Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2022, T. 504, № 2, стр. 127-133

Среди слоистых и стратифицированных отложений палеобассейнов известны пластообразные и линзовидные тела хаотических глыбовых брекчий, конгломерато-брекчий, мусорных терригенных пород, известных как олистостромы, гравитационные и тектоно-гравитационные микститы, осадочные меланжи [6, 7, 10, 15]. Их мощность от первых метров до сотен метров, протяженность – от десятков метров до километра и более. Природа этих образований различна, но непременным фактором является гравитационное обрушение (или оползание) пород на бортах осадочного бассейна и захоронение обвально-оползневых масс среди фоновых бассейновых отложений. Границы таких тел с подстилающими осадками обычно эрозионные, с признаками механического воздействия и выпахивания подстилающих осадков. Контакты с перекрывающими толщами – седиментационные, с “обтеканием” тел пластами фоновых отложений, отмечается наличие отторженцев фоновых отложений в составе грубой фракции микститов. Для современных подводнооползневых образований также свойственны сходные признаки [1, 4]: смятые в складки пласты внутри недислоцированных отложений, внутриформационные плоскости скольжения; складки волочения, смещение контуров фациальных зон, нарушение внутренней структуры, захват фрагментов фоновых отложений.

Однако в ряде случаев, как можно видеть на рис. 1 [7, 10, 17], картина существенно иная. В зоне соприкосновения тел микститов с фоновыми отложениями признаки механического воздействия обвально-оползневых тел на фоновые осадки отсутствуют. Отсутствуют также плоскости скольжения на границе этих тел и подстилающих фоновых отложений, и следы внутреннего перемещения осадочного материала. Состав обломков в микститах полностью аллохтонный и не содержит отторженцев вмещающих микститы пород. В то же время наблюдается торцовое примыкание слоистых отложений к телам микститов. Механизм формирования таких тел неясен, однако интуитивно можно предположить, что подобная картина может возникнуть, в частности, при внедрении одной вязкой субстанции (тело микстита) в другую (фоновые осадки) до их литификации. Рассмотрению этого вопроса и посвящена данная статья.

Рис. 1.

“Нетипичные” микститы. Примеры заимствованы из [7]: (а) офиолитокластовый микстит, сложенный обломками и глыбами серпентинитов, в сенонском флише Севано-Акеринской зоны Малого Кавказа (по [10]); (б) терригеннокластовый микстит в плиоценовых молассовых отложениях зоны Молизе, Италия (по [17]); (в) терригеннокластовый микстит, сложенный обломками верхнеюрских песчаников и глинистых сланцев, в верхнеэоценовых флишевых отложениях Южного склона Большого Кавказа (по [7]).

В современных водоемах развиты аналогичные палеомикститам “отложения переноса масс” (mass transport depositеs) (ОПМ): фаны, дебрисовые и турбидные потоки, подводные оползни. Знания о них основаны на изучении современных процессов седиментации [1, 5, 6, 8, 13, 14, 16, 18], анализе динамики потоков дискретных сред (зерновых потоков, снежных лавин) [3, 9, 11], результатах аналогового и расчетного моделирования [2, 4, 11, 19, 20].

Образование ОПМ связано с развитием гравитационных водно-каменных потоков на склонах осадочных бассейнов и отложением материала у подножия склона и на прилегающих участках дна бассейна [1, 5, 6, 8, 15, 16, 18]. В зависимости от размера обломочных фрагментов и степени насыщения ими тела потоков различают потоки: дебрисовые (debris-flow), состоящие из разноразмерных обломков и глыб, зерновые (grain-flows), сложенные относительно отсортированным обломочным материалом, турбидные (turbidity currents), образованные взвесью песчано-глинистого материала. Различия между ними весьма условны, и они могут составлять части единого потока.

Основным физическим параметром водно-каменных гравитационных потоков является удельная плотность, что и определило их название – “плотностные потоки”. По данным [4, 5, 8], плотность турбидных потоков (15–60% твердых частиц) составляет 1050–2000 кг/м³, подводных оползней и селей (70–90% твердых частиц) – 1500–2400 кг/м³, нелитифицированных песчано-глинистых отложений – порядка 1300–1500 кг/м³. Эти значения превышают значения плотности пресной (1000 кг/м³) и морской (1020–1030 кг/м³) воды. Скорость потоков может варьировать от 20–30 до 100–150 км/час. Имея значительные массу, плотность и скорость, потоки, согласно известной зависимости E_k = mv²/2, обладают значительной кинетической энергией, реализуемой в масштабном продвижении потоков в область глубоководных равнин, разрыве подводных кабелей, выпахивании подводных каньонов, формировании валов нагнетания, инициации цунами и пр.

Плотностной поток – это двухфазная дисперсная среда, которой свойственны связная и несвязная формы движения. В первом случае силы взаимодействия удерживают частицы в покое относительно друг друга (градиент скоростей частиц = 0), поток движется как условно единое тело. Во втором – межзерновые связи ослаблены, градиент скоростей гранул >0. Возникает “внутрипотоковое” течение. Обе формы могут сосуществовать в едином потоке. В аналоговых и численных моделях [4, 19] показана возможность “самоускорения” (self accelerating) плотностных потоков, за счет чего их энергия возрастает. В нижней части потока в результате гравитационного осаждения увеличивается объем включений, соответственно возрастают скатывающая сила и скорость потока [4, 13]. Во фронтальной части потока утяжеленная нижняя часть опережает основной поток и выдвигается вперед в виде языка, обладающего значительной кинетической энергией. Эти данные соотносимы с данными [11], где показано, что движущаяся масса наибольшую Е_к приобретает в области перегиба склона, оказывая в подошве потока “подрезывающее” действие.

В водно-каменных потоках прочность на разрыв на контакте твердых фрагментов значительно меньше их внутренней прочности, что является определяющим свойством гранулированных сред, для которых, в частности, характерны [9, 12] сверхтекучесть и исчезновение структурных признаков течения среды после остановки потока. В процессе движения дебрисового потока происходит хаотическое соударение частиц, что может быть приравнено к явлению вибрации. Гранулярная структура и режим “вибрации” придают дебрисным потокам свойства вязкой жидкости (работы И.И. Блехмана и В.З. Партона и др.).

По умолчанию принимается, что тела ОПМ формируются на поверхности дна и перекрываются более молодыми осадками [5, 8, 13, 16]. Однако, учитывая слабую связность донных отложений и высокую энергию ОПМ, допустимо предположение (см. выше), что плотностные потоки могут механически внедряться в податливые слабосцементированные донные осадки, прежде всего по градиентным плотностным границам отложений различного состава и степени литификации. Выше приведенные сведения об ОПМ не противоречат этому варианту, однако данных о таком механизме в литературе не встречено. В связи с этим для верификации сделанного предположения был осуществлен аналоговый эксперимент.

Установка для проведения экспериментов (рис. 2) представляет собой плоский прозрачный сосуд (60 × 40 × 1.5 см), разделенный водонепроницаемой виниловой трубкой на два полупространства: нижнее соответствует слою литифицированных отложений, верхнее – водному слою бассейна и толще вязко-текучих нелитифицированных осадков.

Рис. 2.

Установка для проведения эксперимента. Описание в тексте.

Проведена серия опытов, в которых в качестве “потоковых субстанций” в различных комбинациях использованы жидкости и суспензии с разной плотностью. Правомерность такого подхода основана на следующих положениях: плотностные потоки возникают в водной среде и представляют собой водные суспензии; плотность является параметром, во многом определяющим динамику гравитационных потоков; существуют проверенные численными расчетами аналоговые модели плотностных потоков с использованием водно-твердофазной суспензии [2, 4].

Имитаторами осадочных слоев служили подкрашенные жидкости различной плотности (водно-соляно-глицерино-полимерные растворы). Плотностные потоки имитировались подкрашенными суспензиями различного состава и плотности. Суспензии порциями выплескивались с шельфа на склон, образуя плотностные потоки. Результаты экспериментов приведены на фотографиях, сделанных в процессе эксперимента, с последующей прорисовкой формы, взаимоотношения и значений плотности фоновых субстанций и плотностных потоков (рис. 3, 4, 5).

Рис. 3.

Модель поведения серии плотностных потоков в бассейне седиментации. а–г – стадии процесса; I–VI – порядок поступления плотностных потоков и формирования дискретных тел отложений переноса масс. Состав и параметры потоковых субстанциий в тексте.

Рис. 4.

Модель внедрения плотностного потока в неконсолидированные донные осадки. 1–4 – слои осадочных нелитифицированных отложений осадочного чехла.

Рис. 5.

Модель внедрения плотностного потока в неконсолидированные донные осадки (вариант 3). Состав и параметры потоковых субстанциий в тексте.

Вариант 1 (рис. 3). Отражает последовательное поступление плотностных потоков (суспензий различной плотности) в бассейн, частично заполненный имитатором нелитифицированного осадка.

Нелитифицированные осадки (светло-желтый цвет) имитировались раствором сока манго с загустителем Е418 (интегральная плотность 1040 кг/м³). В последующем в бассейн последовательно (а, б, в, г) вливались суспензионные потоки различной плотности: I (желтый) – суспензия: жидкая фаза – сок манго+загуститель Е418+ глицерин, твердая фаза – семена базилика, плотность 1050 кг/м³; II (синий) – суспензия: жидкая фаза – сок-микст+загуститель Е418+глицерин, плотность 1040 кг/м³; III (желтый) – суспензия: жидкая фаза – сок манго + загуститель Е418+ глицерин, твердая фаза – семена базилика, плотность 1050 кг/м³ ; IV (белый) – кефир, плотность 1100 кг/м³; V (коричневый) – суспензия: жидкая фаза – водно-полимерный раствор + сок-микст + загуститель Е418 + глицерин, твердая фаза (30% объема) – семена базилика, плотность 1150–1170 кг/м³; VI (фиолетово-красный) – суспензия: подкрашенный фукурсином водно-соляной раствор + глицерин, (плотность 1100 кг/м³).

Вариант 2 (рис. 4). Поступление плотностного потока в бассейн, частично заполненный смесями водно-полимерного раствора, поваренной соли и глицерина, имеющими различную плотность (значения показаны на рис. 3) и имитирующими слоистую структуру осадочного чехла. Плотностной поток представлен суспензией, состоящий из жидкой фазы (сок манго, загуститель Е418, глицерин) и твердой фазы (семена базилика).

Вариант 3 (рис. 5) Поступление плотностного потока в бассейн, частично заполненный водно-полимерной жидкостью (морилка + глицерин) – имитатором отложений осадочного чехла.

Плотностной поток в этом варианте представлен суспензией, состоящий из жидкой фазы (сок манго, загуститель Е418, глицерин) с плотностью 1200 кг/м³ и твердой фазы (семена базилика).

Проведенная серия экспериментов выявила некоторые особенности динамики плотностных потоков в условиях их гравитационного скольжения по наклонной плоскости и наличия расслоенных по плотности вязко-текучих сред.

Как показал опыт, при определенных, эмпирически подобранных углах наклона поверхности склона и плотностных параметрах, близких к природным, плотностные потоки могут проникать внутрь неконсолидированных осадков, раздвигая их и формируя бескорневые изолированные тела. Внедрение потоков осуществляется по границам слоев разной плотности, наиболее часто – вдоль плоскости контакта “литифицированных отложений” и “нелитифицированных осадков”. Плотностные потоки проникают также по контактам исходного неконсолидированного осадка и заключенных в нем ранее возникших потоковых тел, в отдельных случаях расслаивали их.

Наблюдается концентрация грубых кластов в нижней части потока, их опережающее движение и активное проникновение в фоновые субстанции, что, как было показано выше, свойственно и природным плотностным потокам. При этом происходит расслоение плотностного потока на две “струи”: тонкозернистую (без кластов) и грубозернистую (с кластами). Кластические включения в движении опережают основной поток и внедряются в неконсолидированный осадок.

Таким образом, наличие своеобразных палеомикститов, анализ полевых и экспериментальных данных по динамике ОПМ и результаты проведенного аналогового эксперимента подтверждают возможность механического внедрения (инъектирования) вещества плотностных потоков внутрь осадочного чехла. Эти данные позволяют выделить новый, не диагностируемый ранее морфогенетический тип отложений переноса масс – гравитационно-инъективные микститы, принципиальная схема формирования которых представлена на рис. 6.

Рис. 6.

Принципиальная схема формирования гравитационно-иинъективных микститов. 1 – консолидированные отложения; 2 – неконсолидированные осадки шельфа; 3–4 – неконсолидированные бассейновые осадки разного состава или различной степени литификации; 5–6 – отложения переноса масс: 5 – гравитационно-инъективные, 6 – гравитационные; 7 – направление движения плотностных потоков по дну бассейна; 8 – водно-каменные и турбидные потоки; 9 – поверхности скольжения потоков; 10 – направление движения плотностных потоков внутри неконсолидированных бассейновых отложений; 11 – разломы.