Морфолитогенетический анализ галечниковых отложений нижнего плато массива Чатырдаг

Реферат

Дипломная работа содержит информацию о морфолитогенетическом анализе галечниковых отложений нижнего плато массива Чатырдаг, который позволил выявить ряд интересных геологических, геоморфологических и палеогеографических особенностей этой территории и сделать соответствующие выводы и выяснение генезиса, условий и истории развития гравийно-галечниковых отложений массива Чатырдаг.

Кроме научно-теоретических аспектов работа имеет практическую направленность. Важность решаемых в ней проблем связана с вопросами грамотной эксплуатации, находящейся на данной территории, пещеры Мраморной — уникального памятника природы, крупного рекреационного объекта.

За последнее время значительно расширились научные представления о происхождении, развитии и значении осадочных образований, возрос интерес к изучению их структуры и текстуры, достигнуты значительные успехи в области расшифровки физико-химических аспектов осадконакопления, осознана необходимость изучения смены условий седиментогенеза в вертикальном разрезе и горизонтальной плоскости. Однако сложность процессов осадкообразования, их длительная геологическая история, разнообразно интерпретируемая различными исследователями, недостаточно разработанная и неунифицированная терминология побудила автора заняться изучением этих вопросов. Особый интерес вызвала возможность проверить на местном материале (галечники Чатырдага) эффективность существующих геолого-геоморфологических и математических методов исследования и сопоставить полученные с их помощью сведения с различными точками зрения предыдущих исследователей.

Кроме научно-теоретических аспектов работа имеет практическую направленность. Важность решаемых в ней проблем связана с вопросами грамотной эксплуатации, находящейся на данной территории, пещеры Мраморной — уникального памятника природы, крупного рекреационного объекта.

Исходя из вышесказанного, целью работы явилось выяснение генезиса, условий и истории развития гравийно-галечниковых отложений массива Чатырдаг. Для выполнения этой цели определены следующие задачи:

1. Рассмотреть физико-географические условия массива Чатырдаг.

2. Определить геоморфологические особенности распространения галечников.

3. Провести гранулометрический, морфометрический и минералого-петрографический анализ обломков.

4. Восстановить геолого-геоморфологическую историю массива Чатырдаг и условия формирования и деградации галечникового покрова на его нижнем плато.

массив галечник геоморфологический обломок

1. Общие сведения о районе исследования

1.1 Географическое положение и границы

Карстовый массив Чатырдаг занимает центральное положение среди горных массивов Главной гряды Крыма и располагается в 25−30 км к югу от Симферополя. В цепи Крымских гор он выделяется своей особенностью и относительной смещенностью к северу от фронтальной линии главной гряды, что обусловлено его тектоническим и геоморфологическим строением.

В основу выделения границ массива положен гидрогеологический принцип, согласно которому в карстовых регионах они проводятся таким образом, чтобы для полученной таксономической единицы было удобно вести воднобалансовые расчеты. Согласно этому принципу горный массив Чатырдаг выделяется в следующих границах (Рис. 1): восточная — по левому борту долины р. Ангара (контакт пород таврической серии и оксфордских конгломератов); северная — по контакту титонских известняков верхней юры с берриас-валанжинскими и аптальбскими глинами нижнего мела; западная — по правому борту долин рек Тавельчук и Альма; южная — по контакту лузитанских известняков верхней юры, окаймленных местами массандровскими отложениями, с породами таврической серии. На юго-западе через невысокий (591 м) перевал Кебит-Богаз он граничит с массивом Бабуган, на северо-востоке — седловина Ангар-Богаза (752 м) отделяет его от Демерджи-яйлы. В плане Чатырдаг вытянут меридионально на 13 км при ширине в северной части до 6 км, в южной — до 5 км. Его площадь со всеми склонами и отрогами составляет 62 км², что на 10% расходится с расчетами Н. А. Головкинского.

Рис. 1. Орогидрографическая схема массива Чатырдаг (А) и район детальных исследований (Б): 1 — границы орографических элементов; 2 — основные вершины и их высотные отметки, м; 3 — перевалы; 4 — обрывы, уступы; 5 — тальвеги временных водотоков; 6 — основные источники; 7 — район детальных исследований; 8 — горизонтали, м; 9−10 — обнажения галечников и их номера (9 — исследованные в полном объёме, 10 — исследованные в сокращенном варианте); 11 — наиболее крупные карстовые полости. Орографические элементы: I — верхнее плато, II — северный склон, верхнего плато, IIIа — восточный холмистый участок нижнего плато, IIIб — западный грядовый участок нижнего плато, IV — Чумнохский водосбор, V — северный склон массива, VI — восточный склон массива, VII — южный склон массива, VIII — западный склон массива Они расположены дискретно, в виде отдельных обнажений, на участке площадью 8 км². С запада от г. Дамчи-Кая (1037 м) до г. Бельбек-Отар (976 м) участок ограничен бровкой нижнего плато. С севера граница проходит по линии пещера Белоснежка — пещера Эмине-Баир-Хосар — пещера Эмине-Баир-Коба; на востоке — по так называемой Центрально-пещерной долине (ЦПД), направление которой фактически совпадает с контактом нижнееи верхнетитонских известняков; на юге — вдоль крупного широтного нарушения, пересекающего от г. Дамчи-Кая на восток все нижнее плато.

В ходе полевых работ на участке выявлено 30 местонахождений галечников, из которых 22 исследованы по нижеприведенной методике в полном объеме и 8 в сокращенном варианте. Каждое обнажение или точка наблюдения (т/н) пронумерованы. Наибольшая плотность местонахождений наблюдается в районе в районе верховий балки Чумнох и вдоль восточной границы участка.

1.2 Краткая физико-географическая характеристика массива Чатырдаг

Литогенную основу массива Чатырдаг составляют мощные комплексы верхнетриасовых-нижнеюрских отложений таврической серии, карбонатных образований верхней юры и незначительные по мощности и распространенности осадки нижнего мела и плиоцен-четвертичного возраста [16, 22, 24].

В основании массива залегает мощная (более 2000 м) толща аргиллитов, алевролитов и песчаников таврической серии. Она слагает нижний структурный этаж Крымских гор и имеет значительное площадное распространение. Породы таврической серии окаймляют массив с востока, юга и запада. У их кровли сконцентрировано большинство источников, дающих начало мелким рекам и ручьям. На флиш таврической серии с несогласием налегает горизонт толстослоистых конгломератов оксфордского яруса верхней юры, мощность которого колеблется от 50 до 150 м. Выше по разрезу конгломераты согласно сменяются толстослоистыми и массивными рифогенными известняками лузитанского подъяруса. Суммарная мощность карбонатных образований лузитана на юге массива не превышает 1000 м и быстро снижается к северу. На эти отложения с угловым несогласием налегают мраморовидные и органогенно-обломочные известняки титонского яруса с обильной фауной. Известняки лузитана слагают преимущественно поверхность верхнего плато, а титона — нижнего. Стратиграфический разрез нижнего мела Чатырдага представлен берриасскими, валанжинскими и аптскими глинами, суглинками и песчаниками. Их мощность колеблется от одного до нескольких десятков метров. Они приурочены к северной окраине массива и выполняют отдельные древние понижения известнякового рельефа.

Венчают геологический разрез плиоцен-четвертичные отложения двух генераций. Осадки первой из них относятся к так называемой массандровской свите и приурочены к южному склону Чатырдага. Накопления второй — развиты в северо-западной и центральной частях нижнего плато. Они представлены маломощными рыхлыми, красноцветными осадками глинисто-песчаного и песчано-галечникового состава, выполняющими карстовые депрессии. В преобладающих грубообломочных отложениях доминируют хорошо окатанные гальки и гравий кварца, песчаника и железистых соединений. До настоящего времени границы распространения этих осадков, условия их залегания, генезис и многое другое оставались неизвестными.

Выяснение этих вопросов явилось целью настоящей работы. Подробные литологические и морфометрические характеристики, палеографические условия образования и роль этих отложений в развитии рельефа Чатырдага будут рассмотрены в следующих разделах.

В геоморфологическом отношении Чатырдаг представляет собой изолированный, плосковершинный массив, на котором выделяются два гипсометрических уровня — верхнее и нижнее плато [6, 12]. Между ними, вокруг них и в пределах последнего выделен ряд более мелких орографических элементов (рис. 1А), отличающихся по набору рельефообразующих процессов и их интенсивности. Верхняя и нижняя платообразные поверхности массива являются ареной активного развития карстовых процессов. Склоновые и эрозионно-денудационные процессы приурочены к периферийным участкам.

Климат на Чатырдаге типично горный, с последовательным понижением температуры воздуха при увеличении высоты. Продолжительность солнечного сияния — 2500 ч/год. На нижнем плато средняя годовая температура воздуха +7^оС, количество осадков 804 мм/год, на верхнем плато, соответственно, +4^оС и 1076 мм/год. От 41 до 46% осадков выпадает в виде снега, который за зиму может несколько раз стаивать из-за частых оттепелей. В наиболее суровые зимы, когда морозы достигают -30−32^оС, мощность снегового покрова может увеличиваться до 130 см. в этот период характерны сильные ветры западных румбов. Летом средняя июльская температура на яйле составляет 16−17^оС. Характерна ясная, безоблачная погода, осадки выпадают редко в виде ливней.

Относительная изолированность массива, его климатические условия предопределили ряд особенностей почвенно-растительного покрова. На склонах преобладают бурые горно-лесные почвы с тяжелосуглинистым механическим составом, включениями дресвы и щебня. На поверхности плато, на элювии и делювии известняков развиваются горно-луговые черноземовидные почвы и горные черноземы. Мощность их почвенного профиля невелика (0−50 см). Содержание гумуса составляет 6−10%.

Флора массива насчитывает 520 видов древесно-кустарниковых и травянистых растений. По количеству видов Чатырдаг уступает только Ай-Петринской яйле, зато по эндемичным видам Крыма (их 57) удерживает первое место. Растительный покров, одевающий склоны массива, представлен лесными сообществами, в которых насчитывается 148 видов. У северного подножия произрастают дубовые и дубово-грабовые леса с примесью диких плодовых деревьев и кустарников, на восточном, западном и южном — буковые леса. В отличие от склонов нижнее и верхнее плато практически безлесны, а их травянистая растительность представлена 372 видами. Злаково-осочковые и типчаково-степные сообщества занимают наиболее сухие места (водоразделы, поверхности южной экспозиции). Луговые сообщества распространены по днищам карстовых котловин и воронок, у мест активной почвенной конденсации. Здесь же произрастают редкие рощи из ильма, рябины, боярышника, встречается можжевельник [I].

Таким образом, специфические природные особенности горного массива Чатырдаг выдвигают его в ряд интересных географических и геолого-геоморфологических объектов. Отсутствие в пределах нижнего и верхнего плато кварцсодержащих и песчаниковых пород, изолированность и приподнятость массива над окружающей местностью, исключительное преобладание карстовых процессов над другими, относительная безводность и отсутствие поверхностной гидрографической сети свидетельствуют о том, что чатырдагские гравийно-галечниковые отложения являются древним осадочным образованием, несвойственным современному этапу развития рельефа.

2. Геоморфологическое положение галечниковых отложений

Детальные геоморфологические исследования поверхности нижнего плато Чатырдага впервые были проведены в начале-середине 60-х годов при изучении характера закарстованности и условий его подземного стока [14, 16]. Установлено, что древняя эрозионная сеть, в настоящее время распавшаяся на отдельные замкнутые карстовые водосборы, и карстовые полости, ныне представляющие собой изолированные звенья древних гидрогеологических систем, развивались синхронно. Отмечено наличие в северо-западной части плато нескольких пунктов с гравийными и суглинистыми отложениями, которые тяготеют к древней эрозионной сети. По результатам геоморфологических исследований составлена карта поверхностных водосборов с указанием направлений палеостока (см. рис. 2). Из нее следует, что поверхностный и подземный сток был местным и осуществлялся в основном с юга на север. Однако, предложенная авторами схема не объясняет как мог попасть в пределы района рыхлый, хорошо окатанный гравийниково-галечниковый материал, нехарактерный для коренных пород плато. Поэтому автором были проведены дополнительные геоморфологические исследования с применением методов, используемых при морфолитогенетическом анализе отложений, для решения этой задачи были рассмотрены геолого-геоморфологические условия залегания и распространения галечников Чатырдага.

Обнажения представляют собой скопления рыхлого, обломочного материала (красно-бурые глины, пески, гравий, галька), сформировавшегося в результате разрушения и переотложения горных пород (конгломераты, песчаники и др.), нехарактерных для мест их современной аккумуляции. Контакт с подстилающими известняками несогласный, что свидетельствует о перерыве в осадконакоплении, об отложении обломочного материала на уже сформировавшийся рельеф. Накопления выполняют понижения карстового рельефа — днища воронок, котловин, ложбин, трещины и борозды между карровыми гребешками.

Рис. 2. Схема реконструированных поверхностных водосборов Чатырдага: 1 — границы водосборов; 2 — направление стока; 3 — участок распространения галечников В тальвегах временных водотоков отмечены скопления кварцевой гальки в виде неясно выраженных линз и прослоев незначительной мощности в толще бурозема и суглинков. Кроме этого, выходы отложений встречаются на склонах карстовых мезоформ, на седловинах, разделяющих отдельные карстовые депрессии, а также на водоразделах. В этих условиях некоторые обнажения напоминают рудные гнезда, где роль рудного тела выполняют песчано-галечниковые отложения, а роль вмещающей полости — карстовая каверна или канал, вскрытые на поверхности. Находки хорошо окатанных кварцевых галек и гравия известны в водно-механических отложениях некоторых пещер Чатырдага. Характер распределения обнажений на различных геоморфологических элементах рельефа представлен в таблице 1.

Согласно хронологии образования флювиальных форм самыми древними из выделенных элементов являются водоразделы. Количество наблюдаемых здесь обнажений минимальное — 10%. На седловинах и склонах отрицательных эрозионно-карстовых форм, которые моложе водоразделов, но древнее днищ, отмечается максимум выходов — 57%. Промежуточное положение (33% обнажений) занимают местонахождения галечников на самых молодых элементах рельефа — днищах и тальвегах. Таким образом, распределение обнажений песчано-галечниковых отложений, перекрывавших древний карстовый цоколь, обнаруживает тенденцию к увеличению их количества от древних элементов рельефа к молодым. Это подтверждает высказанное ранее предположение о том, что перераспределение рыхлого материала на поверхности нижнего плато Чатырдага происходило под влиянием плоскостного и линейного смыва, сопровождавшего формирование эрозионных врезов. Некоторое несоответствие закономерности, связанное с промежуточным положением обнажений в днищах, объясняется более энергичным разрушением выходов в периоды активизации эрозии и удалением обломочного материала суффозионным путем.

Интересные результаты дал анализ гипсометрического положения обнажений. По вертикали район развития песчано-галечниковых отложений ограничен высотными отметками 705 м (т/н 28) и 1060 м. в у.м. (т/н 24). Внутри 355-метровой амплитуды, разбитой на 8 высотных ступеней с шагом 50 м, обнажения распределились следующим образом (см. табл. 2) Наибольшее количество местонахождений сконцентрировано в интервале высот 1001−1050 м — 61%. Очевидно, этим отметкам соответствовали наиболее оптимальные условия аккумуляции и сохранности обломочного материала. Последовательное убывание количества обнажений к нижним ступеням рельефа свидетельствует об ухудшении этих условий, об усилении процессов, способствующих деградации чатырдагских галечников. При сравнении (см. рис. 3) количества обнажения и пещер в районе исследования отчетливо проявляется их взаимосвязь. Идентичные изменения сравниваемых показателей указывают, что в их основе лежит общий фактор, регулирующий оба распределения. Таким фактором несомненно является наличие воды. Вода способствует активному переносу и аккумуляции наносов, она же является необходимым условием формирования карстовых полостей.

Очевидно, зона наибольшей водообильности (1000−1050 м) была представлена древним водотоком, воды которого были перегружены наносами. Поскольку закарстованные территории отличаются повышенной трещиноватостью, часть поверхностного стока использовалась на подземное питание и проработку пещер. Поэтому максимальному количеству обнажений галечников соответствует максимальное число карстовых полостей, среди которых преобладают пещеры-поноры и вскрытые пещеры — древние подрусловые каналы стока коррозионно-эрозионного генезиса. Через эти спелеоформы вместе с водой увлекалась часть наносов. Речной аллювий, попадая в хорошо канализованную подземную сеть, переносился мощными водотоками на значительное расстояние, вплоть до выхода карстовой системы на поверхность.

Таблица 1. Распределение обнажений на геоморфологических элементах

Таблица 2. Гипсометрическое положение обнажений галечников Чатырдага

Рис. 3. Гистограммы высотного распределения количества (%) обнажений галечниковых отложений (А) и пещер (Б) в районе исследования Выполняя роль своеобразного абразива, он способствовал увеличению объема полости, ее пропускной способности в отношении новых масс воды и влекомых наносов. По мере продвижения древнего водотока вглубь закарстованной территории его русло пересекало все больше зон поглощения, в результате чего терялась значительная часть стока и наносов. Транспортирующая энергия потока снижалась, что приводило к аккумуляции даже самых мелких частиц аллювия. Согласно графику (Рис. 3), ниже отметки 850 м обломочный материал вообще не встречается, а это может означать, что воды палеореки полностью были переведены в недра массива. Исчезновение инфлюационного питания в диапазоне высот 800−850 м может являться одной из причин отсутствия здесь полостей, вскрывающихся на поверхность. Увеличение местонахождения аллювия на высотной ступени 700−800 м обеспечивается появлением древних пещер-источников, воды которых и отложили этот материал.

Таким образом, результаты геоморфологического анализа указывают на тесную связь обломочных отложений с древней гидрографической сетью. Это позволяет классифицировать песчано-галечниковые отложения Чатырдага как древние аллювиальные накопления.

3. Методика и основные результаты морфолитогенетического изучения галечниковых накоплений чатырдага

3.1 Гранулометрический состав

3.1.1 Размер частиц

Размер частиц обломочной породы является важнейшей характеристикой структуры осадочных образований. Он выступает главным классификационным критерием или основанием для подразделения обломков на категории различной крупности, в соответствии с которыми дается точное название осадочной породы.

Основным методом исследования, определяющий зерновой (механический) состав кластических пород, является гранулометрический анализ. Его используют для расчета размеров обломков, при подготовке к исследованию минералого-петрографического состава, формы обломков, их окатанности, сортировки и т. п. Вся эта информация позволяет в итоге осуществлять реконструкции палеографической обстановки осадконакопления.

Гранулометрический анализ производится путем разделения частиц, слагающих рыхлые породы, на классы крупности (фракции размерности) и установления массы и процента выхода каждого класса (фракции). Разделение осуществляется следующими способами: 1) седиментометрический (ареометрический), основанный на различной скорости осаждения частиц различной крупности в воде; 2) непосредственное измерение поперечника частиц; 3) ситовой анализ, заключающийся в просеивании зерен породы через сита с последовательно уменьшающимися размерами отверстий. При изучении обломочный отложений Чатырдага использовались два последних способа.

Непосредственное измерение частиц заключается в определении величины основных параметров: длины (ось а), ширины (ось в) и толщины.

Таблица 3. Классификация обломочных и глинистых пород (по [19], с сокращениями)

Рис. 4. Основные понятия и приемы измерения диаметра гальки

Эти характеристики играют важную роль не только при выяснении формы обломка, но и при определении его размера через диаметр. Поскольку непосредственно замерить диаметр обломка часто бывает затруднительно, прибегают к его математическому вычислению. Существует несколько вариантов расчета диаметра (Д, мм) частицы: средний арифметический (Д = (а + в + с)/3), средний геометрический и логарифмическое среднее значение. По мнению автора наиболее корректным является способ расчета диаметра частицы через ее объем. Для этого определяется объем частицы (V = а в с) и приравнивается к объему описывающей сферы, радиус (диаметр) которой и считается радиусом (диаметром) обломка. Впервые такой прием был предложен Г. Уэделлом. Полученная интегральная характеристика была названа номинальным диаметром. Его величина не зависит от формы или плотности гальки и рассчитывает по формуле:

(1)

где D — номинальный диаметр Уэделла, мм; V — объем частицы, определенный по осям а, в, с, мм³; = 3,14.

Ситовой анализ проводится при помощи набора сит с последовательно уменьшающимися диаметрами отверстий. Количество сит определяется целью исследования или детальностью измерения. Результаты гранулометрического анализа показываются в таблицах распределения по фракциям, графически в виде круговых диаграмм, гистограмм, треугольников и кумулятивных кривых.

Основным методом анализа для генетической интерпретации гранулометрических данных является оценка статистических характеристик, полученных эмпирических распределений. К ним относится оценка линейных размеров частиц (среднего, медианного, модального, максимального и т. д.), их изменчивости и различные меры сортировки осадка. Чаще всего применяется приближенный метод оценки опытных распределений частиц по размерам — метод квартилей, основанный на анализе кумулятивных кривых. Ординаты кривой, отвечающие распределения 25, 50 и 75% классов крупности, соответственно называются третьей (Q₃), второй или медианной (Q₂) и первой (Q₁) квартилями. При этом коэффициент сортировки S₀ определяется по формуле:

(2)

Он является мерой изменчивости осадка, показателем способности и эффективности транспортировки обломков, то есть свидетельствует о гидродинамической обстановке, в которой происходило осадконакопление. Коэффициент сортировки может служить дополнительным источником информации при проведении палеогеографических реконструкций. В частности, снижение его значений до 1 свидетельствует об однообразном составе осадка, формирование которого могло происходить при постоянстве и достаточной длительности условий седиментогенеза.

Изучение размера обломков позволяет установить гидродинамические палеоусловия осадконакопления — в частности, скорость потока. Ф. Хьюлстремом выведена прямо пропорциональная зависимость между размером зерен и скоростью, которая позволяет определять характер обстановки седиментогенеза.

Итоговым результатом гранулометрического анализа являются карты территориального распределения статистических показателей размера обломков и их производных, позволяющие установить положение областей сноса, транзита и аккумуляции, выявить направление течения и другие данные.

3.1.2 Процессы и факторы гранулометрического контроля

Все классы обломков в ходе эволюции претерпевают изменения — уменьшение или увеличение размеров. Увеличение или регенерация зерен происходит редко и в данной работе не рассматривается. Сокращение размеров и потеря массы частиц связаны с химическим и механическим износом или истиранием в водной среде, обобщено называемых абразией. Некоторые исследователи выделяют несколько отдельных абразивных процессов, приводящих к уменьшению размера, и дают их краткую формулировку. Абразия — процесса износа, происходящий при трении гальки друг о друга. Столкновение — процесс соударения крупных и мелких обломков, в ходе которого последние несут значительные потери за короткий промежуток времени. Измельчение — действие, происходящее при размалывании мелких зерен, испытывающих постоянный контакт и давление более крупных галек. Растворение — физико-химический процесс уменьшения обломка на оптически не различимую величину. Истирание — процесс сокращения зерна на видимую величину, но не менее чем, на 1/150 своего размера. Откалывание — процесс отделения частиц с размерами более 1/150 от начального размера. Раскалывание — разрушение обломка на два примерно равных зерна. Степень и скорость износа зерен зависит от ряда осуществляющих гранулометрический контроль факторов. К ним относятся: размер первичных отдельностей; механическая прочность обломков; характер и интенсивность абразивного процесса; характер смеси (доля и размеры составных частей); характер ложа, по которому перемещается обломочный материал; длительность процесса или расстояние, на котором происходит абразивный процесс.

Наиболее заметно влияние размера зерен. Установлено, что чем крупнее обломки, тем они быстрее истираются и окатываются, тогда как истирание мелких частиц происходит чрезвычайно медленно. Например, для кварца критический размер зерен, при котором их окатывание и износ практически прекращаются, составляет 0,20−0,25 мм. В то же время, если крупные и мелкие обломки находятся в смеси в примерно равных долях, максимальные потери несут зерна наименьших размеров. В результате этой селекции в руслах рек средний размер обломков уменьшается вниз по течению и часто носит экспоненциальный характер. Эта зависимость известна как закон Штернберга и служит для определения направления и расстояния транспортировки, положения областей денудации и аккумуляции.

Механическая прочность обломков выступает, как способность противостоять истиранию в процессе переноса. Она зависит от твердости, хрупкости, спайности и других кристаллографических свойств минералов, составляющих обломок. Поэтому говоря о прочности, часто подразумевают минералого-петрографический состав обломков. Максимальное сопротивление износу оказывает кремень, кварциты, жильный кварц, наименьшее — известняки и рыхлые песчаники. В ходе дифференциации аллювиальных отложений по сопротивляемости износу вниз по течению реки происходит увеличение содержания обломков стойких пород и уменьшение податливых. Зависимость четко проявляется на протяженных участках рек, не имеющих притоков. Наличие притоков, транспортирующих кластический материал различной механической прочности из разных областей денудации, нарушает эту закономерность.

Интенсивность абразивного процесса тесно связана с гидродинамическими условиями транспортировки материала и также является важным фактором, формирующим размер обломков. Выделяется несколько способов переноса обломочных отложений, обуславливающих износ частиц определенных классов размерности. Грубые фракции образуются в результате волочения, песчаная — сальтацией, глинисто-алевритовая — суспензионным переносом. При возрастании скорости и водности потока увеличивается интенсивность абразивного процесса и, соответственно, скорость потери частицей массы. Экспериментальными исследованиями установлено, что износ обломочных зерен пропорционален квадрату скорости их перемещения.

Характер поверхности ложа, по которому перемещается обломочный материал, значительно влияет на скорость истирания обломков. Если дно, по которому транспортируется осадок, сложено песком, то сокращение размеров зерен происходит в 5 раз медленнее, чем если оно выполнено гравием.

Многочисленные лабораторные исследования показывают, что скорость сокращения размеров частиц максимальна на ранних стадиях переноса и экспоненциально уменьшается во времени или с расстоянием. Наиболее удовлетворительной гипотезой, объясняющей это явление, считается предположение А. Б. Вистелиуса о том, что в начале переноса, когда идет стачивание только острых граней обломков, износ осуществляется с высокой интенсивностью, а в дальнейшем по мере перехода к истиранию по всему контуру гальки, износ резко замедляется.

В итоге при прочих равных условиях степень износа обломочных зерен прямо пропорциональна кубу диаметра частиц, но обратно пропорциональна их абразивной прочности.

3.1.3 Гранулометрические исследования галечников Чатыдага

При изучении гравийно-галечниковых отложений нижнего плато Чатырдага использовались ситовой анализ и непосредственное изменение поперечника частиц с помощью штангель-циркуля. Ситовой анализ проводился при помощи набора сит с диаметрами отверстий 10, 7, 5, 3, 2, 1, ½, ¼ мм. Пробы из обнажений отбирались с поверхности (до глубины 5 см) в пределах площадки 25×25 см. их масса колебалась от 1 до 2 кг. Перед просеиванием каждая проба просушивалась. Обломки каждой фракции взвешивались с точностью до 5 г. после чего определялось их процентное содержание в пробе. Результаты гранулометрического анализа проб из 22 исследованных обнажений представлены в таблице 4. они впервые позволили дать точное, подтвержденное количественной оценкой, название изучаемым осадкам. Обломочные отложения Чатырдага на 28,5% представлены мелкообломочными фракциями (песок, алеврит, глина), на 44,0% - гравийниковым и на 27,5% - галечниковым материалом. Согласно классификации смесей обломочных пород термин галечник используется если в осадках содержится 30% или более обломков размера гравия и гальки. При полевых исследованиях этот термин применяется, если породы на 50% и более представлены грубообломочными фракциями [20, 19]. Таким образом, согласно обеим классификациям изучаемые отложения Чатырдага следует называть галечниками.

В дальнейших исследованиях будут анализироваться закономерности, связанные только с грубообломочными отложениями, и лишь в отдельных случаях будут привлекаться материалы по песчано-глинистой части осадков. В связи с этим, весовые проценты последних шести фракций (см. табл. 4) пересчитаны без учета мелкообломочных классов. Такой прием применен автором преднамеренно. Во-первых, грубообломочные отложения реже используются при палеогеографических реконструкциях, чем мелкообломочный материал, хотя их изучение значительно проще, дешевле, не требует сложной исследовательской аппаратуры и выполнима даже в полевых условиях. Во-вторых, точность палеогеографических реконструкций, основанных на изучении галечников, нисколько не уступает точности восстановления древних обстановок осадконакопления, базирующихся на исследовании песчано-глинистого материала.

Таблица 4. Результаты гранулометрического анализа обломочных отложений Чатырдага (в %)

Из отстроенных после перерасчета гистограмм (см. рис. 5) видно, что гранулометрический состав галечников сильно колеблется. Из 22 исследованных проб 68% имеют полимодальное распределение фракций, то есть два или больше классов размерности выражены лучше других. Такое распределение типично для аллювиальных, у которых основная мода связана с классом галек, а вторичная с мелко-гравийниковой и песчаной фракциями [25], заполняющими пространство между гальками. В грубообломочных отложениях Чатырдага основной модальный класс приходится на частицы с размером более 10 мм (64% проб). В нем содержится от 26 до 85% (в среднем 47%) материала. Вторичная мода представлена мелкогравийниковым (64%), среднегравийниковым, крупногравийниковым и галечниковым (по 12%) классами обломков. В целом для отложений характерен дефицит частиц с размерами 2−3 мм (4,6%; табл. 4).

Результаты гранулометрического анализа позволяют рассчитать другие параметры, характеризующие размер обломков: максимальный, средневзвешенный, медианный, модальный диаметры и сортированность.

Определение максимального диаметра проводилось по самому крупному обломку в пробе путем непосредственного замера его длины, ширины и толщины. Затем рассчитывались объем частицы и ее номинальный диаметр по формуле (1).

Средневзвешенный диаметр (Д_взв.) вычислялся с учетом весового процента каждой фракции по формуле.

Значения медианного и квартильных диаметров снимались с кумулятивных кривых. Величина модального диаметра рассчитывалась по формуле (3):

где, а — начало модального интервала, т. е. интервала с наибольшей частотой; L — ширина интервала; f₁ — частота интервала, предшествующего модальному; f₂ — частота модального интервала; f₃ — частота интервала, следующего за модальным.

Коэффициент сортировки вычисляется по формуле (2).

Таким образом, получены все необходимые статистические характеристики (см. табл. 5), территориальное распределение которых представлено на рисунке 6.

На первых пяти схемах четко прослеживается расположенная у южной границы зона максимальных значений размера и минимальных величин сортировки, вытянутая в восточном направлении. Ее «ось тяжести» проходит примерно через т/н 6, 8, 3, 4. далее она изменяет направление на субмеридиональное и достаточно ясно прослеживается через т/н 1, 20, 18 (схемы А, Б, В, Г), 19 (Д), 16 (А, Б, В, Д), 14 (А, Б), расположенные в ЦПД. Особый характер конфигурации изолиний схем Г, Д и, в некоторой степени, А свидетельствует о раздвоении этой зоны в районе пещеры Охотничья (т/н 20,19). Левая ветвь имеет направление в сторону пещер Мраморная и Белоснежка (т/н 15, 22, 28).

Вторая аналогичная зона, менее сложная и короткая, выделяется у западной границы участка, пространственно совпадая с балкой Чумнох.

Таблица 5. Статистические характеристики размера обломков галечников Чатырдага

Интересные сведения о характере процессов осадконакопления в русле прареки были получены при анализе соотношений грубообломочных (более 10 мм) и мелкообломочных (менее 1 мм) фракций (см. рис. 8). В целом здесь прослеживается обратно пропорциональная зависимость: уменьшению содержания грубообломочных классов соответствует медленное увеличение песчано-глинистых. Это свидетельствует о преобладании аккумулятивных процессов над эрозионными и может быть связано с двумя причинами: резким уменьшением уклона русла при выходе на плато и / или с уменьшением водности потока вследствие пересечения им зон подземного поглощения.

Кроме указанных общих закономерностей, интересен ряд частных, характерных для отдельных отрезков продольного профиля прареки (см. рис. 8). На участке между т/н 6 и 8 росту грубообломочных фракций соответствует снижение мелкообломочных. Это свидетельствует о преобладании процессов эрозии, формировании инстративного аллювия [27], соответствующего периоду врезания реки и отличающегося малой мощностью и повышенной крупностью материала. Такое соотношение классов разномерности характерно для территорий, расположенных в области сноса или промежуточного коллектора. В качестве последнего могут выступать оксфордские конгломераты, выходы которых обнажаются у западной бровки плато до отметки 1025 м.

На участке т/н 8−20 падению содержания грубообломочных фракций соответствует рост мелкообломочных — процесс, характерный для областей аккумуляции, где накапливается констративный аллювий. Небольшое нарушение закономерности на отрезке /н 4−1 (уменьшение содержания песчано-глинистого материала) может быть объяснено некоторым увеличением энергии водного потока за счет роста водности, связанной с впадением правого притока. Его тальвег прослеживается по характерному изгибу горизонталей. Приток брал начало у подножия северного склона верхнего плато, к западу от пещеры Хабази-Хасар. Его энергия была достаточной для удаления песчано-глинистого материала в русле реки, но малоэффективной для формирования инстративного аллювия. Ниже по профилю этот тип аллювия образуется лишь на участке т/н 20−18, где впадал второй правый приток, бравший начало у пещерной системы Азимутная-Вялова. Не исключено, что вымывании песчано-глинистой части осадка в русле палеоводотока происходило уже после установления общего закономерного для рек соотношения грубои мелкообломочных частиц. Указанные притоки являлись самостоятельными водотоками, существовавшие позже, чем выявленная прарека. Они имели снеговое питание, характерное для рек перигляциальных областей в периоды межи послеледниковья. Использование ими отрезков древнего русла в качестве собственного, их сезонно изменчивая водность и своеобразная гранулометрия влекомых наносов явились причинами, внесшими нарушения в установленную закономерность.

3.2 Морфометрический анализ

3.2.1 Форма частиц

Форма обломков (лат. forma — вид, образ) — это его внешний облик, закономерное сочетание граней (плоскостей), ребер, вершин тела, взаиморасположение которых есть результат воздействия дезинтеграционных и регенерационных процессов морфолитогенезиса. Из геометрии известны определения таких правильных форм, как куб, призма, шар, цилиндр, конус и др. Но ни одна из названных систем для характеристики формы осадочных обломков недостаточна. Используемые термины лишь указывают на сходство с призматической, пирамидальной, клиноподобной, параллельно-таблитчатой и другими формами. Их употребляют при морфографическом описании частиц, имеющих довольно сложную форму, которую трудно выразить простым численным показателем. Морфометрический анализ основывается на количественных характеристиках. К ним относятся: сферичность, удлиненность, уплощенность др. эти интегральные характеристики формы базируются на различных соотношениях главных показателей размерности — длины, ширины, толщины. Поскольку форма обломка есть производная от его размерных показателей, то и факторы формообразования в основном будут те же, что осуществляют и гранулометрический контроль. Морфологический облик частиц, так как и их размер, может меняться в зависимости от гидродинамической обстановки осадконакопления, расстояния переноса, первоначальной формы обломков и свойств слагающих их пород и минералов. Поэтому характеристики формы обломков являются определенными показателями среды осадконакопления, индикаторами гидрологических и геолого-геоморфологических условий в пределах тех или иных фаций.

Для количественной оценки показателей формы, как правило используют шар. К форме шара, обладающей минимальной площадью поверхности для данного объема, стремятся обломочные зерна многих пород. Иными словами, шарообразная форма есть конечный результат эволюции обломка, а мера приближения к ней свидетельствует о его возрасте и / или условиях седиментогенеза. Шарообразные частицы имеют максимальную скорость осаждения из транспортируемой смеси обломков различной формы, объема и плотности. Поэтому одним из основных показателей, отражающих уровень и характер обработки обломочного материала, явился, разработанный Х. Уэдделлом, коэффициент сферичности. По мнению автора, он отражает близость формы гальки к шару и в некоторой степени характер сопротивления частицы в потоке.

Первоначально им была предложена формула:

Y = S / S¹,

где S — поверхность сферы, равновеликой по объемы гальки; S¹ — фактическая площадь поверхности гальки. Однако, учитывая трудности определения последнего параметра, Х. Уэдделл предложил несколько видоизмененную формулу:

Y = d / Д, где d — диаметр сферы равновеликой по объему гальки; Д — диаметр описывающей сферы или длинный диаметр гальки (ось а). Для шара в обоих случаях отношение равно 1, для других обломочных частиц — менее 1.

Несколько позже У. Крамбеин предложил вычислять значение коэффициента сферичности в зависимости от соотношения осей гальки (а, в, с):

.

В этом случае сферичность выражается в виде отношения объема трехосного эллипсоида к объему описанной вокруг обломка сферы. И, наконец, Р. Фолк предложил внести поправку для определения максимального коэффициента сферичности и дал формулу:

К_сф. = (с²а — I_в — I) / I/3,

которая по его данным, больше соответствует наблюдаемой скорости осаждения, чем коэффициент сферичности Уэделла.

Как показывает опыт изучения морфологии обломков использование одного коэффициента сферичности бывает недостаточно. Многие частицы характеризуются низкой сферичностью, но значительно отличаются друг от друга по форме. Поэтому Т. Зингом была предложена классификация обломков по форме (см. табл. 6), основанная на сопряженном анализе соотношений главных осей (в/а, с/в). Хотя данная классификация имеет несомненную ценность, она не исчерпывает всего многообразия форм галек, встречающихся в осадочных отложениях.

Из других показателей, численно выражающих морфологический облик галек, отмечается коэффициент уплощенности, предложенный Ч. Уэнтуэртом [25]:

= (а + в) / 2 с.

Форму гальки можно охарактеризовать также коэффициентом удлиненности (изометричности):

= (а + с) / 2 В.

Подобно показателям размера, характеристики формы также играют важную роль в установлении палеогеографических условий седиментогенеза и служат дополнительным независимым источником информации, позволяющим верифицировать результаты исследований, полученные другими методами.

3.2.2 Результаты исследований формы частиц в галечниках Чатырдага

В геолого-геоморфологических исследованиях при описании формы обломков пород наиболее часто используются коэффициент удлиненности (в/а) и уплощенности (с/в) Зинга и коэффициент сферичности Уэделла, который рассчитывается как отношение минимального диаметра обломка к его длине (ось а). Эти количественные характеристики были использованы при изучении галечников Чатырдага. Они были рассчитаны для всех 30 обнажений, а их значения сведены в таблицу 7.

Таблица 6. Классы обломков по форме [25]

По данным таблицы составлены схемы территориального распределения удлиненности, уплощенности и сферичности обломков (см. рис. 10). Анализ схем показал наличие субширотных зон высоких значений коэффициентов формы, протянувшихся через т/н 5, 8, 3 у южной границы участка и аналогичных зон на севере, имеющих более сложную конфигурацию. В них отлагались преимущественно шаровидные частицы. Среди разнообразных по форме обломков они выпадают в первую очередь, так как шар имеет максимальный объем (вес) при минимальной площади сферы. В данном случае шарообразные (равноосные) обломки являются индикатором изменения гидродинамических условий потока (уменьшение уклона русла, снижение скорости потока или водности). Разъединяющие северные и южные зоны области пониженных значений соответствуют участкам, где соотношения между главными размерными осями обломков достигают наибольших амплитуд. Это может быть связано с усилением процессов механического и химического разрушения частиц (столкновение, раскалывание, дробление, растворение), которые в значительной степени предопределены высокой энергией потока (большими скоростями течения, повышенной водности и др.) это обстановка могла возникнуть при наличии притоков, которые достоверно устанавливаются по условиям рельефа и данным гранулометрического анализа. Находки гравийно-галечникового материала на склонах и в днище ЦПД, а также в водно-механических отложениях пещер этого участка указывают, что сток осуществлялся как по поверхности, так и под землей. Именно наличие относительно водообильных отрезков древнего русла (районы впадения притоков), чередующихся с зонами поглощения (карстовые полости), привели к формированию в ЦПД Таблица 7. Распределение коэффициентов формы обломков в галечниках Чатырдага

Таким образом, анализ территориального распределения показателей формы частиц указывает на примерное положение источников поступления каменного материала и пути его распространения (см. рис. 10-г). Тем самым, подтверждаются палеогеографические выводы, полученные при изучении размера обломков чатырдагских галечников.

3.2.3. Окатанность

Согласно определениям отечественных исследователей [4, 18, 28] окатанность — это количественный показатель, характеризующий степень приближения формы обломка к геометрии шара или круга, то есть одно из проявлений формы. Однако отождествлять окатанность с формой частицы нельзя. Окатанность характеризует остроту краев и углов обломочных отложений, она не зависит от формы. Некоторые прямоугольные геометрические формы — куб, пластина, призма и тому подобные — обладают острыми углами и их радиусы кривизны или окатанность равны нулю. Тем не менее, они отличаются друг от друга по форме, следовательно, и по сферичности. Таким образом, приведенное выше определение окатанности больше соответствует содержанию термина сферичность. Между тем, еще Ч. Уэнтуэрт дал определение понятия окатанности, как отношение r_i/R, где r_i — радиус дуги, описывающей наиболее острый угол, а R — половина максимального диаметра. Впоследствии, Г. Уэдделлом и А. А. Кухаренко математическое выражение окатанности представляет собой отношение среднего радиуса закругления углов гальки в сечении перпендикулярном ее наименьшей оси, к радиусу наибольшего вписанного круга. В расчет принимались только радиусы закруглений, величина которых не превышает радиуса вписанного круга:

где r_i — радиус вписанного круга в углах гальки; R — радиус наибольшего вписанного круга; n — количество углов, в которых производилось определение.

Наиболее простой и быстрый способ определения степени окатанности обломков в поле — визуальная оценка по пятибалльной шкале, предложенной А. В. Хабаковым. Баллы и классы окатанности, имеющие сначала качественную характеристику, позже получили количественное подтверждение в виде коэффициентов окатанности (см. табл. 8).

Таблица 8. Степень окатанности обломков (составлена автором по материалам А. В. Хабакова, Ф.Дж. Петтиджона, Н.В. Розумихина)