеет свойства ньютоновской жидкости. Однако необхо дим осторожный подход, так как возникно вение вихрей при движении жидкости в По токе приводит к дополнительному сопроти влению блаrодаря вихревой вязкости, KOTO рое для данной жидкости и температуры может меняться. Неньютоновские жидкости, изучаемые pe олоzueй, обнаруживают изменчивость J.1 в за висимости от усиления напряжения или .... СО ] (1) ... t:: :s: g} g.u со ::I: со ... :s: t:1 u (1) :s: :t: (1) :iiE t:I: t:: со ::с РаСТЯI'ивающее напряжение сдвиrа, 11 рис. 5.1. Схематический rрафик,. иллюстрирую щий «ньютоноВСкое» и «бинrемовское» поведе ние жидкостей. сдвиrа. В природе таким свойством обла дают мноrие насыщенные водой rлинистыIe пластыI. Это очень важно для процессов оползания, оплывнияя и лавинообразова ния. Из обьщенных веществ неньютоновски ми являются кровь, сметана, эмульсионные краски, майонез. Быстрое помешивание бан ки с эмульсионной краской или взбалтыв ние баночки с майонезом вызывает силыI сдвиrа, разрывающие молекулярные связи и заставляющие оба вещества течь с боль шей скоростью. Это явление полностью обратимо. Аналоrичным образом сотрясе ние, вызванное ударной волной землетрясе ния, может разжижить массу насыщенных водой илов и привести к их течению вниз по склону. У неньютоновских жидкостей обыч но высокий молекулярный вес и склонность к образованию меж молекулярных связей Прилаrаемое усилие должно быть ДOCTa точно велико, чтобы содействовать молеку лярной кинетической энерmи в разрыве свя зей с такой скоростью, чтобы это поддержи вало течение. молекулыI с большим молеку лярным весом имеют неупорядоченное строение, и поэтому мноmе связи MorYT разорваться еще до начала движения. Тече ние стремится выровнять молекулыI в ряд, и поэтому в какой то момент времени после приложения достаточноrо усилия скорость течения будет возрастать по мере снижения вязкости. Пластичные вещества, к которым нужно приложить первоначальное, «инициирую щее», усилие перед тем, как в них возникнет
70 Часть 2 напряженное состояние, также MorYT иметь постоянную вязкость. В этом случае их Ha зывают идеальными или 6инzемовскими nластич ными телами (рис. 5.1). Если вяз кость У них может изменяться в зависимо сти от прилаrаемоrо усилия, они называют ся псевдопластичными. или тикcoтpOnHЫ МИ, телами (см. rл. 8). Наконец, следует заметить, что при aHa лизе состояния жидкостей часто использует ся отношение молекулярной вязкости [( плотности жидкости. Это отношение (J.!: р == у) называется кинематической вяз костью и имеет размерность L 2Т 1. 5в. Линии тока и их визуальное выявление. Если бы было возможно проследить TpaeK тории различных элементов жидкости в по токе на протяжении HeKoToporo времени, то появилась бы возможность нанести на план эти траектории и получить полную картину Toro, как поток обтекает препятствия (в виде зерен осадка или ряби) или обходит изrибы русла. Поток жидкости можно нанести на f план в виде линий тока, которые можно определить как воображаемые линии, про веденные внутри потока таким образом, чтобы каса тельные к ним располаrались в направлении течения. Линии тока обычно изоrнутыI' но не MOryT пересекаться, так как в точке пересечения поток имел бы две CKO рости, а это невозможно. Как можно видеть на рис. 5.2, количество жидкости, проходящей в единицу времени через сечение между двумя линиями тока, равно количеству, проходящему через Линии тока Плопюсть жидкости, р Рис. 5.2. Конический трубопровод, иллюстри рующий неразрывность потока между двумя cxo дящимися линиями тока. В постоянном потоке масса жидкости, проходящая через любое сече ние, одинакова. т.е. pu1S 1 == pu 2 S 2 . Следователь но, если Sl > S2' то и 2 > и 1 . р плотность жидко сти. S площадь поперечноrо сечения, и CKO рость. и 2 любые друrие сечения между этими же ли ниями тока. Этот ПрИlЩип неразрывности следует из Toro, что линии тока не пересе каются и жидкость не может течь поперек них. Поэтому в том случае, коrда линии TO ка расходятся и площадь проведенноrо че рез них сечения возрастает, как это случает ся в расширяющемся устье дельтовой протоки, скорость должна уменьшаться. Ta кое расширение применимо и к расходя щимся линиям тока, как в случае обтекания донной формы типа ряби. Обратившись к рис. 5.2, можно видеть, что скорость, с KO торой масса входит в данный объем, равна РИ 1 S 1 , а скорость, с которой масса вытекает из данноrо объема, составляет РИ 2 S 2. Если масса постоянна, тоrда РИ 1 S 1 == РИ 2 S 2. Чи татели с более высокой математической подrотовкой MOryT заметить, что это paBeH ство представляет собой форму уравнения неразрывности div й == о. Постоянные nотоки это те, в которых в любой точке жидкости ее средняя CKO рость, давление, плотность и темпера тура остаются теми же самыми и не изменяются с течением времени. Потоки, в которых CKO рость постоянна вдоль направления тече ния, называются однородными, а HeoдHO родными называются те, в которых обнару живаются изменения скорости (например, в потоках, обтекающих такие донные формы, как рябь и rряды). Картина линий тока может быть рассчи тана или перечерчена с фотоrрафий. П ри ви зуальном изучении потоков в жидкос'{ь BBO дЯТ мелкие частицы трассеры (краску, по рошки, пузырьки rаза). Траектории частиц получаются при однократном введении трассеров и затем их длительном наблюде нии или фотофиксации. Линии движения по лучаются, если трассеры вводятся непреры вно, но наблюдаются или фотоrрафируются краткосрочно. В постоянных потоках линии тока, траектории частиц и линии движения идентичны, но их можно вычертить опюси тельно неподвижноrо или перемещающеrо ся наблюдателя (рис. 5.3). Как будет показано нИже. линия тока, ближайшая к rранице раздела потока и твердоrо вещества, является очень важ ной. Она называется донной ( zранич ной) ли нией тока. Эту линию можно проследить на основании борозд растворения, образую
71 (а) Поток жидкости и транспортировка осадков Рис. 5.3. Различные схемы расположения линий тока при (а) обтекании ПОТОКQМ неподвижноrо круrлоrо в сечении цилиндра (показана только половина поля потока) и (6) при движении цилин дра в жидкости, причем жидкость в удалении от цилиндра находится в покое. Заметим, что в слу чае а линии тока представляют собой также траектории частиц и струек жидкости, так как схема движения не изменяется. Смыкающиеся линии тока позади цилиндра очерчивают область ламинарноrо разделения (см. разд. 5к). Располо жение линий в случае 6 MrнOBeHHoe. Если изо бражение будет иметь неоrраниченные размеРЬJ, все линии тока замкнутся. Линии тока здесь не идентичны траекториям частиц или движению струек [830]. щихся на моделях из алебастра (рис. 8.5). Они дают ценнейшую информацию ОПlоси тельно линий тока над донными формами (rл. 8). 5r. Трение, изменення ;:tавлення н баланс энерrнн. Для упрощения математическоrо анализа в области 2ид родинамики часто принимается, что жидкости являются идеальными. Это означает, что жидкость рассматривается как несжимаемое веще ство, не оказывающее сопротивления тече нию, т. е. J.1 == о; жидкость не испытыветT внутренне20 тренuя. Сформулировать Ma тематические законы rидродинамики с по МОIIlbЮ таких упрощений rораздо леrче. Но мноrие существенные явления в жидкостях, имеющие седиментолоrическое значение, не находят при этом объяснения и не MorYT быТь пред сказаны с помощью теории идеальной жидкости. ПРI1 движении реальной жидкости в pe зультате BHyтpeHHero трения возникают зоны замедления потока, приближенные к постоянным rраницам потока (см. рис. 5.7 5.9). Эти зоны замедления, OTKpЫ Thle немецким физиком П рандтлем в 1904 r., извесПlЫ как 2раничные слои. rраничный слой представляет собой зону, rде происхо дит падение скорости и rде силыI вязкости приводят К напряжению сдвиrа. Вблизи стенки русла или твердой rраницы потока имеется слой, rде молекулыI жидкости при липают к твердому веществу (слой абсорб ции). При течении жидкости скорость CTpe мится К нулю вблизи твердой rраницы, так как слой абсорбции не приходит в движение. Вязкое замедление потока постепенно cxo дит на нет с удалением от rраницы. В HeKO торой точке потока, rде это происходит, скорость не изменяется и поэтому нет Ha пряжений; поток называется свободным. Там, rде жидкость не перемещается, на нее действуют только статические силыI, обусловленные ее весом. Если жидкость движется, должны в соответствии со вторым законом Ньютона действовать дpy me силыI в дополнение к статическим. Мы увидим далее, что силыI, вызывающие дви жение, связаны с различным давлением на элементыI жидкости. Коrда жидкость пере мещается с постоянной скоростью, силы, вызванные трением и вязкостью, действуют в направлении, противоположном давле нию. Эти силыI трения точно уравновеши вают силыI давления. Таким образом, в по стоянном потоке потеря энерrии, вызванная трением, должна сопровождаться падением давления. - Рассмотрим теперь баланс энерrии в дви жущейся идеальной жидкости. П отенцuaль ная энер2UЯ представляет собой энерmю по ложения, и ее можно рассматривать как запасенную в данном объекте работу ОПlО сительно некой поверхности. Если объект имеет массу т, сила, направленная вниз, co ставляет mg ньютонов, а работа, которую нужно произвести, чтобы поднять объект на высоту h относительно поверхности, COCTa вит mgh джоулей. Кинетическая энер2UЯ жидкоrо объекта это энерmя, заключенная в нем в момент движения и равная работе,
72 Часть 2 которая нужна для при ведения ero из co стояния покоя в состояние движения. ЕсJПI объект с массой т подверraется ускорению а, чтобы из состояния покоя перейти в дви жение и достичь скорости U на расстоянии s, то ero ускорение можно выисJпIтьь по формуле и 2 == 2as, и сила, вызывающая ускорение, равна ти 2 f==ma== . Работа, проделанная над объектом, равна силе, умноженной на путь: ти 2 1 w== .S==2mU2. Это является формулой кинетическоli эне mи. Закон сохранения энерmи rласит, что сумма потенциальной и кинетической эне mй представляет собой константу. Таким образом, потенциальная энерmя падающей массы постоянно преобразуется в кинетиче скую энерmю. Третий тип энерmи в жидком объекте энер2UЯ давленuя (р), которая вызывает про . ведение работы посредством создания дa вления жидкости, как в пневматических системах. Закон сохранения энерmи в применении к потоку жидкости выражается знаменитым уравнением Бернуллu: 1 три 2 + pgh + Р == суммарная энерrия кинетичес кая энер rия на потен общее циаль давление ная жидкости единицу энерrия объема на еди ницу объема const (вдоль потока). (5.4) Уравнение БернулJПI выведено в приложе нии 1 к данной rлаве. Для седиментолоmи ИСКJПOчительно важное значение имеет ряд следствий из этоrо уравнения, ОТНОСЯIЦИXся к давлению и изменению скорости. Мы их рассмотрим в разд. 5к и в rл. 6. Но возмож но, читатель уже заметил одно важное след ствие (подсказка: что будет, есJПI скорость возрастает вниз по течению ?). У равнение БернулJПI является также основой для изме (5.1 ) рения скорости в отдельных точках с по мощью специальноrо прибора тpy6Kи датчuка давления. По существу, уравнение Берну ЛJПI, как бы ло уже сказано, cTporo справедливо лиllIЪ для нашеrо cTaporo друrа «идеальной жид кости». Раньше упоминалось, что в реаль . ной жидкости происходит потеря энерmи вниз по течению за счет трения. .Поэтому суммарная энерmя не является постоянной, а снижается за счет рассеяния энерmи. Рассмотрим полезную формулу, описы вающую поведение потоков в целом в pyc лах и трубопроводах. Рассмотрим перепад давлений h между двумя точками, располо женными на расстоянии 1 друr от друт в трубопроводе диаметром d. Соrласно уравнению Дарси Вайсбаха, 4j1u 3 h == d2g , ( 5.2) ( 5.3) (5.5) rде u средняя скорость потока;f коэффи циент трения, зависящий от шероховатости стенок трубопровода, который можно опре деJПIТЬ экспериментально. Рассмотрим открытое русло (рис. 5.4) с постоянным однородным потоком, укло ном sin сх, длиной 1 и средней rлубиной h. Пусть р плотность воды. Направленное вниз по течению воды напряжение сдвиra t, действующее на единицу площади, составит t o == pgh sin (Х. (5.6) Формула (5.6) представляет собой уравнение напряжения влечения, впервые выведенное Дюбуа. Уравнения Дарси Вайсбаха и Дю буа можно объединить: fpu 2 t o == ' (5.7) и и V; . j!& (формула Шези), (5.8) rде 8g/f коэффициент Шези; R rидравJПI ческий радиус, который приближенно равен средней rлубине (в широких естественных руслах). Приведенная выше формула полезна при определении средних параметров потока. Факторы трения в турбулентных потоках
73 ПОТОК жидкости и транспортировка осадков Удельный вес воды, pg (I (1 v Давление столба воды на единицу площади диа при нулевом уклоне, р g h Транспортирующее усилие при уклоне (1, pgh sin (1 рис. 5.4. Образование транспортирующеrо при донноrо напряжения сдвиrа в однородном по стоянном потоке воды по уклону. р плотность воды. зависят от числа Рейнольдса и относитель ной шероховатости стенок русла (см. разд. 5д и 5з). В rл. 6 будет показано, что различные донные формы имеют радикаль но отличные значения! Следует различать трение, вызываемое действием лежащих на дне зерен (шероховатость частиц), и трение, вызванное донными формами, такими, как рябь и rряды (шероховатость донных форм). В повседневной речи мы можем опреде лять поток как медленный или быстрый, слабый или сильный. В практике исследова ний существует немало параметров, взаим но заменяющих друr друrа, которые можно использовать для более точноrо определе ния размеров и мощности потока. Нам уже встречались понятия средней скорости и приrраничноrо напряжения сдвиrа. П po изведение этих параметров дает величину силы потока (ю), приложимую к единице площади дна потока (Бэrнольд, 1963, 1 966Ь): ю == И"С о (размерность МТ 3). (5.9) В русле наличное количество энерmи (О) на единицу длины представляет собой CKO рость преобразования потенциальной эне mи в кинетическую по мере передвижения по уклону (S): О == pgQS, (5.10) rде Q полный расход потока. Общее коли чество доступной энерmи в столбе жидко сти на единицу площади дна тоrда составит О pgQS ю== ширина потока ширина потока == рgdSи == "Си (5.1 1) с учетом определения "с в формуле (5.6). По нятие о дост} ной энерrии потока очень важно, поскольку Бэrнольд широко исполь зовал ero в своей теории транспорта ocaд ков (rл. 6). 5д. Число Рейнольдса. В 1 883 r. Осборн Рейнольдс измерил падение давления в трубопроводе, через который с разной CKO ростью пропускали через кран воду (рис. 5.5). Как уже было показано, снижение скорости объясняется потерями при трении, коrда реальная жидкость проходит по си стеме трубопроводов. Рейнольдс установил, что потеря давления в трубопроводе на еди ницу длины возрастает по мере роста CKOpO (а) Опок воды Поступление воды Манометр Напор (6) а:: Q) 1::: IJ:I t:! t:: Q) Q. Q) t::: Скорость рис. 5.5. Установка Рейнольдса и rрафик сниже ния давления в трубе в зависимости от скорости течения.
74 Часть 2 сти; но с HeKoToporo момента потеря растет быстрее. До этой точки ИJПI, скорее, переход ной области rрафик имеет вид прямой, co ответствуя выражению Др == k 1 U, ( 5.12) rде Др потери давления; k 1 постоянная веJПIчина. Выше переход ной области Др == k 2 tf, (5.1 3) rде п колеблется от 1,75 до 2,0, а k 2 постоянная веJПIчина, отличная от k 1 . Предположив, что течение развивается по какой то иной схеме, Рейнольдс проверил T ОП IТ ведя . В П QТОК . окра шенн у ю струйку в прозрачном трубопроводе (рис. 5.6). При малыIx скоростях окрашенная струйка протяmвалась внутри трубопрово да по прямой, а поток получил название ламuнаРНО20 ИJПI вязкоrо. С возрастанием скорости окрашенная струйка распадалась на вихри и в конце концов окрашивала весь поток. Это был турбулентный поток (6) ) ) Рис. 5.6. Эксперименты Рейнольдса по визуаль ному наблюдению потока, в которых применя лись стеклянные трубки и окраIIШвание потока. Были установлены а) ламинарный, б) турбу лентный типы потока (см. также рис. 5.5). П ринципиальное выделение двух типов режима потока явилось одним из важней ших достижений в области динамики жид костей. Повторение экспериментов в трубо про воде с разными жидкостями и с раз JПlчными диаметрами трубопровода позво JПlЛО выявить, что критическая скорость перехода к турбулентному режиму неоди накова в каждом опыте. Применив методи ку колuчествеННО20 аналuза (см. работу [575]), Рейнольдс установил, что смена ламинарноrо режима турбулентным проис ходит при определенных количественных показа телях, определяемых выражением pdu йd Re== == J.L v' (5.14) rде й средняя скорость потока; р, J.L ПЛОТ ность И вязкость жидкости (v == J.L/p); d BHY тренний диаметр трубопровода. за Re за крепилось название чuсла Рейнольдса в честь первооткрывателя явления. Можно рассматривать число Рейнольдса (безразмерную веJПIЧИНУ) как отношение двух сил, действующих на жидкость. силыI вязкости оказывают сопротивление дефО}r мации жидкости, причем чем выше молеку лярная вязкость, тем больше соп р отивле tiиt: . Сuл ы инерции ОJПIцетворяют сопроти вление жидкости ускорению. Число Рей нольдса можно вывести из первых принци пов, как это показано в приложении 5.2. Коrда преобладают силыI вязкости, как, Ha пример, в потоке rJПIцерина ИJПI сиропа, чис ло Рейнольдса мало и режим потока лами нарный. Коrда преобладают силы инерции (в атмосферных потоках воздуха ИJПI в боль шей части водных потоков в реках), число Рейнольдса будет веJПIКО, а режим турбу лентным. Для потоков в трубопроводах и каналах критическая область располаrает ся между 500 и 2000. Следует, однако, с OCTO рожностью подходить К определениям ла минарности потока в вязких жидкостях. Критерий Рейнольдса определенно зависит от четырех параметров, а не только от OДHO ro. Следовательно, очень малая вязкость ИJПI очень низкая скорость течения MOryT дать тот же результат, что и высокая вяз кость. Например, тела, перемещающиеся в воздухе, обычно вызывают турбулент ность, но тело очень малыIx размеров (как ПЫJПIнка ИJПI муха) может встретиться с xa рактеристиками вязкости. Поэтому Шапиро [744] в своей классической работе отмечает: «...следует скорее rоворить об очень вязкой ситуации, чем об очень вязкой жидкости». Потоки с одинаковым числом Рейнольдса' называются дuнамuческu подобнымu. Эта характеристика часто используется в экспе риментах по моделированию. Нужны некоторые пояснения по поводу JПlнейноrо масштаба для расчета критерия Рейнольдса. Для трубопровода за основу принимается диаметр, но для русла реки
75 Поток жидкости и транспортировка осадков или любоrо друrоrо Открытоrо русла это средняя rлубина потока. Для BeTpoBoro по тока линейный масштаб определить слож нее. В аэродинамической трубе им служит ее высота(диаметр. Перев.), но для атмосфе Horo потока приходится принимать мощ . ность rраничноrо слоя. При вычислении критерия Рейнольдса для зерен в качестве линейноrо масштаба принимается средний диаметр (точнее, средний размер зерен. Ред.). 5е. Число Фру да. В разд. 5д и в приложении 5.2 дано определение и вывод безразмерно ro критерия Рейнольдса. Второй относи тельный безразмерный па раметр число Фруда применяется для ламинарных или турбулентных потоков со свободной по . верхностью или с внутренней rраницей, в которых для возникновения течения суще ственную роль иrpает сила тяжести. Число Фруда определяется отношением сила инерции pl2u 2 сила тяжести pl3 g 19 1//g' rде р плотность жидкости; 1 длина; u скорость. Это отношение названо по имени Уилья ма Фруда, кораблестроителя и теоретика, который впервые предложил ero. Друrой способ оценки значения числа Фруда это понимание выражения 1fIg как скорости (скорости перемещения) малой rpавитационной волны в спокойном мелко водном бассейне (см. приложение 18.1). Чис ло Фруда это отношение скорости течения к скорости малой волны, возникающей в по токе. Если число Фруда меньше единицы, то скорость волны больше скорости течения. Следовательно, волны от камешка, брошен Horo в воду, MorYT перемещаться против тe чения. Такой поток называется спокойным. При значении числа Фруда более единицы поток является бурным. Для потоков плотной жидкости вычис ляется денсuметрuческое число Фруда (rл. 7 и 19) по формуле ( dP ) 1/2 и/ 19 , р rде dp разница в плотности между слоями; р средняя плотность. 5ж. Ламинарные потоки. В естественных по токах ламинарный режим распространен меньше, чем турбулентный. Ламинарными являются потоки льда и rлинисто обло мочных масс, хотя эти вещества относятся к неньютоновским. На рис. 5.7 показано ламинарное течение ньютоновской жидкости (воды) по твердому недеформируемому дну. Как было отмечено выше, силыI межмолекулярноrо взаимодей ствия заставляют жидкость у rраницы с дном прилипать к нему и оставаться в He подвижности. Однако вышележащие «слою) жидкости будут скользить относительно полстилающих со скоростью, определяемой величиной молекулярной вязкости. Возни кает перепад скорости. Рассмотрим прямо уrольный элемент жидкости (abcd), располо женный между линиями тока. В единицу времени форма этоrо элемента изменит ся, и он превратится в параллелоrрамм (a'b'c'd'). Деформация сдвиrа возникает в pe зультате течения, поскольку скорости в точ ках а и Ь превышают скорость в точках с и d на величину ()и. Таким образом. вязкое Ha тяжение сдвиrа. или rрадиент скорости, ()и du У==ъу== dy ' а вязкое напряжение сдвиrа 't представляет собой произведение молекулярной вязкости на вязкое натяжение сдвиrа, т. е. du 't == dY. Это простое соотношение впервые было предложено Ньютоном, и, как указано BЫ ( 5.15) .,. а Ь т о r а и " , ,т du; rрадиент скорости= =У dy Рис. 5.7. Ламинарное течение жидкости по TBep дому дну. Силы молекулярноrо притяжения за ставляют жидкость у дна оставаться неподвиж ной. Вышележащие слои жидкости скользят относительно нижележащих с ускорением, зави сящим от вязкости жидкости. При этом возни кает rраничный слой (объяснения см. в тексте).
76 Часть 2 ше, те жидкости, в которых вязкость под действием возрастающеrо натяжения не ис пытыIаетT изменений, называются ньюто новскими. Мы подошли К такому моменту, коrда He обходимо рассмотреть некоторые вопросы распределения скоростей и мощности rpa ничноrо слоя жидкости. Как уже упомина лось, rраничные слои возникают из за TOp мозящеrо эффекта трения жидкости о стационарную твердую или жидкую по верхность. Практически кривая rрафика из менения скорости на rлубину асимптотиче ски приближается к перпендикуляру, опу щенному на поверхность. Исходя из этоrо, можно весь поток оrnести к rраничному слою. На практике мощность rраничноrо слоя определяется расстоянием, на котором скорость достиrает 99% скорости СRободно ro потока. Рассмотрим распределение CKO рости в ламинарном потоке, расположен ном между двумя стенками, как в канале (рис. 5.8). Замерив скорость в отдельных точках в сечении потока, получим xapaKTep ную параболическую кривую. Такая кривая описывается простой теоретической форму лой, исходящей из сбалансированности сил давления и вязкости (приложение 5.3). Рис. 5.8. Сравнение общей формы кривых pac пределения скоростей в открытом лотке; вид сверху. Рассмотрим рост rраничноrо слоя при прохождении потока над тонкой плоской пластиной, ориентированной параллельно течению (рис. 5.9). Коrда текущая жидкость касается поверхности пластинки, начинает формирова ться rраничный слой вязкости. обусловленный трением. По мере движения от вepxHero по течению края пластинки вниз трение о большую площадь вызывает за медление движения жидкости и рост rранич Horo слоя до paBHoвecHoro состояния. Свя зав возрастание толщины rраничноrо слоя с расстоянием от края пластинки, мы можем получить выражение для напряжения сдвиrа или влекущей способности жидкости на по верхности пластинки. Свойства rраничных слоев или уже турбу лентных rраничных слоев (разд. 5з) приво дят К ряду важных для седиментолоrии Внешний краЙ u 1'""'И'''0'0 ,",о" и== О,99и Рис. 5.9. Рост rраничноrо слоя при прохождении потока над жесткой пластинкой. Зона свободноrо потока начинается при и == 0,99 й. следствий. Особенно существенный момент возникает, коrда мы рассматриваем распре деление скоростей в ламинарном потоке He ньютоновской жидкости, например течение rлинисто обломочноrо материала или ла вовый поток. Скорость u в данной точке в ламинарном потоке можно выразить как среднюю скорость й на расстоянии у от дна потока при мощности потока, равной 2У: u Й2[1 ( ) ']. (5.16) что приводит К параболической форме, упоминавшейся ранее. Для неньютоновской жидкости и й( :п:/ ) [1 ( )" +1"']. ( 5.17) rде n ( < 1) является параметром, опреде ляющим неньютоновское поведение жидко сти. Если n == 1, жидкость является ньюто новской. Как показано на рис. 5.10, сниже ние n приводит к появлению лопатообраз Horo в плане распределения скоростей. При крайнем пороrовом значении n == О скорости одинаковы по всему поперечному сечению потока. Лопатообразная форма линии pac пределения скоростей при n == 1/3 позволяет предположить, что неньютоновский поток будет состоять из ряда четко оконтуренных лапатообразных языков. материала, KO
77 Поток жидкости и транспортировка осадков торые будут наползать на rраницу сдвиrа rраничноrо пласта у контакта с твердой по верхностью. rрадиент скоростей, а следова тельно, и величина напряжения в rраничных слоях неньютоновской жидкости rораздо выше, чем в ламинарных потоках ньюто новской жидкости; остальные показатели одинаковы. Языкообразные потоки пре обретают ряд особенностей, представляю щих интерес для седиментолоmи (rл. 7). 2 и о lIIирина (сечение) потока Рис. 5.10. Кривые распределения скоростей для ламинарноrо потока ньютоновской жидкости (п == 1, параболическая кривая), псевдопластично ro потока неньютоновской жидкости (п == 1/з, языкообразная кривая) и предельная линия при п == О [466]. Объяснение см. в тексте. и локальная скорость, й средняя скорость. 5з. Введение в теорию турбулентности. В процессе переноса осадков на поверхности Земли преобладают турбулентные потоки, так как воздушные и водные потоки имеют турбулентную природу. Анализ эффектов турбулентности сталкивается снемалыми физическими и математическими TPYДHO СТЯМИ. Одним из крупнейших (и пока не за вершенных) достижений физики жидкостей в хх столетии является преодоление мноrих сложностей теории турбулентноrо движе ния в слоистых потоках с помощью экспери мента и смелоrо приложения физических и математических rипотез. Основная по требность в понимании турбулентности свя зана с нуждами авиации. Вряд ли случайно применение «современноrо» анализа rи дродинамических явлений (Рейнольдс, Прандтль) совпадает с датой первых робких попыток человечества освоить управляемый полет. Восемьдесят лет спустя человек cMor фотоrрафировать турбулентные течения в атмосфере Земли, находясь на поверхно сти Луны! Постараемся в остающейся части этой rлавы и в следующей rлаве вьщелить те основные физические идеи и результаТЬJ в области турбулентных явлений, которые имеют значение для седиментолоrических исследований. Введение в турбулентный поток чувстви тельных датчиков позволяет получить за пись пульсации скоростей во времени (рис. 5.11). Скорость в данной точке опреде лится как средняя скорость (й) плюс откло (о) Ламинарный и Турбулентный й , f) k:. W 1 и' (б) и MrHoBeHHLIe j' пульсации и ' Время .............. о ",1 f\ /\ /\ r"'-1 О f'""-..J \л....J V '-...J v ,i h /\ fi. r\ 1\ f\ fl о wrv '-J'"""'" ., " Рис. 5.11. а ламинарный и турбулентный пото ки, показанные в виде векторов. Постоянный ламинаРН,?IЙ поток в.. некоторой точке представ ляет собои единичныи вектор скорости, длина KO Toporo равна и. Постоянный турбулентный поток той же величины представлен как вектор средней скорости й, к которому добавлены пульсирую IЦИе скорости и', v' и w', которые за достаточно длинный промежуток времени усредняются до ну ля; 6 друrой способ изображения постоянно ro турбулентноrо потока показать rрафик CKO рости в некоторой точке в зависимости от BpeM ени. Каждая составляющая (и', и, w') показана отдельно. СостаВЛЯЮIЦИе и', v' и w' за длительный промежуток времени усредняются до нуля.
78 Часть 2 нение от средней в настоящий момент (и'): u == й + и'. (5.1 8) Таким образом, в случае турбулентноrо по тока можно rоворить только о характери стике одномоментной скорости, связанной со средней через параметр времени. Использование приборов (электромаr нитнъп датчиков1 ПОЗВОЛЯlOщих измерить одномоментнуlO скорость и ее пульсации в трех декартовьп координатах, позволило установить, что турбулентные «вихри» Tpex мерны. и поэтому в тобой отрезок времени u == й + и' (при измерении вдоль оси х, параллельной направле НИIO течения), v == б + v' (вдоль оси у, перпендику лярной плоскости xz1 w == w + w' (вдоль оси z). Значения б и w обычно малы по сравнениlO с величиной й для большинства ЭрОДИРУIO щих потоков, представляlOЩИХ интерес для седиментолоrии. По определениlO средние значения и', v' и w', измеренные за дли тельный отрезок времени, равны НУЛIO. Трехмерная природа случайньп турбу лентньп пульсаций имеет очень важное следствие. Локальные rрадиенты скорости возникаlOТ в потоке доnолнuтельно к явле ниям вязкости, которые ранее описывались для ламинарньп потоков. Локальные изме нения скорости создаlOТ локальные напря жения, которые работаlOТ в направлении, ориентированном против rрадиента cpeд ней скорости потока, вследствие чеrо часть энерrии потока теряется. Локальные напря жения создаlOТ турбу лентнуlO энерmlO, KO торая в конечном итоrе 6лаzодаря вязкостu рассеивается при турбу лентньп пульсациях. Теперь леrко объяснить резкое возрастание потерь энерrии в опытах Рейнольдса с пото ком В трубопроводе по сравнениlO с лами нарным течением. Величина локальньп напряжений, полу чивших наименование наnряженuй Peй нольдса, очевидно, будет зависеть от вели чины мrновенньп пульсаций скорости. Ha пряжения Рейнольдса имеlOТ форму р U7J, или р ilW, или р и' 2. Их следует рассматри вать как дополнительные напряжения по OT ношениlO к вязким напряжениям, обуслов ленным вязкостыо жидкости. Таким обра зом, закон HblOToHa для ламинарных пото ков du Т 1 == fl dy (5.19) в турбулентном потоке заменяется на du 'tt == (fl + 1l) . dy Здесь вuхревая вязкость дополнительный фактор, ПОЗВОЛЯlOщий учесть сопротивле ние сдвиrа, связанное с вихревым движе нием жидких масс. В отличие от flll пере менная величина, которая зависит от разме ра и скорости вихрей. Обычно она значи тельно больше, чем fl. Формула (5.20) может быть записана в друrом виде: (5.20) du -:--:r-::t 'tt == fl р u v dy (5.21) для случая двумерноrо потока, rде напряже ние вязкости незначительно. Очень тобопыmая картина выявляется, если измерить величину турбулентных пу ль саций поперек течения. Они имеlOТ макси мальные значения очень близко к rранице раздела, но в непосредственной близости к rранице преобладает вязкое напряжение (рис. 5.12). Как мы увидим ниже (разд: 5и), уи*/у 20 40 60 80 100120140 I т О 0,01 0,02 0,03 1,0 Рис. 5.12. Распределение общеrо напряжения сдвиrа ('t), напряжения Рейнольдса ( puv) и вяз Koro напряжения J.1(ou/oy) в турбулентном потоке (Re == 7. 104). Обратите внимание на изменение масштаба (в три раза) по оси абсцисс в точке у/Б == 0,05. Единственное усилие, действующее He посредственно на ДНО, вязкое. С удалением от дна турбулентность возникает при все возра стаю щей роли напряжений Рейнольдса [830]. 'tw напряжение У стенки; Б rлубина потока; y BЫCOTa над дном; u срывающая скорость; v вязкость. Вязкий подслой простирается до точки уи. /v == 11,5.
79 IIOTOK жидкости и транспортировка осадков эта особенность леrко объясняется, если принять вполне определенную структуру турбулентноrо потока. Обратимся теперь снова к распределению срелней скорости течения по высоте в турбу лентных потоках на rладкой поверхности. Замеры скоростей в отдельных точках по стоянноrо потока (турбулентный поток счи тается постоянным, если й является KOH стантой в течение HeKoToporo отрезка времени) показывают, что вблизи нижней rраницы идет почти линейное возрастание скорости по высоте. Но потом, в переходной зоне, происходит замедление этоrо возра стания в виде некоторой функции энерmи. Самая нижняя зона линейноrо возрастания получила название ламинарноrо подслоя, однако, поскольку ее природа не чисто ла минарная, правильнее называть ее подслоем вязкости. В этом тонком слое напряжение переда тся поверхности дна исключительно посредством сил молекулярной вязкости. Выше подслоя вязкости скорость пропор циональна лоrарифму высоты. Это леrко видеть (рис. 5.1 З), так как эксперимен Рис. 5.13. rрафики. изменений скорости по мере роста высоты над твердым ложем для двух воз душных потоков. а изменения скорости пока заны с использованием линейноrо масштаба на ординате. Из за Toro, что в нижней части кривые прижаты к нулевой линии, считывать с них данные неудобно; б те же rрафики с лоrарифми ческим масштабом по ординате. rрафически определять значения здесь леrче. Объяснения см. в тексте [41]. (а) 100 90 80 70 ::;l ::s1 60 03 ... 8 50 :э a::I 40 30 20 10 О 1,0 3,0 5.0 7,0 Скорость ветра, M.C 1 тальные данные, нанесенные в полулоrа рифмическом масштабе, дают прямую ли нию. Можно убедиться, что кривая распре деления скорости пересекает ординату над поверхностью; это позволяет предполо жить, что на небольшом расстоянии от дна жидкость кажется неподвижной. Это можно объяснить присутствием слоя вязкости, по скольку лоrарифмическая кривая фактиче ски переходит в прямолинейный отрезок rрафика зависимости скорости от высоты на этом отрезке, а затем, при нулевом значе нии высоты, пересекает нулевую ординату. Если поток протекает над поверхностью, сложенной крупнозернистым песком, BЫCO та пересечения кривой скорости с ординатой не изменяется при возрастании скорости. Если шероховатая поверхность не деформи руется, тоrда высота точки начала всех раз личных rрафиков скорости (рис. 5.1 З, точка k) примерно соответствует 1/30 диаметра элементов, создающих шероховатость. Теперь следует дать определение и объяс нить значение количественноrо фактора и., известноrо как срывающая скорость, или скорость волочения. И. имеет размерность скорости и определяется следующей форму лой: '[о И . р , ( 5.22) rде '[о напряжение сдвиrа жидкости; р плотность жидкости. И. прямо пропорциональна темпу Hapa стания скорости течения с ростом высоты (в (6) 103 Е 102 С . . -. А ' . // . 101 .1' \) / fI" '" ... о 10° са 10 1 10 2 О 1,0 3,0 5,0 7,0 Скорость ветра., M.C 1
80 Часть 2 'Iоrарифмическом масштабе) и поэтому пропорциональна наклону кривых на rрафи ке рис. 5.13. Величина пропорциональности в самой нижней части rраничноrо слоя paB на 5,75. Таким образом, и. это скорость, Be личина которой является мерой rрадиента скоростей жидкости. На рис. 5.13 TaHreHC уrла наклона линии rрафика скорости равен АС/СВ. Тоrда и. равна (АС/СВ)/5,75. Выбрав точки А и В так, чтобы высота А была в десять раз больше, чем высота В, получим лоrарифм высотыI СВ как log10 10 log10 1 == 1; в этом случае и. == АС/5,75. Поскольку напряжение сдвиrа жидкости оmосительно твердой поверхно сти определяется как t == ри;, (5.23) то разница в скоростях на двух уровнях, rде высота одноrо в десять раз больше высотыI друrоrо, составляет 5,75и. ; отсюда опреде ляется Т. Оmосительно рис. 5.13 следует еще OTMe тить, что, если известны и. и константа ше роховатости k, можно определить скорость U на любой заданной высоте z следующим образом. Пусть скорость U равна DE. По co отношению DE == (АС/СВ). ЕО показацо выше как 5,75и.ЕО. Но ЕО представляет собой разность (log z log k) между ло rарифмами высот Е и о. Записав log z log k как log z/k, получаем z и == 5,75u.log '" или l z u == 5,75 V plogT. (5.24) Формула (5.24) это известное уравнение П рандтля для лоrарифмическоrо распреде ления скорости в турбулентном потоке; оно применимо к нижним 1 20% мощности по тока над тонким подслоем вязкости. KOH станта 5,75 следует из теории Прандтля Кармана о турбуленmом смеlПИвании <<ДЛИН». Последние представляют собой среднее расстояние, которое масса жидко сти проходит до Toro, как она соединится с друrой массой жидкости на новом уровне. Теоретический вывод этой теории дан в при ложении 4. Если увеличивается скорость турбулент Horo потока и одновременно или без связи со скоростью снижается вязкость, вязкий пОдслой должен утоняться. Эксперимен тальные измерения показали, что мощность вязкоrо подслоя ( ) определяется как == 11,5 v/u.. ( 5.25) Это приводит нас к существенному MO менту. Те поверхности, rде элементы шеро ховатости, создаваемые осадочными части цами, полностью скрыты в вязком подслое, называются 2ладкuми (рис. 5.14). Коrда ча стицы выступают за rраницы этоrо подслоя, они, как указывалось выше, вызывают обра зование мелких вихрей. Тоrда поверхность называется транзиmой или шероховатой (рис. 5.14). rрафик на рис. 5.15 построен для как функции силы водноrо и воздушноrо потоков оmосительно зерен песка; rрафик d + d < 1 >l 5 5 Рис. 5.14. rладкая и шероховатая rраницы. На rладкой rранице djБ < 1, значения числа Рей нольдса для зерен du v < 5. Переходная rрани ца при значениях duj:v от 5 до 70. Шероховатая rраница при значениях djБ около 14, а du. jv > 70. составлен таким образом, что критическая скорость и. соответствует пороry троrания зерен (см. rл. 6). В воде, например, нижняя rраница потока прекращает rладкое воздей ствие на поток у пороrовоrо значения CKO рости, соответствующеrо троrанию зерен, диаметр которых больше 0,6 мм. Как будет показано в rл. 8, из этоrо факта следуют очень важные следствия для седиментоло rии. 5и. Структура турбулентных потоков. По следние пятнадцать лет привели к значи тельному проrрессу в наших представле ниях о строении турбулентных потоков. Хотя математические основания rипотезы турбуленmости пока не вполне разрабо таны, в настоящее время стали возможны прямые наблюдения и анализ турбулентной структуры. Для этоrо при меняется разрабо
3,0 Поток жидкости и транспортировка осадков 81 ...... ::;l ;; 2,5 ....,и 2,0 о t:: О 1-0 О ;:; 1,5 =: I:Q ..а !-< u О 1,0 о 0,8 "I:SU 0,6 := IU о.. IU М о.. !-< IU ::;l 0,2 со E!i ':s: :s: 0,1 u IU s; !-< :s: о.. ::.:: 0,1 0,2 0,3 0,5 0,4 Срывающая скорость в жидкости U:f,' M.C 1 Рис. 5.15. rрафик, зависимости срывающей CKO рости от размера з н и мощности вязкоrо под слоя. Кривые б и d c для оздуха ( "" 0,5 мм) и воды ( '" 0,6 мм) перес каЮТС1l, обусловливая наруше ние rладкой по ерхности у пороrа перемещения ([145]. См. та'Кже' rл. 6 и 8). танная в СтаlJфор.дСJ<ОМ университете MeTO дика визуальнqrо и учения потока с приме нением водородных пузырьков [459]. Ис следования Ц9 Пр<;>блемам, прямо относя щимся К седимецтолоrии, осуществленные сотрудниками )fн верситетскоrо колледжа в ЛОlЩоне, пр(щи и свет на ряд интересных проблем [314, 866]. Методика . J;Iримеflения водородных пу зырьков исполъзу т электролиз воды (рис. 5.16) с ПОl\1(j Ю очень тонких плати HOBЬ ПРОВОЛQчек, установленнь перпен дикулярно или шi:pаллельно дну, чтобы по лучить мельчайuщ:е серии пузырьков Н 2 . Плюсовые напряжения подаются на aHOД ную плату, размещ нную на стенке лотка, а отрицательные на платиновую прово лочку. Проволочки покрыты прерывистой изоляцией, поэтому ток пульсирующеrо Ha пряжения вызывает образование rрупп 6----91 0,6 мельчайших пузырьков Н 2 через очень пра вильные промежутки. Интенсивное освеще ние и съемка скоростной кинокамерой по зволяют проследить поведение этих rрупп пузырьков при их движении в потоке. Блаrо даря этому возможны выявление структуры потока и прямые замеры MrнoBeHHЬ CKOpO стей на всю rлубину потока. До настоящеrо времени получены результаты для средних скоростей потока ;50,20 м . с 1. Рассмотрим вначале данные, полученные при экспериментах. На рис. 5.17 показано плановое расположение rрупп пузырьков в плоскости xz на четырех уровнях rлубины потока. На каждом снимке виден отдельный слой rрупп пузырьков, сформированнь на определенной rлубине, поскольку остальная часть платиновой проволоки была изолиро вана. Вблизи rладкоrо дна лотка, в вязком под слое, видна удивительная правильность строения. Вниз по течению, с довольно пра вильными промежутками в поперечном (к течению) направлении, протяmваются BЫ тянутые волнистые струи «пряди». Замеры скорости показывают, что эти струи состоят ИЗ жидкости, движущейся с довольно малой скоростью. При наблюдении сбоку, в пло Пульсирующее электрическое напряжение на платиновой проволоке, ve .. Напряжение на аниднои плате, + ve + .. :: Поверхность .'. потока Фотокамера ::::: I Прерывистая '. Источник : .: Возникновение I изоляция :'.:. . света '.:: пузырьков"2 I :':: . . '-..., Необязател ный ::: опытныи Дно , образец '. Второе дно .. .. .. :-. .' :::0:.: .:: ::= ::.:.:.....:::.:: :::::" .::"::_.: :.: :"::: :.:':_.:.-. .=. '::.:.=. Рис. 5.16. Установка для получения серий BOДO родных пузырьков для достижения возможности визуальноrо наблюдения потока. Течение либо от зрителя, либо к нему [866].
82 Часть 2 . \'( f .\;.jt: , f\\\'"I' '. .' I ,\ I ." f \\ . .' : . .. (a)1 ..... . , .. --\.......... .---- ..,...J.. . . .... -; .... "..... .. 0n9 ." ... , "'" .. . '\ . '" . . \1 .,. ... . .#. f в) , # 1: ' . }f ':' \,..' . f ,..,... i " ' \ i. · · t ..... .-t' '.. I . . . t t . . , i' .' , \r . J. .. t " , '\ ." t )\ ) ,., ,. Ч t " · J.\\' ; !.. 1. . '.", t:' , t. . . '.} . ,\ \.\ ,t. \ .... .. i ",' , .' '... . .. ';.,<"'1 1 ..,." t,' : ... ... ! { " ...." '". ., ; \ \" А Ь ' ""r'(: 1 I . f " . ,. I ! I I I О 1 2 3 О см (д) (О' С . ' '" ." '*' ,,11' Д,,;t .. ,, t".... ,....«.. "s -' . <> .. " ... . I '.. .' t .... ,] . i . ) ,.- "1 ''С. .. ., ' д: \l . '\ ' 11 . t . '-' "I . ' . ... "-> 'Т "\ : .' ' > " ) !. ,,'1 -. . > , - t · . " 11" , , 1,"" I , ..... .' . ..... (6) . ,....tt. .. . 01 ! .' 1I1"'.f' .... . '1' "1 \;' :, .. pf '* ..n . , ... -. tt)r:\..:'" '..... . ,.It; ,. " · t "'1 . W" , .. 1.1 .j... .. -j. .. . , .... "+ .,(t "'.J ;--r..... .1 t . .. i r .' J . .. \, ,. . , 11. (i') . . .... . \ . .. . " . ' "".'* 'J.: . '''' } l ' 1... ь, ,.. t . V j . , ' ,1 i ./1' ;..-,: I.-t. }I.. t. '* \"'\t \ ,:.. \'\ ).. " .' \' (, '<J, \ " · . . . . . 'J '/ . f.;. ','!' \1;. 1.. \.' '\. ..,' " . >:. \ ;.*, f '" t t '! . , , J .' \ .,,\ ';, . . , , . .1 1 I 2 см tD+h,c . . .' J.' , .\ ,. ."t :; . ,:! J I 3 , о . \ .- I 1 't, l;' I .' 'i. :., s1. i '.,. ., " : , I '. , . . t \ l' " \ . \ r "':. .' ;. * t 1 I 2 I 3 см .& t D + 11' С
83 ПОТОК ЖИДКОСТИ И транспортировка осадков скости ху (рис. 5.18), ВИДНО, что струи xapaK теризуются более низкой скоростью, чем средняя скорость потока. Видно, что ОНИ KO леблются и пульсируют, время от времени попадая в основной турбулентный rpa ничный слой (рис. 5.19). Эти заходы медлен но движущейся жидкости названы пpopывa ми (bursts). Они ассоциируются со скоростя ми более низкими, чем средняя (и) скорость, и с положительными (т. е. направленными вверх) скоростями и. Замедленно движущие ся струи в вязком подслое поперек течения чередуются с областями больших скоростей и, ассоциирующихся с отрицательными (Ha правленными вниз) скоростями и. Заходы быстро движущейся жидкости непосред ственно над кровлей вязкоrо подслоя Ha званы заметами (sweeps). rрафическое изображение явления замета дано на рис. 5.17, д. Это вид дна лотка в плоскости xz. Интенсивно освещенные песчинки разме.:. ром 0,1 мм иrрают здесь роль трассеров. Стрелки показывают про рыв фазы замета, которая энерrично перемещает песчинки вперед и в стороны в процессе cBoero движе ния по дну. Песчинки выrлядят как черточки из за большой скорости их движения. По краям фазы замета песчинки видны в виде точек, что rоворит о наличии струй медлен Horo движения, перемежающихся поперек потока с внедрениями заметов. Рис. 5.17. а д моментальные фотоснимки ce рий пузырьков Н 2' снятые сверху в направлении дна; поле зрения в плоскости XZ, течение направ лено от верха кадра книзу. Платиновая проволо ка с прерывистой изоляцией, rдe образуются пузырьки Н2' расположена вверху каждоrо сним ка. rруппа кадров a 2 представляет ряд все более высоких положений проволоки относительно ,lJ;Ha. а хор<?шо видны струйки пузырьков в пото ке, каждая струйка представляет собой фазу дви жения с низкой скоростью в вязком подслое ; б струйки перепутываются и становятся хуже различимыми по мере перехода в лоrарифмиче скую часть турбулентноrо rраничноrо слоя; в 2 в краевых частях потока серии не нарушены, но на друrих хчастках видны макротурбулентные образования L 459]; д вязкий подслой, структура KOToporo выявлена с помощью песчинок диаме тром 0,1 мм, перемещаемых по rладкой черной поверхности. Серия кадров, разделенных интер валом времени 1/12 с, с выдержкой 1/30 с. Видно развитие явлений прорыва или замета (показано стрелками). и. == 21,3 мм. с 1 [314]. 6* По мере удаления от дна струйное CTpoe ние становится менее заметным. Струйки с низкими скоростями ИЗ прорывов CTaHO вятся «спутанными», поднимаясь вверх сквозь rраничный слой (рис. 5.17 и 5.19). Bы ше по потоку, в «лоrарифмической зоне», создается впечатление случайной турбу лентности, а в самой верхней зоне (так назы ваемый реrион кильватера) турбулентность перемежающаяся и rораздо более крупно масштабная, чем во внутренних слоях. Typ булентные узлы достиrают поверхности в виде «вскипаний», вызывая местный подъ ем поверхности воды (рис. 5.17). По данным этих визуальных наблюдений леrко прийти к заключению, что турбулент ная структура пространственно орrанизова на. Размеры струй (л. s ) определяются эмпи рической формулой л. s и./v 100, ( 5.26) rде И. срывающая скорость; v кинетиче ская вязкость. Следовательно, при постоян ной v Л. уменьшается при возрастании и.. Скорость прЬрывов медленных струй возра стает с ростом и.. Нужно иметь в виду, что процесс образования струй квазицикличе ский (новые струи формируются и перефор мировываются в поперечном сечении). Обратившись к измерениям rрупп пу зырьков (рис. 5.18), видим, что мини мальные продольные скорости и прямо KOp релируются с положительными верти кальными скоростями v и обратно. Это дает основание считать, что миrрация элементов жидкости с дефицитом кинетической энер mи обеспечивает большой положительный вклад в местные напряжения Рейнольдса. Фазы заметов также увеличивают напряже ния Рейнольдса, но наибольший эффект при этом наблюдается вблизи стенок лотка. OT сюда следует, что почти все напряжения Рейнольдса ( ....., 70%) в турбу лентных пото ках связаны с процессом формирования прорывов и заметов и что большая часть этих напряжений возникает вблизи стенок. Для седиментолоrии значт-,:тельный инте рес представляют резулътатыI эксперимен тов явлений прорывов/заметов на твердом дне с искусственно созданной шерохова тостью [314]. Она обеспечивалась Ha клеенными на дно лотка в один ряд обло
84 Часть 2 МОЧНЫМИ частицами. Переходная rраница создавалась путем использования крупных песчинок диаметром 2 мм, rрубошерохова тая путем использования rальки диаме тром 9 мм. Скорости были значительно ни же пороrовых для свободных частиц TaKoro диаметра. Анализировались три типа rpa ничных условий для потоков с постоянным числом Рейнольдса, т.е. при и, v и h, paBHbIX константе. Увеличение шероховатости дна, как и следовало ожидать, приводило к росту среднеrо напряжения сдвиrа у дна. Данные по интенсивности турбулентности соизме римы с и* незавuсuмо от условий шерохова тостидля hjd ;;;::0,2 (рис. 5.20). Это позволяет предположить, что за пределами некоторой высотыI интенсивность зависит исключи тельно от размеров rраницы и напряжения сдвиrа, но не зависит от условий, вызываю щих напряжение сдвиrа. Ближе к дну rрафи ки расходятся, продольная интенсивность снижается, а вертикальная возрастает (рис. 5.20). Замеры среднеrо напряжения Рейнольдса коррелируются с линейным распределением среднеrо напряжения сдви ra, стремясь к нулю вблизи свободной по верхности потока. Можно предположить, что вязкий rpa ничный подслой и жидкость, заключенная между элементами шероховатости, предста вляют собой «пассивные» резервуары жид кости, имеющей низкий потенциал кинети ческой энерmи; эта жидкость втяmвается в движение в моменты прорывных фаз. Очень существенно, что струйное строение вязкоrо подслоя, наблюдаемое на rЛ3Д*6М дне, rораздо менее заметно в потоках с пере ходным и шероховатым дном. Быстрая по теря ускорения жидкостью в фазе замета связанная с началом волочения зерен, при водит к отмеченному выше понижению про дольной (u)и вертикальной (v)турбулентной интенсивности. Возрастает и напряжение Рейнольдса (и' v') в связи с увеличением ше роховатости около стенки лотка. На основании вышеприведенноrо можно сделать ряд вы1одов, разделив rраничный слой турбу лентноrо потока на две раз личные зоны: а) внутреннюю близкую к дну зону, верхняя rраница которой находится между переход ной и лоrарифмической областями rраничноrо слоя турбу лентно сти, и б) внешнюю зону, простирающуюся до свободной поверхности потока. BHYTpeH няя зона определяется следующими особен ностями: 1) в ней сосредоточивается образование основной части турбулентности; 2) в ней располаrаются чередующиеся струйки жидкости с высокой и низкой CKO ростями движения; 3) струйки с низкой скоростью в областях с большой величиной напряжения сдвиrа Рис. 5.18. Примеры выявления с помощью пу зырьков Н 2 структуры потока, движущеrося по rладкому дну (фанера). Зарисовки а и в сделаны с моментальных фотоrрафий, зафиксировавших соответственно прорыв и замет; 6 rрафики из менения скоростей х и у, замеренных на таких фо тоrрафиях, и rрафики средней скорости, замерен ной на ряде фотоrрафий [314]. 25 Скорость" в направлении у, мм. c 1 (6) +2 2 (а) ' ........ .... . .... . g-I... .. ' I · . ... --:JIII у 15 g 11 . fIJ.I Высота о ,.... ....., .. над @g, .,/ I дном, '.#'!h"-= мм 10 ..., ,'II"' :;; (Нарушенное движение) t::: ", """[ладкое дно"" ",,,, [рафик высокой мrновенной скорости (замет) 20 5 о О Скорость и в направлении х, MM.C 1 ':5: О "'" u :5: I!:I :а о. Q) о. u ':5: "" Q) :5: О = tJ: О I!:I О О м 0.:5: tJ: "" I!:I О :I: :5: "'" ..-- I . " . ..... I . ,... . ..::' ...'.- ..... ...... ..... ....". .. -'».. I = · ..., t. .... (Нарушенное движение) [ладкое дно
85 Поток жидкости и транспортировка осадков h+l: (а) ..oo h 50 О (б) h.': O (8) ( ) loo r h+50 О (д) h+l: Рис. 5.19. Рост единичноrо прорыва (a д), XHa блюдавшеrося по поведению окрашенной струй ки, впрыснутой В поток со дна. Преобладающую часть времени струйка медленно смещалась вниз по течению (направление х) как целое, причем каждая струйка очень медленно расширялась. Достиrнув высоты, соответствующей h == 8 -7 12, струйка начинала пульсировать (6 и в). Пульсация разрасталась и затем завершалась резким «про рывом», переходящим в изrибание и растяжение (в, 2, д). h + безразмерная величина, выражаемая в масштабе hu. jv, rде h высота от дна, и. срывающая скорость жидкости, v кинемати ческая вязкость [459]. вблизи верхней rраницы поднимаются вверх. Внешняя зона: 1) является источником быстро движу щейся жидкости в фазе замета вблизи своей нижней rраницы; это, возможно, провоци рует цикл прорыва; 2) образует водовороты вблизи зоны про рыва, которые рассеиваются во внешней зо не и MorYT достиrать поверхности в виде «вскипаний» . Эти выводы прямо относятся к rенезису ряда осадочных текстур и к турбулентному взвешиванию (rл. 6, 8). Х Х 5к. РаЗllеление потока и вторичные течения. Представим себе ПОТО , который вниз по Te чению расширяется и далее имеет постоян ную ширину (рис. 5.21). В идеальной жидко сти линии тока будут расходиться, а за тем пойдут параллелъно. Исходя из принципа неразрывности, поток замедлит течение в расширяющейся части русла и вновь при обретет постоянную скорость далее вниз по течению. Обратившись к уравнению Бер-- нулли (разд. 5r), мы можем заключить, что давление возрастает в расширенной части потока, но останется постоянным выше и ниже по течению. Давление и rрадиент скорости должны при этом соответствовать условию Х Х dp/dx > о; du/dx < о. В реальной жидкости с rраничными слоя ми перепады давления, возникшие в этих yc ловиях, окажут наибольшее воздействие на медленно движущуюся жидкость вблизи 3 [ладкое дно о Шероховатое дно ... 1 (и'2)2/и* -rJ.....IIL.J. Интенсивность <.rV"' "' "' продуu.ирования .......... -ADAO-... ... i ............ ... ........... ... 1 rf (v'2) 2/и * турбулентности ,6 о 2 О u'v'/ и. 2 000 ....... ............... "'0 Q ......... ... a. ... ... ... Напряжение Рейнольдса 1 О 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,1 Л/а Рис. 5.20. rрафики, иллюстрирующие влияние шероховатости на интенсивность образования турбулентности и напряжения Рейнольдса в тyp булентных потоках при близких значениях числа Рейнольдса (Re == 6700); обратите' внимание на рост интенсивности вертикальной (у) турбулент ности (V'2)l/2ju и снижение интенсивности rори зонтальной (х). турбулентности (U'2)1/2ju вблизи дна при переходе от rладкой (полирован ое дepe во) к шероховатой (rалька диаметром 9 мм) по верхности. Интенсивность турбулентности не за висит от шероховатости при hjd > 0,2 (h высота над дном, d rлубина потока) [314].
стенки в расширяющейся части потока. Эта жидкость будет rораздо леrче притормажи ваться обратным перепадом давления. При некоторых обстоятельствах перепад давле ния прижмет жидкость ближе к стенке в Ha правлении против течения, как показано на рис. 5.21. Отрыв 2раниЧНО20 слоя может произойти в точке S, называемой moч кой ::::.::::::::; + 1 отрыва, а ниже по течению происх.?дит пpи 030 \. соединение потока. Между точкои отрыва .. ..\ \.....=:= Идеальная жидкость . S и местом присоединения образуется замк 1 '...... . нутое вращающееся в обратном направле нии завихрение, или водоворот отрыва. 2 Отрыв rраничноrо слоя происходит TaK Реальная жидкость 3 же BOKpyr сферических или цилиндрических тел, помещенных в поток, или в месте oтpи цательной ступени или небольшоrо наруше ния поверхности дна (рис. 5.22 5.24). В пер.- вом случае отмечается обратный перепад давления позади шара или цилиндра, rде расходятся линии тока, во втором случае перепад давления связан с резким расшире нием потока. Оба случая представляют большой интерес для седиментолоmи (rл. 6 и 7). Большее практическое значение имеет отрыв rраничноrо слоя на верхней части сильно наклоненной аэродинамической по 86 Часть 2 (а) (6) У 4 У 2 Х 4 S .. .,.......::,.,.::....:::. ... z . Направление L течения х РЗ Р 4 . . .....:.::.... .:....: ::::::::: Х З S Y 1 !Ш ] Эффект отрыва потока Х 2 Направление У течения L х р -------------t> , Р2 х, :;..:.;:.:..... (в) j""" "'" """""", """"""" t (2) , 111111111,,'1,,1111101111111111111/111111111 S 1111/111/1////////1/ У Х З 3 Рис. 5.21. Отрыв потока: a Ha отрицательной ступени, моделирующей rребень ряби в при родных условиях; 6 в расширении русла, KOTO рому в природе соответствует дельтовая прото ка. в, 2 cxeMЫ распределения скорости и линии тока для сечений, аналоrичных Х з УЗ . Объяснения см. в тексте. р давление; S место отрыва. У з верхности, вызывающий сильное снижение подъемной силы и потерю скорости. На практике и ламинарный, и турбу лентный rраничные слои отрываются, при чем первый отрывается леrче. Однако для целей седиментолоmи нас больше интере сует отрыв турбу лентноrо потока. П рисмо тревшись пристальнее к завихрению отрыва у отрицательной ступени, напоминающей нижний (по течению) склон ряби, мы можем выделить вихревые (водоворотные) завихре ния, возникающие, коrда ступень образует с направлением течения уrол менее 450, и волновые завихрения при уrлах более 450. Линии тока в волновом завихрении предста вляют собой замкнутые петли, в BOДOBOpOT НОМ rеликоидальные спирали. Это можно проиллюстрировать с помощью линий тока поверхности, как на рис. 8.5. Очень важные явления наблюдаются в начале завихрения у ero сочленения с rлавной струей потока жидкости. Здесь происходит относительное перемещение между двумя течениями, BЫ зывающее сильное турбулентное вихре образование вдоль неустойчивой поверхно сти раздела. Вдоль rраницы этой поверхно сти до места причленения наблюдается очень сильное образование напряжений Рейнольдса. Они MorYT в три раза превы шать интенсивность напряжений на приле rающей сверху (по течению) плоской части дна до начала ступени (рис. 8.4). Вывод для Эксперименталь . '''''' ная при Rе= ud ==зоооо v Теоретическая ДЛЯ идеальной жидкости == 1 4 s in 2 е Рис. 5.22. Поток, обтекающий цилиндр, распо ложенный длинной осью перпендику лярно тече нию. Вверху слева теоретические «идеальные» линии тока для жидкости, в которой вязкость OT сутствует. Внизу слева реальная картина при Re g == 3 . 104, С отрывом потока и вихреобразова нием. На rрафике показаны теоретические и экс периментальные кривые распределения давления (безразмерная величина, по ординате) на поверх ности TaKoro цилиндра. Фактически замеренное давление меньше теоретическоrо, так как позади тела нет разделения потока, которое моrло бы вернуть жидкости ее первоначальную скорость [275].
87 Поток жидкости и транспортировка осадков седиментолоrа напрашивается сам собой: присоединение отделенноrо ранее rранично ro слоя приводит к усиленному размыву. Как будет показано в rл. 8 и 9, эта тeHдeH ция к усилению эрозии удовлетворительно объясняет происхожденue нескольких раз лич ных донных форм и связанных с ними осадоч ных текстур. Последний рассматриваемый тип He устойчивости течения широко распростра нен в естественных турбулентных потоках и охватывает веерообразные движения, Ha кладывающиеся на основное течение. Эти движения приобретают формы сменяющих друr друrа попарно спиральных BOДOBOpO тов, распространяющихся поперек течения. Каждая пара водоворотов включает воз вратно поступательные вращающиеся BO довороты и может оказывать воздействие на значительную часть Bcero rраничноrо слоя. Линии раздела и воссоединения напра влены параллельно rлавным линиям тока. Эти спиральные вихри получили название вихрей Тейлора rертлера и наблюдаются почти во всех природных турбу лентных по токах. Они являются причиной чередования быстрых и медленных дорожек влекомоrо Отрицательная ступень Рис. 5.23. Схема образования завихрения вслед ствие отрыва потока и ero присоединения у отри цательной ступени, моделирующей нижний по Te чению склон ряби в природе [12]. ветром песка, часто наблюдаемых в пе счаных пустынхx и на сухих пляжах, и знако Moro каждому явления ветровых полос на поверхности воды, подверrающейся дей ствию ветра. Теоретический анализ ypaBHe ния HaBьe CTOKca для турбулентноrо дви жения показал, что вторичные течения являются результатом дисбаланса HOp мальных напряжений Рейнольдса й,2 и ",,2. Математический аппарат TaKoro доказа тельства довольно сложен [232]. Вдоль линии присоединения вторичных течений наблюдается усиление размыва или перемещения осадка и общее выбрасывание частиц от линий тока поверхности присое динения к линии раздела. В следующей rла ве мы покажем, что с действием вторичных Рис. 5.24. Разрез через завихрение, показанное на рис. 5.23. Видны усредненные по времени ли нии тока и схема распределения скоростей. течений связано несколько типов донных форм в водных и воздушных потоках. 5л. Выводы. Потоки жидкости обладают rраничными слоями, обусловленными вяз ким торможением. Их природа ламинар.- ная или турбу лентная определяется чис лом Рейнольдса. Преобладающая часть 'воздушных и водных потоков, имеющих значение для седиментолоrии, являются турбулентными. Все потоки жидкости вызы вают напряжения сдвиrа, локализованные у твердой rраницы потока и в самом потоке. Произведение среднеrо напряжения сдвиrа у дна на среднюю скорость потока дает среднюю силу потока, приходящуюся в жидкости на единицу площади дна. Турбу лентный поток имеет довольно четкое строение, причем источник образования максимальной турбу лентности находится вблизи вязкоrо подслоя. В этой зоне, близ кой к дну, турбулентное движение про является в форме заметов (sweep) и проры вов (bursts). Прорывы жидкости, переме щаюшейся сравнительно медленно, перио дически поднимаются к поверхности в виде крупных турбу лентныx водоворотов. И в ламинарных, и в турбулентных потоках обнаруживаются явления отрыва потоков в зонах неблаrоприятноrо перепада давле ний, например, при наличии западин дна или расширений русла.
88 Часть 2 Литература, рекомендуемая для дальнейшеrо чтения Математические сложности rидромеханики He редко отпуrивают студентов (и преподавателей) от этоrо важноrо раздела современной седи ментолоrии. Наиболее ясное и просто изложен ное введение в механику жидкостей можно найти в работе Шапиро [744]. Освоив эту He большую книrу, можно перейти к более слож ным руководствам, в которых к проблеме под ходят с точки зрения простых законов ньюто новской физики С минимальным использова нием высшей математики (например, [422, 539, 275, 294]). Авторы этих и мноrих друrих книr, включая ставшую классической работу Эвальда и др. [250], стремятся дать вводные сведения о rидромеханике студентам инженерных спе циальностей. Приводимые в них примеры He редко не связаны с интересами специалистов в области наук о Земле. Насколько это из вестно автору данной книrи, единственной рабо той, рассматривающей эти вопросы с «rеофи зической» точки зрения, является книrа Тритто на [830]. Этот труд требует знания высшей Ma тематики и содержит изложение мноrих аспек тов rеофизических потоков. Фундаментальный справочник по турбулентным потокам для более подrотовленных студентов книrа Таунсенда [827]. Оффен и Клайн [617] дали хороший обзор процесса «прорыва» в турбулентных потоках. Приложение 5.1 равнение Бернулли (по rэсьореку и Картеру [294]) Это важное уравнение можно вывести, при менив второй закон Ньютона к движущимся элементам жидкости. Рассмотрим элементарный объем жидкости, показанный на рис. 5.25 и xa рактеризуюшийся площадью сечения dA, длиной ds, моментальной скоростью и, плотностью р и ускорением а. Мы рассматриваем «идеаль ную» жидкость, на которую действуют только давление р и rравитационная сила тяжести (g) или вес. Напряжения СДвиrа, связанные с дей ствием вязкости, мы полностью иrнорируем. Приняв во внимание только силы, действую щие в направлении движения, результирующую силу давления на концах элементарноrо объема можно определить как pdA == (р + dp)dA == dpdA, (5.27) если рассматривать направление движения как величину положительную. Составляющая силы тяжести в направлении движения составит dAdspg sin е == dAdspg dz == pgdAdz. ds (5.28) Тоrда сумма этих двух сил равна массе, YM ноженной на ускорение: du du ds du т == pdsdA. и а == == == и dt ds dt ds и та == pudAdu. (5.29) Тоrда уравнение приобретает вид: (dpdA) (pgdAdz) == pudAdu. Делим на pg dA: dp + dz + udu == о. pg 9 (5.30) (5.31) Интеrрируем, принимая, что в несжимаемой (т. е. не rазообразной) жидкости р не изменяет ся с изменением р: р и 2 + z + == const == Н, (5.32) pg 2g rде Н 06щuй напор; p/pg Haпop статичеСК020 давленuя; z потенцuальный напор; u2/2g CKO ростной, uлu кuнетuческuй. напор. dA /" /" k'u dz w ОСЬ ДЛЯ отсчета Рис. 5.25. Вывод уравнения Бернулли [294]. Объяснение буквенных значений см. в тексте. Каждый член уравнения выражается в едини цах длины. Умножение на pg приводит нас к формуле (5.4), rде члены выражаются в единицах энерrии на единицу объема. Приложение 5.2 lIисло Рейнольдса (по rэсьореку и Картеру [294]) Рассмотрим кубический объем жидкости с вяз костью ).1, плотностью р, площадью сечения б 2 и длиной б (рис. 5.26). Пусть верхняя поверх ность движется относительно нижней со CKO ростью и, а разница в скорости связана с проявлением сил вязкости. Движение может TaK
89 Поток жидкости и транспортировка осадков же обусловить 'действие сил инерции, коrда рассматриваемый объем жидкости претерпева ет ускорение или замедление. Усuлuе преодоленuя вязкостu равно напряже нию сдвиrа, умноженному на площадь; так как напряжеl;lие сдвиrа равно (du/dy), соrласно за кону Ньютона (формула (5.15», в этом случае и82 усилие преодоления вязкости == == 8и. 8 (5.33) Сила инерции равна массе, умноженной на yc корение (второй закон Ньютона). Масса равна плотности, умноженной на объем: р8 3 , ускорение , u . , ........... ........ 5 Рис. 5.26. Определение числа Рейнольдса [294]. Объяснение буквенных обозначений см. в тексте. u/t == и 2 /8, поскольку u == 8/t и t == 8/и, следова тельно, .83 2 сила инерuии == == р8 2 и 2 . 8 Преобразуем эти две силы в виде отношения сила инерции усилие преодоления вязкости == число Рейнольдса, р8 2 и 2 и8 ри8 (5.35) rде 8 линейные размеры любоrо потока, как описано в тексте. Приложение 5.3 Распределение скоростей в вязком потоке в канале (по rэсьореку и Картеру [294]) Рассмотрим постоянный вязкий поток между двумя стенками (рис. 5.27). Пусть объем жид кости между стенками имеет длину 1, единицу ширины, мощность 2у, причем у измеряется от осевой линии потока; в ширина канала. Давле ние на верхней по течению rранице объема Рl' на нижнеЙ Р2, причем Рl > Р2. Так как это однородный постоянный поток, давление и силы вязкости, действующие на объем жидкости, должны находиться в равновесии. Вязкость при мем равной . Прилаrаемая сила, обусловленная различием в силах давления на rраницах объема, равна этой разнице, умножеННQЙ на площадь попереч Horo сечения объема. Следовательно, сила paB на Pl12y P212y, или (Рl Р2)2у, или ,1р2у. (5.36) Сила сопротивления связана с напряжением сдвиrа "[, действующим на поверхностях, парал лельных потоку. Заметив, что скорость измеряем от иентра в стороны, а rрадиент скоростей величина отрицательная, получаем du t21 == 21. (5.37) dy Уравниваем du ,1р2у == 21 dy (5.38) или ,1Р du == ydy. l (5.39) Интеrрируя, получим ,1Р 2 и== y +С 2 1 (5.40) CKOpOCTЬ на поверхности объема на расстоянии у от осевой линии. Чтобы определить С, примем у == Ь/2 и u == о; тоrда, соrласно фОРМVJ1е (5.40), при u == О С == Др (Ь)2. 8 1 Заменив С в формуле (5.40), получаем u == (Ь 2 у2) ,1Р . 8 1 (5.41) (5.42) ! 'lf i f'Y 11 111 , 2 Рис. 5.27. Вывод уравнений вязкоrо потока [294]. Объяснение буквенных обозначений см. в тексте. Это доказывает, что распределение скорости в поперечном сечении потока является параболи ческим Максимальная скорость в осевой линии, rде у == о: 2 ,1Р ( Ь у2 ) и mах == Ь ' или u == и mах . (5.43)
90 Часть 2 Средняя скорость в поперечном сечении (без вывода) составляет Ь 2 д.р и 12).11 ' а напряжение СДвиrа, обусловленное вязкостью, составит 6).1и Тmах == Ь Приложение 5.4 Вывод закона Кармана Прандтля для турбулентных потоков (по рэнсису [275]) в турбулентных потоках вихревые движения приводят к смешению жидкости с высокой и малой скоростями движения как по направле нию течения, так и поперек. .в идеализирован ном вращающемся водовороте (рис. 5.28) и средняя скорость в ero центре по отношению к rраницам потока, а dи/dу мrновенный rpa диент скорости поперек этоrо вихря. Скорость Bepxнero слоя равна u + 1/21du/dy, нижнеrо слоя- и 1/21du/dy. Движение водоворота попе рек потока составляет долю от среднеrо пере мещения, равную 1/21du/dy. В цилиндрах в зоне поперечноrо сечения, по (а) Быстрый слой r А l 1 Поперечное движение А Медленный Слой т (6) и + .ll 2 d y 11 ПЛощадь 1 п езч:= (а) .,_. .-----. . 1 dи и l 2 d-y r у Lx Рис. 5.28. Вывод уравнения Кармана П ранд шя [275]. Объяснение буквенных обозначений см. в тексте. (5.44) казанных с обеих сторон завихрения, скорость составляет 1/21du/dy; с этой скоростью масса жидкости, равная ap1/21du/dy, передается за еди ницу времени из быстро движущеrося слоя к медленному. Каждая единица массы жидкости меняет свой потенциал на величину ldu/dy, так что общее изменение потенциала в обоих ци линдрах равно 2 ( ар 1 ) ( 1 du ) . (5.46) 2 dy dy (5.45) Теперь силы должны действовать так, чтобы сохранить разницу в скорости, потому что в противном случае быстрый и медленный слои перемещаются и образуют спокойный поток со средней скоростью. Следовательно, напряжение сдвиrа '["' должно противостоять тенденции пе редачи потенциала с целью ликвидации rpa диента скорости. Тоrда , ( 1 du ) ( du ) '["2а==2 ap l 1 , 2 dy dy (5.47) или , 1 (1 du ) 2 Т p . 2 dy (5.48) Примем т', 1 и du/dy в качестве среднеrо Ha пряжения сдвиrа, длины водоворота и rрадиен та скорости соответственно. Чтобы при такой операции сохранить равенство частей, введем константу k; тоrда 1 ( du ) 2 Т == k 2" р 1 dy . (5.49) Теперь можно решить это дифференциальное уравнение, если принять: а) т == то rраничное напряжение сдвиrа, б) по экспериментальным данным установить, что количественная величи на kl пропорциональна расстоянию от rраницы, т. е. размер завихрения прямо зависит от rлу бины. Записав уравнение (5.49) в виде (;) 1/2 == (I) 1/21 : (5.50) и приняв по экспериментальным (k/2)I / Ч == 0,4у, получаем ( ) 1/2 1 du == dy. р О,4у данным, что (5.51) Интеrрирование дает . ( ) 1/2 1 и == [loge у] + const. р 0,4 (5.52)
91 Поток жидкости и транспортировка осадков Записав константу интеrрирования ( 1"0 ) 1/2 1 1 С == loge , р 0,4 С 1 rде .. с 1 дрyrая константа, придаем уравнению (5.52) вид ( 1" ) 1/2 1 [ 1 J и == 10geY + loge , р 0,4 С 1 (5.53) в десятичных лоrарифмах ( 1"0 ) 112 У и == 5,75 log10 . Р С 1 (5.55) в обозначениях, принятых в основном тексте, эта запись (см. уравнение (5.24)) выrлядит так: и == 5,75 IOg10 f. (5.56) ( 1" ) 1/2 У и == 2,5 loge . р С 1 в заключение следует заметить, что формула (5.56) применима только к Iiижним 10---20% rpa (5.54) ничноrо слоя. Иноrда ее называют «законом стенки» . или 6 Транспортировка зерен осадка 6а. Введение. Установив в rл. 5 основные принципы движения жидкостей, обратимся теперь к взаимодействию перемещения жидкости и зерен осадка. В 1 960 e rоды Бэr нольд назвал эту область исследований rид равликой подвижной rраницы, чтобы OTдe лить ее от более привычноrо анализа движения чистой жидкости. Мы различаем, собственно, два типа размываемоrо ложа потока: со свободными зернами и со свя занными зернами. Первый тип включает все rраницы раздела, на которых располаrают ся дискретные твердые зерна, удерживаемые в контакте друr с друrом только rравита ционными силами. Второй тип наблюдается в случае arpera тов rлинистых мищ ралов в илистыIx толщах, rде мельчайшие чешуйки rлинистыIx минералов взаимно притяrи ваются электролитическими силами, KO торые во мноrом сравнимы с rравита ционными (rл. 9). 66. Зерна в неподвижной жидкости. у зерен, падающих в стоячей воде или в воздухе, мноrо общеrо. Если мы поместим шарик с плотностью о' в жидкость, плотность KOTO рой равна р, при условии, что о' > р, он при обретет начальное ускорение при падении в жидкости. Ускорение будет уменьшаться до Toro момента, коrда будет достиrнута постоянная скорость, которую называют установившейся скоростью или скоростью падения (У g). П роведя скрупулезные экспе риментыI с большим набором разнооб разных по диаметру сферических зерен, мы сможем нанести резу ль та ты на rрафик, по казывающий взаимосвязь скорости падения и диаметра зерен (рис. 6.1). На rрафике xo рошо видно, ЧТО скорость падения возра стает с ростом диаметра зерен. Однако при рост скорости уменьшается. Рассматривая исключительно сопротив ление вязкой жидкости, можно вывести Teo ретическую формулу такой взаимосвязи, выражающую скорость падения как функ цию свойств зерен и жидкости (вывод ее приведен в приложении 6.1): Vg === gd 2 (О' р) 18).1 (6.1) Формула (6.1) известна как закон Стокса, названный в честь первооткрывателя. Закон Стокса точно предсказывает скорость паде ния частиц, для которых число Рейнольдса (для зерен) vg<lР/).1 менее 0,5. Это COOTBeT ствует частицам алевритовой и более TOH кой размерности с плотностью, равной плотности кварца, при падении в воде. По чему этот закон неприменим к зернам лю
92 103 102 e <j.9> o<C -;' o -;': ;> с,'\ 1'J (S}O'Q';l\ ti :s: iE t:1: 0:1 с: ..с "'" 8- о 10° u 1O 1 10 2 Часть 2 10 1 10° 101 Диаметр сферических зерен кварца,мм Рис. 6.1. rрафик, ИЛЛЮСТРИРУЮЩИЙ зависи мость скорости падения от диаметра зерен (сфе рические кварцевые зерна при температуре воды 20 0 С). ДЛЯ сравнения показаны расчетные значе ния скорости падения в ТОЙ же системе единиц по формуле Стокса и по формуле столкновения (уравнение Ньютона) [296]. боrо размера? Ответ леrко найти, вспомнив о тенденции к отрыву слоев жидкости в rpa ничной зоне (разд. 5к). Поэтому на зерно, падающее с повышенной скоростью, дей ствуют инерционные силы жидкости, не принятыIe во внимание в законе Сток са. Они приводят к большому росту тормозящеrо или замедляющеrо действия жидкости на сферическое тело. Ньютон вывел выражение для скорости падения в условиях преоблада ния сил инерции, которое известно как фО[r мула столкновения: 1(4 a p V q == V зq . Практически формула Ньютона не дает удовлетворительноrо схождения с экспери ментальными данными (рис. 6.1), так как цифровая константа принята на основе He достаточно четко определенных предполо жений о действии воды на падающее сфери ческое тело и не учитывает отрыв потока. До сих пор мы рассматривали падение единичной сферической частицы с rладкой поверхностью. В реальных случаях обычно возникают усложнения. Во первых, eCTe ственные осадочные зерна не обладают co вершенной сферической формой и хорошо обработанной поверхностью. Природные частицы силикатов алевритовой и песчаной размерностей по форме наиболее близки к сферам, и поэтому обычно можно считать, что их конечная скорость падения такая же, как и у сферы Toro же диаметра (табл. 4.2). Для прямоrо эксперименталъноrо определе ния конечной скорости падения конкретноrо зерна требуются очень тща тельные исследо вания. Серьезные трудности возникают при работе с частицами биоrенноrо происхож дения или химическими осадками. Напри мер, пески ракушечники состоят из плоских зерен, при движении которых вниз сквозь толщу воды набтодается маятникообраз ное качание в направлении, перпендику ляр- ном вектору скорости падения, напоминаю щее движение падающих листьев. Понятно, что для подобных частиц нельзя устаНОВИ1Ъ какие то общие законы или эксперимен талъные зависимости. Для каждоrо образца нужно определить соответствующие COOT ношения в эксперименте [114]. Кроме Toro, почти все природные образцы вкточают популяции частиц, падение которых носит rрупповой характер. Взаимные помехи ча стиц и усиление торможения приводят к снижению скорости падения по сравнению с жидкостью, своБО;IНОЙ от зерен осадка. Было высказано предположение [679], что конечная скорость падения сферической ча стицы V g , падающей в совокупности с друm ми, изменяется как V q == v q (t с)n, (6.3) (6.2) rде v g конечная свободная скорость паде ния единичноrо зерна (в жидкости, rде дpy me зерна отсутствуют); С объемная KOH центрация зерен в их движущейся совокуп нрсти; п показа тель степени, колебтощий ся в пределах от 2,32 до 4,65 и зависящий от числа Рейнольдса для зерен. Это отношение показывает, что скорость cTecHeHHoro паде ния (падение в среде, содержащей совокуп ность зерен) будет меньше, чем скорость свободноrо падения, и сильно зависит от концентрации зерен. Для TOHKoro осадка,
93 ПОТОК жидкости и транспортировка осадков коrда n == 4,65, и при высоких КОНIlентрациях (С около 0,5) v g может составить Bcero 2 3% от V g . Эти данные имеют большое значение для пони мания условий аккумуляции зерен из плотных переrруженных материалом по токов (таких, как мутьевые потоки; rл.7). 6в. Условия троrания частиц со дна. Коrда поток жидкости оказывает сдвиrающее воз действие. на выровненную поверхность дна, сложенную зернами, наступает критический момент, коrда зерна, увлекаемые потоком, начинают перемещаться. Понятию криmиче СКО20 nОрО2а mрО2ания зерен уделялось боль шое внимание, так как это практически важный параметр для решения инженерных задач (каналыI' ирриrационные сооружения, экспериментальное моделирование). Знание пороrа троrания частиц разноrо типа и раз личных размеров имеет особое значение для седиментолоrии. Перед тем как привести результаты экспе риментальныx исследований пороrа Tpora ния, рассмотрим силы, которые в потоке действуют на зерна, лежащие на дне (рис. 6.2). Сила волочения, обусловленная Направление теч ения . Сшzа тяжести Рис. 6.2. Схема сил, действующих на зерно, ле жащее на дне, которое сложено такими же зерна ми и подверrается действию потока жидкости, проходящеrо над ним. rрадиентом скорости у дна, действует на каждое зерно. Если То cpeДHee напряжение сдвиrа у дна (рассчитанное по форму лам (5.6) и (5.7)), то средняя сила волочения на одно зерно выразится как F о == То /n, [де n число частиц на единицу площади дна. Существует также подъемная сила. Линии тока над выступающим зерном изrибаются, скорость возрастает, и для поддержания pa венства давления в соответствии с ypaBHe нием (5.4) давление над зерном должно сни зиться. Изящные измерения Чепила [151] (рис. 6.3) и более новые данные не OCTa ляют сомнения, что подъемная сила сравни ма с силой волочения, пока зерно находится на дне. Коrда зерно поднимается над дном, подъемная сила быстро исчезает, а скорость волочения быстро растет. Направление ветра х 7 10 о.. . ""=' \ 1м р.. r Средний уровень ;,:. ////11" /11 /1" !77777777тl7 <......J поверхности Рис. 6.3. Схема примерной разницы давления на точке х на макушке шара (7,5 мм) и на друrих точках на поверхности сферы в потоке воздуха. На шар действуют и подъемная сила, и сила вo лочения. Подъемная сила резко снижается с BЫ сотой, а волочение растет из за прямоrо давления ветра. Скорость ветра на высоте 20 мм над по верхностью равна 7,7 м.с 1, срывающая CKO рость составляет 0,98 м. с 1. Длина линий в KOH турах ВOKpyr зерен показывает относительные различия в давлении воздуха [151]. Обе рассмотренные силыI в жидкости стремятся привести в движение зерна, лежа щие на дне. Им оказывает сопротивление сила тяжести зерен, направленная нормаль но (рис. 6.2). Теоретически определить кри тическое напряжение сдвиrа, необходимое для смещения зерен, оказалось невозможно, хотя первоначально казалось, что перспек тивен подход с применением понятия «MO мента силь!». Это связано с необходи мостью использовать большое число пере менных, не rоворя уже об оценке роли подъемной силыI. Поэтому критические yc ловия для срыва частицы со дна необходи мо определять экспериментальным путем. Для Toro чтобы обеспечить максимальную rенерализацию, любой rрафик эксперимен тальных результатов должен быть приме ним к широкому разнообразию жидкостей и частиц. Как седиментолоrи, мы больше
94 Часть 2 Bcero интересуемся природными мине ральными зернами в воздушной и водной среде; но эти системы следует рассматри вать как частные случаи более общих прило жений теории. Исходя из первоначальных принципов, мы можем считать, что критические условия для движения частицы С С будут зависеть от силыI тяжести (g), размера зерен (d), массы поrруженной в жидкость частицы (а р), кинематической вязкости (у) и придонноrо напряжения сдвиra (1'0). Следовательно, С е == f(d,g(cr р), У, 1'0). Теперь для большей rенерализации лучше сrруnпирова ть эти количественные (раз мерные) характеристики и две безразмерные rруппы для применения их при интерпрета ции эксперименrnльных данных (полный об зор см. в работе [575]). Вот эти rруппы: 1'0 ! ( U.d ) g, d(cr р) у. (6.5) Выражение в левой части известно как без размерное придонное напряжение сдвиrа е. Выражение в правой части нам уже знакомо (в слеrка видоизмененной форме) и предста вляет собой число Рейнольдса для зерен Re g . rрафик зависимости е от Re g (из вестный под названием диаrраммы Шильд са) для жидкостей показан на рис. 6.4, 6. Заметен большой разброс точек, поскольку использованы мноrочисленные серии опы тов, а точно определить, коrда будет достиr нут пороr троrания, затруднительно. Оказывается, что е близко к постоянной (co ставляя примерно 0,05) для большоrо ряда диаметров зерен, вплоть до значений числа Рейнольдса (для зерен) примерно около 1,0. При малых значениях числа Рейнольдса для зерен е постоянно растет, достиrая пример но 0,3. Такой рост, надо полаrать, должен быть связан с менее шероховатой поверх ностью дна, коrда зерна целиком поме щаются в пределах вязкоrо подслоя, rде rрадиент скорости и MrнoBeHHыe пульсации скоростей меньше, чем в нижней части тyp булентноrо rраничноrо слоя. Читатель дол жен помнить, что мноmе линии rрафика, проведенные разными авторами по экспери менrnльным точкам, имеют малую стати 3,0 (а) 'u 2,0 1,0 0,8 O . 6 0.6 с . 0 4 О В:Р 00 ".:!,..... 0,3 0,2 0,1 10 2 10 I 10° 101 102 d,MM (6) (6.4) / 000 00 /' О &P;fJ/' / О ' z .: 10 2 10 2 1O 1 10° . ' ' (в) :':,::,: :.> : : :::: 'i. : .M:;,::::.:, :. :.:,;::, ,.: ;.: :::1 10 2 10 1 10° 101 102 103 104 101 Re g Рис. 6.4. rрафики пороrа троrания. а зависи мость пороrа троrания зерен, имеющих плот ность кварца, от диаметра (d) и скорости потока на высоте 1 м над дном; температура воды 20 0 С [576]; 6 зависимость диаметра d от напряжения сдвиrа 't, необходимоrо для троrания зерен (плот ность зерен как у кварца, температура воды 20 0 С) [576]; в зависимость безразмерноrо параметра напряжения СДвиrа е от числа Рейнольдса для зе рен различных типов при температуре воды 20 0 С (диаrрамма Шильдса; по работе [576]). стическую надежность. Так, наклон линии в интервале Re g от 100 до 1 О нельзя счиrn ть достоверным, если внимательно изучить очень полные данные на рис. 6.4, 6. «П роблема пороrа троrания» в воде дo полнительно проясняется, если рассматри . вать начало движения зерен как результат взаимодействия между двумя статистиче скими распределенными переменными
95 Поток жндкости И транспортировка осадков [313]. Первую переменную можно опреде лить как характеристику начальноrо движе ния данноrо придонноrо материала в жид кости данной вязкости и плотности. Следо вательно, можно считать, что каждое зерно, лежащее на дне, подверrается действию MrнoBeHHoro Mecrnoro напряжения; по скольку форма, размер, масса и размещение отдельных зерен случайны, такое "[о, обо значаемое как "[с, имеет вероятностное pac пределение. Вторая переменная локальное MrнoBeHHoe напряжение сдвиrа у дна, BЫ званное явлениями прорыва и замета (разд.5з). Эти напряжения имеют вероят ностное распределение, которое зависит от i, плотности жидкости и условий вязкости и шероховатости дна потока. В начале TpO rания зерен наиболее податливые частицы (с наименьшими значениями критическоrо Ha пряжения сдвиrа) смещаются теми напряже ниями сдвиrа из числа передаваемых от по Рис. 6.5. Схематические диаrраммы пороrа Tpo rания зерен, показывающие, что он определяется степенью перекрытия между распределением действующих на зерно мrновенных напряжений сдвиrа, связанных с турбулентностью, и фактиче ским ра пределением напряжений, необходимых для троrания конкретной изучаемой совокупно сти зерен (подробности см. в работе [313]). а пе рекрытие невелико, движение не значительно ; б перекрытие больше, общий пороr превышен. Различия в степени перекрытия, по определениям разных исследователей, объясняют частично перекрытие на rрафиках пороrа троrания (см. рис. 6.3,a в) ([313], с изменениями). t Распределение моментальноrо придонноrо напряжения сдвиrа , обусловленноrо / жидкостью р(т) t р(т) тока ко дну, которые имеют максимальную величину. Результаты экспериментов с пу зырьками позволили для каждоrо случая co ставить rистоrраммы (рис. 6.5). Они по казывают, что критическое напряжение сдвиrа, необходимое для перемещения зе рен, возникает, если распределения "[ пере крываются в некоторой области, размеры которой постоянны. Значительная часть разброса точек на rрафике Шильдса как раз и связана с различной оценкой наБJllOдате лями размеров TaKoro перекрытия. Для воздушных потоков Бэrнольд [42] выделил два типа пороrов. При значениях критических скоростей воздушноrо потока, недостаточных для срыва зерен с помощью одноrо напряжения сдвиrа, можно спрово цировать смещение зерен и поддерживать ero, просто бросая зерна на поверхность дна. От столкновения остальные зерна под прыrивают и подхватываются воздушным потоком; после падения и соударения они вызывают новое движение, и далее это про должается по направлению ветра. Движение зерен прекраrцaется, если перестать добав лять зерна. Критическая скорость ветра, He обходимая для TaKoro процесса, получила название nОрО2а удара. Дальнейшее возра стание скорости ветра заставляет зерна дви rаться под прямым ero действием при нор-- мальном, или потоковом, пороrе (скорости). Такая способность природных зерен песка подталкивать и подбрасывать друrие пес чинки после столкновения противоположна поведению зерен в воде. Это связано с раз личной вязкостью воды и воздуха (разд. 5б), Измеренное распределение.. (а) придонноrо напряжения сдвиrа, необходимоrо / для троrания I совокупности зерен T (6) T
% Часть 2 что обусловливает сопротивление движе нию и большую разность соотношения плотностей в паре кварц воздух (2000: 1) и KBapЦ Boдa (1,65: 1). Как мы увидим даль ше (rл. 8), типы ряби тесно связаны с этими факторами. Для большинства песчинок в воздушных потоках критическая скорость является функцией квадратноrо корня из размеров частицы. В заключение можем отметить, что значе ния напряжения сдвиrа или срывающей CKO рости (и.) выше пороrа движения MorYT быть выражены как отношение этой вели чины к критическому пороrовому напряже нию или скорости (и. с) для рассма три ваемых зерен. Это показатель интенсивно сти транспорта 1 [276], который выражает ся как и. и. с 6r. Траектория перемещения зерен. Как только достиrается пороr смещения, зерна начинают движение вниз по течению, пере мещаясь тремя основными способами (рис. 6.6). П ерекатывание леrко определить как движение при сохранении постоянноrо соприкосновения с дном, причем сюда же относится редко наблюдаемое «скольже ние». Сальтация (от лат. sаltаrе прыжок) движение, состоящее из серии баллистиче ских скачков или прыжков, для которых xa рактерен крутой подъем (под уrлом более 450) от дна на высоту нескольких диаметров зерна, переходящий в полоmй (более 100) спуск обратно ко дну. Такая траектория не является, как правило, симметричной па pa болой, которую леrко представить по pac четному пути артиллерийскоrо снаряда или стрелыI' при вычислении которых не учитыI вается сопротивление среды. Суспензионное (собственно, «взвешенное») движение типич но для зерен, перемещающихся по более длинным и неправильным траекториям, на большей высоте от дна, чем при саль тации. Как указывал Бэrнольд [48], полностью BЫ раженное взвешенное движение требует, чтобы «масса твердой частицы поддержива 1 Судя по смыслу понятия, которое обсу ждается ниже, так переведен термин transport stage, использованный в ориrинале. Прим. ред. Перекатывание Непрерывная салыация . Непрерывная салыаЩiЯ с частичным взвешиванием .....Мсста столкновений ...1 >'............-...6..;e . .--!> 1 '\ "... .. t t Рис. 6.6. Схематическое изображение TpaeKTO рий зерен во влекомых и взвешенных осадках L 495]. (6.6) лась полностью случайной последователь ностью импульсов, направленных вверх, KO торые обусловливаются вихревыми тече ниями турбу лентноrо потока, движущимися вверх относительно дна». Однако зерно MO жет испытыIать направленное вверх YCKOpe ние, находясь на нисходящей ветви TpaeKTO рии сальтации, коrда на сальтационное движение начинает действовать турбу лент ность. Хотя такие случаи считаются приме рамИ взвешивания, видимо, правильнее Ha зывать их начальным взвешиванием. Обычно непросто проследить TpaeKTO рию пути движущейся песчаной частицы, в особенности среди массы друmх зерен. Только в последние rоды блаrодаря приме нению изощренной фотоrрафической MeTO дики стало возможным получить полное представление о различных типах TpaeKTO рий зерен. Фото методики с применением мноrократной экспозиции [276, 1] показали, что а) соотношение отрезков времени, в Te чение которых зерна в воде находятся в каж дом из трех указанных выше состояний, прямо зависит от показателя интенсивности транспортировки; б) статистические xapaK теристики прироста длины и высотыI саль тирующих и первоначально взвешенных зе рен являются функцией показателя ин тенсивности транспортировки (рис. 6.7); в) средняя скорость поступательноrо пере мещения зерен является прямой функцией средней скорости потока (рис. 6.7).
97 (а) 2,4 2,0 1,6 '(.) ::>: 1,2 . ПОТОК жидкос и И транспортировка осадков (6) / / ./ / .., . q Q ' "> ",' q 12345 (в) // / / 0,8 40 280 ::>: ::>: 0,4 ....:i о о 0.04 0,08 0,12 0,16 0,20 и., M.c l 1 2 3 4 5 Показатель интенсивности транспортировки Рис. 6.7. а rрафик зависимости усредненной скорости жидкости и от срывающей скорости жидкости и для зерна кварца диаметром 1,3 мм [495], шрвичные данные заимствованы из pa боты [lJ; б rрафик зависимости усредненной максимальной высоты сальтации у от показателя интенсивности транспортировки для зерен диа метром 8,3 мм; в rрафик зависимости средней длины сальтации L от показателя интенсивности транспортировки ([111], с изменениями). Показа тель интенсивности транспор-;,'ировки и. ju. с, rде и. с критическая срывающая скорость, необхо димая для троrания зерен. Набmoдаются существенные различия в механизмах саль тации в воздухе и в воде. В воздухе зерна значительно менее плавучи, поскольку разница в плотности между ча стицей и средой очень велика. Как уже было отмечено выше, падающие зерна имеют дo статочный момент движения, чтобы сдви нуть и вытолкнуть вверх друrие частицы из маленьких кратеров удара. Крутой и измен чивый первоначальный уrол взлета пол ностью обусловлен этим процессом (рис. 6.8). Относительно небольшое сопро тивление воздуха, являющееся следствием ero малой вязкости, позволяет зернам дoc тичь большой высоты (примерно дО 5OO 1 00 диаметров зерна). Этот процесс усиливается блаrодаря отражению при соударении с rальками на поверхности (рис. 6.9). В воде зерна больше подвержены действию плаву чести. При столкновении на дне зерен раз мерностью вплоть до мелкоrравийной co седние зерна не приходят в движение, и, что особенно важно, соударения не побуждают их совершить новую сальтацию [1]. При ударе зерна о дно линейный момент не co храняется, и поэтому сальтация в воде OT 7 91 нюдъ не похожа на прыжки мячика. Съемки с мноrократной экспозицией показывают это вполне убедительно. Поэтому первона чальный подъем зерна в воде должен быть результатом подъемной силы Бернулди, а не подталкивания друrими зернами. Появление полностью развитоrо взвеши вания можно rрубо оценить, приняв, что среднеквадратичные пульсации придонной скорости, направленные вверх, превышают скорость сальтирующих зерен, т. е. I)g <yi2. (6.7) Поскольку известно, что выражение, вкmo чающее 1)', достиrает максимум 1,2и., мы можем записать примерный критерий пол Horo взвешивания в виде :$0,8. и. (6.8) Этот критерий хорошо объясняет появление эффекта полноrо взвешивания, который мы набmoдаем в мноrокадровых фотофикса циях. Существенным следствием из этоrо критерия является то, что тонкие донные осадки (d < 0,1 мм) должны переходить во взвешенное состояние немедленно по дости жении пороrовоrо значения. Описанные выше типичные траектории зерен возможны лишь в тех случаях, КО2да зерна не действуют дРУ2 на дРУ2а в процессе движения, т. е. коrда простыIe траектории pOBeHЬ поверхности Рис. 6.8. Схема, показывающая зависимость траектории «выбитоrо в воздух» сальтирующеrо зерна от уrла столкновения с неподвижными зер.- нами на поверхности [151]. Эффект отражения не имеет значения в водных условиях, rде подъем ная сила жидкости вызывает движение зерен вверх от дна.
98 Часть 2 Рис. 6.9. Рисунок, иллюстрирующий различия в высоте, достиrаемой зернами при сальтации в воздухе, над порерхностью, сложенной rалька ми и песком, вследствие различной «отражатель ной способности» этих субстратов [41]. саль тации не прерываются в резу ль та те столкновения зерен или их отклонения. Ta кие помехи скорее возникают в воде, чем в }Jоздухе, поскольку область саль тации в первом случае менее МОIlUIая. Коrда пока затель интенсивности транспортировки BOД Horo потока возрастает, все больше зерен вовлекается в движение, и поэтому ИХ KOH центрация в потоке будет возрастать. Co ударения зерен станут неизбежными. На oc нове простой динамики столкновений, бази рующейся на кинетической теории, можно показа ть, что простая саль тация не будет возникать при значении ступени транспор тировки около двух, коrда зерна в придон ной части начнут двиra ться как концентри рованное зернистое множество, в котором преобладает соударение зерен или взаимо отражение [495]. Мы подошли теперь к подходящему MO менту для Toro, чтобы дать рациональные определения типов транспортируемых Ha носов. Влекомые (донные) наносы (bedload) вкточают пере ка тывемыЪI,, саль тирующие и «прерывно сальтирующие» (в результате столкновений) зерна. Последняя разность присутствует только в водных потоках. Зер на, входящие в состав донных наносов, пере дают момент движения неподвижной по верхности дна блаrодаря ударам твердоrо тела о твердое. Степень ускорения этоrо MO мента движения должна быть равна весу частиц донных наносов в воде. Наше опре деление донных наносов, следовательно, OT ражает и их положение в потоке, и динамику [48]. Взвешенные наносы (suspended load) включают все зерна, перемещаемые в жид кости блаrодаря турбулентности, так что сила тяжести взвешенных зерен ypaBHOBe шивается передачей направленноrо вверх момента турбулентных вихрей. Этот про цесс имеет большее значение в водных пото ках, чем в ВОЗДУIШIых. «Мутность» (washlоаd) очень широкий термин, охватывающий частицы rлинистой размерности, которые находятся в водных потоках более или менее постоянно во взве шенном состоянии. Для воздушных потоков наиболее подходящий эквивалент пыль ность (dustload). rлинистые частицы очень медленно осаждаются на дно, если Te чение потока прекращается. Транспортировка донных наносов может оказа ть заметное воздействие на распреде ление скорости жидкости по высоте потока от дна. Хороший пример представляет co бой случай BeTpoBoro потока, rде с по мощью очень точной аэродинамической трубы можно измерить скорость в зоне дви жения донных наносов и сразу над нею [41] По мере Toro как сила ветра переходит по por влечения, наблюдается отчетливое сни жение скорости потока воздуха в центре тя жести зоны донных наносов. Замедление достиrает 20% по сравнению с расчетной скоростью по формуле Кармана Прандтля (rл. 5) для турбулентных потоков, не Hecy щих твердых зерен. Отклонение rрафиков скорости по данным замеров от расчетной прямой объясняется ожидаемым эффектом передачи момента от жидкоrо тела к TBep дому в верхней части траекторий саль тации, rде движение частиц ускоряется. Анало rичные явления должны наблюдаться в BOД ных потоках [48], но они с ТРУДОМ поддают ся измерению, так как MOIlUIOCТb зоны донных наносов в этом случае невелика. Заключительную часть этоrо раздела по
99 Поток жидкости и транспортировка осадков святим объяснению переrибов и прямоли нейных отрезков на rрафике распределения rранулометрии зерен водных осадков, по строенном в лоrарифмическом масштабе (рис. 6.1 о; см. rл. 4). В последнее время было доказано, что два наиболее rрубых по раз меру компонента на этой кривой COOTBeT ствуют моде донных наносов и промежу 99 ./ / Влекомый донный / ма, иал'1 : ! м""ри," I · ...............I i . n I "Разрыв" 90 IU :а :.: I'Q t>: 1:: f 50 >- 10 2 1 О 1 2 Диаметр зерен, Ф 3 Рис. 6.10. Анализ rранулометрии (кумулятивная кривая) типичных влекомых и взвешенных ocaд ков в современных осадках реки Бернадильо, шт. Нью Мексико. Данные составлены на основе усреднения всех проб, отобранных в 1958 r. Пунк тир отмечает «разрыв» rpaHY лометрических свойств, который интерпретируется как rраница между популяциями влекомых и спорадически взвешиваемых частиц. точной моде взвешивания, описанным выше [573]. Эти рассуждения основаны на крите рии взвешивания, также рассмотренном BЫ ше. Переrиб в наклоне кривой между двумя популяциями в общем соответствует диаме тру, близкому к критическому значению, He обходимому для перехода во взвешенное состояние в соответствии с формулой (6.8). Миддлтон утверждает, что дифференциаль ная сортировка зерен, размер которых MeHЬ ше TaKoro значения, обусловлена взвешива нием, а сортировка более rрубых зерен происходит в процессе волочения. 7* 5 6д. Передача напряжений твердыми телами. До сих пор мы считали, что напряжение сдвиrа, действующее на дно при ocaдKO образовании, полностыо обусловлено дви жением жидкости. Как установил Бэrнольд [40, 42, 46,48], подобная ситуация при пере мещении донных наносов не сохраняется, так как движущаяся частица при ударе о дно передает ему момент движения от потока и вызывает дополнительные напряжения, передаваемые твердыми телами. PaCCMO три м, например, сальтирующую частицу с массой т, ударяющуюся о дно со CKO ростью и, С траекторией под уrлом к по верхности дна. Если происходит эластичное соударение, то, пренебреrая трением, можно считать, что в направлении, нормальном к поверхности дна, ему будет передан MO мент величиной 2ти sin , а танrенциаль но момент 2ти cos . Если не происходит эластичноrо отскакивания, а зерно после удара катится, передача момента YMeHЬ шается в два раза. Величину момента, передаваемоrо твердыми телами (Т и Р), измерить в усло виях эксперимента трудно (впрочем, см. pa боту [42]) из за скорости изменения TaHreH циальноrо и нормальноrо моментов. Мож но предположить, что при перемещении донных наносов напряжение сдвиrа, прила raeMoe ко дну, ДОЛЖН9 включать компо ненты сдвиrа как жидкоrо, так и твердоrо вещества. Следовательно, т 't s + общее прила сопротивле raeMoe ние сдвиrа напряжение жидкости сдвиrа r (6.9) сопротивле ние сдвиrа твердоrо материала в реальном эксперименте, применяя co осный вращающиЙся барабан, Бэrнольд [40] сумел измерить величину Т и нормаль но передаваемоrо напряжения Р. Резуль таты эксперимента показывают, что сопро тивление сдвиrа в смесях из жидкой и твердой фаз сильно возрастает по cpaBHe нию с чистой жидкостью. Удалось выделить две области поведения, определяемые без размерной величиной, которую теперь име нуют числом БЭ2нольда. В вязкой области при низких значениях напряжений и/или малой концентрации зерен отношение Т: Р оказалось константой со значением, близ
100 Часть 2 ким к 0,75. В этой области влияние зерен друr на друrа выражается в отталкивании при приближении, еще до Toro как происхо дит соударение твердых тел. В области инерционноrо поведения при высоких значе ниях напряжений сдвиrа и/или высокой KOH центрации зерен отношение Т : Р постоянно и составляет около 0,32. В этой области пре обладают столкновения зерен друr с дpy rOM. Применяя эти выводы к природным пото кам, Бэrнольд выдвинул следующие посту ла ты: а) В воздухе блаrодаря «цепной реакции», описанной выше как пороrовое состояние, среда передает сальтирующим зернам Ta кую часть момента, что сопротивление сальтации почти равно прилаrаемому Ha пряжению сдвиrа. Следовательно, почти MrHoBeHHo устанавливаются условия, при которых Т == Т. б) В воде, rде отношение плотности TBep доrо компонента к плотности жидкости He велико, значение Т постепенно возрастает с ростом показа теля интенсивности TpaHC портировки. Коrда весь слой зерен, ранее неподвижный, приходит в движеНие в каче стве влекомых наносов при высоких значе ниях показателя интенсивности транспорти ровки, Т Т по утверждению Бэrнольда. в) Нормальное напряжение Р, которое называют также рассеивающим, должно Ha ходиться в равновесии с нормальным Ha пряжением, обусловленным силой тяжести движущихся влекомых наносов. Относительно положения б) следует заме тить, что при любых значениях показателя интенсивности транспортировки т 1== "Сс + Т, (6.10) rде "С с напряжение сдвиrа жидкости, необ ходимое для троrания зерен. Расчет значе ний Т по экспериментальным данным [494] показал, что при высоких значениях показа теля интенсивности транспортировки Т ни в коем случае не растет. Эти результатыI по ка не находят полноrо объяснения. Положение в) ключевое для теории пере мещения наносов, предложенной Бэrноль дом. Мы рассмотрим эту проблему в сле дующем разделе настоящей rлавы. В этой важной, но очень трудной для ис следования области предстоит большая экс периментальная и теоретическая работа. Ее результаты, надо полаrать, прольют свет на ряд фундаментальных проблем теории дви жения осадков и теории донных. форм. 6е. Теория движения осадков. Интенсив ность транспортировки осадков, которая может быть достиrнута в отдельной систе ме потоков, зависит от ряда переменных. Величина такой интенсивности имеет оrромное практическое значение для реше ния множества задач прикладной rидротех ники и охраны окружающей среды. за по следнее столетие было предложено множе ство уравнений, описывающих транспорти ровку осадков, причем MHome из них были выведены на основе результатов измерений в экспериментах на лабораторных русловых установках. Часто они имеют обобщенную форму [21]: i == f(и Исriд п , (6.11 ) или i == f Ct о :rcrit)т, (6.12) rде i интенсивность перемещения осадков, выраженная в размерности массы частиц, поrруженных в жидкость; и средняя CKO рость потока; Исrit средняя скорость потока в момент достижения пороrа перемещения; To cpeДHee напряжение сдвиrа у дна; т crit среднее напряжение сдвиrа у дна в MO мент достижения пороrа; п и т показатели степени со значениями больше 1,0. Эти эм пирические соотношения показывают, что чем больше мощность потока превышает пороrовое значение, тем больше интенсив ность транспортировки. Они ничеrо не дo бавляют к нашему пониманию процесса транспортировки осадков и поэтому He научны. Бэrнольд предложил две инте ресные теории транспортировки, OCHO ванные на простых физических принципах. Рассмотрим вкратце обе, причем только с точки зрения влекомых осадков. Бэrнольд [46, 48] рассматривает водный поток как транспортирующую маllIИНУ, rде общая энерrия, поступающая на единицу площади, составляет (rл.5) ro == рgShи == "Си. (6.13) Преобладающая часть этой энерmи рассеи вается в процессе поддержания потока
101 ПОТОК ЖИДКОСТИ И транспортировка осадков и преодоления сопротивления сил BHYTpeH Hero трения жидкости; таким образом, фак тически действующая энерrия меньше этой величины. Интенсивность работы потока жидкости по перемещению осадков может быть выведена следующим образом: пусть вес влекомых осадков в жидкости COCTa вляет на единицу площади mbg, а средняя скорость перемещения равна й. Тоrда доля транспортирующей работы составит mbgu. Затем рассчитаем силу действия взвешенно ro в жидкости веса влекомых осадков, KOTO рая будет меньше mbg на величину tg cl, по лученную по коэффициенту динамическоrо трения. Поэтому интенсивность, с которой жидкость производит работу по перемеще нию осадков на единицу площади, составит mbg u tg rJ. == ib tg cl, (6.14) rде все еДИНИЦ I измерения аналоrичны еди ницам формулыI (6.1 3). Приравняв выражения (6.1 3) и (6.14) таким образом, чтобы действующая энерrия, YM ноженная на эффективность, дала интенсив ность работы, и введя коэффициент эффек тивности еь, получим простое уравнение Бэrнольда для интенсивности транспорти ровки: ib == еью/tg ci. (6.15) Для заданной общей энерrии потока коэф фициент эффективности еь обратно пропор ционален отношению rлубины потока к раз меру зерен, так как в r лубоких потоках эффективная скорость, оказывающая воз действие на слой влекомых осадков, будет меньше, чем в мелких. B случае перем;ещения влекомых осадков воздушным потоком мы не можем исполь зовать, как для водноrо потока, аналоr энер rии, так как в воздушном потоке высота по тока не поддается измерению. Бэrнольд [ 41] подошел к решению, приравняв интен сивность прилаrаемоrо усилия сдвиrа воз духа к скорости потери момента движения зернами влекомых осадков. Рассмотрим зерно массой т,. движущееся из состояния покоя и ударяющееся о дно со скоростью и, после Toro как оно прошло расстояние L. Если при ударе вся скорость U потеряна, можно считать, что зерно получило момент величиной mU/L на единицу длины переме щения в воздухе. Теперь возьмем Maccx .. !» одноразмерных песчаных зерен, которые движутся в пределах полосы шириной в еди ницу длины и проходят через определенную точку за единицу времени, и примем, что скорость потери ими момента движения co ставит ibU /L. Скорость потери момента имеет размерность силыI' поэтому выраже ние ib U / L является мерой сопротивления, которое испытывает воздух на единицу пло щади в результате сальтации зерен. Обозна чив силу сопротивления или сдвиrа как 't, или, соrласно 'изложенному в rл. 5, как ри; , можем записать: 't == ри; == ibU /L. (6.16) Теперь установлено, что U /L равно g/v', rде и' начальная вертикальная скорость саль тирующеrо зерна. Следовательно, ibg 2 == ри*, и' или pzr ib == ............... и'. q (6.1 7) и' должно быть пропорционально И*, так что и' == kи*, rдe k == 0,8 (по эксперимен тальным ДIШНЫМ). После подстановки полу чаем . ри 'ь == 0,8. g (6.1 8) Допустив, что 25% влекомых осадков дви жутся блаrодаря подталкиванию ударами сальтирующих зерен, получаем конечное выражение ib == 1 1 иЗ , g *' (6.19) которое удовлетворительно соответствует экспериментальным данным. Обе приведенные выше форму лыI для транспортировки влекомых осадков в воде и в воздухе принимаю т форму кубических уравнений относительно скорости. Формулу (6.1 5) можно записать в виде ibOC U . и; , (6.20)
102 Часть 2 в то время как формула (6.19) может быть записана как . з 'ь ос и. . (6.21 ) Следовательно, интенсивность транспорти ровки осадков сильно зависит от прироста скорости течения. Бэrнольд, например, счи тает, что сильный ветер, ДУЮЩИЙ со CKO ростью 16 м. с 1, за 24 ч перенесет столько песка, сколько ветер, постоянно дующий со скоростью 8 м. с 1 за 3 недели. Надо заме тить, что при больших промежутках BpeMe ни преимущество будет сохраняться за YMe ренными ветрами, поскольку их низкая энерmя компенсируется их большей часто той и постоянством действия. 6ж. Выводы. При малых значениях числа Рейнольдса для зерен конечная скорость па дения зерна определяется законом Стокса. Скорость зерна в rруппе падающих зерен значительно меньше, чем при опускании в жидкости, свободной от друrих частиц. Определение 1'crit затрудняется при возра стании перекрытия распределения значений прилаrаемоrо напряжения и напряжения co противления при нанесении дaHHЬ поро rOBb значений на безразмерную диаrрам му Шильдса. Зерна, перемещающиеся в форме влекомых, сальтирующих и взве шенных осадков, дают в каждой rруппе свою моду распределения. В состав вле KOМЪ осадков входят все зерна, дЛЯ KO TOpЬ сила, создаваемая их весом (с учетом потери веса при поrружении в жидкость), Ha ходится в динамическом равновесии с MO ментом движения, передаваемым дну дви жущимися зернами. Взвешенные осадки вкточают зерна, движущиеся как бы на пла ву под воздействием турбулентности. К Teo рии транспортировки осадков можно по дойти на основе энерmи (водные потоки) и на основе потери момента движения (Be тровые потоки). Литература, рекомендуемая для дальнейшеrо чтения Превосходная книrа Бэrнольда [41] до сих пор сохраняет свое значение как основа для изучения эоловой транспортировки. В работах [661] и [884] рассмотрены проблемы, требующие бо лее rлубокой подrотовки. Статья Бэrнольда [46], пересмотренная для случая влекомых осадков [48, 49], представляет собой фундаментальную основу для всех аспектов теории транспортиров ки. Мноrие начальные вопросы теории транспор тировки осадков можно найти в работе [575]. Приложение 6.1 Вывод закона Стокса Фундаментальное уравнение rидродинамики, BЫ веденное как упрощение полных уравнений дви жения Навье Стокса, r ласит, что в жидкостях должно существовать равновесие между силами местной вязкости и давления. Решение этоrо уравнения «ползучеrо» движения для потока с низким числом Рейнольдса, обтекающеrо сфе ру, приводит к следующему выражению, связы вающему радиус сферы а, скорость V g , вязкость и поверхностную силу торможения D: D == 6щш V g . (6.22) Для безразмерноrо коэффициента торможения CD(C D ==D/ pViA, rде р плотность жидкости, А площадь проекции сферы на нормально pac положенную поверхность) уравнение (6.22) мож но записать как C D == 61t/Re g == 24/Re g , (6.23) rде Rеg ЧИСЛО Рейнольдса для зерен, определяе мое как р Via/ . Безразмерное отношение под тверждено экспериментально, но только для зна чений числа Рейнольдса ;50,5. Во время непрерывноrо опускания зерна в жид кости с таким малым числом Рейнольдса необхо димо, чтобы сила поверхностноrо торможения и общая сила Архимеда, действующие на зерно, были уравновешены действующей на Hero силой тяжести. Следовательно, тgg == D + тrg, rде т g , тC массы зерна и жидкости COOTBeTCTвeH но, или 4 4 1tаЗРgq == 6щшJ.g + 1tаЗРrg. 3 3 Преобразовав уравнение и решив ero относитель но V g , получаем закон Сток са: V == Pg Рс ga2. g 9 (6.24) Отсюда видно, что V g пропорциональна квадрату радиуса зерна в любой системе жидкостей и зерен.
103 Поток жидкости и транспортировка осадков 7 rравитационньre потоки осадочноrо материала 7а. Введение. В rл.6 мы рассматривали перенос осадков водой и ветром. Разберем теперь, как совокупности зерен переме щаются сами по себе под действием силыI тяжести, без влияния перекрывающей их по стоянно среды. Все rравитационные потоки должны преодолеть сопротивление, вызы ваемое трением частиц друr о друrа. YKa жем четыре обобщенных типа потоков, в KO торых это достиrается различными спосо бами (рис. 7.1). Сыпучие потоки. Для них характерны столкновения зерен друr с друrом в процес се смещения наподобие лавины. Никакоrо снижения трения в таких потоках нет, поэто му они MorYT возникать только на крутых субаэральных и субаквальных склонах, уrол склона которых превышает уrол eCTeCTBeH Horo откоса для зерен, участвующих в дви жении. rрязекаменные потоки потоки раз жиженной rлинистой массы, в которую поrружены, не соприкасаясь, обломки раз мером от алеврита до rлыI.. Эта основная масса обладает достаточной транспорти рующей и выталкивающей способностью, позволяющей ей поддержива ть зерна на плаву (хотя они MorYT и сталкиваться) и слу жить смазкой при соприкосновении HepOB rрязекаменный Сыпучий поток поток Поток разжижения Мутьевой поток т:",', 1" ! . · . J !. ..\ . ,. -!. ПЛавучесть Турбулентность . ... .... :- :-:,': ' .-:' ..: :..: :.... :- :.:: :.::.- Сопротивление основноlI маесы и плавучесть Столкновения зерен Рис. 7.1. Четыре основных типа rравитационных потоков. Заметим, что возможно «перекрытие» между этими крайними типами и механизмами отложения осадков. ностей обломков. Поэтому такие потоки MorYT возникать на очень полоrих субаэ ральных и субаквальных склонах. Потоки разжижения (миксотропные потоки) рас сеяние очень концентрированных скоплений зерен в воде, возникающее при сотрясении плотных arperaToB зерен, подверrающихся воздействию повторяющихся сотрясений. Зерна как бы взвешиваются в воде, запол няющей поры между ними, и осаждаются ниже по уклону, образовав новую, более плотную упаковку, причем поровая вода удаляется. Межзерновое трение блаrодаря разжижению значительно уменьшается. My тьевые (суспензuoнные, турбuдитные) пo токи образуются блаrодаря тому, что ча стицы поддерживаются в толще воды в плавучем состоянии под действием турбу лентноrо взвешивания. Взвешиваемые ча стицы обусловливают большую, чем у обы чноrо потока, плотность, и вся взвесь стекает по уклону. Леrко себе представить, что между этими четырьмя типами должны существовать промежуточные разности. Ko нечно, тот или иной механизм, обеспечи вающий «всплывание» зерен, не присущ Ka кому нибудъ одному типу потока. 76. Съmучие потоки. Если емкость, содержа щую объем сухих зерен, наклонять под He которым уrлом, то при KaKOM TO критиче ском уrле наклона 8i часть зерен начнет двиrаться по наклонной поверхности зерен наподобие лавины или сьшучеrо потока (рис. 7.2). Остальные зерна на поверхности будут оставаться в положении покоя, coxpa няя некий уrол наклона 8 r , который на 1 50 меньше, чем 8i. Если опыт провести под BO дой, результат будет тот же. Пытаясь объяс нить это явление, стоит сначала обратить внимание на то, что движение массы зерен
104 Часть 2 ........,... """"' i . ''!If. ZS ' Т I .. ' . t. ' '- Рис. 7.2. Сыпучие потоки на крутом подветрен ном склоне песчаной дюны в пустыне. Обратите внимание на крутой уступ вблизи rребня дюны и морщинистые, веревкообразные поверхности сыпучих потоков, указывающие на пассивно CMe щенные языки осадка по активной поверхности сдвиrа. Сахара, Мали (фото Дэвидсона). вниз по склону требует расширения Bcero объема с момента смещения. Такое расши рение называется дилатацией и требует за трат энерrии [692,45]. Очевидно, при уrле 8i, называемом У2ЛОМ первоначаЛЫЮ20 CMe щения (уrлом eCTecTBeHHoro откоса, или уrлом текучести), должна достиrаться дила тация, которая необходима для перемеще ния одних зерен по друrим в зоне потен циальноrо сдвиrа. Такое явление не наблю дается при уrле 8 r , называемом У2ЛОМ остатОЧНО20 сдви2а [15]. Значения 8j (силь но зависящие от пористости, которая опре деляется типом упаковки зерен) MorYT коле баться от 400 для природных песков с плотной упаковкой до 300 для песков с бо лее свободной упаковкой. Важной перемен ной является также форма зерен. .i После обрушения по склону скопления зе рен образовавшийся в результате этоrо по ток будет состоять из множества зерен, Ha ходящихся выше базальной плоскости сдви ra. Для соблюдения принципа равновесия сил требуется, чтобы усилие, со:;щаваемое весом зерен, испытывлоo сопротивление со стороны paBHoro ему и противоположно Ha правленноrо усилия, создаваемоrо переда чей момента движения от движущихся зерен поверхности смещения (приложение 7.1). Это последнее известно как рассеивающий стресс [40]. На основании анализа механи ки сыпучеrо потока можно установить, что rрафик изменения скоростей имеет почти параболическую форму; при этом наблю даются тонкие полоски, или языки, сло женные зернами, не испытавшими переме щения по поверхности [523]. Эти зерна MorYT пассивно перемещаться на активно сдвиrающихся зернах непосредственно BЫ ше плоскости срыва (приложение 7.1). Очень важен вытекающий отсюда вывод [523], что сыпучий поток не может превыша ть (для зе рен песчаной размерности) нескольких caH тиметров по мощности. Поэтому отдельные мощные песчаные слои, не имеющие BHY тренней текстуры, а точнее, имеющие Mac сивную или беспорядочную текстуру, не моrли образоваться таким способом. Последней характерной особенностью осадков сыпучих потоков является часто встречающаяся пере верн утая слоистость. Для ее объяснения предложены две rипо тезы. В первой [40] отмечается, что рассеи вающий стресс сильнее проявляется вблизи поверхности срыва и что более крупные ча стицы испытывают большее давление, чем мелкие. Поэтому более крупные зерна пере мещаются вверх по толще потока, блаrода ря чему перепад напряжения уравнивается. Вторая mпотеза кинетической фильтрации утверждает, что мелкие зерна просто филь труются при столкновении С крупными зер нами в промежутки между ними; этот про . цесс п рек ращается, коrда мелкие зерна останавливаются у плоскости срыва [570]. Простейшим способом про верки этих KOH курирующих rипотез был эксперимент с ис пользованием одно размерных зерен разной плотности. Было установлено, что зерна, плотность которых больше, действительно
105 Поток жидкости и транспортировка осадков прднимаются к поверхности потока. Хотя это подтвердило правильностъ rипотезы рассеивающеrо стресса, все же нельзя счи тать доказанным, что в потоках с частицами разноrо размера не может проявляться ки нетическая фильтрация. 7в. rрязекаменные потоки. Субаэральные потоки обломочноrо материала присут ствуют в большинстве климатических зон. Их движение обычно связано с сильными дождями. Особенно велико их значение в вулканических районах, rде проливные дo жди часто следуют за извержением, вызы вая катастрофические оплывания на вулка нических склонах. Менее известны оплыв ния на подводных склонах, хотя их причи ной, вероятно,. являются оползни, вызы ваемые сейсмическими толчками (см. rл. 24). Устойчивость к смещению rрязекаменно ro материала зависит от пластичности основной массы и от трения между облом ками, которое добавляется к «вязкости» oc новной массы [426]. Внутреннее напряжение сдвиrа в движущемся rрязекаменном потоке можно записать в следующем виде: Т==с + FNtge + Jldujdy, (7.1) пластичность (начальное напряжение сдвиrа) трение между об ломками ньютоновское сопротивление сдвиrу (только для ламинарноrо потока) а для момента начала течения Т с + FNtged, rде с пластичность (начальное напряжение сдвиrа); FN нормально направленная сила веса; ed уrол динамическоrо BHYTpeHHero трения ( er, описанному ранее); Jl вяз кость; dujd у rрадиент скорости. Рассмотрим выражение (7.1). Если первые два члена в правой части стремятся к нулю, то выражение сведется к напряжению сдви ra для любой ньютоновской жидкости. У равнение (7.1) можно упростить: Т == k + JlBdujdy; T k (для потока). начальное бинrемовская напряжение вязкость (7.3) Уравнение (7.3) известно как пластичная модель течения Бинrема. Оно показывает, что для Toro, чтобы началось течение, нуж НО превысить начальное напряжение сдвиrа. Форма rрафика изменения скоростей в пла не для пластичноrо течения бинrемовскоrо типа имеет трапециевидную форму (dujdy == == О). Большие значения напряжения сдвиrа располаrаются узкими полосками по краям (рис. 7.3). Такие потоки обычно являются ламинарными, хотя известны и турбу лентные потоки. Обломки внутри rрязекаменноrо потока поддерживаются на плаву скорее блаrодаря силе сопротивления основной массы и co бственной плавучести в этой массе, чем pac сеивающему стрессу, как это наблюда lОСЬ Борта лотка о Зона paBHoMepHoro движения (нулевой перепад скоростей) 20 30 40 50 6U 70 80 90 мм Рис. 7.3. Распределение скоростей, измеренных поперек rрязекаменноrо потока. Вид сверху. Обратите внимание на трапециевидную форму rрафика с отчет ливой зоной ну левоrо прироста скорости, что типично для бинrемовских rрязека менных потоков [426]. (7.2) в случае сыпучеrо потока. Сопротивление основной массы вызывает образование за краин по бокам потоков. Широко известно, что такие потоки MorYT переносить очень крупный материал (валуны) и приходить в движение на очень полоmх склонах. Эти свойства обусловлены примесями (иноrда менее 1 % по объему) разжиженноrо водой rлинистоrо материала. Такая паста перено сит алеврито песчаные обломочные зерна в составе rрязекаменноrо потока и служит смазкой, снижающей нормальное трение между зернами и вызванные им силы BHY TpeHHero сопротивления. Опыты показали, что, если обломочный материал составляет в сумме менее 60% объема, уrол трения ei остается очень малыI.. При возрастании концентраций увеличивается взаимодей ствие частиц и возрастает обусловленное этим нормальное напряжение, что ведет к быстрому росту уrла ei. Возможно, что в жарких семиаридных условиях проникно
106 Часть 2 вение путем инфильтрации диаrенетических rлинистых минералов (rл. 28) представляет существенный механизм образования пла стичной основной массы rpязекаменных по токов. Далее мы покажем, что подводные rрязекаменные потоки вниз ПО уклону MorYT переходить в мутьевые потоки в процессе cBoero быстроrо перемещения (рис. 7.4). .-: .. . ..:. . . '. <'..::.: С С . С '.' С .. .." ... ........ .... .. ... .. .. .. .. .. .... . .... .. .. .." .. .. .. .. .. .. .... ......:.. .. : .... : . ............... ////////'//////' ////////////////////////'/'/, . Рис. 7.4. Схематическое изображение экспери ментальноrо Подводноrо rрязекаменноrо потока (черное), показывающее возникновение облака турбулентности (крап), образующеrося вслед ствие разделения потока в нижней (по течению) части rрязекаменноrо потока. Такие явления, Be роятно, приводят к образованию мутьевых пото ков при смешении rрязекаменноrо потока с BMe щающей жидкостью [333]. 7r. ПОТОКИ разжижения. П роцесс разжиже ния песчаной толщи в подводных условиях показан на рис. 7.5 и подробно разобран в rл. 1 1. В песках, не имеющих плотной упа ковки частиц, при периодических сотрясе ниях происходит MrHoBeHHoe взвешивание зерен в воде, заполняющей поры между ни ми. Такой разжиженный песок превращает ся в концентрированное скопление зерен, внутреннее трение в котором ничтожно. По этому он может течь ПО очень полоrим склонам. Поток разжижения скоро должен «успокоиться», коrда зерна вновь приходят в соприкосновение, а вода выжимается вверх. При этом песок приобретает более Вода Вода Вода Разжижеt\ltЬii" . '. ilct:OK. . 1I1 ..:..:..... "..." ...... :: ":":".: о..:.:.: .:::.:::." -Р:РЖи)j<сiшыii . '. .п со.к. '. . 111 -:.:.. ......:". .: :.-.::.. . -.0 ......... Рис. 7.5. Схематическое изображение осаждения и отжимания воды в разжиженных субаквальных песках [23]. . плотную упаковку. Эксперименты показали, что внешняя rраница успокоившейся части зерен (рис. 7.5) поднимается в осадке, за хватывяя разжиженную толщу зерен, при чем скорость TaKoro перемещения опреде ляется скоростью падения зерен разжижен ной части (см. уравнение (6.3». Поток разжижения движется всеrда, как бы cтpe мясь обоrнать время, поскольку внутри ero толщи снизу вверх перемещается фронт консолидации, ниже KOToporo частицы Te ряют подвижность. Во мноrих потоках разжижения выжима ние поровой воды вверх идет неравномерно и может сосредоточиваться в жерлах, rде скорость выталкиваемой жидкости бывает достаточна для Toro, чтобы увлечь с собой зерна или тонкие частицы. В резу ль та те образуются блюдцеобразные и столбчатыIe текстуры в толще слоя (см. rл. 11), а на ero поверхности MOryT образоваться песчаные вулканы. Процесс перевода зерен во взве шенное состояние и их перемещение вверх называется флюидизацией. Флюидизацию следует отличать от разжижения. 7д. Мутьевые потоки. Если воспользовать ся устройством, показанным на рис. 7.6, и открыть запорную дверцу, образуется волна более плотной жидкости, перемещаю щаяся по дну емкости. Это плотностное течение. В данном эксперименте плотность волны обеспечивается тем, что течет соля ной раствор. Но в природе тот же эффект достиrается, если поток обоrащен частица ми осадка. Такие потоки, образовавшиеся блаrодаря турбулентному смешению ocaд ков и воды, известны как мутьевые потоки. В эксперименте плотностные потоки имеют хорошо развитыIe «rоловные» и «XBO сто вые» области. «rолова» потока обычно в 1, 2 раза толще, чем «хвост». Но эти мощности почти уравниваются, коrда rлу бина вмещающей жидкости и rлубина плот ностноrо потока близки. экспериментыI [449] показали, что скорость перемещения (uь) rоловной части определяется. следую щим выражением: "" 0,7 V д: gh, (7.4) rде др разница в плотности между .пото ком и вмещающей жидкостью; р плот
107 Поток жидкости и транспортировка осадков ность вмещающей жидкости; h мощность потока в rоловной части. Константа в Bыpa жении (7.4) не зависит от изменения уклона. Рис. 7.6. Серия фотокадров, ИЛЛЮСТРИРУЮIШIх развитие в лабораторных условиях плотностноrо потока (раствор соли, подкрашенный чернилами) в результате «паводка». Обратите внимание на отчетливо выраженные «rолову» и «хвост» пото ка (е). Длина емкости 2,5 м. :-- - - . .;. Затвор Паводковая -fJOлна .... ./;k - - ,- . '" -- Если внимательно рассмотреть rоловную часть потока (см. рис. 7.8), видно, что она делится на чередующиеся серии впадин в ви де трубы и лопасти выступы в виде луковиц [19, 760]. Вмещающая жидкость в запади нах входит внутрь жидкости потока и CMe шивается с нею, разбавляя ее. Изнутри область rоловы потока представляет собой картину сильно расходяшихся струй (рис. 7.7), что создает турбулентность, KOTO :. -r (а) t (б) (в) l (z) _ . .J" -, ц (д) (е)
108 Часть 2 (а) (б) 't 'tt , .,. "l t t;1 '\i f' }'I ---- .. .......... .. ..,.,.. 1. . &.... .' ........ ............ ...... ., рис. 7.7. Характер движения внутри и BOKpyr ro ловной части мутьевоrо потока. а движение OT носительно ложа, т. е. наблюдатель неподвиже.н; 6 движения относительно перемещающейся ro ловной части, т. е. наблюдатель движется с той же скоростью, что и rолова потока [570, 16]. рая необходима для перехода осадков во взвешенное состояние [569]. Непрерьцшое движение rоловы потока вперед с постоянной скоростью требует по стоянноrо подтока более плотной жидкости из хвостовой в rоловную часть потока, чтобы компенсировать смешение обеих жидкостей в rоловной области. Постоянная картина TaKoro поступления создается в тех потоках, rде идет почти непрерывный во времени приток плотноrо раствора. Такие явления MorYT наблюдаться в течение HeKO торых отрезков времени в местах впадения переrpуженноrо осадками речноrо потока в водный бассейн, Коrда поток некоторое время движется по дну в виде непрерывноrо подводноrо течения. Эксперименты показа ли, что для компенсации потерь энерmи, BЫ званных трением, нужен уклон Bcero около 1 о [448]. I ,.; ' i 1 J .1 1. .. .- I1 11- I 1"' Ir: i " ' . '.""""",-.' . .. " . .. 4 " " .: 'f ! . с: .' t " - - Y':',; _Y....... ...... r ._ - , . - ' Мутьевые потоки, имеющие характер па водковой волны (sиrge), должны терять CKO рость, так как поступление более плотной жидкости не бесконечно. Конечно, rоловная часть уменьшается, пока окончательно не распадется (ср., однако, с описанием aYTO суспензирования ниже и в приложении 7.2). Быстрый распад также наблюдается в слу чае впадения потока, оrраниченноrо CTeHKa ми русла, в широкий резервуар (рис. 7.8). Такие явления объясняют образование под водных конусов выноса. Экспериментальное изучение мутьевых потоков со специально подобранными по плотности частицами позволило разделить их на две катеrории [571]. В потоках с НUЗ кой концентрацией (С < 0,3). выпадение осадков начиналось сразу же позади rоловы потока, на небольшом расстоянии от нее. За медленным осаждением взвесей следовало широкое перемещение донных осадков и за тем быстрое выпадение взвешенноrо MaTe Рис. 7.8. Вид сверху на струю плотностноrо по тока (окрашенный чернилами раствор соли), KO торая втекает в широкий резервуар. Подводные конусы на концах подводных каньонов обра зуются именно таким образом, коrда расширяю щийся поток быстро теряет скорость. Обратите внимание на лопасти и протоки, образующиеся BOKpyr края течения. Площадь квадрата сетки 50 х 50 мм. l' , . , ".' } y --.. ,:' j ...: . ... " " " . , '1 I ! ". . ! :. ., .. <, -""<,.., . . - " . .... .....-
109 Поток жидкости н транспортировка осадков (а) Сыпучий поток (б) fрязекамеииый поток риала. В КOIще КОIЩОВ происходило очень медленное осаждение взвесей из хвостовой части потока. В результате формируются отложения течений с хорошей сортировкой, четко выраженным утонением rрануломе трии зерен в сторону кровли слоя и с серией осадочных текстур, отражающих уменьше ние скорости течения во времени. В потоках высокой концентрации (С> 0,3) за первона чальным отложением осадка следует широ ко развивающееся торможение потока с образованием разжиженноrо водой ocaд ка, по верхней поверхности KOToporo разви ваются волны неустойчивости, вызываю щие кольцевые деформаuии сдвиrа, прони кающие rлубоко в толщу осадка. Коrда разжиженный осадок стабилизируется (этот процесс описан ранее), образуется плоская поверхность, на которую, как на дно, oca ждаются наиболее тонкие осадки из XBOCTO вой части потока. В результате образуются потоковые осадки с плохой сортировкой Ma териала, неясным распределением материа ла по вертикали и без внутренних седимен тационных текстур (хотя MorYT присутство вать текстуры разжижения). В природе мутьевые потоки MorYT форми роваться в результате подводных ополза ний осадков, вызванных сейсмическими толчками (см. rл. 25). Начало мутьевым по токам MorYT дать также потоки разжижения и rрязекаменные потоки после возникнове ния явлений оползания. Однако при рода Me ханизма перемешивания, который преобра зует эти вязкие ламинарные потоки в турбулентную взвесь осадков, пока не BЫ яснена [333]. Эксперименты тем не менее показывают, что у подводных потоков обломочноrо материала формируется ro ловная зона, вследствие чеrо в потоке обра зуется наложенная турбу лентностъ (рис. 7.4). В заключение следует заметить, что в тур.- булентном потоке может возникать состоя ние аутосуспензирования [43, 624]. При этом идет непрерывный процесс перехода осадков во взвешенное состояние без потери внутренней энерrии (приложение 7.2). 7е. Отложения rравитаuионных потоков. Об суждение характера отложений отнесено в конец этой rлавы, с тем чтобы можно бы ло провести сравнение между различными _ - . . . . . Неровная кровля . . . . . . Массивная текстура ::.:{ . о оХ:о Р : :иК а .... : ..... . . .: Слаб: ;::BKa О. . .0: . . .. Неупорядоченное Q..:. O...:: . сrроение основной массы \ Базальная зона спвиrа Ulирокие борозды или штриховка . . .: Массивная . .... текстура П{IIЗНШ<И обратной coprиpoвки по разрезу (в) Поток разжижения (i!) Сложиый турбидит Е fлины Песчаные вулканы fJ 11 :(( . Облекающая .:.; "N- 'V".. слойчаТQСIЬ .---:. . : ';'. . Трубки . . .... выжимания воды .j"""" ...., ....v. Столбчатая и . V ---::.. u -::. блюдцеобразная Массивная текстура '--': :--'. текстура по разрезу: : . .. .. .:-: .. :.:. Д (нет сортировки . ПЛохая сортировка . . или rрубая сортиро ка Текстуры наrрузки в хвостовой части) Иероrлифы в подошве СЛШI.(ТОЛЬКО В/С) в f оризонтальная слойчатDCТЬ Рис. 7.9. Схематические разрезы, иллюстрирую щие основные особенности отношений rравита ционных потоков [574]. типами потоков и их отложениями (рис. 7.9). Отложения сыпучих потоков образуются чаще Bcero при осыпании материала на склонах дюн и подводных rряд. При этом возникает перекрестная слоистость малоrо и крупноrо масштаба (rл. 8). Слойки обна руживают хорошую сортировку, причем в ряде случаев наблюдается укрупнение Ma териала снизу вверх. Внутренние текстуры отсутствуют, отдельные зерна MorYT давать ориентировку параллельно течению потока. Мощность 2рязека.менных потоков коле блется в пределах от нескольких дециме тров до нескольких метров. В основной Mac се мелкозема размещаются обломки, раз мерность которых колеблется от песчаной до валунной. Мелкозем представлен rли нистыми и алевритистыми частицами, KO торые MOryT составлять до 1% по объему. Слоистость развита слабо, сортировка пло хая, ориентировка зерен не наблюдается. В базальной зоне сдвиrа может образовать ся слабая сетка над поrребенными царапи нами, оставленными валунами, двиrавши мися в основании потока. rрязекаменные потоки MorYT занимать русла, вырабо танные текучими водами, но сами не MorYT их создавать. В потоках разжu:ж:ения пре обладают текстуры выжимания воды, aHa лоrичные конволютной тонкоrоризонталь
110 Часть 2 ной листоватости трубок «водяных ВЗРЬr вов», блюдцеобразные текстуры и др. (rл. 11). Отложения мутьевых потоков пре терпевают изменения с удалением от места образования и по мере перекрытия ими раз личных поверхностей седиментации на под водных конусах выноса. Толстослоистые осадки мутьевых потоков rрубозернистыI,, сравнительно плохо сортированные, имеют плохо выраженную слойчатость, в них OT сутствуют базальные борозды движения; иноrда наблюдается руслообразная форма в плане. Тонкослоистые турбидиты ---: TOHKO зернистые, имеют хорошую сортировку и слойчатость, широко распространены на площади и имеют база льны е борозды дви жения. В них выделяется такая «идеализиро ванная» последовательность текстур: А массивный слой; В rоризонтально тон кослоистыIй слой; С слой С мелкой косой слоистостью; О переслаивание алевритов rлин; E OДHopOДHыe rлины и алевриты. Ta кая последовательность отражает снижение силыI потока во времени, коrда донные формы приспосабливаются к снижению CKO рости течения (см. rл. 8). Применяя индекса цию этой последователыюстu Боума, OTMe тим, что в' ТОЛСТОСJ10ИСТЫХ турбидитах преобладают слои А и В при подчиненном значении пластов С Е; в тонкослоистых турбидитах наблюдается обратная картина. Толстослоистые турбидиты образуются в потоках высокой концентрации, а TOHKO слоистые в потоках низкой концентрации с развитыми донными осадками. (Учитывая последний анализ, приведенный в работе [610], следует отказаться от использования терминов «проксимальный» (proximal) и «дистальный» (distal), для обозначения толсто и тонкослоистых турбидитов.) В заключение необходимо подчеркнуть, что существует перемежаемость и взаимо связь между оползневыми отложениями rрязекаменных потоков толстослоистыми И тонкослоистыIи турбидитами. Как указы валось ранее, rрязекаменные потоки, Be роятно, дают начало турбидитным пото кам, по мере Toro как окружающая жид кость все более и более смешивается с движущимся потоком. 7ж. Выводы. Скопления зерен MorYT обра зовать поток, если преодолено трение Me жду зернами. Сыпучие потоки приходят в движение, коrда уrол склона превышает уrол eCTecTвeHHoro откоса. rрязекаменные потоки движутся блаrодаря массе'мелкозе ма, снижающеrо трение и содействующеrо плавучести зерен. Мутьевые потоки прихо дят В движение на склонах, коrда их плот ность больше, чем у окружающей жидкости, за счет взвешенных осадков. Движение при водит к развитию турбулентности, а это BЫ зывает дальнейшее поступление взвесей, вследствие чеrо вопреки rравитации coxpa няется повышенная плотность; так возни кает аутосуспензирование. Литература, рекомендуемая для дальнейшеrо чтения В работе [574] дается четкое общее представле ние о rравитационных потоках и их отложениях. В книrе [426] предложен физический разбор дви жения rрязекам:енных потоков, предназначенный для подrотовленноrо читателя. Фун.riамен тальный справочник по механизму движения зер нистых потоков работа [40]. В работах [569, 570, 571] изложены экспериментальные исследо вания мутьевых потоков, имеющие большое зна чение для седиментолоrии. Изящная аналитиче ская модель мутьевых потоков предложена в работе [624], rде показано и современное co стояние проблемы аутосуспензирования. Приложение 7.1 Рассеивающее давление и сыпучий поток [40, 523] Динамику сыпучих потоков проще вcero понять на основе кинетической теории. Рассмотрим eM кость, наполненную воздухом и закрытую repMe тично подвижным поршнем. Поршень поддержи вается в равновесии давлением воздуха: сила ero тяжести уравновешивается силой выталкивания, обусловленной ударами беспорядочно движу щихся молекул воздуха. Сила тяжести действует в одном направлении, уравновешивающая сила, обусловленная столкновением молекул, в проти воположном. В сьmучих потоках, rде преобладают coyдape ния зерен, нормальный стресс Р должен ypaBHO вешиваться давлением веса W на каждом уровне. Бэrнольд [40] нашел, что Р меняется в COOTBeT ствии с зависимостью Р == kcrл. 2 D 2 (d и /d у)2 cos (Х, (7.5) rде k KoHcTaHTa; cr плотность зерен; л. линей наяконцентрация зерен (rл. 4); D диаметр зерен; dU/dу приращение напряжения в потоке;
111 Поток жидкости и транспортировка осадков U CKOpOCTЬ движения твердых частиц в потоке; (х уrол динамическоrо трения (== 8r в разд. 7б). W получаем из выражения w == ёg(cr р) (У y)cos , rдe ё средняя концентрация зерен (по объему) выше точки у в потоке; У мощность потока; у расстояние от дна потока; местный уклон дна. Так как при состоянии равновесия Р == W, Bыpa жения (7.5) и (7.6) можно приравнять и реIIШТЬ pa венство относительно d U jd у с оrраничениями при U == о и у == О, что дает U == ( ёq(cr p)cos ) l/2 у3/2 3 pkcos (Х . лD [ (У у)3/ 2 )]. Решая уравнение, получаем значения U для раз личных расстояний от дна (ё, л, (Х принимаются в каждой точке постоянными) и можем по строить профиль распределения скоростей, на KO тором видна мощная сдвиrовая зона, перекрытая поверхностным «пиком» зоны, [де сдвиrа нет. Бэrнольд [40] установил, что TjP == tg (Х. Таким образом, для начала движения сыпучих потоков tg tg (Х. Так. как для зерен кварца tg (Х равен 0,5 0,6, можно считать, что сыпучие потоки воз никают при уrлах склона более 25 300. Приложение 7.2 Заметки об аутосуспензировании в мутьевых потоках Взвешенные осадки удерживаются в потоке бла rодаря туроулентности, rенерируемой у дна. В обычном речном потоке движение жидкости по уклону возникает под действием силы тяжести. Турбу лентность в свою очередь поддерживает во взвешенном состоянии определенную массу oca (7.6) дочноrо материала. В мутьевых потоках течение возникает блаrодаря взвешенным осадкам, обес печивающим повышенную плотность всей массы жидкости, что и приводит К движению вниз по склону под действием силы тяжести. Возникает эффект обратной связи, Korдa взмучивание ocaд ка вызывает движение, которое в свою очередь приводит к турбулентности, а та вызывает взве шивание. Это и есть состояние аутосуспензирова ния [43, 44]. С точки зрения сил, действующих в потоке, аутосуспензирование может возникнуть, коrда сила течения (о превышает силу шr, расходуемую на преодоление трения о дно. Следовательно, (о (Ot. Выразив это в терминах производитель ности суспензированноrо осадка, получим, что доля (Ot, которая может быть использована для взвешивания осадков, должна превышать силу ШN, необходимую для поддержания их во взвеси. Следовательно, ех(О! ШN, rде ех фактор эффек тивности. Комбинируя эти два критерия и прове дя мноrочисленные подстановки (полный вывод см. в работе [624]), получаем следующее выраже ние для аутосуспензирования: (7.7) ex Us 1 :::>, g rде уклон дна; US CKOpoCTh перемещения взвешенноrо материала ( скорости потока); скорость падения взвешенных частиц. Для аутосуспензирования блаrоприятны высокие по казатели уклона, скорости течения и тонкозерни стость осадочноrо материала. Решив уравнения движения для двумерноrо мутьевоrо потока, Пантин [624] показал, что мутьевые потоки должны либо терять скорость и отлаrать свои осадки, либо увеличивать CKO рость и выходить В поле аутосуспензирования, коrда осадки MOryT отлаrаться лишь при YMeHЬ шении уклона. Отсылаем читателя к изящной статье Пантина [624], rде дан полный разбор этой проблемы. (7.8)
Донные формы и осадочные текстуры Деревья дают телесную форму ветру, Волны посылают силу жизни луне. Из Ценринкюсю q)OTO 3. В этом выходе выветрелоrо песчаника (высотой 1 О м) виден целый набор крупномасштабных серий косой слоистости (некоторые запрокинутые серии передовоrо склона видны прямо под Bpe занным руслом), массивные слои и хорошо выраженное русло; заполняющий ero материал отличается тонкослоистой (неясно выраженной) или массивной текстурой. Предполаrают, что эти отложенш\ сформировались в разделенном на протоки речном русле (песчаник Фелл, Нортумберленд, АнrЛИЯJ_ ............ ....... .,.. *'"" ,- '';;''';'''-.- ... ' :i,.... . ; ':. ........ .. '<1,< ., >" - - "''t}_ _.. : <: :.: 7 = .if - .q . _ .. . "!: . ' . ' ""..: '" ':-:'" . ..... '..' :.; ;::" .. - ; . : . ?:; ; ' i ii? i, :i <:( J':' .... .> .: .' '" '" ...... - ..,'" .' ': _:l\ . .", ....., , <. :: ' R .> ......'* .... Ib " '"",,, , '>-' ''X,,,:'\ " .... ' " - - i_ oic:' '" .с 1 >. '\" ._: - ". ..: _l, <ji. ... .,= . ..;...... . .A ';': : Z .' ., - .."".......... " ......:: . -. ,"- -....: . ,. _., ;....:, 'l " .' ""<t.... '1' :.-; ',. .., ': < ,. ..;, :,. cc"!" . , , . . : . - , .- . . , ::,, ,.. :. , >- $- > .... ., - .> ' :.;... <:.. ,-......,-..; ....: " ,' '''" ":-' ;.; ,"'" ..;.. . . .-;;:....,,< ... .. : ? : : .. ? .. \.;. w' ':"::'i . ,.0 ' w.' J.'" ,........ . , - ..... \ " ';' '''t' '' >\:' . ., .' '(О _: ', ' :: .,,.;;.,." ........ ..... . " . . .....', А :- ; i 6t _ . - -
Н3 Донные формы и осадочные текстуры Тема. Транспортировка зерен осадка часто сопровождается формированием так называемых донных форм. Большая часть рыхлых осадков на поверхности Земли образует такие формы ОТ скромных и широко распространенных знаков ряби (различноrо происхождения) до mrантских rop пустынных песков, известных под названием «драю). Тот интерес, который человек издавна питал к этим образованиям, в последнее время получил подкрепление блаrодаря достиrнутому сейчас удовлетворительному уровню понимания механизма их формирования и перемещения. Для rеолоrических исследований особенно важна роль донных форм в образовании осадочных текстур, столь часто присутствующих в rеолоrической летописи. Правильное понимание происхождения и взаимоотношений осадочных текстур можно получить только при использовании знаний по динамике системы зерна жидкость, которые были изложены в части 2. Друmе аспектыI донных форм и текстур рассмотрены в части 5. R { 8 Донные формы и текстуры в зернистых осадках 8а. Донные формы и текстуры. сформиро-- ванные одно направленными водными потока ми. Движение осадков сопровождается op rанизацией зерен в морфолоrические эле менты, известные под названием донных фОРМ. Экспериментальные данные по pyc ловым потокам показали, что есть ряд ДOH ных форм, которые существуют только в интервале определеннь значений силы потока. Эти фазовые состояния донных фОРМ занимают четко вьщеляющиеся поля на rрафиках, отражающих взаимосвязь транспортирующей способности потока и диаметра зерен для хорошо сортиро ванных KBapцeBЬ песков (рис. 8.1). Хотя фазовые диаzраммы донных фОРМ (такие, как показаны на рис. 8.1) широко используются, мы дальше покажем (разд. 8.2), что исполь зование в качестве показателя транспорти рующей способности придонноrо напряже ния сдвиrа, являющеrося ординатой rрафи ка, имеет определенные недостатки. Напом ним читателю, что относительно номенкла туры донных форм среди исследователей имеются большие разноrласия. Ниже мы 8 91 приведем некоторые термины, имеющие альтернативное применение. Нет YBepeHHO сти также и в том, можно ли переносить данные опытов в экспериментальных лот ках, rде образуются мелкие (rлубиной менее 0,5 м) потоки, на более rлубокие природные потоки (дискуссию см. в работе [575]). Экс периментыI' про водимые в настоящее время с соблюдением подобия [775], должны бу дут дать результаты, с помощью которых этот неясный вопрос может быть решен. Обращаясь к рис. 8.1, рассмотрим снача ла различные состояния дна, обраЗУЮlШlеся при воздействии транспортирующей силы потока на тонкий донный материал. Рябь течения (current riррlеs) это CTa бильные донные формы, образующиеся пре жде, чем достиrнут пороr троrания на искус ственно выровненной поверхности дна, сложенноrо тонким песком, при относи тельно слабом течении. Она может возник нуть также за счет первич ных неровностей дна задолrо до достижения пороrа rладкоrо дна. Рябь течения не образуется в песках, rде размеры зерен больше 0,7 мм. Эти донные
114 Часть 3 формы имеют в сечении ху, параллельном направлению течения, rрубо треуrольную форму. Их склоны, направленные вверх по течению (stoss sidе), полоmе; иноrда Ha блюдаются выровненные площадки вблизи rребня. Нu:ж:ний по течению (lee) склон имеет крутизну зо з 50 (рис. 8.3). Высота этих неровностей дна колеблется в пределах О,ОО О,оз м; длина (измеряемая как длина волны вB пределах 0,05 0,40 м; типичный индекс донной формы (отношение длины к высоте) колеблется в пределах от 10 до 40 [12]. Размеры этих донных форм возра стают с ростом транспортирующей СIIособ ности потока, но их величина не зависит от rлубины потока. Длина меняется в зависи мости от диаметра зерен, составляя пример но 1000 d, хотя на rрафиках виден большой разброс точек. Линия rребня имеет в плане '" I ::Е Z ... '" r..., :s: 11:1 t::[ u (1) :s: :с (1) * tJ:: о.. r:: '" :с (1) о 1,0 t::[ :s: С:- А 01 О 0,1 прямую, волнистую или языкообразную форму (рис. 8.2, 8.3, а, 6). Такое возрастание сложности наблюдается, коrда скорость по тока растет при сохранении постоянной rлу Рис. 8.1. Фазовая диаrрамма донных форм. Видны поля устойчивости различных подводных донных форм, образованных однородным по стоянным потоком; дно зернистое. Данные экспе риментов в прямолинейном русловом лотке. Обратите внимание на области перекрытия (крап) между различными полями; частично это обусловлено расхождениями в терминолоrии у отдельных авторов. Переходные формы обо значены крестиками. Использованы пересчи танные данные из работ [171] F, G, Н, 1, К, [3241 B, С, О, Е, J, [534] A, [865] L (по Лидеру 1496J). 't рассчитано по формуле (5.6) (т == == pgh sin е). SO Верхний уровень формирования rnaдKoro дна JG p, i \\\\\\. ....-: . :---:...... {V .. : : : -:.. : . :- : : ?":'- [] А:. 7.:"(:{?/ } . : t ; iЬ2: :0'" .. ............ .... е 01'0 ДНа -...:.. С .... '.. ... . . . .. . : :. :. <p в . D ... . .... . . . . . . O i е .... :......!:.:.:.. ;i.\\e . .. ..... + ..' <pe'Q е · . .[] ... о. \\ ?;. . .. : ..1 : : . : . . .: {'Q?;. е ::!.:....:..# e К . . . . . + fряды: :. []. ее е (!) е 'II!:.. 8:1:1 . .. е ..::.::= :.:. о ..:...0 н ... i .... о ...::: : G е .:: .::-. о CD ... е I .... · О О . .9 . 1.. . . \<.О{ .:8:.: e е /.:. .{1\ о . ::..'" Бары ... /1 o<p 0 . . G"'... t.............. o'Q"..\\'Q ... Рябьg О. а . . e b б. .. ............. - 8 .."" .. .............. 41 .. О течения о . . . i'Q°<P -:: ::::::-.: .... о + y.. #'l'i .. .: : : : : -:..:.. .. 6 .: : :.:: : ::.:: '.;:: .;:::: :.:: :.:}:..::::/.)) :: : : .: : . :. : 6 66 10 6 ДВижения нет @ о 6 6 [] [] [] [] []
115 Донные формы и осадочные текстуры бины И сопровождается усилением действия продольных вихрей (rл. 5). Картирование линий тока, зафиксиро ванных на алебастровой модели ряби [12], позволило выявить места отрыва потока на rребнях форм и точки ero присоединения в межrребневых ложбинах. У нижнеrо. по Te чению склона донной формы постоянно co храняется работающий бурун вращающей ся жидкости (рис. 8.4, 8.5). Зерна, переме щающиеся в составе донных наносов, движутся по верхнему полоrому склону донной формы и, достиrнув rребня, свали ваются с Hero или рассеиваются в месте OT рыва потока, а потом накапливаются на крутом склоне довольно высоко по ero по верхности. Периодически эти скапливаю щиеся зерна теряют устойчивость, коrда уrол аккумулирующеrося материала Ha чинает превышать уrол eCTecTBeHHoro OTKO са (rл. 7). В этом случае образуются неболь шие оплывнияя массы зерен, задерживаю щиеся у подножия склона; в резу ль та те этоrо к склону uричленяется единичный слоек обрушения. Перемещение донной формы вследствие аккумуляции на нижнем склоне приводит к тому, что точка присое динения потока смещается дальше на Bepx нюю часть расположенноrо ниже по тече нию rребня. Здесь усиливается размыв из за усиления эрозионной деятельности турбу лентности, rенерируемой в точке присоеди нения. В результате этоrо rребни ряби по стоянно смещаются вниз по направлению потока, сохраняя свою равновесную форму, с довольно постоянной скоростью, завися щей от транспортирующей способности потока. Разрезы, сделанные через донные формы по плоскости ху (параллельно направлению течения), выявили последовательно причле няющиеся слойки обрушения, которые обус ловливают формирование мелкой косой слоистости (small scale cross lamination). В разрезе, перпеIЩИКУЛЯРНОМ течению (в плоскости xz), косые слойки MorYT выrля деть, как rоризонтальные и параллельные, обусловливая плоск.опараллелыlюю косую слоистость (planar cross lamination), или как троrи, обусловливая перекрест1l ую (тp020 вую) косую слоистость (trough cross lamination) (рис. 8.6). Прямые (tabular) косые Рис. 8.2. Классификация типов линий rребня ря слойки возникают при перемещении донных би и rряд. Вид сверху, поток направлен во всех форм С прямой линией rребня, Tporoo случаях снизу вверх [12]. бразные в результате смещения изви Прямой скошенный Извилистый поперечный Прямой поперечный :.:."""' .::':'\' .::',:>,,: .::::\. ,:::>:: , :.' .. ,. ..\,., '>': "':",.,:::'::",,::::':"',,::::;.:;,;,:::""::..:. ........0$.........-........................................ ................................. Извилистый поперечный, фазы не совпадают Цепной поперечный Языкообразный поперечный, фазы не совпадают (\ .. . " .. " .. (1 . N .. 1\ f\ . .. '. ..... . . ". " . \I\i\nf\()(\,. !\f\r\f\f\(\A \1\{\(\f\nAr . Цепной поперечный, фазы не совпадают Цепной скошенный Языкообразный , фазы совпадают (\f\r\f\{\(\f'\ N ..... (\ .... f"\ . . (\ . .. Q ... (\ . п .. .. . .' .: '. . . . . . .. . '.' (\ ?'\ А. nАn(\ : "' ...''л\: . : . : ..:A 1 '(\i Н Н '1 '1 \ 8* . . . . . . ". . . . . . . . ,.'::...:..\ .::...<:: ::.:.. .::,..... :..:: :.\..:..:. \:..". . ". '. . . .\..<.....:......:.'........,::..............,..... ......:... Лунообразный (барханоподобный) VVVVVVV хЯ
116 ...... . ... '. , .. (а) ............... ... б ,.... в Часть 3 ,. .11.-. '. . ;, ", I 1 . ,. - ..1 ;:, ....,..;:;.....' ' .'" :fIf " ,.. "" ." "". ... ... '\."'\... .. \... . . . f- ." '\ .1а.; , '- - . ) ) t , .' ,.." , . .':..1.." , " , " 7; ..... ': " J' , '\с. ; :--: , . .. . .. ,"::. -' .... . ';'. ......... -... ,. '; . . \; .. y ....... :t .,j;. '" "'........ . . ' - .... .. '" '-'" , ""...: . " ........ '" . ""'. """ . "1 \ . ' , . .....""""'- , - 100....... ..::........ : ..,.. - -". .....;,..". - .:: 2
117 Донные формы и осадочные текстуры листых И языкообразных форм в окруrлыI,' в форме пятки, понижения, выработанные изолированными вихрями отрыва потока (рис. 8.6). Если в какой либо точке накопле ние осадка идет только в составе отдельных донных форм, то косая слоистость форми руется исключительно внутри rребней ряби. Коrда идет суммарное накопление осадка, rребни отдельных форм должны при пере мещении приобрести кроме rоризонталъной еще и вертикальную составляющую (рис. 8.7). В таком случае MorYT сформиро ваться косослоистые серии, разrраниченные поверхностью размыва. Мощность серий прямо пропорциональна скорости верти калъноrо перемещения. В разрезе видно, что rраницы серий «поднимаются» под уrлом к rор зонтали (рис. 8.7). Подобная текстура называется н.аКЛОННО КОСОЙ слоистостью (climbing ripple cross lamination). Большие yr лыI наклона, с сохранением слойков, обра зовавшихся на верхнем по течению склоне, свидетельствуют о высокой скорости CYM MapHoro осадконакопления. Последнее xa рактерно для потоков, скорости которых снижаются, как, например, у ПaJЮДКОВ на пойме или у МYTheBbIX потоков [20]. Если транспортирующая способность по тока растет, возникают 2ряды (dunes). Эти крупные донные формы (рис. 8.8, 8.9) похо жи по форме на рябь течения, но динамика их формирования иная [12]. Это видно и на 'rрафике зависимости высоты от длины, rде поля этих форм не перекрываются. rряды не образуются в тонких осадках rрубоале вритовой и. меньшей размерности (рис. 8.1). rряды иноiда н зывают крупной рябью или меrарябью, но ЭТИ термины не отражают достаточно четко специфичность таких ДOH Рис. 8.3. а извилистая и языкообразная (в под чиненном количестве) рябь течения. Направление течения справа налево; отрезок для масштаба 0,15 м. Солуэй Ферт, Шотландия; б языкообраз ная рябь течения. Направление течения снизу вверх. Размер пачки сиrарет 0,1 м в длину. Эстуа рий реки Северн, Анrлия; в крупный врез пересе кает слоистость. Направление течения на Ha блюдателя. Размер ручки молотка 0,30 м. ДpeB ний красный песчаник; Уэлш Бордерс; 2 НЫРЯЮ щие серии крупцой косой слоистости С крутым падением слойков. Отрезок для масштаба 0,1 м. Песчаник Фелл; Нортумберленд, Анrлия. ных форм, как rряды. Длина rряд обычно колеблется от 0,6 до 10,0 м или больше. В отличие от ряби у rряд отмечается взаи мосвязь длины А и высоты Н с rлубиной по тока у (рис. 8.10). Аллен [16] на основании экспериментальных и полевых наблюдений вывел для интервала 0,1 м > у < 100м сле дующую зависимость: А==1,16уl.55 (8.1) и н == 0,86 у l.19, (8.2) хотя вдоль линии реrрессии может наблю даться большой разброс. В плане форма rребней rряд напоминает форму rребней ря би, описанную выше; у rряд дополнительно наблюдается луновидная ( арханоподоб ная) форма. Характер потока над rрядами аналоrичен ero поведению над рябью, при чем отрыв и воссоединение потока хорошо выражены. В нижней части зоны стабилъно сти на rрядах развита рябь, что позволяет ввести представление об иерархии донных фОРМ. Аналоrичным образом малыIe rряды MorYT усложнять верхний по течению склон более крупных rрядовых образований. Воп рос о том, является ли такое усложнение rрядовых явлений результатом действия paBHoMepHoro потока или отражает колеба ния ero транспортирующей способности, является дискуссионным (см. работу [24]). Если правильно первое предположение, бо лее крупные донные формы следует ОТЛИ чать от обычных. Некоторые исследователи, придерживающиеся этой rипотезы, назы вают такие формы песчаными волнами (sandwaves), но этот термин используется в литературе также для обозначения круп номасштабных образований в морской об становке. Перемещение rряд является причиной образования крупной КОСОЙ слоистости как параллельноrо, так и перекрестноrо типа (рис. 8.3, в); способ образования аналоrичен описанному для ряби. Косое примыкание отдельных KOCbIX слойков к rранице раздела серии облеrчается наличием сравнительно маломощных бурунов, вихрей, работающих в месте отрыва потока на нижнем по тече нию склоне rряды, и тем, что значительная доля частиц выпадает, отлаrаясь из взвеси, на этом склоне. Рябь противотечения
118 Часть 3 (counterflow ripples) [92] образуется под дей ствием придонноrо течения, вызванноrо вращением буруна в месте отрыва потока, которое относит зерна назад, к нижнему краю основания rряды. Равномерно накло ненные косые серии часто MorYT срезаться поверхностями размыва (см. обзор в работе [429]). Это объясняется размывом rребней rряд во время спада паводка и в межень. Эти поверхности реактивации (reactivation surfaces) [167] сохраняются внутри миrри рующей rряды, коrда во время подъема па водка и в половодье возобновляются HOp мальные процессы оползания материала. Иноrда между следующими друr за друrом «поверхностями реактивации» может за ключаться косая слоистость меньшеrо масштаба. Такое сочетание известно как HЫ ряющая (крутопадающая) косая слоистость (downward dipping cross stratification) (рис. 8.3, 2). В этом случае мелкие rряды ми rрировали вверх по обращенному против течения склону материнской rряды и вниз по полоrому противоположному склону, rде они сохранились в виде косых серий [ 56]. Если транспортирующая способность возрастает еще больше, rряды сменяются верхней фазой 2ладКО20 дна (рис. 8.9, б), Kor да осадки интенсивно перемещаются по практически ровной поверхности дна. При детальном изучении выявляется, что по верхность rладкоrо дна покрыта системой низких линейных rребней, ориентированных параллельно течению, высота которых co ответствует нескольким диаметрам зерен [8] (рис. 8.9, б). Положение rребней на по верхности дна постоянно изменяется. Эти rребни, длина которых соответствует тыся чам или сотням диаметров частиц осадка, и, CM.c 1 О 30 L.............. u'v: CM2.c 2 О 9 L.............. u'v' u .. / т .. . разделены плоскими понижениями. Такая характерная микротекстура параллельных течению rребней и понижений получила Ha звание первичной штриховки течения (primary current lineation). Первичная штри ховка течения является прямым следствием наличия подслоя вязкости, paccMoTpeHHoto в rл. 5. Ударяющиеся о дно «заметы», дей ствующие параллельно течению, отбрасы вают зерна в стороны, rде они и образуют тонкие rребни, разделенные широкими TpO rообразными понижениями (рис. 8.9, б; см. также рис. 5.17, д). Важно подчеркнуть, что существование первичной штриховки тече ния не оrраничивается режимом верхней фазы rладкоrо дна; она может возникать на обращенном к течению склоне ряби и rряд. П ространственное распространение первич ной штриховки течения совпадает с изме ренным распространением струек жидкости (<<прядей») с пониженной скоростью течения на rидравлически rладкой поверхности (рис. 5.25). С переходом к rрубопесчаным наносам первичная штриховка течения исче зает, поскольку в этом случае простран ственно орrанизованная система BЫCOKO и низкосортных струй жидкости последова тельно разрывается, так как песчинки разру шают подслой вязкости, который сменяется зернистым рассеянием [25]. Рис. 8.4. rрафики средней скорости (й) и показа теля интенсивности турбулентности (uV) на непо движной и на покрытой песком поверхности экс периментальной модели ряби. Обратите внима ние на вращающийся бурун у нижнеrо по течению склона ряби и на большую интенсив ность турбулентности в месте присоединения по тока ([753], в соответствии с данными, приве денными в работе [661 ]). Уровень роды 1 50MM / ........... ...,........................................................................................................................................................................,",................,................... ........... .....................
119 Донные формы и осадочные текстуры Линии тока Присоединение потока по линии А Рис. 8.5. Распределение линий тока в основании потока (средняя скорость 0,22 м. с 1, rлубина 0,095 м) над дном с рябью течения. Течение Ha правлено снизу вверх. rребни ряби являются ли ниями отрыва потока. Кеутые участки обруше пия обозначены крапом L 15]. Режим верхней фазы rладкоrо дна обус ловливает тОНКО20РU30нтальную слоu стость (planar lamination) с мощностью слойков ОТ 5 до 20 диаметров зерна (рис. 8.9, в). Такие слойки, с которыми свя заны плитчатые текстуры некоторых песча (а) (6) Рис. 8.6. Блок диаrрамма, иллюстрирующая образование параллельной и перекрестной слои стости в процессе миrрации донных форм с пря мой (а) и с извилистой (6) линией rребня [16]. Обратите внимание, что для сохранения последо вательно сменяющихся серий косых слойков He обходимо преобладание общей аккумуляции. По этому большая часть слойков «взбирается» вверх от MecTHoro уклона дна (см. рис. 8.7). ников, должны образовываться в результате пульсации cYMMapHoro осадконакопления на rладкой поверхности дна. Взаимоотно шения этоrо процесса с циклом заметов прорывов неясны (rипотезы см. в работе [119]). Теперь нам осталось рассмотреть два по следних типа донных форм, которые не по казаны на диаrрамме фазовых состояний (рис. 8. 1). Первый из них синусоидальные формы, совпадающие по фазе с волнами водноrо зеркала. Их не совсем удачно назы вают антидюнами (рис. 8.9,2, д). Антидюны . . ." . . . . .... . ..................,. .......... ...................................:...Р ;Ьеф" .ряб . :.:: ..:.,.: Среднии уrол ПОДъема С. == 69 П едшествующий подъе 5: -- с ,,:" .'щ N..." N ; .;. . ',. : ,'_N,, N NNN "N ", ', Рис. 8.7. «Взбирающаяся» вверх косая слои стость, полученная в эксперименте. Вид в разрезе, параллельном течению. Возрастание уrла накло на слоистости определяется ростом скорости суммарной аккумуляции по вертикали, связанной со скоростью перемещения ряби [20]. обычно набmoдаются в очень быстрых по токах с малой rлубиной, с числом Фруда (см. rл. 5) больше 0,8. Следовательно, в пеJr вом приБШlжении антидюны являются ин дикатором быстроты (надкритическоrо co стояния) потока. Длина антидюн (измеряе мая как длина волны) приблизительно зависит от квадрата средней скорости пото ка, соrласно уравнению, приведенному в pa боте Кеннеди [440]: л == u 2 gj21t. (8.3)
120 ........ .... .""" .,;f ., .. > 4" > .' (а) '" (б) > ;-""""" 'у: .,', '" ...,. Часть 3 )......' .. . ...,....' >::- ' , ... .,............'.,.." ., , , < "\ .. . ",,: .. ..... .... / Yte<;,.. '\ : . '" . .. ,,", » ",,;, &" -- t.... ....': .' ;,,;. . . . .'-" ...., ...,; y ... "'" ;:- < , ' -":." > ..... \. ,-;... ....: 1. ........ .. .... -J . ..... .,f'J'" ... . ,.J. .. . . ,. :'1;........,-. . : "'... .'.'90;....!' ' """ 'Ii' :: ... ... ....... .... ..;;;JI'''' ....'" а. '..... ........ ..> >... ". .,,!'" ".....!... .......4" ;; ,,,= .... ...:1'. ......, ....,;., 'N _-.+' .:":. .. :.; 'А...,.' , . ".;:а,. . . - .",,- -: . .."t'/l' - .. ....., <..' , '...."") ..... .. , .... .....; ...., ...... ............. .' '.1. .. "'" . ........-...,... . .'>, ' , , '..
121 Донные формы и осадочные текстуры Антидюны обычно встречаются в виде длинных серий. Их форма в поперечном раз резе может приобретать большую крутиз ну; они MorYT перемеща ться против течения и разрушаться при высоком уровне турбу лентности, после чеrо процесс возобно вляется. Миrрация против течения (рис. 8.11) обусловливает образование косых серий, наклоненных против течения, с малыIи (менее 10°) уrлами наклона косых слойков [568]. Эти серии сохраняются в раз резах плохо, если в сумме не преобладает аккумуляция, так как любое снижение CKO рости потока вызывает разрушение анти дюнной слоистости. Даже если слойки co храняются,' они очень неясные, потому что миrрация антидюн против течения не co провождается явлениями обрушения и обус ловленной ими сортировкой слоистоrо Ma териала (rл. 7). В тех редких случаях, коrда антидюны сохраняются на поверхности Ha пластования, становится возможным пря мое определение скорости палеопотока на основе формулыI (8.3), если л. поддается измерению. Если скорость .потока, формирующеrо aH тидюны, возрастает еще больше, образуют ся стреМНU1l11O западU1тые (chиte and pool) текстуры. Стремнины представляют собой мелководные быстротоки или надкритиче ские потоки с большими уклонами; они без перехода сменяются западинами, rде rлу бины больше, а состояние потока спокойнее (субкритическое). Впадение стремнины в за падину, у BepxHero края которой вода BpЫ вается с разрушительной силой, предста вляет собой род 2uдравлuчеСКО20 удара. В этой же зоне происходит преобразование кинетической энерrии в тепловую, что BЫ rлядит как замедление течения. Аккумуля ция осадков может происходить в относи тельно сп<) ойной области западины, rде образуются наклонные, прислоненные Рис. 8.8. а rряды или бары с прямой линией rребня и наложенной языкообразной рябью, образовавшейся во время спада отливноrо тече ния; б сильно извилистая линия rребня с xopo шо выраженными западинами вырезания. Обе фотоrрафии . любезно предоставлены. Т. Эллио том и А. rардинером. Эстуарий реки Луrор, Суэнси, Уэльс. к верхнему по течению борту западины слойки, перемещающиеся, как вантидюнах, против течения (см. выше). Известен лишь один пример стремнинно западинных TeK стур, сохранившихся в разрезе в осадках вулканоrенноrо базальноrо паводка по окраинам вулканических кратеров типа маар [707]. Снова обратившись к рис. 8.1, подчерк нем несколько иную последовательность смены донных форм по мере развития пото ка над дном, сложенным более rрубыми пе счаными осадками. Как было мимоходом замечено раньше, рябь не образуется в rрубых песках с диаметром зерен более 0,7 мм. В таких осадках выше пороrа Tpora ния на искусственно выровненном дне фор мируется rладкое дно равновесия вместо ря би. Оно называется 2ладкuм дном нижней фазы. На нем видны мелкие борозды и узкие неправильные желобки rлубиной от поверх НОСТИ в 2 3 диаметра зерна [496]. При пре обладании накопления осадков в нижней фазе rладкоrо дна должна образоваться rрубоrоризонтальная слоистость блаrодаря заполнению r лубоких борозд, но ее убеди тельные примеры в rеолоrической летописи еще предстоит о тыска ть. Если течение усиливается, то на rладком дне нижней фазы возникают rрядоподобные образования бары (bars) (или песчаные вол ны некоторых авторов). Длина волны силъ но колеблется [171]. Отношение длины к высоте высокое (рис. 8.12). Линия rребня у этих форм прямая; обрушение осадков по крутому склону приводит К образованию rоризонталъных серий крупной косой слои стости. У баров не наблюдается западин вдоль KpYToro «подветренноrо» склона, обусловленных работой слабо выраженных вихрей отрыва у этих склонов. В eCTe CTBeHHЬ условиях на барах MorYT разви ваться наложенные rряды. Корреляция длины и высоты с rлубиной потока для ба ров не отмечается. Из этоrо KpaTKoro pac смотрения ясно, что бары надо рассматри вать как особую донную форму, отличную от rряд, на которые они внешне похожи. Возможно, что бары возникают как особая форма поверхности дна в среднезернисть песках, поскольку в нижней части поля устойчивости rряд (рис. 8.1) сами «rряды» имеют более высокое отношение длина : BЫ
'. '\. '1. '; !t. .. -{ . ::"". . , ... .; ;-.""t.,. ' с" : './f . 122 "'; а ,...........:.. . >. ".,м.' (в) -< .w.. (2 '.,: " . ..: "" '" i '; Часть 3 , .... .. '" . '" ...:' »\.. .. '.:. .. ", " ,О: '\ "". " """ :... ,. 't. " .. _. "l .. "" , '"' "'.... " ,':, \'\ ,,. '!" , ... . n", '} н. .. 1', " '.i., .' ,'- , ... .....""'".......,...., ... ...-, """ ""' ..,. ,' . .fl:' " , i " .\\."t .;, ,\, \ :,.1 l' i: -;, , 'i, . 4 , . ' , у i : " _ . . . ',,' " . ' 4 '. '\".:. < ' '. , , :( , . . ' J' . - (-: 1 " . t '; ,', . "'1:' '\ '. ' . ".:-' ". , t" ""' ; ) ',' S(;i ,: ' r 4 ' . -w' ""'......... . " , :f88 '1>. . .... ,. ....... '''W:I .... ;:. ;... :( ........ ..... (д) f 1'. - ',1". 1\ ,:f; : , : , '!t.; '1 .. , t :i .. i . " 1 ':\. 1-' . ' .'Ч 1 .'\ 1 ..... "'*"::-- .. .. 1 1
123 Донные формы и осадочные текстуры сота и были поэтому названы «переходны МИ растянутыми rрядами» [647]. При да.лЬнейшем возрастании траНСПОJr тирующей способности потока в rрубозер нистых песках образуются rряды, а затем rладкое дно верхней фазы; если число Фруда > 0,8, формируются антидюны. 8б. Дополнительные данные по фазовым диа....раммам донных форм. Описанные выше донные формы обычно делят на две боль шие rруппы [759]. Рябь, нижняя фаза rлад Koro дна, бары и rряды возникают при НIOIC нем режиме потока, коrда сопротивление потока относительно велико и коrда про филь поверхности воды и крупные BOДOBO роты на ней не совпадают по фазе с профи лем поверхности дна. Верхняя фаза rладко ro дна, антидюны, стремнинно западинные структуры возникают при верхнем режиме потока, коrда сопротивление потока OTHO сительно невелико и коrда профиль поверх ности воды совпадает по фазе с профилем поверхности дна. Как мы уже знаем, для ря би и rряд характерны явления отрыва и при соединения потока. При этом rенерируется энерrия турбулентности, вызывающая зна чительное сопротивление потоку со CTO роны дна. Донные формы нижнеrо режима имеют, как правило, коэффициент трения, в 2 5 раз превышающий расчетные коэффи циенты для донных форм в верхнем режиме. Но при rладком дне нижней фазы, коrда co противление потоку обусловлено только расходом на перемещение зерен, а не сопро тивлением донных форм, этоrо не наблю дается. Рис. 8.9. а вид на извилистый rребень, обнару живающий западину вырезания и веер знаков ря би на полоrом склоне следующей вниз по тече нию rряды. Длина карандаша 0,5 м. Эстуарий реки Луrор, Суэнси, Уэльс; б первичная штри ховка течения в тонких песках [8]; в rладкие по верхности верхней фазы. Длина ножа 0,15 М. Пе счаник Сент Биз, Камберленд; 2 серия антидюн (длина волны 0,3 М) в быстром мелководном потоке приливно отливной ложбины. Эстуарий реки Бормут, Уэльс; д серия перемещающихся против течения антидюн с бурунами в приливно отливной ложбине. Течение слева направо. Длина рукоятки лопаты 20 см. Солуэй Ферт, mотлан дия. 500 100 ==4 ,<. h :Q 50 :>:: о '" s! 10 рис. 8.10. rрафик зависимости длины волны (yc редненные значения для rруппы rряд) от средней rлубины потока. Однонаправленные русловые и приливно отливные потоки. Для каждой точки усреднялось МИНИМУМ пять следующих друr за друrом rряд [414]. (а) ::::. .:.:.:-:....:.:::.:..::<.:::"::::)"":": .>./:::\;::::;. . .:.""" . . " .. (б) Стоячая волна становится круче // )З'" : =; ::::"::;:: :.:".:\ :: .;"\ }/ 3\(:? .::::\:::!7 )": :f:/.; ;;:::;::" :.: :. :.::::: (в) Стоячая волна разрушается, завШlиваясь против течения ;:; , .". А. 'Т!'. юнараЗРУщаеrс:....1\ ... : ::::.::: :.: :":::: :".).=).: ":.::::::::: : (::::\ :::::":: ;.:::: :.: ;.:.:;::: :":":.:":: :.:. :":.: .:.: .: ::::: ::::::.:?\. .:". (2) Образуется новая стоячая волна и аНТИдюна Линза со слабо .(:;:; 2 7/" ::\'\::\ <';:::.\ ;;:;; ;5 ;;;;;; :;::::: Рис. 8.11. Разрушение стоячей волны и образо вание слабо выраженной слоистости, направлен ной против течения [568].
124 Часть 3 20 16 12 rряды (п == 32) 20 16 Бары ( п == 52) ,; 12 .... 8 ::r 4 О 20 Рябь течения (п == 122) 30 50 70 90 110 Индекс "ряби" (длина волны/ высота) . Рис. 8.12. rистоrрамма отношений длина: BЫCO та (индекс ряби) для ряби течения, баров и rряд, сформировавшихся в экспериментальном русле [171]. Обратите внимание на широкий разброс данных для баров по сравнению с рябью течения и rрядами. Эти замечания по поводу коэффициентов трения позволяют затронуть важную про блему использования фазовых диаrрамм донных форм, подобных приведенной на рис. 8.1, в которой придонное напряжение сдвиrа или энерrия потока используется как характеристика транспортирующей способ ности потока. Поскольку прилаrаемое Ha пряжение сдвиrа жидкости можно записать в виде "с == pfu 2 /8 (уравнение (5.7», rде f коэффициент трения Дарси Вайсбаха, р плотность жидкости, й средняя CKO рость потока, леrко видеть, что напряжение сдвиrа является прямой функцией коэффи циента трения. Поскольку коэффициент Tpe ния сам по себе зависит от типа образовав шихся донных форм, придонное напряжение сдвиrа также можно считать функцией типа донных форм [774]. Можно, следовательно, представить себе положение, коrда одна и та же величина напряжения сдвиrа может быть получена при медленном течении по очень шероховатому (т. е. покрытому rряда ми) дну или при быстром течении по очень rладкому дну (т. е. по rладкому дну верхней фазы). Такое явление частично объясняет перекрытие полей rряд и rладкоrо дна Bepx ней фазы на рис. 8.1. Это затруднение мож но преодолеть [774], строя фазовые диа rраммы как зависимость средней скорости потока от ero rлубины для различных диа метров зерен или как зависимость средней скорости от диаметра зерен для различной rлубины потока (рис. 8.13, 8.14). Причины появления подводных донных форм и условия их устойчивости довольно плохо выяснены. Введение в эту проблему теории донных форм дано в приложении 8.1. 130 8в. Донные формы и текстуры, связанные с во.'шениями (см. также rл. 18). Распростра нено ошибочное мнение, будто волны пред ставляют собой водяные буrры, переме щающиеся по поверхности. На самом деле в JПOбой неподвижной точке вода просто 0,6 0,5 00 о/ о 0001.... 0,4 0,3 '" 0,2 >. r:: о 0,1 0,08 о 0.06 0.04 0,1 Рис. 8.13. Фазовая диаrрамма донных форм в координатах rлубина скорость для песков с диаметром зерен 0,49 мм. экспериментыI в pyc ловом лотке [171].
125 Донные формы и осадочные текстуры 0,2 0,2 о :ж: t:1 ... О 11 о 2 0,1 о '" :ж: о :s: \о >. 1:: t... О 1:> 0,05 :ж: t>:: :s: :ж: iE :s: 0,02 Антидюны BepXHero режима потока Рис. 8.14. Фазовая диаrрамма донных форм в координатах скорость rлубина для песков с диаметром зерен 1..14 мм. Эксперименты в pyc ловом лотке. Обратите внимание на отсутствие ряби течения и ее замещение при малых CKOpo стях течения rладким (плоским) дном [171]. поднимается и опускается (рис. 18.2 и 18.14), перемещается только энерrия волнения. Каждая отдельная частица воды, вовлечен ная в волновое движение, охватывающее BO ду до некоторой rлубины, совершает закон ченное круrообразное движение по мере прохождения волны (подробнее это paCCMO трено в rл. 18). На мелководье это Kpyro образное движение превращается в эл липтическое, направленное вниз, так что на поверхности воды в результате действия волн происходит постоянное движение туда и обратно (рис. 18.2). Если rлубина воды дo ста точно велика, такое движение может по лностью исчезнуть. На мелководье такое движение может вызвать напряжение сдви ra, которое должно действовать на поверх ность слоя осадков. Результатом воздействия на дно этих Ha пряжений сдвиrа, вызванных колебательны ми движениями воды, является стимуляция перекатывания зерен при некотором крити 2.0 ческом состоянии волновоrо движения на первоначально плоском дне. Это обусло вливает формирование симметричных (oc цилляционных) знаков ряби волнения; их rребни отличаются выдержанностью в бо ковом направлении, но обладают характер- ной способностью раздваиваться. Рябь вол нения отличается большими колебаниями размеров, поскольку зависит исключитель но от величины волн на поверхности. Длина колеблется от 0,009 м до 2,0 м, высота от 0,003 до 0,25 м, индекс (отношение дли на: BыcoTa) oT 4 до 13. Такая рябь может образоваться на rлубине до 200 м в преде лах континентальноrо шельфа (rл. 22). Коrда достиrается пороr троrания, пере катываемые зерна стремятся скопиться вдоль rребней, задерживаясь на дне, пока не превышен уrол eCTecTBeHHoro откоса. При небольших значениях придонноrо напряже ния сдвиrа rребни невысокие, с широкими, плоскими или слеrка воrнутыми пониже ниями, в которых перемещения зерен не происходит. Эта рябь является устойчивой формой и получила название ряби пepe катывания зерен (rolling grain ripples) [39]. Коrда придонное напряжение сдвиrа воз растает, rребни донных форм достиrают критической высоты, что при водит К обра зованию вихрей (см. превосходную работу [377]) с обеих сторон rребня ряби (рис. 8.15) во время возвратноrо перемещения воды [39]. Вихри вымывают песок из понижений между рябью, наращивают высоту rребня и сильно понижают индекс ряби. Рябь, обра зовавшаяся таким способом, называется вихревой (vortex ripples) [39]. Это обычная симметричная рябь волнения, которую можно увидеть на любом пляже. Ее длина, составляющая л. == 0,65d o , получена экспери ментально [577]. Разрезы через осцилля ционные знаки ряби выявили их BHYTpeH нюю текстуру, образованную слойками, напоминающими нашивки на мундире и по следовательно присоединяющимися к каж дой стороне rребня ряби во время после довательных перемещений вихря (рис. 8.16). Усиление энерrии волнения приводит к TO му, что вся рябь размывается и устанавли вается 2ладкое дно (рис. 8.17). На мелководье вблизи волноприбойной зоны наблюдается суммарное перемешение водных масс в сторону суши, накладываю
126 Часть 3 Только волНовое движение Волновое движение + течение Осцилляционная рябь Рябь волновоrо течения Однонапvавленное Орб,;т ---Н , енuя kJрбитаЛь;;;' е воды .... -- воды .............. __ Вихрь течение . ( .......... tz \ пеС :::' := : I . ( : 1 ..... (/"'.--............................; ..................................... . c"........... ..............., ............. ,. . c .....\ ..... ..... { \\t. ':[ ".' c ..... \ ....................... ...........1' " y; /!; ' Рис. 8.15. Зависимость между транспортировкой песка по дну, покрытому рябью, и действием ор-- битальноrо движения воды с участием и без уча стия однонаправленноrо течения ([468]; пер-- вичные данные из работы [412]). щееся на любую схему волнения на поверх ности (rл. 18, 21). Это при водит к формиро ванию асимметричной ряби волновО20 тече ния (wave current ripples) (рис. 8.15). При этом образуется мелкая косая слоистость, похожая на слоистость ряби потока. Захоро ненные формы можно распознать по индек су ряби [674], так как рябь волновоrо тече ния редко имеет индекс выше 15 (в то время как у потоковой ряби индекс Достиrает 40), а также на основании Toro, что у потоковой ряби редко наблюдается раздвоение rребня. В обстановках, rде действуют и чисто oc цилляционный поток, И периодические вол новые течения .в сторону береrа, может образоваться сложная слоистость с чередо ванием разных типов слоистости (рис. 8.16). 81'. rрубая и тонкая слоистость и сортировка по слою. На рис. 8.18 видно, что между слоями rлины, отложившимися за счет взве си, и песчаными слоями, сформированными при миrрации донных форм, существует полная raMMa переходов. Можно вьщелить 4 типа слоистости, удобные для использова ния: полосчатую (streaky), линзовuдную (lenticular), волнистую (wavy) и флазерную (flaser)1. Такая слоистость (рис. 8.18, 8.19) образовалась в обстановке осцдконакопле ния, коrда чередовались условия течения и застоя воды или коrда поступление ocaд ков имело ритмичный или периодический характер, как на авандельтах или речных поймах. Отложившиеся rлинистые прослои обладают повышенной способностью к переходу в ископаемое состояние, так как им свойственна способность к сцеплению и небольшому, но существенно раннему уплотнению сразу после отложения осцдка. Такие прослои MOryT сильно повысить шансы любой донной формы на сохранение в ископаемом состоянии, если, например, рябь будет «одета» плащом rлины. Нормальная сортировка по Слою (nопnаl grading) от rрубоrо ОСЦДка внизу слоя к тонкому вверх связана со снижением CKO Рябь ВОЛНовоrо течения Однонаправленные косые слойки, иноrда противоположно ОСЦИлляционная рябь нап авле ные lIIевронообразные про слойки ПОК . Неровный . раллельная слоистость, волнистый контакт образованная в условиях максимальноrо приложения .придонноrо напряжения сдвиrа Рис. 8.16. Некоторые диаrностические признаки BHYTpeHHero строения J>яби, образовавшейся под действием волнений l657]. рости потока, коrда частицы большей массы выпадают первыми. Как уже отмеча лось (разд. 7б), сортировка по слою очень чувствительна к КOIщентрации частиц в по токе. Потоки с высокой концентрацией peд ко дают хорошую сортировку по слою. Мы отмечали также наличие обратной сор-- 1 Флазерная текстура своеобразная волни сто слоистая и линзовидно слоистая текстура, rде отдельные желваки и линзочки разделены тонкими волнистыми rлинистыми прослойками и прожилками. Более подробное подразделение дается по количеству, морФолоrии и взаимоот ношениям rлiшистых прослоев. Прим. ред.
127 '" ... :s: o.. .... ;; t: iE ' 10 1 :!: о м'" '" о 0..:':: g 10 2 . 10 2 Донные формы и осадочные текстуры ..... ..... ..... fладкое дно .......... ..... .......... .......... '..... Осцилллционная рябь Кривая Пороrовоrо состояния ДВижения нет 10 1 100 Диаметр зерен d, мм Рис. 8.17. Фазовая диаrрамма донных форм для осцилляционных потоков, обусловленных волне нием [468]. 101 тировки по слою В некоторых сыпучих пото ках (разд: 7б). 8д. Донные формы и текстуры воздушных потоков. Пустынные донные формы, вероят но, одно из наиболее впечатляющих и Mory чих по токовых образований, созданных из рыхлоrо материала. Большая мощность rраничноrо слоя в атмосфере (до 3 км) по зволяет существовать поистине rиrантским донным формам, таким, как драа в песчаных морях Сахары, достиraющим в высоту 1 ()() м.. Как в донных формах водных пото ков, так и у эоловых донных форм, видимо, имеется четкая иерархия [871]. Экспери менты в ветровом туннеле показали, что ти пичная длинная рябь с прямым rребнем, очень небольшой асимметрией и высоким отношением длины к высоте сменяется по мере возрастания транспортирующей спо собности потока более крутыми донными формами, которые. представляются иден тичными подводной ряби течения с извили стой линией rребня [41]. В конечном итоrе все виды ряби сменяются fЛадким дном, коrда интенсивность транспортировки пес ка становится очень большой (показатель интенсивности транспортировки '> 3). В pe зультате образуются песчаные осадки с па раллельной слоистостью. Однако экспери менты в туннеле не MorYT по размаху и разнообразию сравниться с крупными эо ловыми донными формами, существующи ми в природе. Построив зависимость между размерами зерен в самой крупной фракции, составляющей верхние 20% в rранулометри ческом спектре песка, и длиной донных форм, мы можем выделить на таком rрафи ке три отчетливо разделяющиеся rруппы форм [871]. Эти rруппы получили названия ряби, дюн и драа. Отсутствие переходных форм доказывает, что эти rруппы не обра зуются в результате постепенноrо роста (т. е. не представляют собой детское, юно шеское и зрелое состояния). К этому выводу мы пришли раньше, рассматривая водную рябь течения и rряды. Кроме Toro, наблю дается наложение ряби на дюны и драа, дюн на более крупные дюны и дюн на драа. Эоловая рябь (рис. 8.21, а, 8.22) имеет дли ну волны от 0,01 до 20,0 м и высоту от He скольких миллиметров до 1 м. Индекс ряби падает на интервал 12 50. В разрезе, прове денном параллельно направлению ветра, рябь обнаруживает изменчивую асиммет рию. у нее часто короткая, четко выражен ная первоначальная подветренная поверх ность с наклоном, равным yr лу eCTeCTBeHHO ro откоса для песка (,...., 300). Этот склон переходит в более полоrую поверхность, co единяющуюся с впадиной между валиками ряби. Внутренняя косослоистая текстура 102 Косая слоистость ..... Простая .." V ...... -..; Расщепляющаяся Флазерная слоистость Волнистая ....... Волнистая расщепляющаяся ......."" Волнистая слоистость Мощные линзы Часто взаимосвязанные Маломощные линзы. Линзовидная слоистость Мощные линзы Редко взаимосвязанные Маломощные линзы Полосчатая слоистость Рис. 8.18. Классификация флазерной и линзо видной слоистости. Черное илы, белое песок [672].
128 Часть 3 в ЭОЛОВЫХ формах часто отсутствует (рис. 8.22). Этим они отличаются от водных донных форм, поскольку миrрируют не столько блаrодаря обрушению материала на подветренной стороне, сколько в резу ль тате сальтационной бомбардировки (см. ни же). В плане rребни ряби нередко имеют устойчивое простирание, перпендикулярное направлению ветра; однако довольно широ ко распространены извилистые линии rреб ней. Языкообразная рябь, аналоrичная опи санным ранее донным формам, образуется под действием ветров большой скорости на очень тонкие пески. Ч то касается происхождения эоловой ря би, то здесь важно осознать, что за внешним сходством ее формы с подводной рябью скрывается принципиальная разница в Mexa низме формирования [41]. Как отмечалось выше, сальтирующие зерна в воздухе значи .. ............., . ... , :0;., lсм а.............. (6) тельно тяжелее, чем саль тирующие зерна в воде, поскольку отношение плотностей твердоrо тела и транспортирующеrо areHTa здесь значительно выше. Поэтому на по верхности раздела воздуха и поверхности земли обстановка определяется падением и отскакиванием зерен, а не струйками в вяз ком подслое, которые определяют движение на поверхности подводноrо дна. Рассмотрим твердую поверхность разде Рис. 8.19. а образец керна, в котором видно че редование неслоистых rлинистых алевролитов с полосчато , линзовидно , волнисто и изоrну тослоистыми алевролитами; 6 образец керна, в котором слоистость прорезана норками рою щих орrанизмов. Оба образца из вестфальских отложений уrленосноrо бассейна Ноттинrемшир, AHr лия. lсм . . ': , ". "."...,,;..,;tiI>- . ..x .... """",,',;" , <';' , r.; -.' ....... " '\\,. ' ......;; , ........ ,....-f. ......,' . < "..':/JN , ..... : . _ 'fiI "..-о':е." ....A ., ""' "":':':':' .... .w I>i- " ...... .......;.,;-- - ..... -> ! ..,..(:'"'<. :' ""!5' . "'" .......... .. .......... ":;':. ... ' . "'" ''"'''''''''"- :. .. , ...... ......... " . ---м ............. .... ....... "' Y , , . .... .........
129 Донные формы и осадочные текстуры . 2,0 8. 1,0 1:: 0,7 о.. 0,5 0,3 0,2 (СМ) 1 поле.Р б .' . tj ..;.: . . jf ..::.поледюн . " : . \. /.>f /f::' . ..... <'. :.: . :/. ::. Поле драа . -.. .. . 4 16 64 256 10 40 160 640 2560 М ДЛина волны донных фОрМ Рис. 8.20. Поля эоловых форм на rрафике зави симости размера зерен от длины волны донных форм. Полевые данные по Сахаре [871]. ла между воздухом и землей, rде присут ствуют мелкие понижения, обусловленные механизмом выбивания зерен с поверхности или друrИlvIИ причинаlVIИ (рис. 8.23). По скольку сальтирующие зерна приземляются под малыми, примерно постоянными уrла ми в конце своей траектории сальтации, то значительная часть впадин, расположенных выше по ветру (А В), защищена от ударов этих зерен. Отсюда следует, что с отрезка В «стартует» большее количество зерен, чем приземляется на склоне на отрезке АВ. Ta ким образом, впадина на отрезке В уrлуб ляется. Примем, что длина пути сальтации может быть охарактеризована средней или характерной длиной L для сравнительно xo рошо сортированных песков и заданной илыI ветра. Тоrда на расстоянии от А дО В, . равном L, на площади появится слабый OT рицательный уклон, который будет оказы вать воздействие на образование следующе ro склона, и т. д. Наблюдения показывают, что для начала этот процесс стимулируется на исходно ровной поверхности наличием случайно распределенных неровностей. В ходе времени отдельные впадины расши ряются в боковом направлении и соеди няются с друrими. Постепенно вся поверх ность земли покрывается системой устойчи вой ряби. Этот процесс очень похож на слияние и рост уrлублений, вызванных дей ствием струек в подводной обстановке, за счет которых образуются возвышения бла rодаря наличию неправильностей поверхно сти дна, что и обусловливает формирование ряби течения. Если приведенная выше rипотеза спра ведлива, эоловая рябь должна иметь длину волны, примерно равную характерной дли не пути сальтации. Поскольку эта величина растет с возрастанием 'силы потока и разме 9 91 ра зерен, длина волны ряби также должна отражать эту теlЩенцию. Эксперимен тальные данные [41] хорошо соответствуют этим предпосылкам (см. рис. 8.21, а). Рябь в тонких песках, образовавшаяся с по МОIЦЬю описанноrо механизма, называется ударной (impact) или баллистической (ballistic). В зоне высокой аккумуляции ocaд ков рябь может «взбираться» по склонам, как это было описано для подводных усло ВИЙ. В результате образуется наклонная по верхность, очерчивающая rраницы серий [402]. Существуют все возможные переходы между баллистической рябью и крупными образованиями, которые называют хребти ками (ridges) или 2равийной рябью (granule ripples). Эти крупные формы часто сложены rрубозернистыми песками или rравием, слишком крупными для перемещения саль таций [41]. В них может присутствовать rрубая внутренняя косая слоистость вблизи rребня хребтика. Ключ к пониманию reHe зиса этих крупных форм в том, что пески ча сто имеют бимодальную сортировку и включают как rрубые, так и тонкие фрак ции. Тонкие частицы перемещаются сальта цией, и при соударениях их кинетическая энерrия такова, что они MorYT подталкивать более крупные частицы (размеры которых больше диаметра ударяющих частиц в 6 раз), вызывая их прерывистое перекатыва ние или сползание, известное под названием крипа (creep). Рябь, возникающая в ходе это ro процесса, имеет большую длину волны, ПОСКОJlliКУ длина сальтационноrо ПРЬDКка тонких частиц возрастает, если они yдa ряются о более крупные зерна (разд. 6r). He ровности поверхности при этом увеличи ваются, однако крупные зерна на rребнях валиков не MorYT быть сдвинуты с места. Поэтому, раз образовавшись, rравийная рябь имеет теlЩенцию расти в высоту в ходе времени. Эоловые дюны имеют разнообразный морфолоrический облик. Однако возможна простая их классификация на два типа: по перечные и продольные относительно Ha правления ветра [870]. В системах дюн при сутствует и тот, и друrой тип. В районах, rде песок имеется в изобилии, распространены дюны поперечноrо типа с извилистой ли нией rребня (рис. 8.21, б), получившие назва
130 '" «.-- ",.,. ..... ..- , ..,. ,; , ". , . u't' ..... . i-". . . ,,,, .' .,,., ,t. (а) "" .< ......."'......... .' ... . (в) " ;, , . ., , .., (д) . <'1." J' у, (1 , ... Часть 3 " ;. """. .. "" .. "-1'- .-# ' " f :1,- " ",\ ' ' 10см L.............J ..""... .. ,.. , . .,. n ';, .; ''"'' ' :А w ..... :.....:; , .'" :" ,...."". " ',tJq.. i' ..- !"$ . . ) . , '1' '/ / rr;, " . . '= . * .'.' f' .... .5 .:; ;.- . , , l' /$' , t .r AJf # . .'С' I , .. ,'$о (. ,! , ,( j :100 .,ч.. ,.. t ',, - .. '?" /, ...... б : ..<.: (2) :. \" ""f '.. :..'" :-' (е « .х \' ".. '. )о ; "-,, " "> .,;>. I ;;.;, >4-- '\О"''''. - ' ... '" '\. ..... - " .. ::-- ..".., . .. ..... ';.. .... , j. , " ) " -\ '" ; , "'t , '-О . .. .. . , , \ ) , ..' А._. " . t """ .. " , "t "... 4 .
131 Донные формы и осадочные текстуры Направление ветра . [> Ядро валика ряби . . . . . . .. .... '" ....... . . . а. . . . .., '. о" . о" о" . о" '. . . .' :..:..:.....:.:::.:.::: :::':::". ..:. -:.... Рис. 8.22. Зарисовки закрепленных пропиткой образцов, на которых видно внутреннее строение баЛЛистической ряби. Неясная внутренняя TeK стура может иноrда быть выявлена случайным прослоем TOHKoro песка, отложившимся на под ветренном склоне валика при слабом ветре [746]. ние акле. У этих дюн отсутствует фронталь ная поверхность обрушения, ориентирован ная перпендикулярно- локальным векторам ветров и располаrающаяся с подветренной стороны. Блаrодаря им возникают BHYTpeH ние системы косой слоистости. Под дей ствием изменений в направлении ветра и преобразования формы дюн формируют ся поверхности реактивации и ныряющие (крутопадающие) слойки КОСОЙ слоистости. Барханы (рис. 8.21, в) более впечатляющий и широко известный тип дюн. Барханы воз никают только там, rде песка недостаточно. Дюны этоrо типа отделяются одна от дpy rой либо выходами твердых пород, либо He подвижными скоплениями rальки ocтa точными (lag) отложениями. По бокам барханоподобных песчаных холмов. rде BЫ Рис. 8.21. а баллистическая рябь. Видно, что длина волны определяется крупностью материа ла. Мелкая рябь слева сложена более тонким пе ском, подверrшимся действию более слабоrо Be тра, направленноrо под уrлом 900 к ветру, который не затронул более rрубый песок справа [872J; б аэрофотоснимок дюн типа акле (масш таб неизвестен) в шт. Юта [170]; в дюны бар xaHHoro типа, наступающие на rалечную OTMOCT ку. Ла Джойя, Южное Перу [170]; 2 дpaa, включающее наложенные дюны типа акле, BЫCO та драа 30 м. Западный Эрr, Алжир. Фото Дэ видсона; д аэрофотоснимок барханоподобноrо драа (примерно 50 м высотой) с наложенными дюнами. Сахара, Алжир [572]; е аэрофотосни мок «меандрирующих» дюн типа сейф, переме щающихся 110 остаточным отложениям rрубозер нистых песков. Эдейенубари, Ливия [872]. 9* ходит твердый субстрат, интенсивность переноса песка выше, поскольку действие межзерновоrо трения на соударения вслед ствие сальтации здесь ниже. В результате возникают «крьшья» барханоподобноrо образования; это приводит к тому, что по верхность обрушения на внутренней (под ветренной) стороне приобретает воrнутую форму (если смотреть по направлению BeT ра). Внутреннее сложение бархана показано на рис. 8.24. Дюны типа домаль (domal), у которых поверхность обрушения не очень хорошо выражена, образуются при деrрада ции барханоподобных дюн в длительные пе риоды преобладания слабых ветров. Как и следовало ожидать, внутреннее строение барханов характеризуется сложной CTPYKТY рой, сочетающей несколько типов косой слоистости. Продольные дюны часто называют дюна ми типа сейф (seif). В пустыне Симпсон в Австралии отдельные такие формы можно проследить на расстоянии до 200 км. Bыco та их достиrает 50 м, а расстояние между дюнами в ряду равно примерно 500 м. Слияние дюн приводит к образованию форм в виде двузубых вил, причем развилок всеrда обращен против ветра [268]. У HeKp торых дюн типа сейф наблюдаются изви листые в плане rребни (рис. 8.21, е) или спо радические взrорбления. Последняя форма образуется в тех случаях, коrда барханы подверrаются действию ветров, дующих в двух направлениях под острым уrлом друr к друrу. У бархана удлиняется одно крыло, которое затем становится ядром образова ния HOBoro бархана, коrда ветер принимает прежнее направление. В результате обра зуется ожерелье дюн сейф [41], у которых длинные оси ориентированы параллельно результирующей двух азимутов ветра. BHY треннее строение дюн сейф характеризуется
132 Часть 3 (а) Зона "ветровой тени" (6) -.-...........................-.. Рис. 8.23. а первоначальные неровности обри совывают зоны «ветровой тени», защищенные от ударов зерен, приземляющихся после сальтации почти под постоянными уrлами траектории. Уrлубление понижений, образующихся у подно жия теневых зон, приводит к образованию балли стической ряби; 6 длина волны баллистической ряби совпадает со средней длиной прыжка саль тации [41]. бимодальной косой слоистостью, ВОЗНИ кающей в результате причленения обрушив шеrося материала, наращиваемоrо с о их сторон rpeбня (рис. 8.25). При определении rенезиса эоловых дюн не вызывает особоrо сомнения роль завих рений. Отчетливо видно, что воздействие продольных вторичных завихрений у дюн типа акле минимально, но зато.в дюнах ти па сеиф может образоваться дюна вдоль оси столкновения двух вихрей, вращающихся в противоположных направлениях. Тонкие песчинки, склонные к саль тации, выносятся в широкие коридорообразные промежутки между дюнами внутрь массива. Здесь проис ходит аккумуляция и начинает расти дюна в равновесии с ветровым потоком. Наибо лее существенно то, что, раз образовавшись, дюна затем усиливает образование BTO ричных воздушных вихрей. rенезис простой ! . 4 '" 3 2 се 1 О дюны типа акле пока еще не полностью по нятен, хотя часто ссылаются на mпотезу He стабильности, соrласно которой необхо димы крупные исходные песчаные холмы, возникшие как постоянные объекты или свя занные с завихрениями потока. Возможно, что длина волны эоловых дюн связана с «rлубиной» потока (т. е. мощностью rpa ничноrо слоя), как в подводных rрядах. Вполне вероятно (хотя наблюдений, под тверждающих это, пока нет), что длина BO лны таких дюн контролируется расстоя нием между точками возможноrо проявле ния «прорыва», охватывающеrо всю мощ ность rраничноrо слоя ветра, как это, видимо, имеет место для пор;водных rряд. Наконец, мы переходим к rиrантским- формам драа (см. работы [870, 556]), у KO торых длина волны достиrает 650 4000 м, а BыcoTa 400 м. Дpaa cocTaBHыe формы, образующиеся при слиянии наложенных дюн (рис. 8.21, 2, д). В плане драа MorYT Ha поминать тип акле или барханы, часто давая . звездчатые (звездообразные) формы, из вестные под названием рур, которые обра зуются ПОД воздействием переменных Be тров и конвекционных воздушных масс. Для образования драа требуются большие OT резки времени. Условием их возникновения Рис. 8.24. Внутреннее строение барханоподоб ной дюны IIЗ У айт Сэндс, шт. Нью Мексико [555]. Обратите внимание, что внутренние «HЫ ряющие» серии позволяют предположить рост формы от начальноrо ядра, представляющеrо co бой низкие дюны на полоrом склоне песчаноrо холма. I О I 5 I 10 I 15 Основаниедюны I 30 I 20 I 25 I 35 I 45 I 40 Поверхности внутреннеrо ............... раздела серий \\\\\. Косая слоистость
133 Донные формы и осадочные текстуры является также достаточно мощный пес чаный покров, за счет KOToporo может обра зоваться исходное ядро. У некоторых драа есть rиrантские фронтальные поверхности обрушения высотой до 50 М, У друrих они отсутствуют, а вместо них с подветренной стороны развита довольно полоrая поверх ность, покрытая миrрирующими дюнами. Дальнейшие сведения о динамике и BHY треннем строении драа приведены в rл. 19. 8е. Явления отставания донных форм. MHO rие утверждения, высказанные в этой rлаве, основываются на допущении «paBHOBecHO ro» состояния дна, соответствующеrо по стоянному потоку. Однако естественные по токи, как водные, так и воздушные, на протяжении разных отрезков времени не являются постоянными. Так, приливно от ливные течения непостоянны при измерении на протяжении нескольких часов, BeTpo вые нескольких месяцев и недель ([21]). Подводные rряды, которые образуются в результате действия постоянноrо потока, MorYT сохранить свой облик на протяжении HeKoToporo времени после Toro, как поток, ослабев, может поддерживать лишь суще ствование ряби. В области устойчивых rряд при изменении rлубины потока во время подъема и спада паводка изменения длины волны и высоты rряд MorYT не поспевать за Рис. 8.25. Внутреннее строение дюны типа сейф из Ливийской Сахары, по данным шурфовки [557]. I 2м I Масштаб )JJIЯ врезок изменениями характеристик потока. Данные по колебаниям высотыI и длины rряд в зависимости от расхода воды пока заны на рис. 8.26. Обратите внимание на четко выраженное явление отставанuя, или 2ucтерезuса, блаrодаря которому макси мальная длина волны rрядовой формы дo стиrается мноrо позже пиковоrо расхода. Можно представить эту проблему в идеа лизированной форме (рис. 8.27), изобразив ход изменений у и z в виде rрафика, rде они являются также функцией времени. у можно уподобить длине волны rряд, x pacxoдy. Отставание на рис. 8.27,а достиrает край них значений в 900 (ср. рис. 8.26), в то время как на рис. 8.27, б отставание имеет проме жуточное значение. UUирокое распространение rистерезиса в природных обстановках означает, что сле дует очень осторожно относиться к по левым натурным измерениям размеров ДOH HblX форм В связи с существующими в данный момент условиями потока. Необ ХОДИМО изучить также критерии равновесия донных форм. Одним из примеров, не вызы вающих в этом отношении сомнений, является уравнение, связывающее длину BO лны И высоту ДОННОЙ формы с rлубиной по тока (см. выше, рис. 8.10). Большой разброс значений в большой мере объясняется явле ниями rистерезиса, так как фактический Ma териал был собран и обработан до Toro, как значение отставания было широко уяснено. 8ж. Выводы. Донные формы, обуслов ленные действием водноrо потока на дно, сложенное зернистым материалом, обра ."" r'i5;,"""I3';'3i 2'50 ",, ) ..........,.............."'...io O Дюна сеиф 260""'"",. ,o; . 8 8Ом 25;"; :;" 'ij.O ' 6;;-
134 Часть 3 35 +14 +13 30 + 11,+11 i +l r /';10 15 +8 10 +5 o-----. . : 5 о +2 +3 :с О 8' 65 85 95 105 Расход воды х 103 м 3 .c 1 Рис. 8.26. Зависимость колебаний средней длины волны rряды от расхода воды за период в 19 сут. Река Фрезер, провинция Британская Ko лумбия, Канада. Обратите внимание на четко BЫ раженный rистерезис [21]. 115 125 зуют определенную последовательность, связанную с ростом транспортирующей способности потока. Рябь течения, rряды и rладкое дно нижней фазы образуются в тонкозернистых осадках и являются при чиной соответственно мелкой косой слоис тости, крупной косой слоистости и rрубоrо ризонтальной слоистости. Рябь течения не формируется в песках, размер зерен KO торых превышает 0,7 мм; в них последова тельность донных форм включает rладкое дно нижней фазы, бары, rряды и rладкое дно верхней фазы. Антидюны образуются в осадках любой размерности, если число Фруда достиrает критическоrо значения ( 0,8). В настоящее время в литературе roc подствует разнобой по вопросу номенкла туры rряд и баров. Этот разнобой усуryб ляется вопросом об иерархии донных форм и rистерезисе. Донные формы, связанные с волнениями, включают осцилляционную рябь и rладкое дно. Сочетание течений и BO лнений дает rибридные формы. Неустойчи вость потока и изменения высотыI волн во Промежуточное Наибольшее ( о бl oкт..aн + 1' 0 1 отставави. + 'lJ rt.; х х х Рис. 8.27. Общая картина колебаний значений х как функции TaKoro же значения у, если обе Be личины являются функцией времени [21]. времени вызывают чередование тонкой и rрубой слоистости. Донные формы воз душных потоков включают баллистическую рябь, rладкое дно, дюны и драа. Последние два типа формируют очень крупные образо вания, давая начало сериям и сочетаниям ce рий крупной косой слоистости (см. дальней ший разбор в rл. 1 З). Теория донных форм переживает период становления и испытыI вает затруднения в связи с обилием факти ческоrо материала, накопленноrо в резуль тате экспериментов в небольших русловых лотках и воздушных туннелях, который cy щественно противоречит данным, co бранным при изучении естественных пото ков. Серьезные затруднения при исследова ниях в природных условиях возникают из за явлений неустойчивости потоков и rистере зиса донных форм. Литература, рекомендуемая для дальнейuuеrо чтения Донные формы и текстуры осадков рассмотрены Алленом [12, 16]. Связям донных форм с турбу лентностью посвящены интересные статьи [866, . 416], а также соответствующие rлавы ряда работ [661, 884]. Диаrраммы донных форм приведены в работе [774]. Вводные данные по теории волн можно найти в rл. 18 настоящей книrи. Донные формы и текстуры эоловых песков рассмотрены Бэrнольдом [41] и Мак Ки с соавторами [557]; в работах [870, 871, 872] великолепные обобще ния сочетаются с прекрасными фотоrрафиями из космоса. Лучшее введение в проблему rистерези са донных форм можно найти у Аллена [21]. Мноrие типы осадочных текстур описаны и вели колепно иллюстрированы Петтиджоном и Пот тером [634], а также Коллинсоном и Томпсо ном [168]. Разнообразные методы изучения осадочных текстур в уплотненных и рыхлых осадках см. в работе [104]. Приложение 8.1 Замечания по теории донных форм. водных потоков В качестве введения в эту область рассмотрим четыре простых вопроса. 1. Почему рябь формируется вблизи области пороrовых условий потока? В этом важную роль иrрают мrновенные серии прорывов заметов в вязком подслое [866]. Срыв зерен во время п рыва сменяется их отложением, коrда жидкость замедляет свое движение во время замета. По всей поверхности песчаноrо дна, искусственно
135 Донные формы и осадочные текстуры сrлаженноrо перед началом эксперимента, обра зуются незначительные неровности блаrодаря скоплениям отложившихся зерен высотой в 2 3 диаметра зерна. Некоторые из этих скоплений Ha чинают действовать на структуру потока, обусло вливая на своих нижних по течению склонах явле ния отрыва и присоединения потока. Эти скопления увеличиваются в размерах и разрас таются вниз по течению, так как турбулентность в M CTe присоединения потока (rл. 5) начинает размь вать больше материала, чем поток может унести. Поэтому ниже по течению образуются новые скопления, что в свою очередь приводит к отделению потока и т. д. Так образуется мa ленькая рябь, которая срастается и взаимодей ствует по всей поверхности дна. Через час или два возникает ассоциация знаков ряби, находящаяся в равновесии с потоком. Причины, обусловли вающие размер ряби, образующейся в paBHOBec ном состоянии, остаются неизвестными. 2. Почему рябь не образуется в rрубых песках? пределыI образования ряби течения (крупность примерно 0,6 мм) совпадают с исчезновением yc ловий для существования rладкоrо дна у пороrа троrания (rл. 6). Рябь не может образоваться при значениях шероховатости от переходных до больших из за слабоrо развития исходных явле ний формирования разноскоростных струек и подавления явлений отрыва потока при rрубой шероховатости [496]. В таком случае исходно BЫ ровненная поверхность сохраняет устойчивость. 9 3. Почему рябь и rряды различаются по физи ческому масштабу? Популярна rипотеза о том, что рябь течения контролируется непосредствен но условиями потока в вязком подслое (см. BЫ ше), в то время как rряды обусловлены процесса ми, действующими во всем турбулентном слое [884, 415]. rлавным доказательством в пользу этой rипотезы является корреляция длины волны у rряд со средней rлубиной потока (рис. 8.10). Это доказывает, что расстояние, через которое вновь повторяется rряда, KaK TO связано с длиной распада крупномасштабных «прорывов» турбу лентности при их движении вниз по течению че рез всю мощность водноro потока. 4. Что определяет устойчивость rладкоrо дна верхней фазы? Утверждалось, что существует He кая критическая КOJщентрация зерен в слое вле комых наносов, которая заметно снижает турбу лентность потока вблизи дна, поскольку извест но, что присутствие значительноrо количества зерен снижает турбулентность. Из за этоro CTa новится невозможным отрыв потока у неболь ших неровностей дна, который Mor бы обусло вить образование ряби или rряд. Это продол жается до момента, коrда концентрация зерни стой составляющей в смеси жидкость зерна упадет ниже критическоrо значения (около 0,1). Тоrда турбулентность в месте присоединения по тока начинает активно размывать зерна, а это приводит к разрастанию небольших неровностей в рябь и rряды [25]. Донные формы, обусловленные эрозией связанных осадков 9а. Водная эрозия связанных осадков. Ocaд ки, сложенные материалом rлинистой раз мерности, обладают связанностью; связи между частицами rлинистых минералов обусловливаются наличием адсорбирован ной пленочной воды. Кроме Toro, в свежеот ложившихся илах связанность часто вызы вается и электростатическими силами при тяжения. rлинистые частицы несут электри ческий заряд, возникающий в результате обменной реакции при замещении иона АР + ионом Mg 2 + . Аналоrичным образом в каолините может происходить замещение иона Si 4 + ионом A1 3 +. Силы притяжения между rлинистыми частицами внекоторой степени зависят от существования неболь шоrо положительноrо заряда на ребрах rли нистых пластинок. Если частицы располо жены очень близко друr к друrу, блаrодаря зарядам, существующим на ребрах и пло ских поверхностях rлинистых частиц, обра зуются цепи электростатическоrо типа (рис. 1 1.1). Соотношение между силами OT талкивания, обусловленными отрица тельными зарядами на плоских поверхно стях частиц, и силами притяжения BaH дep
lЗ6 Часть 3 Ваальса приводит к Koary ЛЯЦИИ или диспер.. rированию (rл. 1 1). Для этих явлений существенное значение имеет большая площадь поверхности rли нистых минералов (rораздо большая, чем, например, у KBapueBoro песка Toro же объе ма). rлинистые минералы часто ведут себя как коллоиды, rде силыI притяжения имеют не очень большое значение. Koary ля ционный эффект возрастает при повышении содержания электролитов, увеличении Ba лентности, повышении температуры и при уменьшении диэлектрической постоянной, размеров mдратированных ионов или зна чения рН. Ориентированное давление, при ложенное к тонкодисперсной rлине, может передаваться с помощью электрических сил, так что при этом между частицами не будет существовать непосредственных контактов. В коаrулированном rлинистом материале частицы контактируют друr с друrом, и ориентированное давление реализуется так же, как в зернистых arperaTax. Поведе ние природных rлин обычно носит проме жуточный характер между этими двумя co стояниями (rл. 11). Весь вышеизложенный материал rоворит о том, что эрозия rлинистых осадков пред ставляет собой сложный процесс. Так, Ha пример, следует ожидать, что критическая скорость эрозии для rлинистых осадков должна в значительной степени зависеть от концентрации электролита. Это подтверж дается экспериментами с добавлением NаNО з разной концентрации в лишенную ионов поровую воду чистых каолинитовых илов. Добавление соли значительно увели чивает критическое значение эрозионной силы [662]. Большую роль иrрает консоли дация, при водящая к увеличению связанно сти осадков с rлубиной; таким образом, эрозия поверхности осадка, обусловленная течением, на большей rлубине в бассейне может сменяться стабильными донными формами. Дать общее заключение о значе ниях критической эрозионной силыI невоз можно без предварительной информации о составе rлинистоrо осадка и флюидов, ис тории осадконакопления. В частности, экс периментальные данные по пресноводным rлинистыIиламM едва ли приложимы к MOp ским обстановкам. Как . только критическая величина эро зионной силыI будет превышена, начинается эрозия каолинитовых rлин плоскоrо ложа с образованием трех типов форм по мере увеличения интенсивности потока [14]. He большие продольные бороздки и zребни имеют среднюю длину 0,5 1,0 см. На xopo шо изученных примерах было установлено, что rребни отличаются заостренной фор мой и чередуются с широкими бороздками, характеризующимися круrлыми очертания ми в поперечном сечении. Мельчайшие бо роздки, образовавшиеся при расширении потоком следов воздушных пузырей в rли нистом осадке, rоворят о структуре придон Horo потока, о существовании пары проти воположно направленных завихрений, xa рактерных для нижнеrо вязкоrо слоя (rл. 5). Размер текстурных форМ соrласуется с pac четными данными, полученными по ypaBHe нию (5.26). При небольшом увеличении CKO рости потока продольные бороздки CMe няются «меандрирующими», что rоворит о поперечной неоднородности давления, действующеrо на нижележащие слои. Эти бороздки приводят К образованию rлубоких штопорообразных эрозионных отпечатков и MorYT постепенно превратитъся в xapaK терные ложкообразные уrлубления, назы ваемые следами выемок (flute marks) (рис. 9.1). Выемки MOryT образоваться TaK же из за дефектов поверхности ложа или представлять собой следы ударов (рис. 9.2). Они возникают в результате разделения по тока на краю первичной впадинки (рис. 9.3). Воссоединение потока создает высокое тyp На вет репная А Подветренная сторона В С Срединный rребень D Рис. 9.1. Морфолоrия идеализированноrо отпе чатка выемки в связанном субстрате [18].
137 Донные формы и осадочные текстуры "J.. . '. ... (а) _ (8) ) (2) ., ; , . '<# J J " ,, 1 .! I . .1' " <.: .. \, t ". < Рис. 9.2. Слепки показывают, как из первичноrо мелкоrо дефекта поверхности ложа развивается выемка (6 з). а образования, сформировавшие ся в результате воздействия водноrо потока (средняя скорость 0,4 м/с) на rлинистый осадок ложа [18]. 2см t.............. .... ,.# (д) i (3) /f" t ' J I J J: 1<. " - . (е) J " .,' J f J .j ) J , .'\. .. " ..." ',- \ ". j J- .; ' i ;- t 1.... ."
lЗ8 Часть 3 булентное давление (rл. 5), обусловливаю щее уrлубление и удлинение выемки. В зре лой выемке наиболее rлубокая часть Haxo дится несколько выше по течению от точки воссоединения потока, там, rде происходит циркуляция водяноrо пузыря. Формы Bыe мок бывают самые разнообразные (рис. 9.4) [18]. Следует отметить, что все рассматриваю щиеся эрозионные формы MOryT формиро ваться в результате только воздействия дaB ления воды; НО В образовании их в природных условиях, по видимому, принимают участие и взвешенные частицы, и материал твердоrо стока, и первичные дe фектыI поверхности ложа. В лабораторных экспериментах оказалось невозможным воспроизвести такие удиви тельные образования, как крупные про дольные борозды, называемые следами пpo моин (gutter marks). Их протяженность может достиrать одноrо метра и более при rлубине до 20 см. На склонах этих образова пий MOryT наблюдаться выемки или следы предметов. Пространство между ними бы вает совершенно плоским и почти не несет следов эрозии. Следы промоин, возможно, образовались в результате воздействия крупных вторичных потоков (rл. 5). 96. С.lеды предметов. Обломочный мaтe риал может переноситься потоком, ocтaB ляя разнообразные следы ударов на связан ном субстрате, или же волочиться по дну. Иноrда удается определить, каким предме том оставлен след, как, например, в случае сальтации вытянутыIx прямых раковинок, перекатывнияя раковин аммоноидей или вo лочения стебля. Сохранившиеся слепки предметов MOryT служить индикаторами па леотечений, что особенно важно в тех слу чаях, коrда первичный след подверrался бо лее поздней эрозии; в некоторых случаях следы предметов MOryT оказаться причиной образования таких форм, как шевронные знаки. Рис. 9.3. Линейный рисунок, образующийся в pe зультате поверхностноrо трения на слепке круп ной модели идеализированноrо оmечатка BыeM ки. а, в B плане; 6, 2 ВИД сбоку. Обратите внимание на разделение струй потока и на линию их воссоединения [18]. ., .' ' . 1 1 . . I I 1\ ' f ..' . . \. \ J j ) '" . .' , .\ . . \ \ . .- f i ' · J ,1 \' " \\ . , ii': ".', . ;./ I 1. ' "0 ," i " ' , - ' -t t I .' " \" \\ н. \' . . " ., 'J' , " 1, t . I j . . t J ,. . " ,1 1. 1"" , 1 ': . '/', .' . . . & . 1."'" -\ . \ . , . ) . I , . I . "..... . I . . t · I . ! ,1: · · . . , (6) (в . . . . (z) I , j
139 Донные формы и осадочные текстуры Сrpуппированные скомения Роеподобные ПРОДОJ/ЬНОВЫТЯНУ Диаrонапьновытяну V \JjtJ V Ij ' "Y.- vv тые"" v .., -.v \J VV f/v v V Vv VJ "\ "'fft YJ tJ V..y " v \ V V 1I J V v:'fJ " V v Jlv VJV '(j W "':/.:1- '--' '-..../ \..J '-..../ .....J '--' '-..... Рис. 9.4. Основные типы скоплений и морфоло rии отпечатков выемок в природнь условиях [18]. 9в. Выводы. Формы ложа в связанных ocaд ках образуются в результате эрозионноrо 10 воздействия турбу лентноrо потока с уча стием или без участия переносимых зерен. Выемки, следы предметов и продольные бо розды разноrо размера сохраняются в виде слепков в результате их последующеrо за полнения крупнозернистым материалом. Литература, рекомендуемая для дальнейшеrо чтения Аллен [18] приводит результаты теоретических и экспериментальнь исследований происхожде ния эрозионных форм ложа как в илисть ocaд ках, так и в литифицированных отложениях и дает их характеристики (эта работа содержит также раздел по фестончатым формам пещер). MHoro превосходных иллюстраций по эро зионным формам ложа в илистых осадках имеет ся в работах Дзулински и Уолтона [229] и Пет тиджона и Поттера [634]. Краткое введение в биоrенные и орrаноrенн осадочные структуры и текстуры lOa. Строматолиты. Слоисто водорослевые структуры, называемые строматолитами, в настоящее время наиболее широко pac пространены в очень мелководных морских инеморских обстановках осадконакопле ния. Они характерны для мелководных суб литоральных и супралиторальных зон MOp , ских тропических и субтропических карбо натных обстановок, хотя в последние rоды их все чаще обнаруживают вдоль береrовых линий, сложенных кремнисто кластическим материалом [729, 322]. Микроморфолоrиче ски поверхность строматолитовых построек разнообразна и зависит от слаrающих их водорослей и от занимаемых ими эколоrи ческих позиций на данной площади [514, 454]; никаких общих закономерностей, KO торые можно было бы использовать при сравнении различнь площадей их распро странения, не обнаружено. Положение крупных строматолитовь построек OTHO сительно уровня моря зависит от степени их увлажнения, частоты обнажения над поверх ностью воды и интенсивности волновых Te чений. Текстуры, сложенные водорослями, MorYT быть пластинчатыми, пузырчатыми, полиrональными, сферическими, сильно BЫ пуклыIи,, столбообразными и утолщенны ми на одном конце (рис. 10.1, 10.2). Внутреннее строение строматолитов дает диаrностические признаки слоистости, KOTO рая может близко соответствовать Ha ружным поверхностям роста (рис. 10.1,а). Слоистость создается за счет связанноrо и уловленноrо осажденноrо карбонатноrо вещества и кальцитизированных или opra нических нитевиднь сине зеленых BOДOpOC .ией [581, 626]. Современные морские CTpO матолиты преимущественно мяrкие и нели тифицированные, а мноrие озерные пресно водные формы целиком или частично кальцитизированы [581, 340]. Связывание
140 . .... *. .... ....,. (д) ., /'" t I :"," ' ... ' " ',.' .. ,о, " '1. ,,,,\,,'.. ; , ''',$(' , , . ' 'J, . '. "' '! .' ,. , .. ."., :..,,, >. . ,.."', ' ,.... , j.y :.. ,... . .... .. . '1-..... . !.: ."\ Часть 3 -( . .. "" '.#;;' ... <', -,-/ ',О .<$ , ... -..: ..... " t . '.' .- .". ,'.' .. ;.» .. ... .......:... . .: ...- I '... .' "" °r J. ,,,...,,........'\-.. ... r.'. }J, . . , '.. "( , . ". ! :...' . . ... . N..... .. .. ........ O ". " .. ....... .- .... .. ...: .... о ..... с'" .. '" ......... -:: . ,:i.,", ... . о" .. :.. :. .... ... ,_ ,. h .. ..(fI/fI' , . >:. 1# (в) :"., '.. + "..1, - -............"..-.... ...... >>OfjII< ..... .... .,. ... . i .. -- к' .' . ;., .' .. ;. ,... ."", ... .... -i / :. .! '....... , ,,,/' · Jt..... . ';;. ;. ....-- '" ::. ., . '. "'";p' " " .: ""'" ..... ,. j , -. (2) " . .. ",. .......... т " .. h:r... . . .. ' . . : d . :.._ . ' '. F:;[ c: , .'; '... '>..' ' . db; .,:,..,. . < . ..... .... I : .. . .. 08W"' ..;,. ,;' .:'\- '.: ", ..... :' ,::. . "..:. ' .е ,,,,, "'« ,.::.... ' ., ....... .. ....' .... ..? , . '. :
141 Донные формы и осадочные текстуры осадочных частиц происходи,Т в основном за счет ниточных сине зеленых водорослей Schizothrix при наличии друrих родов. Cy точные ритмы роста, периодические фазы осушения, штормов, приливов и отливов OT ражаются в наложении контрастных слой ков, состоящих часто из обоrащенных мине ральным веществом и обоrащенных BOДO рослями слойков. Включение осадочных частиц в строма TO литы может быть крайне избирательным процессом. Избира тельность процесса, а также характер осаждающихся карбо на тных частиц, образовавшихся почти OДHO временно с осаждением или на очень ранних диаrенетических стадиях, обусловливают резкое отличие строматолитовоrо строения от текстуры подстилающих или латерально сменяющих их эквивалентных детритовых карбонатных осадков 1. Раннедиаrенетиче ские процессы, часто способствующие бак териальному выщелачиванию под CTpoMa толитовой поверхностью, моrли привести к растрескиванию и уплотнению водоросле вoro настила [626] и осаждению микрокри Рис. 10.1. а rладкие правильнослоистые BOДO рослевые строматолиты из нижней приливно от ливной зоны побережья Омана. Переслаивание обоrащенных водорослями (темные) и мине ральным веществом (светлые) слой ков. Деление масштабной линейки равно 10 см (фото Р. Тил ла); 6 пузырчатые водорослевые строматолиты из средней и верхней приливно отливной зоны побережья Омана (фото Р. Тилла); в крупнораз мерный полиrональный водорослевый мат с при поднятыми ребрами и участки роста пузырчатых водорослей, побережье Омана (фото Р. Тилла); 2 Срез rладкоrо водорослевоrо мата, нарушен Horo полиrональными трещинами усыхания. По казаны приподнятые ребра в мноrоуrольниках и периодическое «залечивание» трещин (фото Р. Тилла); д литифицированные строматоли товые столбы, асимметричные в направлении MO ря, залив Шарк, Западная Австралия (фото Р. Харриса); е литифицированные строматоли товые ребра в обнаженной высокоэнерrетической приливно отливной зоне в заливе Шарк, Западная Австралия. Ребра разделены скелетными карбо натными песками и вытянуты параллельно Ha правлению распространения волн (фото Р. Xap риса). 1 См. сноски В rл. 23 к разд. «Баrамские водорослИ». сталлическоrо араrонита и доломита [190, 295]. Строма толитам в широком смысле мож но дать следующее определение: «слоистыIe структуры, сложенные специфическим ocaд ком и(или) осажденным карбонатным веще ством, образовавшимся в процессе роста орrанизмов, метаболизма и растрескивания наслаивающихся водорослевых пленок или корок» [511, 493]. Хотя все современные строматолиты оби тают в очень мелководных условиях, вполне вероятно, что в rеолоrическом прошлом, и особенно в докембрии, они занимали Ha MHoro более широкий спектр эколоrических ниш. Этот вывод следует из данных фа циальноrо анализа и их способности к KOH куренции. В настоящее время можно соrла ситься с тем, что обитание водорослевых строматолитов оrраничено наиболее блаrо приятными приливно отливными зонами морских обстановок, поскольку на вoдopoc левом илистом rpYHTe обитают такие мноrоклеточные ХИII.U:lики, как rастроподы. Никаких подобных хиII.U:lИКОВ не может быть обнаружено в докембрии, и, следова тельно, водоросли моrли развиваться во всем диапазоне морских обстановок ocaдKO накопления в пределах эвфотической зоны [293]. Друrая rипотеза (Клемми, личное co общение) базируется на том, что основная перестройка типов строматолитов происхо дит между морскими и озерными обстанов ками. Мноrие докембрийские морские CTpo матолиты представляли собой кальцитизи рованные корковые формы; при этом нет никаких свидетельств наличия осадков, за хваченных или связанных студенистыми однониточными водорослями. Однако в Ha стоящее время мноrие озерные и речные строма толи ты кальцитизированы, а MOp ские нет. Таким образом, потенциал coxpaH ности строматолитов блаrодаря их каль цитизации изменялся в rеолоrическом прошлом. 1 Об. Следы ископаемых и скорость ocaДKO накопления. Следы ископаемых имеют большое преимущество перед обычными ископаемыми орrанизмами в том, что они обычно встречаются на месте образования. При прочих равных факторах интенсив ность нарушения первичных осадочных TeK
142 ' "jo... б ,'А .....!.. . . . ,.; .. ",,', . "..'\.." ... ' . "".... ... : .", ... .""'" "ф ,,' Часть 3 У. '..wA .< ,.... ""','7111' > . .. .''' ' , ':' , , ';:'. .t' ...... '4 -4 . .' " *" . .....;. '(. ":"'" ".': \' '.., V_ . " (а) .-.;'- '. .\', , '. . ,-\..' .. .. .. '''''. "''',' ...",:: J... ,.. ... ,. .. "".... " . . , ., :1 .,.. :... · t -1 .. . 'ч .\' . " .s.. "" 5 см" ... с.. .... . , ; ,.;.". ,... ) .. . t .., " :.... . ;,:,. -:,*' '. '" ..,,' .' '........ "" ..)о" .... . ...; .* '\:. . .:,,; .... " "'..., . .: ' ,,- .. . #' . ? . ., А ", :\ '.' .. " .,' "'.' ... '. }J>, " , ., :t . - "'. , ". . *'!i;...... ' , , , ..,. ' .. ':-" iiJ'. ... ''Ф' ""... ."".. ... '1'" '""'" "...' .... ..",,:,: ,#. -;; ";. ',' ,.: <, ; : , ......., ,. ........ .",'.. . .... .: : _ ,. ,""'V .. 4Ikc i-_",< "" А. , ,\i",,( , Т. 7/ ,,..' " " v..."" ' , " : ,'!"-'. ,;:- , '... .. . . ..". . i: ' " .. , .....'''f!... , ...... ,",' '" " '.. . l' V. " ф" . . "" A '.'" '. ...... " JI! ,.,. ..,.. ....... " ,.- ".. ". " . :.r.' '"' .. . ('. ',', ,::'f.' '" .,...... .., >; ....- '"', , ,*:;.....,.i, ' "" ... , . , . ...., ,...' _. · l . ..'" It F ,. . .... "... ..;, .. t" .,""' .;....... ... ............... , ... ..... ;, - '!: }, .... " '\1 . , ...... ,:J::", :: ";:,;. ..... ... '. . .."'" ........ " .. . " it- ' '..... . . .., - . ...;; . ..'" .У "" .. . ... . -". ,' '"'... :: ......, . ":0' '''';''' ........ ...; ""- tfI ",...... ... .. .' " '" lсм . . " .... . *; i ! ,', .} .' i' в)
143 Донные формы и осадочные текстуры стур возрастает в результате активности за рывающихся орrанизмов при уменьшении скорости осадконакопления. Это лучше Bce ro видно при сравнении быстро накапли вающихся осадков литоральных кос с peд кими следами ходов (см. rл. 21) с соседни ми, HaMHoro медленнее накаплива ющимися осадками приливно отливной отмели, силь но биотурбированными. Биотурбация леrко устанавливается в четких тонкослоистых осадках, но может быть недооценена в ro моrенных осадках или в осадках, испытав ших интенсивную биотурбацию, в резу ль Ta те которой первичный тонкослоистый oca док полностью превратился в rомоrенный. В последних случаях установить первичную слоистость помоrает рентrеновский анализ. Быстрое осадконакопление может быть установлено в осадочном разрезе по ходам 6е2ства, которые представляют собой Bep тикальные ходы, оставленные поrребенны ми под осадком животными, коrда они под нимались обратно к разделу осадок вода. Яркие примеры встречаются в штормовых rоризонтах дальней зоны прибрежья rель rоландскоrо залива CeBepHoro моря. Здесь мелкие rастроподы рода Н ydrobia, обитаю щие в литоральной зоне, были вынесены в море штормовой волной и засыпаны слоем песка толщиной в несколько сантиме тров. Пробоотборниками теперь обнару жены их штопоровидные следы беrства, дo ходящие обратно до раздела осадок вода (рис. 10.3). Вскоре последовала их траrиче ская rибель, поскольку rастроподы BЫHY ждены были покинуть свою эколоrическую нишу в приливно отливной зоне [676]. Седиментолоrи, как правило, мало обра щают внимания на периоды эрозии в oca дочном разрезе. Тонкое взаимодействие Рис. 10.2. а единичная литифицированная CTpO матолитовая «rолова» с пузырчатыми формами роста водорослевой пленки. rолова сложена ни тевидными водорослями и скелетными обломка ми, сцементированными араrонитом (COBpeMeH ная форма из залива Шарк, коллекция BaH дep rраафа); б плоскость напластования, занятая наклоненными вбок куполовидными CTpOMaTO литами, динант, Чиппинr Содбери, Сомерсет, Анrлия; в срез через наклоненный вбок куполо видный строматолит, формация Сахароним (юра), антиклиналь Рамон, Израиль. сменяющихся периодов эрозии и ocaдKOHa копления хорошо вир:но на ископаемых сле дах движения вверх и вниз, как, например, на U образной формы ходах зарывающейся в rpYHT Diplocraterioп уоуо (рис. 1 0.4). За rнутые вверх слойки (утолщения), образо ванные в основании трубки, отмечают по следовательное положение основания хода, и вместе с эрозионными поверхностями они дают мноrо информации о периодах эрозии и осадконакопления [306]. Идентификация ископаемоrо следа как хода сверления, проделанноrо в литифици рованном осадке, дает ценную информацию относительно времени литификации. Такие структуры широко распространены в зонах ранней диаrенетической цементации в из вестняках, называемых хард2раундом. Cpe зание ходов сверления может свидетель ствовать о периоде эрозии хардrраундов после литификаuии (rл. 29). 10B. ВЫВОДЫ. Нарост водорослевых пленок на поверхности осадков создает BHYTpeH
144 Часть 3 ' : .':'1. Э озия - О ' . ,. . :, Эрозия fIW К i на е ние. m ... .'. ... .... .. 00 >:."...:. ,.........:. ...:. : 1 ..' '.. .. "0 '.. о:: .'. ...... ....0 1 2 2 3 lа 2 3 ( С во60дный ) (Свободный) нюю слоистость осадков и наружные формы роста, которые образуются в co ответствии с эколоrическим положением, физико химическими и биолоrическими факторами. Кальцитизированные слоисто водорослевые текстуры имеют особенно высокий потенциал сохранности. CTpOMaTO литы наряду с друrими свидетельствами xa рактера осадконакопления (см. rл. 23) MorYT дать ценную информацию об обстановках осадконакопления в прошлом. Отложившиеся осадки, особенно фанеро зойские морские осадки, представляют co бой блаrоприятный rpYHT для зарывающих ся и обитающих на поверхности беспозво ночных живоmых, которые в результате жизнедеятельности биотурбируют ero. Ис копаемые следы дают ценную информацию о скорости, а также об обстановках ocaДKO накопления. 11 Осадко накоiпiениё О. . ЭРОЗИОНflЩf .': .. . . . . о . . поверхност . .' :, . Р lвающие есч IН ИКИ ,:.'.;, .:.;:;.> ; 1 la 2 3 3а 1 lа 2 3 3а (Свободный) Рис. 10.4. Диаrрамма, на которой показано, как колония Diplocraterioп уоуо реаrирует на периоды эрозии и осадконакопления. Последние ходы и образованные внизу ходов утолщения дают дo статочно информации для реконструкции исто рии образования осадка [306]. Литература, рекомендуемая для дальнейшеrо чтения Фундаментальный труд по строматолитам пред ставляет собой моноrрафия под редакцией Валь тера [847]. Баrамские строматолиты ярко опи саны в работах Монти [581] и Харди [340]. Строматолиты Тракийскоrо побережья в Пер-- сидском заливе описаны Парком [625, 626] и Кинсманом и Парком [454], а эффектные KOM плексы в заливе mарк Лоrаном и др. [514, 515