Транспортировка осадочных пород

При транспортировке продукты разложения кристаллических пород подвергаются первоначальной дифференциации и вследствие сортировки и механических изменений теряют черты исходных пород, но в то же время ряд формирующихся осадочных образований приобретает новые специфические особенности. Растворимые соли выносятся в растворах, и часто они преодолевают огромные расстояния, прежде чем примут участие в образовании хемогенных осадков или органогенных известняков. Нерастворимые продукты, образующиеся при разложении неустойчивых минералов, обычно представлены тонкими и чешуйчатыми кристаллами; такие продукты, благодаря их физическим свойствам могут переноситься на большие расстояния и выпадать с образованием глинистых осадков. Наконец, кристаллы минералов, устойчивых к выветриванию, переносятся в более или менее неизмененном виде и осаждаются с образованием песчаных пород.
Осадочный материал перемещается с потоками воды, воздуха и со льдом. Хотя в задачу этой книги не входит детальное ознакомление с транспортировкой, вкратце рассмотрим основные моменты этих процессов, особенно транспортировку в воде.
Течения бывают как однонаправленными, как в речных руслах, так и со сложно чередующимися направлениями, как это обычно имеет место на морских шельфах. В речных руслах природное движение воды — это неустойчивый неоднородный поток. Числа Фруда — это эмпирические безразмерные параметры, рассчитанные на основании глубины, средней скорости потока и сил гравитации, они используются для количественной характеристики состояний потока. Спокойное или субкритическое течение, какое может быть сразу же после водобойного колодца, характеризуется числами менее 1, тогда как быстрое, или сверхкритическое, течение, как в водопаде, характеризуется числами больше 1. Неустойчивость в потоке возникает из-за кратко- и долговременных вариаций в величине стока и может быть количественно измерена по скорости воды в данной точке. Неоднородность потока отражает величину изменения скорости, определяемой вдоль линий потока. Это воображаемые линии, соединяющие ряд частиц в движущейся воде в данный момент. Изменение скорости обусловлено вариациями ширины, глубины и уклона потока. Течение ускоряется при сужении русла и уменьшается в тех местах, где русло становится шире.
Линии потока в руслах имеют обычно сложную форму; они дивергируют и конвергируют или принимают почти круговую форму из-за неоднородностей в строении дна. Движущиеся песчаные рябь и дюны представляют собой типичные примеры отражения неоднородности дна (или гидравлической неоднородности), которая нарушает однородность потока и таким образом контролирует количество осадочного материала, находящегося в суспензии. Неровности дна также способствуют возникновению турбулентности, которую можно рассматривать как неупорядоченные вихри, наложенные на главный поток. Эти вихри (водовороты) генерируются относительно интенсивными сдвиговыми усилиями, как в том случае, когда потоки или струи пересекают гребень и крутой передний склон асимметричной ряби или дюны. Такие вихри имеют важное значение для временного поддержания материала во взвешенном состоянии.
Турбулентность часто выражается с помощью другого эмпирически определяемого параметра — числа Рейнольдса, которое выводится из соотношения между силами инерции и вязкости. При низких числах, менее 1000—2000, поток обычно ламинарный, причем отдельные соседние участки потока движутся рядом без заметного перемешивания. В таком потоке алевритовые и песчаные зерна равномерно катятся по дну и ряби образуется мало. При больших числах Рейнольдса возникает турбулентный поток и происходит смешивание слоев потока, что приводит к перемещению частиц скачками с длительным периодом нахождения частиц в суспензии. Алевритовые и глинистые частицы при этом легко удерживаются во взвешенном состоянии.
Способность потока перемещать зерна в значительной степени зависит от увеличения турбулентности течения и степени неоднородности дна, так что сдвиговое напряжение у дна, которое вовлекает зерна в движение, может возрасти в три или четыре раза. Это играет важную роль для подъема со дна тонкого алеврита и глинистых частиц. Эти частицы перемещаются с большим трудом, чем песчаные зерна, так как они легко дают связанные агрегаты и обычно прочно прилипают ко дну. Для подъема ила со дна требуются сравнительно высокие сдвиговые напряжения, хотя этот подъем, вероятно, облегчается абразивным воздействием более крупнозернистого материала, уже находящегося в суспензии.
Как только ил оказывается во взвешенном состоянии наряду с частицами других размеров, частицы начинают подвергаться гидравлической сортировке по их размеру, форме и плотности. Этот процесс может привести к образованию таких отложений, как остаточные галечники и россыпи.
На равнинах приливной зоны между приливно-отливными руслами размер зерен осадков в общем уменьшается в направлении от русла через равнину и к маршам. Постепенное уменьшение скорости потоков приводит к ослаблению их мощности и несущей способности, так что сначала осаждается самый крупный материал, а в конце — самый тонкий. Когда преобладает отложение самого тонкого материала в самых внутренних зонах близ отметки высокой воды, то имеет место постепенное накопление материала и распространение в сторону моря соленых маршей и высоких приливных равнин. Такая ситуация наблюдается в заливе Уош в восточной Англии. Отставание осаждения, или лаг осаждения (settling lag), проявляется в зависимости от эффективности процессов сортировки и распространения соленых маршей. Этим термином обозначается тот временной перерыв (time lag), который имеется между моментом, когда поток с уменьшающейся скоростью больше не способен удерживать частицу во взвешенном состоянии, и тем моментом, когда частица достигнет дна.
Чем меньше частица, тем больше отставание осаждения, поэтому первичная сортировка улучшается, и увеличивается вероятность того, что у отметки высокой воды вместо более крупного материала будет осажден более тонкий материал.
Эстуарии ограничивают устья рек в приливно-отливной зоне моря. Эстуариевые воды имеют различную соленость в зависимости от относительных количеств пресной и соленой воды и степени их смешения. Во многих эстуариях отмечается, что соленые воды, заставляющие во время высоких приливов донные суспендированные осадки, подобно клину, перемещаться по дну вверх, по течению, во время отливов перемещают их снова в сторону моря. Поверхностный клин пресной воды перемещается подобным образом. Это явление наглядно видно на. примере устьевых потоков Миссисипи, в которых преобладают потоки речной воды. В тех эстуариях, в которых преобладают приливные течения, пресные и соленые воды смешиваются гораздо лучше, что приводит к однородности химического состава и физического состояния среды. Эти воды оказывают влияние на вертикальное и латеральное распределение органического и неорганического материала в процессе их транспортировки и в процессе осаждения. Если учесть изменчивость факторов этой среды, то едва ли покажется странным очень пестрое распределение осадков в эстуариях. Влияние противоборствующих течений на осаждение особенно резко проявляется в эстуариях, где имеют место рост и разрушение береговых банок и миграция ассоциирующихся с ними проливов. Перемещение этих поверхностных структур в свою очередь воздействует на характер распределения местных потоков, на пути распределения биомассы и в конечном счете на тип осадка, образовавшегося в каждой данной точке.
Большинство взвешенных частиц в эстуариевых водах имеют размеры менее 100 мкм и в значительной части представлены органическим веществом. Когда эти тонкие частицы попадают в соленые воды, то они коагулируют с образованием хлопьевидных агрегатов, которые в спокойной или слабо движущейся воде опускаются на дно. Этот процесс имеет место в устьях рек или близ них, где пресные воды впервые смешиваются с соленой морской водой, и это частично объясняет факт преобладания илов в эстуариях и близ них.
Одно из следствий флоккуляции — это образование плотных суспендированных карманов или облаков мутной воды, которые перемещаются вверх и вниз в более глубоких частях эстуариев в соответствии с приливными и отливными движениями воды.
По-видимому, в пределах этих облаков поддерживается динамическое равновесие, так что материал, который осаждается из них довольно быстро в стоячей воде, восполняется за счет поступления с близкой скоростью новообразованного флоккулированного материала. Осажденные илы очень подвижны и могут перемещаться по дну при соответствующем уклоне дна.
Разность между скоростью течения, при которой конкретные частицы осаждаются, и большей скоростью, при которой они могут снова начать движение, известна как лаг размывания (lag scour). Наибольшая дополнительная энергия, затрачиваемая для поднятия частицы и преодоления сил сцепления (адгезии и гравитации), требуется для глинистых частиц. На приливно-отливных равнинах влияние частичной обнаженности и обезвоживания осадков, особенно тонкозернистых, обычно сказывается в том, что лаг размывания является еще большим и необходимы сравнительно высокие скорости течения для того, чтобы осадочный материал снова пришел в движение. Агломерирующая деятельность организмов, живущих в приливно-отливной зоне, также может стабилизировать ил и уменьшить возможность его повторной мобилизации течениями.
Эстуарии и приливно-отливные равнины представляют собой ограниченные участки переноса и накопления тонкозернистых осадков. Близ континентальных окраин и у дна Атлантического и Северного Ледовитого океанов наблюдался довольно постоянный слой воды толщиной около одного километра, содержащий взвесь тонкого материала (частицы обычно менее 12 мкм). Этот слой называется нефелоидным слоем. Частицы преимущественно представлены терригенными глинистыми минералами, которые привнесены в основном из шельфовых участков. Эти частицы находятся во взвешенном состоянии благодаря турбулентности, возникающей из-за поверхностных штормовых волн, и взаимодействию вод на границе между мощными поверхностными и придонными течениями в случайных турбидитных потоках. Хотя постоянная турбулентность удерживает большинство частиц во взвешенном состоянии, некоторые из них со временем оседают на дно.
Существуют и другие способы транспортировки глубинными водами, например перемещение осадочного материала по изобате у подводных склонов глубинными течениями и перемещение осадков турбидитными потоками.
Глубоководные течения имеют скорости до 70 см/с, и такие течения способны размывать и перемещать крупнозернистые илы, алевритовые и песчаные частицы; небольшие гальки перемещаются реже. Образующиеся при этом отложения, известные как контуриты, обычно характеризуются малой мощностью, тонкой и четкой пластинчатостью (laminated), параллельной напластованию, и косой слоистостью. Реже в направлении к основанию континентального склона и на прилегающих абиссальных равнинах мобилизованный осадочный материал формирует асимметричные песчаные волны с амплитудами в несколько десятков метров и протяженностью несколько километров.
Турбидитные потоки — это неустойчивые гравитационные течения осадков во взвешенном состоянии, движение которых обусловлено их большим удельным весом по сравнению с удельным весом окружающих вод. Обычно эти потоки характеризуются очень высоким числом Рейнольдса и почти определенно находятся в надкритическом состоянии.
Причины зарождения турбидитных потоков не совсем понятны. Неустойчивость осадков на донных склонах крутизной всего несколько градусов может быть обусловлена высокой скоростью осаждения, вследствие чего осадок не успевает полностью консолидироваться. Это означает, что материал отлагается так быстро, что между зернами остаются большие объемы воды и развивается избыточное поровое давление. Поэтому осадок легче сдвигается, чем это могло быть при его нормальной консолидации, вероятно, он оползает или скользит в результате «спонтанного разжижения» при аномальной перегрузке. Землетрясения большой силы могут быть одной из причин обрушения осадков. Как только материал оползает, он может постепенно захватывать воду, что приводит к уменьшению вязкости и увеличению скорости потока. На этой стадии, когда содержание воды еще не слишком высокое, движение осадка может происходить в виде «флювиотурбидитного» потока с небольшим турбулентным перемешиванием частиц.
Если ускорение потока продолжается, то происходит дальнейший захват осадков и воды, особенно в голове потока, плотность уменьшается, а турбулентность увеличивается — так образуется турбидитный поток. Более крупный материал концентрируется в голове и у основания потока, так что удельный вес этих частей выше. Это сказывается на том, что более крупнозернистый материал в основании головы потока движется несколько быстрее, чем материал в верхней тыловой части потока. Скорости у головы, вероятно, составляют от одного до нескольких метров в секунду.
Скорости и распределение осадка в пределах турбулентных частей потоков сильно колеблются. В этих местах зарождаются эрозионные подошвенные текстуры, такие, как отпечатки выемок. Отпечатки выемок обычно распределены в виде групп параллельно направлению течения и отражают постоянный размыв подстилающего ила в течение всего периода движения потока. В противоположность этому следы выпахивания менее однородны и указывают на удар об илистое дно и эрозию ила неким движущимся предметом, переносимым вихрями в пределах потока. Следы выпахивания часто пересекают один другой крест-накрест, а ассоциирующиеся отпечатки выемок — под углами до тридцати градусов.
Замедление турбидитных потоков приводит к уменьшению их мощности, плотности и турбулентности, так что происходит отложение осадка с сортированной, градационной, слоистостью. Слоистость и знаки ряби возникают по мере уменьшения скоростей и размеров зерен. В конце концов из головной и тыловой частей потока отлагаются самые тонкие частицы.

---