Седиментация из турбидитовых потоков
Основы концепции турбидитовых потоков уже рассматривались выше. Если два тела флюида с различной плотностью находятся вместе, то менее плотный флюид будет стремиться перемещаться поверх более плотного флюида. И, напротив, более плотный флюид будет стремиться течь вниз. Водные плотностные потоки могут возникнуть из-за различий в температуре, солености и загруженности суспендированным материалом. Потоки талых вод ледников и некоторые полярные течения обычно текут под действием сил гравитации ниже более теплых менее плотных водных тел. Воды, сбрасываемые реками в умеренных широтах, часто растекаются на огромные расстояния от берега поверх более плотных, более соленых морских вод.
Мутьевые тела воды с большим содержанием суспендированного материала часто перемешаются под чистой водой как потоки с более высокой плотностью. Эта особая разновидность плотноетных потоков, называемая турбидитовым потоком, представляет особый интерес для геологов. Предполагали, что турбидитовые потоки — это главный процесс переноса и осаждения существенного количества осадочного покрова земной коры.
Концепция турбидитового потока была введена в геологию Беллом. Этот процесс первоначально рассматривался как эрозионный агент, способный создавать подводные морские каньоны на дельтовых и континентальных склонах. Позднее ему была отведена роль создателя флишевых отложений. Для этих фаций, типичных для геосинклинальных прогибов, характерны мощные толщи переслаивающихся песков и глинистых сланцев. Слои песка в основании имеют резкую границу, а переход кверху обычно градационный. Пески этого типа часто называются генетическим термином турбидиты.
В этом разделе рассмотрим кратко гидродинамику турбидитовых потоков. Затем рассмотрим доказательства существования турбидитовых потоков и после этого — параметры древних «турбидитов».
Гидродинамика плотностных потоков изучается многие годы. Попытки определения количественных зависимостей между различными физическими параметрами, которым подчиняются плотностные потоки, основывались на теоретических и экспериментальных данных.
Условия движения турбидитового потока вниз по склону можно описать следующим уравнением:
где S1 и S2 — напряжение сдвига между мутьевым потоком, ложем и вышележащим флюидом, d2 и d1 — плотности турбидитового потока и окружающего флюида, соответственно (d2>d1); g — ускорение силы тяжести, h — высота потока и а — угол склона дна.
Зависимость между скоростью плотностного потока и другими параметрами можно выразить так:
где V — скорость.
Обсуждение этих формул и выводы из них можно найти в работах Миддлетона и Аллена.
Итак, поведение мутьевого потока определяется различиями в плотностях этого потока и окружающего флюида, в напряжении сдвига между нижней и верхней границами, высотой потока и углом склона, по которому он течет вниз. Кроме того, важно также еще одно условие: является ли поток устойчивым, таким, как мутьевая река, впадающая в озеро, или представляет собой уникальное кратковременное событие, как в случае оползней, насыщенных жидкостью?
Теперь рассмотрим, в какой степени этот механизм можно распознать на природных объектах. Современные турбидитовые потоки изучались экспериментальным путем в лаборатории и в современных озерах и морях.
Ранние экспериментальные исследования Белла и Куенена показали, что когда илистые суспензии песка моментально вводятся в желоб, они устремляются вниз по склону в виде турбулентного облака и затем покрывают дно. Сначала выпадает песок, затем алеврит и, наконец, глинистые частицы. Поэтому слои приобретали резкие нижние границы и характеризовались. постепенным уменьшением размера частиц снизу вверх от размера песчаной до размера глинистой фракции. В дополнительных опытах Куененом были получены слоистые пески и градационные осадки со знаками ряби из турбидитовых потоков в круговом желобе. В опытах Дзулински и Уолтона было показано, как небольшие турбидитовые потоки генерируют многие эрозионные структуры, наблюдавшиеся под древними турбидитовыми песками.
Эксперименты, подобные рассмотренным, были поставлены под сомнение, так как диаметр выпадения частицы и вязкость флюида не были пропорциональны между собой и размеру потока. Однако позднее Миддлетон выполнил тщательно рассчитанные опыты с пластмассовыми шариками с плотностью 1,52 г/см3 и диаметром частиц около 0,18 мм. Суспензии из шариков, вводимые в стоячую воду, генерировали градационные осадки, сходные с теми, которые получались при менее строго обоснованных опытах.
Если мы вернемся из лаборатории к внешнему миру, то увидим многочисленные примеры современных турбидитовых потоков. Они были описаны в таких озерах как Лейк-Мид Гоулдом и Холтедалем. В этих случаях оказалось возможным продемонстрировать прямые зависимости между притоками илистой речной воды и обширными слоистыми отложениями на дне озер и фиордов.
Также не вызывает сомнения существование современных морских турбидитовых потоков, которые еще более выразительны. Обычно для континентальных шельфов и дельтовых фронтов характерно то, что они изрезаны подводными долинами. Там, где эти долины заканчиваются у основания склонов, обычно встречаются радиальные конусообразно расположенные отложения. Подводные телеграфные кабели, которые проложены в этих районах, разрываются довольно часто. Дэли считал, что эти подводные каньоны были выработаны турбидитовыми потоками, которые и рвали кабели. Один достаточно известный случай относится к знаменитому землетрясению на Больших Банках 1929 г. Землетрясение произошло 18 ноября с эпицентром у окраины Больших Банок у Новой Шотландии. В течение нескольких часов на склонах и океаническом дне у основания Банок было разорвано 13 подводных телеграфных кабелей. На самих Больших Банках никакие кабели не получили повреждений. Впоследствии Хизен и Юинг объяснили эти повреждения турбидитовыми потоками. Они утверждали, что землетрясение вызвало оползни на континентальном склоне Больших Банок. Оползни становились все более текучими по мере того, как сползали вниз и смешивались с морской водой до тех пор, пока не приобретали физических свойств турбидитового потока. В соответствии с последовательностью и временем разрывов кабелей этот поток опускался на океаническое дно со скоростью до 100 км в час и в конце концов он покрыл осадками участок дна площадью около 280 000 кв. км. Последующее бурение выявило во всем этом районе наличие обширного пласта ясно градационного алеврита с резкой нижней границей.
Было опубликовано много других исследований, в которых отложения глубоководных морских песков приписывались турбидитовым потокам. Такие пески были описаны у Калифорнийского побережья, в Мексиканском заливе, в Средиземном море и в Антарктике. Образование современных биокластических глубоководных морских песков объяснялось турбидитовой транспортировкой материала древних карбонатных шельфов.
Для этих современных «турбидитовых» песков характерен ряд особенностей строения. Они имеют резкие, часто эрозионные нижние контакты, но никаких других характерных придонных структур, какие отмечаются под древними турбидитами, не было обнаружено. Это может быть обусловлено трудностями отбора небольших керновых образцов из неконсолидированных отложений. Временами, но не всегда, отмечается нормальная градационная слоистость. Пески часто чистые, интерстициальный матрикс обычно отсутствует. Текстура песков — массивная, слоистая и косослоистая. Иногда встречаются остатки мелководной фауны, особенно в биокластических песках, что контрастирует с присутствием остатков пелагической фауны в переслаивающихся илах.
По аналогии с современными экспериментальными и озерными турбидитами можно убедительно показать, что такие же глубоководные морские пески были переотложены с континентальных шельфов турбидитовыми потоками. Они двигались вниз по подводным каньонам, прорезанным в континентальных склонах, и достигали океанического дна. Уменьшение градиента склона обычно приводило к потере скорости, и из потока осаждалась часть материала в виде градационного слоя, причем более крупные частицы осаждались первыми.
Этот механизм был подвергнут критике по ряду причин. Во-первых, утверждалось, что отложение многих глубоководных морских песков в действительности не согласуется с идеальной турбидитовой моделью. Некоторые пески представляют собой чистые хорошо сортированные косослоистые осадки. Эти особенности могут указывать на то, что пески были отложены потоками волочения. Действительно, знаки ряби — индикаторы потока волочения — обычно видны на фотографиях океанического дна; также были зафиксированы придонные -течения со скоростью до 1 м в секунду. Глубинные океанические течения с переменными скоростями могли приводить к образованию градационных осадков со знаками ряби. Многие из них текут параллельно изобатам и называются геострофическими потоками или «контуритами».
Другое возражение против объяснения транспортировки глубоководных песков с помощью механизма турбидитового потока заключается в находках подводных морских каньонов, по которым, как предполагают, эти потоки спускаются. Попытки искусственного образования турбидитов с помощью взрывов в вершинах каньонов были безуспешными. Отложения из этих каньонов сами по себе часто наводят на мысль о транспортировке их обычными потоками волочения, осложненной частичным оползанием и зерновыми потоками.
Против механизма турбидитовых потоков возражали также Хуберт и Ван дер Линген.
Теперь перейдем от вопросов о роли турбидитовых потоков в образовании современных глубоководных морских песков к их древним аналогам.
Имеются особые осадочные фации, называемые «флишем», который описывается в главе 8. Многие геологи применяют этот термин вместо «турбидита», принимая, что эти осадки были отложены турбидитовыми потоками. Отложения, называемые турбидитами, имеют следующие характерные особенности. Обычно они образуют мощные толщи закономерно переслаивающихся песчаников и глинистых сланцев. Развиты они в орогенических поясах или в морских бассейнах, ограниченных разломами. Базальные контакты слоев песка — резкие и характеризуются наличием разнообразных эрозионных и деформационных структур, которые более детально описаны в главе 7. К. ним относятся грушевидные ямки, называемые «выемками», которые утоняются вниз по течению, и различные эрозионные бороздки и знаки волочения, образованные обломками в мягком илу под турбидитовыми песками. В илах часто наблюдаются структуры деформации, вызванные дифференциальными подвижками перекрывающего песка. Это приводит к образованию текстур нагрузки потока, псевдожелваков, зеркал скольжения и оползней.
Пески характеризуются постепенным уменьшением размера зерен снизу вверх, что называется градационной слоистостью. Имеются разные типы градационной слоистости. В то время как размер зерен по вертикали постепенно уменьшается, степень их сортировки остается одной и той же. Ситовой анализ крупных фракций показывает постепенное уменьшение максимального размера зерен вверх по разрезу. Следовательно, вверх по разрезу сортировка улучшается. Эти структурные различия можно связать с различной плотностью потока. В пределах отдельного пласта песчаника может наблюдаться сложная градационная слоистость. Наблюдалась перевернутая градационная слоистость. Отсутствие градационной слоистости в турбидитах, возможно, указывает на то, что исходный материал имел однородный размер (фиг. 65).
Внутренние текстуры турбидитовых пластов немногочисленны и обычно они распределены закономерно в виде так называемой «последовательности Боума» (фиг. 66). В идеальной модели можно выделить пять зон (А—Е), которые были интерпретированы с позиции изменения режима потока Уолкером, Хармсом и Фенестокком и Хубертом. Размытая поверхность у основания пласта часто покрыта конгломератом из чуждых галек и обломков илистых пород, происходящих из местного источника. Это указывает на первоначально мощную эрозионную стадию потока. В идеальном случае эта часть слоя перекрывается массивными песками, накопление которых соответствует седиментации из антидюн при верхнем режиме потока. В этих слоях Уолкером и Скиппером были обнаружены антидюновые передовые слои, падающие вверх по течению. Слой А песка с массивной текстурой перекрывается слоистыми осадками слоя В, отложение которого происходило в условиях режима стреляющего потока с образованием плоской поверхности слоя. Этот слой сменяется косослоистыми песками слоя С, в котором часто видны конволютные деформационные структуры, обусловленные почти одновременным обезвоживанием осадка. Эта зона косослоистых песков отражает седиментацию из потока при нижнем режиме. Зона С сменяется второй слоистой зоной D, которая вверх постепенно сменяется пелагическими илами зоны Е, осаждающимися из суспензии.
Детальные статистические исследования целых турбидитовых формаций показали, что их строение изменяется закономерно. В направлении потока или вниз по разрезу обычно выявляются следующие изменения: размер зерен и толщина слоя песка уменьшаются. Строение оснований ритмов обычно изменяется — вместо канавок появляются ямки грушевидной формы, бороздки и, наконец, бороздки волочения. Строение турбидита также изменяется с постепенным выклиниванием слоев, начиная с основания. Сначала массивные пески зоны А вытесняются слоистыми песками зоны В. Последние, в свою очередь, вытесняются косослоистыми песками зоны С и так далее (фиг. 67).
Уолкер предложил статистический коэффициент — индекс P — как показатель проксимального (т. е. близ источника) или дистального положения пластов в пределах турбидитовой формации. Эта концепция изменения седиментологических параметров турбидитовых формаций вверх по разрезу и в зависимости от расстояния от источника во многом прояснила их генезис.
Полевые геологи учитывали большие различия между отложениями влекомого материала и турбидитами. Первые характеризуются косой слоистостью, чистотой и ограниченным латеральным распространением. Турбидиты, напротив, характеризуются плоским залеганием слоев, градационной слоистостью, присутствием глинистого материала и часто покрывают обширные пространства. Обычно противопоставляют латеральную седиментацию из потоков волочения вертикальной, по существу, седиментации из турбидитов. Такой подход, конечно, упрощенный и, как будет показано в дальнейших разделах этой главы, турбидиты являются частью непрерывного ряда осадочных процессов — от наземных оползней до облаков суспендированной глины.
