Транспортировка и и осадконакопление


Транспортировка и отложение осадочного материала подчиняются законам физики. Поведение твердых зерен во флюидах широко изучалось физиками и инженерами разных специальностей. Многие из этих работ вошли как составная часть в руководства по гидравлике и динамике флюидов. Описание физических процессов седиментации в приложении к геологии было дано Бегнолдом и Алленом.

Эта глава знакомит с некоторыми фундаментальными концепциями седиментации для того, чтобы были понятны строение и текстуры осадков, образуемых при процессах седиментации.

Седиментация буквально означает осаждение твердого вещества в жидкости. Однако геолог под осадочными процессами обычно понимает как транспортировку, так и отложение осадка. К этим процессам относятся работа воды, ветра, льда и гравитация.

Сначала рассмотрим физику поведения зернистых твердых веществ в жидкости, а затем перенос и осаждение осадка с помощью четырех указанных агентов.

Вещество существует в трех фазах: твердой, жидкой и газообразной. Физик рассматривает газы и жидкости совместно как флюиды на том основании, что в них, в противоположность твердым веществам, отсутствует сопротивление сдвигу. Зернистые твердые вещества в жидкости и газах ведут себя почти одинаково. Сходство слоистых тел и структур у осадков, отложенных как ветром, так и водой, представляет собой коренную проблему диагностики этих образований среди осадочных пород.

Для начала рассмотрим поведение осадочной частицы, перемещающейся во флюиде. Физическое состояние частицы описывается уравнением Рейнольдса, из которого выводится безразмерный коэффициент — число Рейнольдса:
Транспортировка и и осадконакопление

где Re — число Рейнольдса, U — скорость частицы, d — диаметр частицы, р — плотность частицы и u — вязкость флюида.

В данной ситуации число Рейнольдса может быть использовано для различия двух разных типов поведения флюида у границы с твердым телом — будь то сфера или ограниченная поверхность, такая, как труба или стенка канала.

При низких числах Рейнольдса поток флюида — ламинарный; флюид течет параллельно поверхности стенок; при высоких числах Рейнольдса — поток турбулентный, генерирующий вихри и водовороты (фиг. 59). Для потока в трубе критическое число Рейнольдса, разделяющее ламинарный и турбулентный потоки, составляет около 2000. Для частицы во флюиде критическое число составляет около 1. Закон Стокса, описывающий осаждение частицы, выводится из уравнения Рейнольдса.

Второй важный коэффициент динамики флюидов — это число Фруда, Оно представляет собой по существу отношение между силой, требуемой для остановки движущейся частицы, и силой гравитации, т. е. отношение между силой инерции и ускорением, обусловленным гравитацией. Следовательно:

где U — скорость частицы, L — сила инерции, т. е. длина пути, проходимого частицей до ее остановки, и g — ускорение, обусловленное гравитацией.

Для потока в открытых каналах число Фруда имеет такое выражение:

где D — глубина канала, a U — средняя скорость потока.

Число Фруда, равное 1, разделяет поток флюида в открытых каналах на два четко различающихся типа, Каждый режим потока генерирует специфические слоистые отложения и осадочные текстуры. Они будут детально описаны в разделе, посвященном седиментации путем водного волочения.

Теперь рассмотрим механику движения частицы. В сущности, зерно может двигаться через флюид (жидкость или газ) тремя различными способами: перекатыванием, подскакиванием и во взвешенном состоянии (фиг. 60).

В какой-либо данной ситуации наиболее тяжелые частицы никогда не поднимаются со дна. Они остаются в контакте с подобными им частицами и перекатываются в направлении потока. При той же самой скорости более легкие частицы подскакивают в направлении потока по траектории с крутой восходящей ветвью и пологой падающей ветвью. Этот процесс известен в научном мире как сальтация. При той же скорости самые легкие частицы переносятся потоком в суспензии. Они во флюиде переносятся в блуждающем состоянии, но по существу никогда не касаются дна или основания потока.

Поэтому в такой обстановке, как русло реки, гальки будут перекатываться по дну, песчинки будут прыгать, а алевритовые и глинистые частицы будут переноситься в суспензии. Песчинки и гальки в общем рассматриваются как влекомый материал или твердый сток русла. Алевритовые и глинистые частицы носят необязательное название «взвеси» и относятся к суспендированному стоку.

Существенное значение имеет критическая скорость потока, необходимая для того, чтобы частица пришла в движение. Эта критическая скорость потока для какой-либо частицы есть функция переменных величин, входящих в уравнения Фруда и Рейнольдса. Был выполнен ряд экспериментальных и теоретических исследований для определения критической скорости потока для осадка с различным размером частиц, особенно Шилдсом и Хыолстромом. Наиболее известны работы последнего автора (фиг. 61).

Как можно ожидать, критическая скорость потока флюида будет возрастать с увеличением размера зерна. Исключение из этого правила представляют связанные глинистые осадки на дне. Так как эти осадки оказывают очень слабое сопротивление потоку, то требуются значительно более высокие скорости течения, чтобы поток был способен их размывать. Это аномальное поведение частиц, называемое эффектом Хыолстрома, обуславливает сохранение тончайших глинистых прослоек в отложениях приливной зоны.

Теперь рассмотрим с геологической точки зрения типы осадков, которые образуются из потоков флюида разного вида как в жидком, так и газовом состояниях, т. е. в воде и в воздухе. Можно выделить три типа осадков — отложения влекомого материала, отложения плотностных потоков и суспензионные осадки. Транспортировка влекомого материала состоит главным образом в перекатывании и отскакивании частиц твердого стока. Строение и текстуры осадков, отложенных таким потоком, отражают именно этот способ транспортировки. Обычно они представлены косослонстыми песками. Перемещение влекомого материала в потоках может генерироваться гравитацией (например, в реках), ветром или действием морских приливов. Пустынные песчаные дюны также представляют собой отложения влекомого материала.

Напротив, отложения плотностных потоков представляют собой комбинацию влекомого материала и суспензии. Соответственно они отличаются от предыдущих осадков влекомого материала по строению и текстурам. Обычно они сложены смесью песка, алеврита и глины, в которой отсутствует косая слоистость, но имеется типичная градационная. Плотностные потоки возникают вследствие различий в плотностях флюидов, как жидкостей, так и газов. Это явление может возникать из-за термального расслоения, или из-за различий в солености, или из-за турбидитности в жидкостях, В результате более плотный флюид течет под действием силы гравитации ниже менee плотного флюида и пересекает осадочный покров. В геологическом отношении наиболее важные плотностные потоки — это турбидитовые потоки, преимущественно подводные явления. Эоловые мутьевые потоки — это горячие пылевые тучи и некоторые типы высокоскоростных лавин и грязевых потоков. Однако подобные явления встречаются редко, и отложения этого типа не занимают значительных объемов. Фундаментальное разделение многих осадков на косослоистые отложения потоков и градационные турбидитовые отложения было сделано Бейли в 1930 г.

Третья группа осадочных отложений представлена такими осадками, которые выпадают из суспензий. К ним относятся тонкозернистые алевриты и глины — это лёссы, отложенные ветром, и пелагические детритовые или нефелоидные илы океанических бассейнов.

Четвертая, главная группа осадков представлена диамиктитами. Это породы с очень плохой сортировкой, состоящие из частиц всех размеров — от валунов до частиц глинистой фракции. Диамиктиты образуются при ледниковых процессах, а также из грязевых потоков, как субаэральных, так и субаквальных.

В табл. XX показаны главные осадочные процессы и текстурные различия отложений, образующихся при этих процессах. Теперь рассмотрим различные осадочные процессы более детально.





Яндекс.Метрика