112

ЛИТОЛОГИЯ И ПОЛЕЗНЫЕ ИСКОПАЕМЫЕ, 2011, № 1, с. 1–12

1

Литодинамические процессы являются однимиз наиболее важных факторов при формирова�нии терригенных осадочных толщ, поэтому ис�следование палеолитодинамики позволяет уста�навливать условия образования обломочных от�ложений. Особый интерес представляет оценкаколичественных параметров палеолитодинами�ческих процессов. Такую возможность дают намсовременные исследования в области гидротех�ники, гидродинамики и инженерной геологии,которые выявляют связи между гидродинамиче�скими характеристиками среды осадконакопления,параметрами потока твердых наносов и текстурно�структурными характеристиками образуемых отло�жений. Установленные закономерности (с учетомпоправок на решение обратной задачи) применя�ются для реконструкции параметров литодина�мических процессов палеобассейнов.

Для решения поставленной задачи исследова�ние проводилось в несколько этапов:

1. По гранулометрическому составу и текстур�ным особенностям отложений были реконструи�рованы гидродинамические параметры средыосадконакопления. Соотношения скоростей по�тока (размывающей скорости и начальной скоро�сти выпадения осадков данной размерности) сгранулометрическими характеристиками осадковустановлены в результате экспериментальных инатурных наблюдений [Hjulstrоm, 1935, Гришин,

1982]. При палеолитодинамических реконструк�циях надо учитывать, что в образованных осадкахфиксируется минимальная величина скоростипотока в момент выпадения переносимого обло�мочного материала в придонном слое. Несомнен�но, что в фазе устойчивой транспортировки мате�риала (а тем более, в фазе эрозии) скорость пото�ка была больше той, которая существовала приобразовании очередного осадочного слоя. По�скольку установить величину этого превышения сдостаточной степенью достоверности в большин�стве случаев не представляется возможным, полу�чаемая при расчетах величина скорости потокаявляется минимальной.

2. Имея расчетные значения скорости палео�потока в исследуемой фациальной зоне, зная за�висимости потока твердых наносов от гидродина�мических характеристик среды и учитывая грану�лометрический состав отложений можно оценить

емкость потока наносов1. Здесь надо принимать

во внимание, что такие зависимости чаще всегоносят эмпирический характер, и каждая из них

1 Под емкостью потока наносов понимается максимальноеколичество материала, способное перемещаться в единицувремени во вдольбереговом потоке наносов. Мощностьпотока наносов характеризует реальный расход наносов.Для насыщенных потоков в условиях обеспеченности по�тока рыхлым материалом, емкость и мощность потока сов�падают [Морская …, 1980].

РЕКОНСТРУКЦИЯ ПАЛЕОЛИТОДИНАМИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ ФОРМИРОВАНИЯ КЕМБРО�ОРДОВИКСКИХ ПЕСЧАНИКОВ

СЕВЕРО�ЗАПАДА РУССКОЙ ПЛАТФОРМЫ

© 2011 г. Г. Берто (Guy Berthault), А. В. Лаломов*, М. А. Тугарова**28 boulevard Thiers, 78250 Meulan, Франция;

Е�mail: [email protected]*Институт геологии рудных месторождений, петрографии, минералогии и геохимии РАН (ИГЕМ РАН)

119017 Москва, Старомонетный пер. 35;Е�mail: [email protected]

**Санкт�Петербургский государственный университет198904 Санкт�Петербург, Университетская наб., 7/9;

Е�mail:[email protected]Поступила в редакцию 16.09.2009 г.

Анализ палеогидродинамических характеристик среды осадконакопления позволил реконструиро�вать условия образования толщи кембро�ордовикских песчаников (КОП) Ленинградской области.Проведенная реконструкция палеолитодинамических параметров показала, что реальное времяформирования этой толщи (продолжительность седиментации) значительно меньше соотносимогос ней интервала стратиграфической шкалы. Такая ситуация встречается и в других осадочных фор�мациях. Определение реальной скорости образования отложений может повлиять на прогнознуюоценку минеральных ресурсов осадочного бассейна.

УДК 551.351

2

ЛИТОЛОГИЯ И ПОЛЕЗНЫЕ ИСКОПАЕМЫЕ № 1 2011

БЕРТО и др.

имеет свою область применения. Так, к примеру,уравнение Шези дает наиболее достоверные ре�зультаты для глубоких потоков с относительномелким материалом, когда отношение глубиныпотока к диаметру частиц стремится к бесконеч�ности [Julien, 1995]; уравнение Багнольда [Bag�nold, 1956] применимо для полностью турбулент�ной среды при больших мощностях потоков и т.д.Правильность выбора метода для реконструкциилитодинамических параметров конкретной зоныисследуемого палеобассейна во многом опреде�ляет точность получаемых результатов.

3. Зная геометрические параметры исследуе�мой свиты (протяженность в двух взаимно пер�пендикулярных направлениях и среднюю мощ�ность), имея оценку емкости потока наносов впределах этой палеофациальной зоны и учитываячастичный эрозионный срез данного комплексаотложений, а также устойчивость направленияпалеопотока, можно оценить реальное времяосадконакопления данной свиты, используя мо�дель “заполнения резервуара” (reservoir sedimen�tation) [Julien, 1995].

ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ

Литодинамическая реконструкция проводи�лась для песчаной части разреза кембро�ордовик�ской толщи Ленинградской области. Первые геоло�гические данные по этому разрезу были полученыеще в XIX веке. Стратиграфические, палеонтоло�гические, литологические результаты более позд�них исследований [Рухин, 1939; Ульст, 1959 и др.]и опубликованные в последнее время [Геология …,1991; Попов и др., 1989; Дронов, Федоров, 1995и др.] позволили существенно детализировать ли�

тостратиграфическое расчленение разреза, но этоотносится, преимущественно, к его ордовикскойглинисто�карбонатной части. Песчаная частькембро�ордовикской толщи по�прежнему остает�ся сложным объектом для стратиграфов и плохоразделяется на отдельные слои, которые можно бы�ло бы прослеживать от обнажения к обнажению.

Полевые работы по изучению терригенныхкембрийских и ордовикских отложений Ленин�градской области проводились на разрезах, счи�тающихся опорными для данного региона. Ос�новное внимание было уделено обнажениям до�лин рек Тосны и Саблинки, где полностьювскрывается терригенная песчаная толща, залега�ющая между “синими глинами” нижнего кем�брия и чёрными сланцами пакерротского гори�зонта нижнего ордовика. Также был изучен рядобнажений долин рек Ижоры, Волхова и Сяси(рис. 1).

В тектоническом отношении исследуемая тол�ща расположена на северо�западной периферииМосковской синеклизы, заложившейся в концепротерозоя, где преобладали эпейрогеническиедвижения, определившие ее регрессивно�транс�грессивный характер [Гейслер, 1956]. В раннемпалеозое в пределах северо�запада Русской плат�формы существовал мелководный морской бас�сейн с высокой гидродинамической активно�стью, северная граница которого определяласьположением Балтийского щита, который служилисточником поступления материала в область се�диментации. Непосредственно в составе Балтий�ского щита кор выветривания не установлено, номинералогическая зрелость обломочного матери�ала, поступавшего в бассейн осадконакопления

Карельский перешеек Ладожское озеро

Финский залив Санкт�Петербург

р. Ламошка

р. Ижора

Гатчина

Кингисепт

р. Луга

р. Тосна

р. В

олхо

в

р. Сясь

1 2

Рис. 1. Схема района работ.1 – Балтийско�Ладожский глинт; 2 – расположение опорных разрезов.


РЕКОНСТРУКЦИЯ ПАЛЕОЛИТОДИНАМИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ 3

(содержание неустойчивых к выветриванию ми�нералов в тяжелой фракции КОП не превышает10–15%), свидетельствует о глубоком химиче�ском выветривании пород в области сноса [Гур�вич, 1978].

В строении толщи снизу вверх по разрезу вы�деляются три свиты (рис. 2).

Саблинская свита среднего кембрия (Є2sb).Классические обнажения свиты находятся в до�лине реки Тосна близ пос. Ульяновка. Саблинскаясвита сложена светло�серыми, розоватыми и жел�товатыми, иногда ожелезненными, хорошо сор�тированными мелкозернистыми кварцевымислабосцементированными песчаниками с про�слоями пластичных коричневато�серых глин тол�щиною 0.5–1 см.

Саблинская свита подразделяется на две под�свиты, сходные по литологическрому составу, норазличающиеся по характеру текстур: в нижнейподсвите преобладают горизонтальные парал�лельно�слоистые текстуры со знаками ряби имелкой перекресной косой слоистостью; для

верхней подсвиты характерны однонаправлен�ные косослоистые текстуры. Подробный текстур�ный анализ толщи КОП будет проведен в следую�щем разделе.

Свита распространена по всей Ленинградскойобласти к востоку от р. Луга и залегает с размывомна “синих глинах” нижнего кембрия. Границаразмыва относительно ровная, врезы широкие, спологими бортами, амплитуда палеорельефа до�стигает нескольких метров. С запада на востокмощность Саблинской свиты увеличивается от2–3 м до 10–13 м.

Ладожская свита (Є3ld) залегает с размывом насаблинских песчаниках. Она представлена желто�вато�серыми средне и мелкозернистыми хорошосортированными кварцевыми и кварц�полево�шпатовыми слабосцементированными песчани�ками с раковинами лингулат, линзами и изомет�ричными пятнами, обогащенными оксидами же�леза.

Нижняя граница свиты носит явно выражен�ный эрозионный характер, в пределах отдельных

W – SW

Ламошка Ижора Тосно Волхов Лава Сясь

E – NE

1 м50 км

O1kp

C1si

C2sb1

C2sb2 C3ld

O1ts

C3ld

O1ts

O1kp

1 2 3 4 5 6 7 8 9

Рис. 2. Разрез кембро�ордовикских песчаников Ленинградской области.1 – галька; 2 – крупно�среднезернистые пески; 3 – тонкозернистые пески; 4 – глины; 5 – глинистые сланцы; 6 – ра�ковинный детрит; 7 – однонаправленные косослоистые серии; 8 – перекрестная косая слоистость; 9 – знаки ряби.Sb1 – Саблинская свита, нижняя подсвита; Sb2 – Саблинская свита, верхняя подсвита; Ld – Ладожская свита; Ts – То�сненская свита.

4


БЕРТО и др.

обнажений прослеживаются эрозионные врезыподошвы ладожской свиты шириною до 5–10 м иглубиною до 1 м. Во врезах эрозионного палеоре�льефа на границе присутствуют базальные галеч�ники состоящие из глинистых окатышей корич�невато�серых глин, встречающихся в отложенияхнижележащей саблинской свиты. В нижней частисвиты крупность песков увеличивается до средне�зернистых, встречаются косослоистые текстуры изнаки ряби. Выше по разрезу расположены мас�сивные либо горизонтально�слоистые мелкозер�нистые песчаники с глинистыми прослоями тол�щиной до 0.5–1 см.

Отложения ладожской свиты характеризуютсянебольшой мощностью: в западной части Ленин�градской обласи до 1–1.2 м, в восточной – до 3 м.

Тосненская свита (О1ts) имеет почти повсе�местное распространение в Ленинградской обла�сти. Залегает с размывом на песчаниках ладож�ской свиты, согласно перекрывается копорскойсвитой, представленной черными аргиллитамитого же возраста. Сложена крупно�среднезерни�стыми, преимущественно кварцевыми слабосце�ментированными песчаниками, в которых содер�жатся створки беззамковых брахиопод и детрито�вый материал. Для пород свиты характернытроговая и косая слойчатость. Мощность свитыварьирует от 2 до 5 м.

ТЕКСТУРНЫЙ АНАЛИЗ ПОРОД КЕМБРО�ОРДОВИКСКОЙ ПЕСЧАНОЙ ТОЛЩИ И

ФАЦИАЛЬНО�ДИНАМИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ ИХ ФОРМИРОВАНИЯ

Песчаные породы кембрия и ордовика Ленин�градской области обладают интересными и важ�ными для понимания формирования толщи седи�ментационными текстурами – это, в первую оче�редь, различные типы слойчатости и знаки ряби,а также характер межпластовых и впутрипласто�вых эрозионных поверхностей. При исследова�

нии текстур основное внимание уделялось формеи пространственному расположению слоевыхшвов и слойков внутри слойчатых серий (при воз�можности в двух перпендикулярных сечениях),протяженности и мощности серий, производи�лись замеры азимутов и углов падения слойков.По результатам замеров косой слойчатости былисоставлены розы�диаграммы для каждого из вы�деленных возрастных подразделений: на диа�граммах откладывался процент встречаемостикосослойчатых серий данного направления. Тер�минология и классификация слойчатых текстур изнаков ряби даются по работе В.Н. Шванова[1987].

Саблинская свита, нижняя подсвита (Є2 sb1). Вподошве подсвиты выделяются горизонтально�слоистые текстуры, выше по разрезу сменяющие�ся косой слойчатостью. В целом для подсвиты ха�рактерна плоскостная параллельная разнона�правленная косая слойчатость. В верхней частиподсвиты обнаружены поверхности со знакамиряби, высота валиков составляет 3.5–4.5 см, рас�стояние между ними – 20 см (рис. 3).

Азимуты падения косых слойков по результа�там многочисленных замеров для пород, вскрыва�ющихся в долинах рек Тосна и Лава, имеют двадиаметрально противоположных направления: за�пад–северо�запад и восток–юго�восток (рис. 4а).

Полученные данные позволяют определить ге�нетический тип текстур. Прямолинейность и, какправило, параллельность серийных швов, формаслойков, рисунок слойчатости в перпендикуляр�ных сечениях, узкие лучи роз�диаграмм опреде�лённо указывают на образование данных текстурв результате перемещения прямолинейных попе�речных песчаных гряд, возникающих под воздей�ствием придонных течений. При этом наклонныеслоевые швы свидетельствуют о миграции гряд вусловиях пульсационного поступления материала[Кутырев, 1968], а наличие симметричных знаковряби, образующихся в зоне волнового воздей�ствия, о мелководном характере бассейна [Фро�лов, 1992].

Наличие в нижней части подсвиты горизон�тально�слоистых текстур позволяет предполо�жить, что эта часть разреза отлагалась в относи�тельно глубоководных условиях ниже зоны вол�нового воздействия при отсутствии придонныхтечений за счет выпадения осадков из взвеси, по�ступающей из более мелководных прилегающихобластей шельфа. В период отложения верхнейчасти подсвиты обстановка осадконакопленияменяется: наличие серий косой слойчатости сдиаметрально противоположными направления�ми падения косых слойков и знаков ряби свиде�тельствует о том, что формирование данных тек�стур происходило в мелководных гидродинами�чески активных морских условиях в зоне

Рис. 3. Знаки ряби в отложениях Саблинской свиты.



волнового воздействия при наличии периодиче�ских придонных, вероятнее всего, приливно�от�ливных течений. Каждый цикл прилива или от�лива формировал свою систему гряд, которая раз�рушала частично или полностью предыдущие,захоранивая их в виде косых серий. Хотя взаимо�отношение направления потока и падения косо�слоистых серий далеко не однозначное [Кутырев,1968], можно считать, что роза�диаграмма косойслоистости в первом приближении отражает пе�ремещение обломочного материала палеобассей�на. Для исследуемой толщи при наличии двух вза�имно противоположных направлений перемеще�ния материала результирующая составляющаянаправлена на восток, что говорит о поперемен�ном (приливно�отливном?) режиме на фоне на�правленного на восток вдольберегового потока

наносов2.

Саблинская свита, верхняя подсвита (Є2 sb2). Вверхней части саблинской свиты периодическивстречаются асимметричные знаки ряби со следу�ющими параметрами: длина 30–50 см, высота 3–

6 см, индекс ряби 6–7 до 10, соотношение поло�гого склона к крутому изменяется в пределах 1–3.

Специфический облик этой пачке придают от�носительно мощные и, главное, протяженные од�нонаправленные (преимущественно на восток)косые серии (рис. 5). Мощность серий составляет25–35 см, протяженность – не менее 10 м. Слое�вые швы прямые, субгоризонтальные.

В западной части Ленинградской области впесчаниках появляются деформированные иопрокинутые косослойчатые текстуры, имеющиеконседиментационный сингенетический харак�тер (рис. 6), что, вероятнее всего, указывает наразрушение песчаных гряд при увеличении ско�рости потока выше критической величины воз�можности их существования [Рейнек, Сингх,1981]. При этом общее восточное направление

2 Под вдольбереговым потоком наносов понимается одно�направленное результирующее перемещение наносоввдоль берега за большой интервал времени. Перемещениенаносов может происходить как под действием волновойэнергии, так и течений различной природы (например,ветровых или приливных) [Морская …, 1980].

0

180

а 0

180

б

0

180

в 0

180

г

Рис. 4. Розы�диаграммы направлений косой слоистости в толще кембро�ордовикских песчаников Ленинградской об�ласти: а – Саблинская свита, нижняя подсвита; б – Саблинская свита, верхняя подсвита; в – Ладожская свита; г – То�сненская свита.

6


БЕРТО и др.

падения косослойчатых серий сохраняется в пре�делах всей площади распространения верхнесаб�линской подсвиты.

По характеру текстур можно заключить, чтообразование толщи происходило при устойчивомгидродинамически активном режиме под воздей�ствием преимущественно однонаправленного,существовавшего длительное время потока, ин�тенсивность которого уменьшалась с запада навосток. Существенно преобладало перемещениевосточных румбов (см. рис.4б).

Ладожская свита (Є3 ld) с размывом залегает насаблинских песчаниках с базальными галечника�ми (глинистыми окатышами) в основании. Вышерасполагаются косослойчатые песчаники с сери�ями небольшой мощности (15–20 см) и длины(1–1.5 м). Косая слойчатость плоскостная пере�крестная разнонаправленная, слойки подчеркну�ты раковинами лингулат. В кровле косослойчатыхпесчаников развиты симметричные знаки рябипредположительно волнового происхождения.

Очевидно, что базальный слой ладожской сви�ты был сформирован в условиях надкритическойразмывающей скорости потока. Затем осаждениеосновной части ладожской свиты происходило вгидродинамически менее активных условиях (ве�роятно, связанных с увеличением глубины бас�сейна) под воздействием волнений различныхрумбов и приливно�отливных течений. Азимутынаправления падения косых слойков указываютна попеременную субширотную миграцию песча�ного материала на фоне результирующего вдоль�берегового потока наносов восточного направле�ния (рис.4в).

Тосненская свита O1 ts. Главным текстурнымпризнаком, определяющим облик этой свиты,является горизонт троговой перекрестной слой�чатости мощностью 1–1.2 м, залегающий либо на

базальных косослоистых песчаниках мощностьюоколо 20 см, либо при их отсутствии над контак�том с ладожской свитой. Данный вид слойчатостиописан в литературе как возникающий в резуль�тате движения по дну серповидных песчаныхгряд, которые формируются под воздействиемсильного, но главное турбулентного потока [Ку�тырев, 1968; Шванов, 1987]. Высота существовав�ших гряд, видимо, соизмерима с мощностью ко�сых серий и изменяется от 8–9 см до 20 см.

От подошвы к кровле наблюдается изменениеслойчатых текстур от косослоистых базальных ктроговой слойчатости, которая затем переходит вкосую плоскостную параллельную или пере�крестную с уменьшением вверх по разрезу мощ�ностей косослоистых серий вплоть до появлениямелких неясно косоволнистых текстур.

На розе�диаграмме падения слойков в песча�никах тосненской свиты различаются два пере�крестных направления перемещения материала:основное субширотное (см. рис. 4г) с преоблада�нием восточного направления, и дополнительноесубмеридиональное с преобладающим направле�нием Ю – ЮЗ.

Можно сделать вывод, что образование песковтосненской свиты происходило под влияниеминтенсивного турбулентного потока, который стечением времени переходил в умеренный лами�нарный. Попеременная миграция наносов про�исходила в условиях основного перемещения ма�териала в восточном направлении.

Таким образом, в разрезе исследованной тер�ригенной кембро�ордовикской толщи наблюда�ется закономерное увеличение гидродинамиче�ской активности при формировании пород в пре�делах саблинской свиты от подошвы к кровле ипоследовательное ее уменьшение во время обра�зования ладожской и тосненской свит. В целом по

Рис. 5. Однонаправленные косослоистые серии в пес�чаниках Саблинской свиты.

Рис. 6. Деформированные косослойчатые седимента�ционные текстуры в отложениях Саблинской свиты.



площади интенсивность гидродинамическихпроцессов уменьшалась с запада на восток, что,по�видимому, связано с увеличением глубины па�леобассейна.

В табл. 1 приведены средние значения грану�лометрических характеристик исследуемых осад�ков для выделенных свит среднего кембрия –нижнего ордовика Ленинградской области. Прианализе гранулометрических параметров осадковпо простиранию можно сделать вывод, что основ�ной тенденцией является уменьшение их крупно�сти, увеличение степени сортированности (σ) иструктурной зрелости (эксцесса) с запада на во�сток.

Общей особенностью строения толщ по разре�зу является цикличный характер изменения гра�нулометрических характеристик на фоне мелкихфлуктуаций этих параметров, амплитуда которыхувеличивается к верхам разреза.

РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ПОТОКОВ НАНОСОВ

За последние пятьдесят лет было предложеномножество формул для расчета параметров пото�ка наносов; в то же время универсальная методи�ка не разработана до сих пор, каждое из имею�щихся уравнений имеет свою область примене�ния. Из нескольких моделей расчета выделяютсябазовые, претендующие на комплексность и уни�версальность, и их упрощенные варианты, менееточные и ориентированные на решение частныхзадач, но обладающие более простым математи�ческим аппаратом.

В предлагаемых методиках расчет емкости по�тока наносов производится по гранулометриче�ским характеристикам отложений и параметрамсреды осадконакопления. Для палеогидродина�мических реконструкций параметры среды могутбыть установлены с некоторыми ограничениями,обусловленными решением обратной задачи:расчет, основанный на гранулометрических ха�рактеристиках исследуемых отложений, отражает

гидродинамические характеристики потока настадии седиментации, при этом интенсивностьпотока на стадии транспортировки наносов, оче�видно, была выше.

Одним из базовых при инженерно�геологиче�ских литодинамических расчетах является методЭйнштейна [Einstein, 1950]. Метод применим длярасчета общего расхода наносов (влекомых ивзвешенных). Условиями его применения явля�ются преобладание придонных наносов, переме�щаемых волочением и сальтацией, над взвешен�ными, а также значительная ширина канала водо�тока по отношению к его глубина, при которыхгидравлический радиус канала (Rh), равный отно�шению площади поперечного сечения к длине“мокрого периметра” (ширина плюс удвоеннаяглубина), приблизительно равен глубине канала.Эти особенности расчетного метода Эйнштейнапозволяют предположить, что погрешность егоприменения в условиях придонных течений мел�ководного морского бассейна, сложенного песча�ным материалом, будет минимальной.

Удельный суммарный расход наносов на еди�ницу ширины потока qt может быть рассчитан пометоду Эйнштейна как суммарный расход дон�ных qb и взвешенных qs наносов, что можно выра�зить уравнением:

(1)

где h – глубина потока; С – концентрация взве�шенных наносов; vx – горизонтальная составля�ющая скорости в направлении потока (x); z – вер�тикальная координата.

Опуская сложные математические преобразо�вания, изложенные в монографии “Эрозия и се�диментация” [Julien, 1995], получаем уравнение:

qt = qb[1 + I1ln(30h/ds) + I2], (2)

где ds – средний размер взвешенных наносов, адва интеграла I1 и I2 имеют численное решение

qt qb Cvx z,d

0

h

∫+=

Таблица 1. Гранулометрические параметры основных стратиграфических подразделений

Саблинская свита (Є2sb) Ладожская свита (Є3ld) Тосненская свита (O1ts)

запад центр восток запад центр восток запад центр восток

Ma, мм 0.28 0.18 0.16 0.13 0.23 0.12 0.30 0.26 0.21

σ, мм 0.56 0.61 0.62 0.41 0.59 0.48 0.57 0.53 0.64

As 2.22 1.5 1.76 1.12 1.9 1.35 2.25 1.9 1.58

Ex 10.9 9.6 12.8 4.4 5.4 6.2 17.5 15.3 21.5

Hr (энтропия) 0.65 0.59 0.54 0.72 0.61 0.64 0.61 0.64 0.56

Примечание. Данные по гранулометрии глинистых прослоев толщ не учитывались.Ma – среднее арифметическое размера зерен, σ – стандартное отклонение, As – асимметрия распределения, Ex – эксцесс,Hr – относительная энтропия распределения.

8


БЕРТО и др.

либо рассчитываются с использованием разрабо�танных Эйнштейном номограмм.

Предлагаемая Эйнштейном функция для рас�чета емкости потока наносов учитывает соотно�шение различных гранулометрических классовосадка в потоках различной интенсивности. Ос�новываясь на этом, выражение (1) может бытьпредставлено как:

qt = Σitqti, (3)

где it – содержание в осадке i�того гранулометри�ческого класса; qti – удельный расход i�того грану�лометрического класса.

Первым шагом при применении метода явля�ется получение необходимой информации о дон�ных осадках палеобассейна. Были выделены че�тыре пространственно устойчивых осадочныхкомплекса – нижняя и верхняя подсвиты Саб�линской свиты, Ладожская и Тосненская свиты.Результаты гранулометрического анализа по19�ти классам крупности в диапазоне размерно�стей от >2 мм до <0.01 мм (всего было проанали�зировано около 450 образцов) были осреднены исгруппированы для последующей обработки втри гранулометрических класса, каждый из кото�рых представляет не менее 19% от общего объемаматериала (0.45–0.22, 0.22–0.11, 0.11–0.055 мм), атакже рассчитаны другие необходимые показате�ли (средний размер частиц в классе, скорость оса�ждения частиц этого размера и процентили d16,d35, d50, d65, d84 (табл. 2).

Гидравлическая крупность в табл. 2 рассчитанапо формуле:

w = (4(G – 1)gds/3CD)0.5, (4)

где G – удельный вес частиц; g – ускорение сво�бодного падения; ds – диаметр частиц, CD – коэф�фициент торможения (drag coefficient), связан�ный с числом Рейнольдса для шаровидных ча�стиц (Rep)CD = 24/Rep [Julien, 1995].

Расчет делается отдельно для каждого выде�ленного гранулометрического класса, получен�ные результаты суммируются.

Подробное описание метода Эйнштейна припрактических расчетах приведено в работе [Julien,1995]. Результаты аналогичного расчета, прове�денного для КОП Ленинградской области, позво�лили определить значения удельной емкости по�тока наносов для каждой из четырех исследован�ных толщ (табл. 3).

РАСЧЕТ ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТИ СЕДИМЕНТАЦИИ ИССЛЕДУЕМОЙ ТОЛЩИ

Одного параметра удельной емкости потокананосов недостаточно для расчета продолжитель�ности седиментации исследуемой толщи, по�скольку этот параметр применим в чистом видетолько в случае однонаправленного и стабильно�го во времени потока наносов. В реальных усло�виях параметры потоков во времени и простран�стве не являются неизменными. Текстурный ана�лиз отложений, результаты которого изложены

Таблица 2. Гранулометрические характеристики отложений кембро�ордовикских песчаников

Размер зерен, мм Гранулометрический состав по возрастным подразделениям, % Гидравлическая круп�ность (скорость паде�

ния в воде) w, мм/сфракции средний (ds) Sb1 Sb2 Ld Ts

>0.45 0.64 2.52 3.87 7.12

0.45–0.22 0.34 21.97 40.21 24.08 36.88 42

0.22–0.11 0.17 49.02 28.48 31.87 44.21 19

0.11–0.055 0.08 22.47 24.34 32.97 9.44 5

<0.055 5.90 4.44 7.21 2.35

Процентиль d16 0.082 0.088 0.070 0.106

d35 0.112 0.112 0.095 0.150

d50 0.134 0.170 0.117 0.190

d65 0.168 0.217 0.162 0.220

d84 0.220 0.250 0.250 0.280

Примечание. Sb1 – Саблинская свита, нижняя подсвита; Sb2 – Саблинская свита, верхняя подсвита; Ld – Ладожская свита;Ts – Тосненская свита. Процентили d16, d35, и т.д. обозначают размер частиц (мм), по отношению к которому 16, 35 и т.д. про�центов частиц имеют меньший размер.



выше, указывает на периодическое изменениенаправления потока наносов, а также вариацииего интенсивности, проявляющиеся в существо�вании межсвитных и внутрисвитных эрозионныхграниц (увеличение интенсивности потока) иглинистых прослоев (уменьшение), что необхо�димо принимать во внимание при расчетах.

Ориентация косой слоистости указывает напериодическое изменение направления потокананосов во всех исследованных толщах при об�щем преобладании направления восток–юго�во�сток. При таком режиме потока поступление ма�териала в элементарную ячейку активного слоя иприращение мощности разреза обуславливаетсяразницей противоположных векторов перемеще�ния материала по отношению к общей гидроди�намической энергии в элементарной ячейке(сумма всех векторов).

Для оценки суммарной эффективности потокананосов по розе�диаграмме направлений косойслоистости авторами предложен коэффициентасимметрии (Каs), рассчитываемый по формуле

Каs = |V+i – V–i|/ΣVi, (5)

где Vi – элементарный вектор падения косослои�стых серий, Σ|V+i – V–i| – сумма абсолютных зна�чений разностей векторов взаимно противопо�ложных направлений,ΣVi – сумма значений всехвекторов розы�диаграммы. Для симметричногораспределения Каs = 0, для однонаправленного –Каs = 1. Рассчитанные коэффициенты асиммет�рии для исследованных толщ приведены в табл. 3.

Детальный анализ эрозионных поверхностейпоказывает, что в пределах исследованной кемб�ро�ордовикской толщи присутствуют два типаэрозионных границ. Внутри свит эрозионныемежслоевые поверхности прерывистые, невыдер�жанные по простиранию. Такие текстуры обу�словлены турбулентным характером и локальнойпульсацией скоростей потоков [Берто, 2002] и неоказывают существенного влияния на общуюмощность толщи.

Принимая во внимание особенности эрозион�ных контактов между свитами можно сделать вы�вод, что площадная эрозия существенно преобла�дала над глубинной. В этих условиях достоверноопределить уровень эрозионного среза исследуе�мых толщ не всегда возможно, поэтому для наи�более корректной оценки первоначального объе�ма мы принимаем в расчет максимальную выяв�ленную мощность толщи (Hmax), сознавая, чтопервоначальная мощность отложений и, соответ�ственно, объем свиты мог быть больше.

Используя рассчитанное значение удельнойемкости потока наносов (qt), коэффициент асим�метрии потока (Каs), протяженность данной толщив направлении потока (L), которая на доступномдля изучения участке составляет около 200 км, и

максимальную выявленную мощность исследуе�мой толщи (Hmax), время осадконакопления тол�щи КОП Ленинградской области (ts) можно рас�считать по формуле:

ts = (HmaxL)/(qtKас). (6)

Результаты расчета представлены в табл. 3.

Относительная ошибка входящих в расчет па�раметров может быть весьма велика, в ряде случа�ев точно оценить величину относительной ошиб�ки первоначальных параметров крайне сложно, врезультате чего мы можем достаточно уверенно го�ворить только о порядке определяемой величины.

Полученные значения удельной емкости пото�ков наносов для различных подразделений КОПподтверждают вывод о циклическом регрессив�но�трансгрессивном строении толщи, сделанныйна основании текстурного анализа. Такое сход�ство результатов, полученных независимыми мето�дами, указывает на реальность оценки значений се�диментационных параметров палеобассейна.

СООТНОШЕНИЕ СЕДИМЕНТОЛОГИЧЕСКИХИ СТРАТИГРАФИЧЕСКИХ ДАННЫХ

Таким образом, мы наблюдаем ситуацию, ко�гда продолжительность седиментации суще�ственно отличается от длительности стратигра�фического интервала времени, соотносимого сисследуемой толщей, который по разным оцен�кам варьирует от 20 до 30 млн лет.

Таблица 3. Параметры формирования кембро�ордовик�ских песчаников Ленинградской области с использова�нием метода Эйнштейна [1950] и модели “заполнениярезервуара” Жульена [1995]

Исследуемая толща qt, м

2/сут Каs L, км Hmax, м ts, лет

Sb1 4.7 0.34 200 8 2755

Sb2 8.5 0.63 200 4 409

Ld 5.1 0.49 200 3 656

Ts 3.7 0.47 200 4 1565

Всего: 26 5384

Примечание. qt – удельная емкость потока (расход наносов) наединицу ширины потока (расчета по методу Эйнштейна); Каs –коэффициент асимметрии розы�диаграммы косой слоистости;L – достоверно установленная протяженность исследуемой тол�щи в пределах региона работ; Hmax – максимальная мощностьтолщи; ts – расчетное время седиментации по формуле (3); Sb1 –Саблинская свита, нижняя подсвита; Sb2 – Саблинская свита,верхняя подсвита; Ld – Ладожская свита; Ts – Тосненская свита.

10


БЕРТО и др.

Для оценки времени перерывов осадконакоп�ления (перемывов осадков) используем следую�щую формулу [Романовский, 1977]:

V = kH/(T – T*)p, (7)

где V – скорость осадконакопления, k – коэффи�циент, учитывающий сокращение мощностейпервоначально образующихся слоев (поправка науплотнение), H – максимальная мощность отло�жений в пределах выделенного стратиграфиче�ского подразделения, T – продолжительностьэтого подразделения (млн лет), T* – суммарноевремя перерывов в осадконакоплении, p – мера,учитывающая интенсивность межслоевых раз�мывов в процессе формирования толщи. Тогдавремя перерывов можно оценить по формуле:

T* = T – kH/Vp. (8)

Подставляя в формулу (8) значения T = 25 млнлет, V = 26 × 10–4 м/год, k = 1.2 (среднее значениеуплотнения песков принимаем за 20%), p считаемединицей (внутри слоевые размывы носят ло�кальный характер), мощность равной 26 м. Изэтого получаем, что время, соответствующее пе�рерывам, для отложения КОП составляет:

T* = 25 × 106 лет – 1.2 × 26 м/26 × 10–4 м/год = = 24.988 × 106 лет.

Таким образом, рассчитанное реальное времяформирования (продолжительность седимента�ции) соответствует приблизительно 0.05% от воз�растного стратиграфического интервала даннойтолщи. Надо сказать, что полученная с использо�ванием методики Эйнштейна оценка времени се�диментации носит консервативный характер. Ес�ли исходить из седиментационных характеристикосадков, то получаемое время их формированияоказывается предельно малым в геологическихмасштабах. В статье Л.Л. Кулямина и Л.С. Смир�нова [1973] на основании анализа приливно�от�ливных циклов указывается, что для аналогичныхКОП Прибалтики “чистое” время седиментацииоценивается приблизительно в 170 палеосуток(133 для саблинских песчаников среднего�верх�него кембрия и 40 для пакерортских нижнего ор�довика) “Полученные цифры шокируют”, какпишут сами авторы [Кулямин, Смирнов, 1973, с.699]. Такие результаты они объясняют ничтожнойсохранностью осадков в подобных разрезах по от�ношению к стратиграфическому объему времени.

Оценка времени осадконакопления КОП Ле�нинградской области на основании седиментаци�онного анализа показала, что “чистое время на�копления нижнепалеозойских песков можнооценить в 100–200 лет. Парадокс заключается втом, что геологическое время формирования саб�линской толщи составляет 10–20 млн лет” [Туга�рова и др., 2001, с. 89]. Авторы объясняют этомногократным перемывом отложений в мелко�

водных морских условиях с активной литодина�микой, где соседствуют и сменяют друг друга в за�висимости от параметров штормов и теченийпроцессы аккумуляции и размыва морского дна.

Подобная ситуация не является уникальной:как указывал С.В. Мейен “Из�за широкого разви�тия скрытых перерывов… в условиях мелководьянередко документируется лишь ничтожная доляобщего времени седиментации (0.01–0.001%)”[Мейен, 1989, с. 24].

Поскольку зависимость эрозионных и транс�портирующих параметров потока от его скоростиносит степенной характер, то в условиях интен�сивных гидродинамических процессов основнойобъем геологической работы (эрозия – перенос –отложение) осуществляется в период активиза�ции и значительно превосходит работу, происхо�дящую в условиях стабильности. Так, для аллюви�альных водотоков практически вся эрозионнаяработа и подавляющая часть аккумулятивнойпроисходит в период паводка и на его спаде [Ча�лов, 2008]. Деформацию береговой линии в тече�ние года в основном определяют 2–3 наиболеесильных шторма [Руководство…, 1975]. Мощныегидродинамические события в палеобассейнах,связанные (предположительно) с мегацунами,обусловленными тектоническими процессами,могут играть определяющую роль в отложениинижней (морской) молассы, которая завершаетполную седиментологическую эволюцию глубо�ководных океанических желобов [Лаломов,2007]. В условиях континентального склона приинтенсивных динамических процессах, к какимотносятся оползни или крупные мутьевые пото�ки, образование мощных толщ осадков на боль�ших площадях может происходить с геологиче�ской точки зрения практически мгновенно.

Для всех этих объектов характерно резкое не�соответствие стратиграфической продолжитель�ности, предписываемой данному комплексу от�ложений, реальному времени седиментации. Встроении этих комплексов наряду с элементами,образующимися в интенсивных (а иногда и ката�строфических) условиях седиментации, которыепредставляют основную часть разреза, присут�ствуют (точнее, должны присутствовать) свиде�тельства продолжительных перерывов седимен�тации или эрозии значительной части отложен�ных осадков. Далеко на всегда эти признакиприсутствуют в очевидной форме, причем это от�носится не только к терригенным отложениям.Как указывает С.И. Романовский “даже в моно�тонной толще известняков присутствуют скры�тые перерывы (диастремы), на которые … прихо�дится значительная часть времени, ответственно�го за формирование разреза. Однако, не имеявозможности дать хотя бы приблизительныеоценки времени перерывов седиментации, геоло�



ги вынуждены закрывать на них глаза. … В океа�нах значительная часть времени падает на пере�рывы в седиментации…. Эрозия не может рас�сматриваться здесь в качестве главной причинынеполноты разрезов, хотя и другие причины точ�но назвать невозможно. Морские геологи приду�мали удачный обход этой сложной проблемы, на�звав время перерывов периодом неотложенияосадков. Таким образом, геологическая летопись… фиксирует короткие интервалы активности,разделенные значительно более длинными ин�тервалами бездействия” [Романовский, 1988,с. 22–23].

Соотношение таких понятий как “скорость се�диментации”, “скорость накопления осадков” и“скорость приращения разреза” обсуждается внастоящее время в геологической литературе до�статочно широко [Романовский, 1988; Литогео�динамика …, 1998; Байков, Седлецкий, 2001и др.], и это вызвано не только чисто научным ин�тересом. Для очень многих полезных ископаемыхосадочного генезиса оптимальное соотношениескоростей седиментации и наращивания разрезаявляются определяющим фактором их формиро�вания. Так, например, титан�циркониевые рос�сыпи являются продуктом обогащения минера�логически зрелых песчаных осадков в условияхстабильных литодинамических процессов уме�ренной интенсивности [Патык�Кара и др., 2004].Возможно, что именно фактор относительнобыстрой (по геологическим меркам) седимента�ции КОП послужил причиной того, что, несмот�ря на стечение многих благоприятных факторов(наличие источника тяжелых рудных минералов визверженных и метаморфических породах Бал�тийского щита, наличие промежуточных коллек�торов титан�циркониевых минералов в позднедо�кембрийских и раннекембрийских осадочныхкомплексах, минералогическая зрелость КОП се�веро�запада Русской платформы), промышлен�ные россыпи титан�циркониевых минералов вэтом регионе до сих пор не выявлены.

Скорость осадконакопления оказывает непо�средственное влияние на процесс образованияполезных ископаемых на стадии седиментации.Это проявляется в процессе формирования рос�сыпей и, по всей вероятности, хемогенных осад�ков седиментационной серии. Поэтому знаниереальной скорости отложения осадков важно нетолько для литологии и седиментологии, но и приисследовании процессов образования осадочныхполезных ископаемых

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, использование литодинамиче�ских инженерно�геологических расчетов дляоценки продолжительности седиментации песча�ной части кембро�ордовикского комплекса отло�

жений Ленинградской области показало, что сгеологической точки зрения эти песчаники былиобразованы практически мгновенно, седимента�ционное время образования толщи составляет неболее 0.05% от ее стратиграфического возрастно�го интервала. Данная работа подтвердила взглядыпредыдущих исследователей на весьма быстроеобразование толщи, в ней дана количественнаяоценка процесса седиментации.

Условия, при которых седиментационное вре�мя существенно отличается от стратиграфическо�го, характерны не только для мелководных плат�форменных терригенных формаций, какими яв�ляются КОП северо�востока Русской платформы,но и для ряда других осадочных формаций. По�этому традиционный метод расчета скорости на�копления осадков делением мощности толщи напродолжительность соотносимого с нею интерва�ла стратиграфической шкалы может дать заведо�мо заниженную оценку.

Поскольку скорость осадконакопления непо�средственно влияет на образование осадочныхполезных ископаемых седиментогенной серии(россыпи и частично хемогенные руды), при изу�чении осадочного рудогенеза необходимо учиты�вать реальную скорость осадкообразования.

Выражаем благодарность сотруднику геологи�ческого факультета СПбГУ М.В. Платонову запомощь в проведении полевых исследований.

Работа выполнена при финансовой поддержкеФонда Ги Берто (Франция) и РФФИ (грант № 09�05�00268�а).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Байков А.А., Седлецкий В.И. О сверхвысоких скоростяхтерригенной седиментации на континентальном бло�ке в фанерозое // Проблемы литологии, геохимии иосадочного рудогенеза. М.: Наука, 2001. С. 93–108.

Берто Г. Анализ основных принципов стратиграфиина основе экспериментальных данных // Литология иполез. ископаемые. 2002. № 5. С. 509–515.

Ботвинкина Л.Н. Методическое руководство по изуче�нию слоистости. М.: Наука, 1965. 259 с.

Гейслер А.Н. Новые данные по стратиграфии и текто�нике нижнего палеозоя северо�западной части Рус�ской платформы // Материалы по геологии европей�ской территории СССР. М.: Госгеолтехиздат, 1956.С. 174–184.

Геология и геоморфология Балтийского моря. Свод�ная объяснительная записка к геологическим картамМ 1 : 500000 / Под ред. Григялис А.А. Л.: Недра, 1991.160 с.

Гришин Н.Н. Механика придонных наносов. М.: Нау�ка, 1982. 160 с.

Гурвич С.И. Закономерности размещения редкоме�тальных и оловоносных россыпей. М.: Недра, 1978.227 с.

12


БЕРТО и др.

Дронов А.В., Федоров П.В. Карбонатный ордовикокрестностей Санкт�Петербурга: стратиграфия желтя�ков и фризов // Вестник Санкт�Петербургского ун�та.Сер. Геология, география. 1995. Вып. 2. № 14. С. 9–16.Кулямин Л.Л., Смирнов Л.С. Приливно�отливные цик�лы осадконакопления в кембро�ордовикских пескахПрибалтики // Докл. АН СССР. Сер. геол. 1973. Т. 212.№ 1–3. С. 696–699. Кутырев Э.И. Условия образования и интерпретациякосой слойчатости. Л.: Недра, 1968. 128 с.Лаломов А.В. Реконструкция палеогидродинамиче�ских условий образования верхнеюрских конгломера�тов Крымского полуострова // Литология и полез. ис�копаемые. 2007. № 3. С. 298–311.Литогеодинамика и минерагения осадочных бассей�нов. СПб.: Изд�во ВСЕГЕИ, 1998. 480 с. Мейен С. В. Введение в теорию стратиграфии. М.: Нау�ка, 1989. 212 с.Морская геоморфология. Терминологический спра�вочник. М.: Мысль, 1980. 280 с.Патык�Кара Н.Г., Гореликова Н.В., Бардеева Е.Г. К ис�тории формирования титано�циркониевых песков ме�сторождения Центральное в европейской части Рос�сии // Литология и полез. ископаемые. 2004. № 6.С. 451–465.Попов Л.Е., Хазанович К.К. Боpовко Н.Г. и др. Опорныеразрезы и стратиграфия кембро�ордовикской фосфо�ритоносной оболовой толщи на северо�западе Русскойплатформы. Л.: Наука, 1989. 222 с.Рейнек Г.Э., Сингх И.Б. Обстановки терригенногоосадконакопления. М.: Недра, 1981. 439 с.Романовский С.И. Физическая седиментология. Л.:Недра, 1988. 240 с.

Руководство по методам исследования и расчета пере�мещения наносов и динамике берегов при инженер�ных изысканиях. М.: Гидрометеоиздат, 1975. 239 с.Рухин Л.Б. Кембро�силурийская песчаная толща Ле�нинградской области // Ученые записки ЛГУ. Сериягеол.�почв. наук. Вып. 4. 1939. № 11. С. 89–101. Тугарова М.А., Платонов М.В., Сергеева Э.И. Литоди�намическая характеристика терригенной седимента�ции кембро�нижнеордовикской толщи Ленинград�ской области // Историческая геология и эволюцион�ная география. СПб.: Изд�во НОУ Амадеус, 2001.С. 81–91.Ульст Р.Ж. Нижнепалеозойские и силурийские отло�жения Прибалтики и содержание в них рассеянногоорганического вещества. Рига: Изд�во АН Латв. ССР,1959. 114 с.Фролов В.Т. Литология. M.: Изд�во МГУ, 1992. 336 с.Чалов Р.С. Русловедение: теория, география, практика.М.: Изд�во ЛКИ, 2008. 608 с.Шванов В.Н. Петрография песчаных пород (компо�нентный состав, систематика и описание минераль�ных видов). Л.: Недра, 1987. 269 с.Bagnold R.A. Flow of cohesionless grains in fluid // Phil.Trans. Roy. Soc. Lond. 1956. № 954. P. 235–297. Einstein H.A. The bed load function for sediment transportin open channel flow // Technical bulletin no 1026. Wash�ington, D.C.: U.S. Department of Agriculture, Soil Con�servation Service, 1950. P. 1–78.Hjulstrоm F. The Morphological activity of rivers as illus�trated by river Fyris // Bulletin of the Geological Institute,Uppsala. 1935. № 25. Р. 89 – 122.Julien P. Erosion and sedimentation. Cambridge: Cam�bridge University Press, 1995. 280 p.

8

112

Documents