ГИ БЕРТО (GUY BERTHAULT), Седиментолог (Франция)

ЭКСПЕРИМЕНТЫ И ВИДЕО

Две основных стадии научной программы нашли отражение в двух следующих направлениях исследований - слойчатости (lamination) (рис. 2) и наслоения (stratification) (рис.3 и 4).

Прим. При переводе на русский язык терминов lamination и stratification использованы определения из Справочника по литологии [1983, с.55] (Прим. переводчика).

1. Слойчатость

Следующее резюме статьи [Berthault, 1986] дает представление об основных направлениях и результатах исследования разнозернистых осадков при наличии и отсутствии течений:

"Эксперименты по отложению осадка проводились в стоячей воде с непрерывным поступлением разнозернистого материала. Получен осадок, дающий иллюзию последовательных слойков (laminae). Эти слойки - результат периодического и непрерывного градационного процесса, который имеет место непосредственно после осаждения смеси разнозернистых осадков.

Толщина слойков, по всей видимости, не зависит от скорости отложения осадка, но значительно возрастает при увеличении разнозернистости смеси. При наличии горизонтального потока наблюдается образование тонкослоистых прослоев, развивающихся латерально в направлении потока"

Рис.2. Слойчатость, образованная в результате выпадения частиц в водной среде.

Видео 3. Образование слойчатости (12).

Вторая серия этих экспериментов была проведена в Марсельском Институте механики жидкостей [Berthault, 1988]. Резюме этой статьи: "Эксперименты демонстрируют, что в неподвижной воде при непрерывном внесении разнозернистой смеси происходит образование слойчатости, которая прогрессивно исчезает по мере увеличения высоты падения частиц в воде, и увеличивается по мере возрастания размера частиц. Ориентировка слойков соответствует склону верхней части осадка. В условиях текущей воды даже в переотложенном осадке появляются многие близко связанные типы cлойчатости".

2. Наслоение (стратификация)

Эксперименты по стратификации были проведены в гидравлической лаборатории Государственного университета штата Колорадо в Форте Коллинз вместе с Пьером Жульеном, профессором гидравлики и седиментологии.

Видео 4. Гидравлическая лаборатория Университета штата Колорадо, Форт Коллинз (13)

Для них использовался большой проточный лоток с оборотной подачей воды, загружаемый осадком. Поскольку Ф. Хьюльстрем [Hjulstrоm, 1935] и его преемники определили критическую скорость отложения осадка для частиц разных размеров, то процесс осадконакопления исследовался в условиях изменяющейся скорости потока. При изменении интенсивности скорости потока были получены параметры совместного отложения слоев разного гранулометрического состава. В результате этих экспериментов по образованию слоистости в лабораторном лотке было показано, что в условиях пульсирующего потока стратифицированные слои одновременно образуются и наращиваются в направлении потока (рис.3).

Рис.3. Типичный продольный разрез отложений, образованных потоком (направление потока справа налево).

Видео 5. Образование слоистости в седиментационном лотке.

Этот результат в масштабе слоев соответствует закону Головкинского - Иностранцева - Вальтера [Walther, 1894; Middleton, 1973; Романовский, 1988] в масштабе фаций, согласно которому одна и та же последовательность фаций наблюдается в вертикальном и латеральном направлениях.

Видео 6. Фациальные обстановки слоистых осадочных толщ.

Видео 7. Литолого-фациальная зональность, демонстрирующая закон Головкинского-Вальтера.

Сообщение об этом исследовании, озаглавленное "Эксперименты по стратификации разнозернистых смесей песков", было издано в журнале Геологического общества Франции [Julien et al., 1993].

В этой статье указано, что в результате проведенных экспериментов была исследована возможная стратификация разнозернистых смесей песков в условиях непрерывного отложения осадков. Рассматривались три основных аспекта стратификации: формирование слойчатости (lamination), градационной слоистости (graded beds) и поверхности раздела слоев (joints).

1. Эксперименты по дифференциации одиннадцати разнозернистых смесей частиц песчаной размерности кварца, известняка и угля показали, что при горизонтальном переносе мелкие частицы оседают в промежутках между крупными частицами. По мере усиления дифференциации движение крупных частиц полностью осуществляется по поверхности слоев, сложенных мелкими частицами.

Так осуществляется сортировка частиц в микромасштабе. Микромасштабная дифференциация, подобная слойчатости, наблюдается также на плоских поверхностях в условиях непрерывного осаждения частиц в колонках, заполненных воздухом или водой.

Рис.4. Модель образования слоистости в условиях потока
а - Схематическое формирование градационной слоистости; б - последовательность времени формирования осадка для t1 < t 2 < t3

2. Формирование градационной слоистости было исследовано в лабораторном лотке в условиях устойчивого потока и непрерывной поставки разнозернистых частиц, при этом крупные частицы смеси движутся по горизонтальной поверхности слоев мелких частиц. В неоднородном потоке уменьшение скорости, регулируемое заслонкой, расположенной в задней части лотка, приводит к образованию слоев крупных частиц, формирующихся в направлении потока. На поверхности этого слоя, содержащего перекрестную слоистость, мелкие частицы, оседающие между крупными частицами перемещающейся взвеси, образуют новый верхний субгоризонтальный слой. Таким образом, прослой крупных частиц, расположенный между двумя прослоями мелких частиц, формируется в горизонтальном направлении (по направлению движения потока). Толща таких отложений непрерывно растет как в горизонтальном (вниз по потоку), так и в вертикальном направлениях.

Видео 8. Нарастание слоя по латерали в лабораторном лотке.

Видео 9. Развитие поверхностей эрозии и вертикально-латеральное развитие слоистости.

3. Лабораторные эксперименты по просушиванию естественных песков также продемонстрировали, что образование поверхностей раздела слоев происходит преимущественно по границе между слоями крупных и мелких частиц.

Эти эксперименты гораздо более наглядно, чем изучение последовательных осадочных слоев, демонстрируют, что образование слоистости в условиях непрерывной поставки разнозернистой песчаной смеси является следствием разных процессов: слойчатость формируется при дифференциации осадочного материала; градационная слоистость (рис. 5) – при неравномерной интенсивности потока; поверхности раздела между слоями (рис. 6) образуются при высыхании осадка. Таким образом, лежащие друг на друге слои не обязательно образуются один за другим и не идентичны последовательным осадочным слоям.

Рис. 5. Типичный поперечный разрез образуемых осадков.

Рис.6. Горизонтальная поверхность раздела слоев в экспериментах с песками ручья Bijon Creek.

Видео 10. Образование эрозионных границ.

Видео 11. Поперечный разрез слоистости.

Видео 12. Образование поверхностей раздела слоев.

Наши эксперименты в лабораторных лотках показали, что предположение Н. Стено о том, что осадочные толщи являются древними последовательными отложениями, и его принцип наложения (суперпозиции) правомерны только для условий отсутствия потока (скорость переноса частиц равна нулю). Кроме того, эксперименты, результаты которых были доложены в Академии Наук Франции, а также опыты, проведенные П.Жульеном и представленные в видеофильме "Фундаментальные эксперименты по стратификации" [Fundamental experiments …, 1999] на нескольких литологических конгрессах, ясно показывают, что для наклонных поверхностей, не превышающих угол естественного откоса (от 30° до 40° для песков), образуемая слоистость отложений параллельна склону (рис. 7). В этом случае принцип первоначального горизонтального положения слоев не применим, а наклонное положение слоев не обязательно является следствием тектонических движений, осуществлявшихся после их горизонтального отложения.

Рис.7. Слойчатость, параллельная склону 15 градусов.

Видео 13. Образование первично-наклонной слоистости в условиях эксперимента.

> > > ПАЛЕОГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ