книги из ГПНТБ / Картирование шельфов сборник статей

Л. С. Смирнов

В современной практике литологических исследований донных осадков применяется, как правило, картирование наиболее об­ щих показателей структуры осадка. Кроме того, используется картирование различных статистических параметров грануломет­ рического состава. Однако возможности интерпретации струк­ турных данных ограничены в связи с отсутствием физической мо­ дели формирования осадка. В настоящий момент уровень техни­ ки гранулометрического анализа и машинной статистической обработки его данных позволяет обнаружить связь структуры осадка с физическими процессами их транспортировки и отложе­ ния. Это открывает определенные перспективы для картирования как современных, так и ископаемых осадков.

Благодари применению тонкого (19-фракционного) грануло­ метрического анализа субаквальных песчано-алевритовых осад­ ков, оказалось возможным построить гетерогенно-дискретную модель гранулометрического состава. Выяснилось, что распреде­ ление размеров зерен морских осадков обнаруживает дефицит их определенных значений (Смирнов, Рожков, 1973). Эта дис­ кретность рассматривается как дискретность более высокого, II порядка по сравнению с дефицитом зерен промежуточного раз­ мера между песчаными — алевритовыми и песчаными — гравелитовыми зернами, т. е. дискретностью I порядка. Предполагает­ ся, что природа дискретности II порядка обязана гетерогенности субаквальных песчано-алевритовых осадков и наличию в них материала трех видов транспортировки: суспензионного (зер­ на <0,11—0,125 мм), сальтационного (0,125—0,25 мм) и сугубо донного волочения (>0,25 мм) (Visher, 1969; Allen и др., 1972).

В связи с дискретностью, зависящей от условий седиментации, исследование осадков какого-либо бассейна следует начинать с изучения дискретных свойств, которые должны быть основой для физически обоснованной классификации структур и выбора рационального комплекса параметров. Характер дискретности структурных свойств осадков может быть проиллюстрирован на наиболее изученных отложениях шельфа и континентального склона Атлантического океана в полосе от г. Майами на юге до Новой Шотландии на севере. Этот район на протяжении ряда

91'

лет был покрыт равномерной сетью опробования в м-бе—- 1:2000 000, а участками и дробнее. Расположение площадей опробования, приуроченных к основным структурным элементам акватории, показано на рис. 1.

21, 22, 26 — проливы и заливы; 8, 17 — каньоны; 18 — мелководье Нантакет; 23, 25, 27, 34, 38 — шельф к северу от м. Гаттерас до б. Джорджес; 31, 33 —

т

Пробы, отобранные в основном дночерпателями и драгами, подвергались комплексному анализу, в том числе и грануломет­ рическому. Гранулометрический анализ песчаного материала (зерна 0,0625—2,0 мм) выполнялся методом седиментационной трубки, обладающим преимуществами перед ситовым анализом в связи с учетом различия плотностей и формы минералов (Schlee, 1966). Алевро-глинистый материал (<0,0625 мм) анали­ зировался методом пипетки, а гравийный (>2,0 мм) —ситовым анализом. Данные группировались в классы по шкале «фи» (<р) с интервалом 1,0 и 0,5 <р, т. е. с коэффициентом геометрической

прогрессии шкалы 2 иУ 2. Полученные эмпирические распределе­ ния гранулометрического состава обсчитывались на ЭВМ по программе, где учитывались ошибки из-за группировки данных по фракциям («поправка Шепарда») и из-за влияния боковых («хвостовых») примесей. Далее рассчитывались обычные стати­ стические параметры: средний размер, стандартное отклонение, коэффициенты асимметрии и эксцесса по методу моментов (Schlee, Webster, 1967). Кроме того, на основе гранулометриче­ ского анализа произведено определение породы по классифика­ ции Шепарда. Эти и другие данные (Hathaway, 1971) позволяют проанализировать дискретность осадков.

Рассматриваемый бассейн по гидрографическим особенностям четко делится на две провинции: южнее и севернее мыса Гаттерас. Среднегодовая температура поверхностных вод и вод на глу­ бине 200 м южнее м. Гаттерас на 8—10° С выше, чем к северу от него. Колебание солености вне зоны стока рек <5°/оо («Физи- ко-геовгр. атлас», 1964 и др.). Придонные температуры на шельфе в любое время года на юге на^б—10° выше, чем на севере. При этом вариации температур на юге значительно меньше, а скоро­ сти поверхностных и донных течений больше («Oceanographic Atlas», 1965 и др.).

Осадки рассматриваемой акватории — песчаные и алевроглинистые, с примесью органогенно-обломочного материала и реже гравия. Для шельфа характерны следующие их главные особенности (Milliman, 1972; Trumbull, 1972 и др.):

а) современные осадки осаждаются в значительной степени в эстуариях и прибрежной зоне;

б) мелкообломочный материал вымывается течениями; в) большая часть шельфа (особенно северного) покрыта ре-*

93

ликтовыми осадками, отложенными в более мелководных усло­ виях ледниковой эпохи;

г) на юге значительная доля материала представлена органо­ генным детритом.

Осадки по двум отмеченным провинциям анализировались нами раздельно — в пределах шельфа и континентального склона.

Ос а дки ше л ь фа охватывают глубины до 100 м на юге и до 200 м на севере и представлены в подавляющей степени чи­ стыми одномодальными песками по классификации Шепарда (Hathaway, 1971). Это касается шельфа вне зоны влияния ледни­ ковых отложений, т. е; к югу от шельфа Новой Англии (Pratt* 1968, фиг. 25) и банки Джорджес, имеющей специфическую ди­ намику течений, отличную от остального шельфа (Uchupi, 1968).

Рассмотрим параметры наиболее распространенных одномо­ дальных песков, относящихся к двум отмеченным частям шель­ фа. Для этого средний размер зерен (%) песков сравним со стан­ дартным отклонением (б), коэффициентами асимметрии (а) к эксцесса (т). Анализ связи %с б (рис. 2) позволяет сделать сле­ дующие выводы (при— 1,0<г< + 1,0 — см. рис. 4).

Рис. 2. Связь среднего размера (х) со стандартным отклонением (б) для од­ номодальных песков шельфа.

94

а) Выделяются три основные поля проб — подсовокупностей

частиц суспензионного, сальтационного и донного переносов, обнаруживающими региональное смещение на —^0,2 ф. Послед­ нее, вероятно, связано с изменением донных скоростей течений

(v) и температур (t).

б) Пробы с %>1,7; 1,9 ф имеют большие вариации б по срав­ нению с пробами при %<1,7; 1,9 ф. Это можно объяснить боль­ шей чувствительностью суспензионного и сальтационного мате­ риала к вариациям v и t, чем более грубого материала.

в) Пробы с х= 1>9—2,9 ф на севере имеют большие вариации б по сравнению с пробами при %=1,7—2,7 ф на юге. Это так же можно объяснить большими вариациями v и t на севере.

г) В пределах выделяющихся подсовокупностей намечаются «подподсовокупности» более высокого порядка (подобие фигур рис. 2), несмотря на различие состава песков севера и юга*1 и различие глубин шельфа.

д) Различие значений б для анализов со шкалой 0,5 и 1,0 ф и отсутствие различия для проб с разным знаком т.

Анализ связи % с а показывает (при б< 1,0 и— 1,0<т< + + 1,0 — см. рис. 2, 4).

а) Намечаются те же подсовокупности песков.

б) На севере большая часть проб, особенно с %>1,9 ф имеет а>0, — т. е. большую примесь мелких фракций, что, вероятно, связано с более низкими значениями v и t. На юге большая часть проб имеет тенденцию а._Д).

в) Пробы с 0 < т< +1,0 имеют большие вариации а на севере и юге по сравнению с пробами при— 1,0^т<0. Почти все пробы, имеющие +0,25< а< —0,25, характеризуются 0<т<+1,0. Из­ вестно, что т>0 (пикообразные кривые гранулометрического со­ става) присуще пескам, претерпевшим некоторую переработку в среде седиментации. Отсюда намечается тенденция выделения двух типов песков шельфа.

Анализ связи %с т при б< 1,0 дает ясный результат только

,для проб со шкалой анализа 0,5 ф, достаточное число которых приходится лишь на северную территорию (рис. 4). Из этого

анализа вытекает:

а) намечаются те же подсовокупности песков, что на рис. 2.

1 Детали рис. 2 не обнаруживают зависимости от содержания в пробах органогенно-обломочного материала и его фаунистического состава, что обес­ печивается методом анализа.

95

На основе подобия фигур рис. 4 можно сделать вывод, что указанные группы обладают свойствами увеличения абсолют­ ного значения т по мере увеличения отклонения %от среднего значения по подсовокупности. В итоге можно наметить около 10 «подподсовокупностей» песков. Это требует объяснения, т. к. та­ кое разнообразие не вмещается в 4 стадии седиментации А. Мос­ са (в виде тонкой ряби, грубой ряби, донных гряд и движения сплошным слоем) (Moss, 1972). Пробы, входящие в две основные фигуры рис. 4, представляют глубины 12—89 м. Части фигур не обнаруживают какой-либо связи с глубиной или площадью. Чем же объясняется подобие и «симметрия» фигур? Механизм систе­ матических ошибок метода, приводящий к этому результату, не известен. В то же время рис. 4 может иметь интересную интер­ претацию, которая состоит из следующего.

а) Дефицит проб с т= 0 можно объяснить существованием двух групп песков. Группу «т>0» представляют пикообразные кривые гранулометрического состава, т. е. осадки определенной степени переработки или дифференциации. Группу «т<0» пред­ ставляют противоположные пологие кривые, т. е. осадки процессов смещения или интеграции. Единство этих двух противоположных процессов, как правило, не учитывается (Логвиненко, 1951). От­ метим, что еще раньше отмечалась для субаквальных осадков тенденция «т не стремится к 0» (Krumbein, 1938), что подтвер­ ждается (Рожков, 1968, рис. 1а—За). Очевидно, что идеальные пески так же редки, как идеальные кристаллы.

б) Единство процессов дифференциации — интеграции, по на­ шему мнению, можно связать с механизмом слоеобразования, как чередования осаждения и размыва (Вистелиус, 1966; Кулямин, Смирнов, 1973), что подтверждает представление о механизме образования осадочных формаций (Страхов, 1962, стр. 116—119).

в) При осаждении (интеграции ?) примесь мелкого осадка ведет к уменьшению %и т, а примесь крупного — к увеличению %и уменьшению т конечного продукта. Это объясняет две «ветви» группы «т<0» для каждой подсовокупности.

г) При размыве (дифференциации ?) вымывание мелкой ча­ сти осадка отражается в «срезе» кривой гранулометрического со­ става исходного осадка. Это ведет к увеличению %и т оставше­ гося осадка и уменьшению %с увеличением т вымытого осадка. Это объясняет две «ветви» группы «т>0».

Данная логическая схема, определяющая симметрию рис. 4, пригодна для исходных осадков, имеющих распределение разме­ ров зерен, близкое к логнормальному, что приемлемо для рассма­ триваемых отложений. Она подтверждается данными рис. 5, где пески северного шельфа классифицированы по содержанию фрак-

98

Фракция

>0,25 мм

Ш %

Рис. 5. Треугольная диаграмма состава одномодальных песков шель­ фа к северу от м. Гаттерас (пл. 23, 25, 27, 34, 38, см. рис. 1) с содер­ жанием алевроглинистого материала <С5%, при 6<1,0;

1 — при —1,0 '<!т<0; 2 — при 0<т<С+1,0 для проб со шкалой 0,5 и: 1,0ср вместе.

ций, близко совпадающих с границами трех подсовокупностей, выделенных на рис. 4. Иначе говоря, это классификация по содер­ жанию трех физически различных компонентов осадка. На рис. 5 намечаются дискретные подсовокупности песков, свидетель­ ствующие о «несовершенном изоморфизме» смеси трех компонен­ тов осадка.

В результате изложенного мы приходим к выводу, что струк­ тура песков шельфа обладает дискретными свойствами, опреде­ ляющимися физическими процессами переноса при дифферен­ циации— интеграции осадочного материала. Предполагается, что существует связь изменения параметров дискретных подсовокуп­ ностей с изменением температуры и вязкости воды, скорости течения. В связи с этим оценим реальность выделения эффекта температур, имеющих большое геологическое значение.

*

99,