Окатанность осадочных отложений » Ремонт Строительство Интерьер

Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Окатанность осадочных отложений

29.07.2021

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 равны нулю. Тем не менее они отличаются друг от друга по форме (а следовательно, и по сферичности). Однако термин окатанность в литературе используется как по назначению, так и во многих случаях отождествляется с формой. Различие между этими терминами фундаментально и его не следует забывать. Уэнтуэрт первым дал четкое определение понятия окатанности, определив его отношением ri/R, где ri — радиус дуги, описывающей наиболее острый угол, a R — половина максимального диаметра. Уодел определял окатанность как отношение среднего радиуса дуги нескольких углов и выступов зерна к радиусу дуги максимальной сферы, вписанной в зерно. Поскольку практически применять такой показатель достаточно сложно, представляется целесообразным оперировать двухразмерной фигурой, т. е. сечением или проекцией изучаемой частицы или обломка, а не собственно трехмерным предметом. В этом случае окатанность определяется как средний радиус дуг, вписанных в углы проекции зерна, разделенный на радиус максимальной вписанной окружности (рис. 3-23). Математическое выражение для окатанности следующее:
Окатанность осадочных отложений

где ri — конкретные радиусы углов, N — число углов и R — радиус максимальной вписанной окружности. При таком определении шар имеет как окатанность, так и сферичность, равные единице. Однако другие несферичные предметы могут иметь окатанность, равную единице; например, тело в виде капсулы, представляющее собой цилиндр, ограниченный с торцов двумя полушариями. Различные исследователи предлагали свои уточненные определения окатанности, рассмотренные в ряде работ.

Как уже указывалось, термин окатанность применяется довольно свободно. Такие понятия как окатанный, полуокатанный, полуугловатый и угловатый также являются терминами свободного пользования. Для того чтобы эти понятия имели более точное значение, они были переведены в количественные термины, по аналогии с более точными определениями размерности обломочных зерен. В большинстве таких работ применяются показатели окатанности Уодела. Выделяемые классы неравны (табл. 3-9). Петтиджон пересмотрел границы классов таким образом, чтобы их середины примерно образовывали геометрическую прогрессию. Пауэрс определил и назвал шесть степеней окатанности (вместо пяти) таким образом, что границы классов достаточно приближаются к геометрической шкале V2. Фолк по аналогии со шкалой ф — размерности Крамбейна назвал шкалу окатанности р-шкалой.

Степени окатанности по Петтиджону, приведенные в табл. 3-9 и изображенные на рис. 3-24, следующие.

Угловатые (0—0,15) — очень незначительные следы обработки, края и углы острые, второстепенные углы (мелкие выступы на контуре зерна помимо главных) многочисленные и острые.


Полуугловатые (0,15—0,25) — определенные следы обработки, края и углы окатаны в некоторой степени, многочисленные второстепенные углы (10—20), хотя в меньшем количестве, чем в классе угловатых зерен.

Полуокатанные (0,25—0,40) — значительные следы обработки, края и углы округлены, второстепенные углы значительно сглажены, число их не превышает 5—10. Площадь первичных граней сокращена, первоначальные углы между ними сглажены, но еще заметны.

Окатанные (0,40—0,60) — первоначальные грани почти полностью исчезли, сохраняются некоторые относительно плоские поверхности. Между сохранившимися гранями тупые углы, все первичные края и углы сглажены до плавных кривых, второстепенные углы в явном меньшинстве (0—5). При окатанности 0,60 все второстепенные углы исчезают. Первоначальная форма зерна еще угадывается.

Хорошо окатанные (0,60—1,00) — не сохраняют первоначальные грани, края или углы, поверхность целиком состоит из обширных выпуклостей, плоских участков нет, второстепенных углов нет. Первоначальная форма обломка предполагается по настоящей форме зерна.

Каково геологическое значение окатанности и какую пользу этот параметр может иметь для определения расстояния, направления и скорости переноса осадочных частиц? Начиная с работ Дебре, многие исследователи пытались дать ответ на эти вопросы с помощью полевых и лабораторных исследований. Проведенные работы показали, что окатанность увеличивается резко в начале переноса, а затем изменение этого показателя с расстоянием происходит постепенно (рис. 3-25, 3-26). Это наблюдение, сделанное сначалом Дебре, получило четкое количественное подтверждение в работах Уэнтуэрта. На долю Крамбейна выпало сформулировать наблюдаемые взаимоотношения в математической форме. Он отмечал, что степень изменения окатанности является функцией разности между окатанностью в любой точке и неким значением предельной окатанности, показателем, в определенной степени зависящим от материала и гидрологического режима конкретного потока или пляжа. Эту зависимость можно выразить формулой

где P — окатанность в любой точке, PL — предельная окатанность, х — расстояние и k — коэффициент окатанности. Это уравнение удовлетворяет как лабораторным, так и полевым наблюдениям (рис. 3-27).

Результаты последующих лабораторных исследований Крамбейна и работ Пламли, посвященных грубообломочным отложениям русел Блэк-Хилс, заставили усомниться в справедливости уравнения Крамбейна. Процесс окатывания оказался более сложным. Пламли пришел к выводу, что изменение окатанности с расстоянием пропорционально не только разности между окатанностью в данной точке и предельной окатанностью, но также зависит от расстояния транспортировки.


Каково бы ни было точное выражение уравнения окатанности, получено ли оно экспериментально при истирании обломков в шаровой мельнице или из наблюдений за природными потоками, окатанность во времени (расстоянии) растет вначале быстро, а затем медленно. Вероятно, существует предельное значение окатанности, отчасти связанное с составом обломков (например, для кремня оно ниже, чем для кварца или известняка). Более того, окатывание крупных обломков происходит быстрее. На какое расстояние должна переноситься галька, чтобы стать хорошо окатанной (0,60)? Лабораторные и полевые исследования не дают точного ответа на вопрос, но позволяют предположить примерный порядок цифр. Изменение куба до шара диаметром, равным стороне куба, связано с потерей около 47,5% первоначального объема или массы. Следовательно, можно предположить, что потеря одной трети или половины массы приведет к максимальной окатанности обломка, и дальнейшее сокращение размера не будет сопровождаться увеличением окатанности. Как видно из данных Крамбейна, потеря одной трети массы связана с образованием обломка окатанностью около 0,60 (хорошо окатанного). Дальнейшая потеря массы не приводит к значительному изменению окатанности. Обломок известняка достигает такой окатанности через 11,2 км. Принимая цифры Дебре (от 0,001 до 0,004 части массы теряется гранитной галькой на один километр переноса), можно рассчитать, что для хорошей окатанности (т. е. потери одной трети первоначальной массы) потребуется перенести ее на расстояние от 84 до 333 км. Расчет, несмотря на свою приближенность, дает, вероятно, правильный порядок цифр.

Кюнен, проводивший эксперименты по изучению переноса грубообломочного материала в круговом лотке, установил, что обломок известняка становится хорошо окатанным при переносе на 50 км, обломок габбро теряет 35—40% массы на расстоянии 140 км. Обломок жильного кварца теряет 0,001 массы на 1 км переноса и, следовательно, будет хорошо окатан через 300 км.

Пламли установил, что известняковая галька в двух водотоках Блэк-Хилс становится хорошо окатанной (0,60) на расстоянии 18 и 37 км соответственно (см. рис. 3-26). Галька кварцитов в грубообломочных отложениях нагорья Брандивайн (штат Мэриленд, США) характеризуется окатанностью 0,59. Ближайшее поднятие, откуда мог поступать обломочный материал, находится на расстоянии 72 км. Кварц в грубообломочных отложениях р. Колорадо (штат Техас, США) приобрел хорошую окатанность менее чем через 161 км. Известняковые гальки достигают максимальной окатанности до слияния притока с главным руслом. Эти результаты подтверждены исследованиями гранитных галек в р. Дунаец (Польша), достигающих максимальной окатанности на расстоянии 125 км, и наблюдением, что в р. Пиав (Италия) происходит быстрое окатывание гальки известняков и кварца, после чего степень ее окатанности не изменяется на значительном расстоянии по течению.

Поскольку известно, что высокая степень окатанности отвечает уже первым километрам переноса, очевидно, угловатые или полуугловатые обмотки переносились потоком на расстояние в единицы километров, максимально на 16—24 км. Более того, за исключением ближайших к источникам сноса участков, окатанность обломков почти не меняется или мало изменяется в региональном плане, что серьезно ограничивает применение этого параметра для восстановления палеопотоков.

Хорошо известно, что галька пляжевых отложений окатана, но ее окатанность еще труднее связать с расстоянием переноса. Можно только утверждать, что после выноса грубообломочных отложений из области размыва они становятся более окатанными. На пляжах, так же как и в реках, должен существовать лимит окатанности.

Полевые и лабораторные данные показывают, что окатывание песчаных зерен происходит очень медленно по сравнению с окатыванием грубых обломков. Дебре установил, что песчаные зерна теряют 0,0001 часть своей массы при переносе на 1 км. Тайл провел эксперименты с истиранием кварцевого песка, которые показали, что после 100 часов обработки в мельнице образец теряет 22% массы, что эквивалентно переносу на расстояние 8 тыс. км. В среднем это меньше, чем 0,0001 часть на 1,6 км переноса. Маршалл показал, что для зерен диаметром 2—3 мм потеря массы на 1,6 км составляет 0,0005. Кюнен применил для исследований лоток вместо вращающегося барабана и установил, что потери песчаных зерен состав ляют еще меньшую величину. Кварцевые зерна теряют всего лишь один процент массы при переносе на 10 тыс. км. Эта потеря настолько незначительная, что окатанность обломков практически не устанавливается. Поскольку расстояние переноса в большинстве русел не превышает 1 тыс км, в потоках песчаные зерна не окатываются, если допускать, что лабораторные данные верны.

Как показывают экспериментальные работы Кюнена, эоловые процессы значительно эффективнее влияют на окатывание песчаных зерен, на одинаковом расстоянии потеря массы кварцевым зерном превышает цифры окатанности для водного переноса в 100 или 1000 раз. Обломки кварца кубической формы обтачиваются ветром до идеальной сферической формы. Из лабораторных исследований Кюнена можно сделать вывод, что водный перенос совершенно не окатывает зерна кварца или полевых шпатов. Абразионные процессы, происходящие на пляжах, вероятно, более эффективны, но вряд ли они в значительной степени влияют на окатанность песчаных зерен. Эоловые процессы являются мощным механизмом истирания песчаных зерен диаметром до 0,1 мм и не оказывают практического влияния на обломки размером менее 0,05 мм. Следовательно, появление в разрезе окатанных песков считается указанием на участие в их образовании эоловых процессов.

Эффективность процессов, происходящих на пляже, еще не получила полной оценки. Фолк, наблюдая чередование песчаников, сложенных плохо окатанными и хорошо окатанными кварцевыми зернами в кварцитах свиты Тускарора (силур) в Западной Виргинии (США), объяснял образование хорошо окатанного материала деятельностью прибоя. Некоторые авторы подсчитали, что расстояние переноса обломочного материала в приливных эстуариях достаточно для окатывания кварцевых зерен даже при том низком процессе потери массы, который установил Кюнен.

Полевые наблюдения подтверждают результаты лабораторных исследований. В классической работе Рассела и Тейлора показано, что окатанность песка, переносимого р. Миссисипи между Кейром (штат Иллинойс, США) и Мексиканским заливом (расстояние около 1770 км), явно уменьшается вниз по течению. Авторы пришли к заключению, что поток не окатывает обломочных зерен, а уменьшение окатанности вызвано увеличением степени дробления обломков. Наблюдается перепад окатанности на расстоянии 1770 км от 0,24 до 0,18, т. е. на 23,5%. С другой стороны, Пламли показал, что окатанность грубозернистого песка (фракция 1,0—1,414 мм) р. Батл-Крик, район Блэк-Хилс (штат Южная Дакота, США) увеличивается с 0,21 до 0,36 (на 71%) на расстоянии всего 64 км. Однако окатанность зерен той же песчаной фракции в р. Чейен (штат Южная Дакота, США) увеличивается с 0,42 до 0,44, едва больше 5% на расстоянии переноса 240 км (рис. 3-28). Кварцевые обломки (0,088—0,250 мм) в песках Рио-Гранде (Аргентина) не обнаруживают существенного различия окатанности на расстоянии более 100 км переноса Окатанность песков, перенесенных вдоль берега озера Эри, как и песков в р. Миссисипи, уменьшается вниз по течению, что явно связано с сортировкой материала. Поскольку между сферичностью и окатанностью существует прямая зависимость, уменьшению сферичности обломков вниз по течению потока соответствует ухудшение окатанности. Очевидно, что в руслах крупных рек с медленным течением, таких как, например, Миссисипи, преобладает процесс сортировки, и таким образом любое улучшение степени окатанности обломков по течению реки будет замаскировано сортировкой материала в том же направлении. Трудно предположить, что круто падающие горные потоки Блэк-Хилс, переносящие грубообломочный материал, смогут окатывать песчаные зерна, а в реке Миссисипи будет ухудшаться окатанность материала за счет возрастающей степени раздробленности.

He получила полной оценки роль процессов растворения в формировании окатанности кварцевых зерен. Кюнен считал, что она чрезвычайно незначительная, поскольку в противоположном случае растворение должно в первую очередь отражаться на окатанности мельчайших зерен, которые характеризуются на самом деле минимальной окатанностью. В определенных условиях, особенно в некоторых типах почв, наблюдается растворение кварца in situ. В частности, на это явление обращал внимание Крук.

Следует иметь в виду, что однажды приобретенная окатанность обломков, особенно кварцевых песков, не исчезает. Более того, кварцевые пески обычно переотлагаются, поэтому окатанность материала в любых конкретных отложениях может быть унаследованной от более ранних стадий переноса. Это положение также справедливо для гальки кварцитов или жильного кварца.

Попытки использовать окатанность песчаных зерен для диагностики условий осадконакопления имели ограниченный успех. По данным некоторых исследователей, изучавших современные отложения на побережье района Галф-Костл, обломочный материал из различных обстановок незначительно отличается по степени окатанности.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: