CC BY
24
УДК 551.3.051: 551.35.063
МАСШТАБЫ ВОЛНОВОЙ ЭРОЗИИ МОРСКОГО ДНА НА РЕГРЕССИВНОМ ЭТАПЕ РАЗВИТИЯ ЭПИКОНТИНЕНТАЛЬНОГО БАССЕЙНА
Ольга Николаевна Злобина
Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А. А. Трофимука СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 3, кандидат геолого-минералогических наук, старший научный сотрудник лаборатории седиментологии, тел. (383)333-23-03, e-mail: [email protected]
Рассмотрена роль волновой эрозии в переотложении осадков, накопившихся ранее в морской акватории. Предполагается, что на регрессивном этапе развития в эпиконтинен-тальном бассейне существуют собственные ресурсы (породы трансгрессивной серии), обеспечивающие формирование отложений при участии волновых процессов разного масштаба. Приведены примеры количественной оценки объема осадков, перемещенных в результате штормовой деятельности и придонных течений, которые свидетельствуют об интенсивной абразии прибрежно-морских аккумулятивных форм, если волны подходят к берегу под острым углом. Кроме того, вслед за отступающей в сторону моря береговой линией смещается область вреза в подводный склон вдольберегового течения. Таким образом, вначале регрессивного этапа кровля подстилающей трансгрессивной части разреза интенсивно размывается. Разгрузка наносов происходит на разных по глубине участках дна.
Ключевые слова: волновая эрозия, перемещение и накопление осадков, морфология берегового склона, регрессивная стадия морского бассейна.
SCOPE OF THE WAVE EROSION OF THE SEABED IN THE REGRESSIVE STAGE OF AN EPICONTINENTAL BASINS
Olga N. Zlobina
Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 3 Аkademik Koptyug Prospect, Ph. D., senior researcher of the Laboratory of sedimentology, tel. (383)333-23-03, e-mail: [email protected]
The role of wave erosion in redeposition of sediments, which were accumulated earlier in the marine area, are discussed. It is assumed, that there are own resources on the regressive stage in the epicontinental basin (transgressive stage rock) providing the deposit formation with the participation of wave processes of different scale. Quantifying the volume examples of sediments, displaced as a result of storm activity and bottom currents, are listed; they testify the intense abrasion of littoral accumulative forms when waves approach the shore at an acute angle. In addition, incision area shifted in the underwater slope of the longshore current following the retreating seaward shoreline. Thus, the first stage of regressive part roof of underlying transgressive section part is heavily eroded. Unloading sediment occurs on different depths of the bottom.
Key words: wave erosion, movement and accumulation of the deposits, the morphology of the coastal slope, regressive stage of the sea basin.
Регрессивные циклы в развитии морских бассейнов считаются наиболее благоприятными для формирования мощных пластов-коллекторов, потенциальных вместилищ для месторождений углеводородов. Одним из обоснований
теории клиноформенного строения этих разрезов является представление о заполнении эпиконтинентального бассейна седиментации прогрессивно развивающимися дельтовыми отложениями [1]. Иначе, по мнению исследователей, сложно объяснить, каким образом накопилась большая масса осадков при отступающей в сторону моря береговой линии. В дополнение к этому предлагается геосолитонный механизм, основывающийся на импульсных геодинамических возмущениях, которые порождают землетрясения, цунами и связанные с ними мощные турбидитные потоки и подводные оползни. В данной работе рассматриваются особенности седиментации вне дельтовых систем. Следует отметить, что характер трансгрессивной и регрессивной фаз развития бассейна в нормальных, нестрессовых условиях зависит от степени выраженности двух процессов, протекающих одновременно: эрозии (абразии) морского дна и аккумуляции осадков. Сокращение масштабов водной поверхности не означает прекращения размыва прибрежно-морских отложений. Длина береговой линии при отступлении моря уменьшается более медленными темпами, по сравнению с площадью акватории (функция квадрата отношения величин возрастает быстрее функции отношений этих величин). Не меняется также объем воздушного пространства, в пределах которого разгонялся ветер, если только на его пути не появляются горы. В то же время, зона обрушения волн перемещается вниз по морскому склону вслед за мигрирующей береговой линией, поэтому в область интенсивного размыва попадают осадки, накопившиеся ранее в бассейне. Они еще слабо консолидированы и разрушаются гораздо быстрее скальных пород. Деятельность поверхностных волн, сгенерированных ветром, может приводить к размыву не только зоны прибоя, но и аккумулятивных форм рельефа предыдущих стадий - морских террас, отмелей, баров. Совместным результатом с волнами других типов (внутренних, приливно-отливных и др.) является перемещение отложений вдоль береговой линии и вглубь бассейна (рис. 1) [2].
В зависимости от силы и продолжительности ветров высота волн в современных акваториях изменяется от нескольких миллиметров во время штиля до 25 м в шторм. Длина штормовых волн доходит до 150-250 м. При скорости ветра около 10 м/с они поднимаются на высоту 2,5-3,5 м, при разгоне до 25 м/с -12-15 м. Подходя к берегу, волны начинают свою разрушительную работу с глубины равной половине их длины в открытом море [3].
В перемещении донных отложений большую роль играют внутренние волны. Они образуются на границе раздела слоев воды с различной плотностью, могут иметь высоту более 100 м, но перемещаются значительно медленнее поверхностных. Граница раздела между слоями возбуждается (выводится из равновесия) по разным причинам: сильное поверхностное волнение, приливные течения, резкие изменения атомосферного давления и др. Кроме того, следует согласиться со сторонниками геосолитонной модели, что при реконструкциях обстановок седиментации необходимо учитывать вероятность катастрофических процессов, связанных с экстремальными волнами-убийцами и цунами.
Рис. 1. Спектр волнения - распределение энергии между встречающимися в океанах всевозможными типами волн. Высота каждого пика кривой характеризует общее количество энергии, заключенное в волнах определенной длины в любой момент времени [2]
Для количественной оценки результатов волновой эрозии приведем контрольные расчеты, выполненные в «Своде правил по проектированию морских берегозащитных сооружений» [4]. В них заложены характеристики шторма длительностью 99 часов и параметры насыпной дамбы из мелкого песка (средний диаметр зерен 0,140 мм). Фронт штормовой волны подходил к дамбе под углом 45°. Высота волны в начале шторма составляла 0,05 м, через 51 час достигла -1,5 м, затем постепенно уменьшалась до первоначальных значений к завершению события. Угол «мокрого» откоса (сторона дамбы, обращенная к морю) в начале шторма составлял 33°, в конце - около 2,8°. С одного погонного метра дамбы, вытянутой вдоль береговой линии, за 99 часов было вынесено в море 100,8 м3 песка, т. е. она была практически полностью размыта. Если волны распространяются по нормали к берегу, то на подводном склоне с выдержанным уклоном и однородными осадками, в нижней части наблюдается вынос материала и перемещение его далее вниз по склону, а в верхней - размыв и миграция в сторону берега. Между этими крайними участками располагается нейтральная линия [5]. В зоне прибоя формируется пляж, окаймленный со стороны суши полосой береговых валов.
Энергия штормовых волн практически полностью гасится в пределах пляжа, если его ширина составляет не менее 20 м [6]. Неустойчивое (кратковременное) равновесие выработанного профиля нарушается при падении уровня моря. Положение нейтральной линии смещается вниз по склону и процесс переноса материала начинается снова, таким образом в верхней части формируется серия параллельных прислоненных друг к другу валов, сравнимых с вышеописанной насыпной дамбой. За время существования бассейнов направления преобладающих ветров, как правило, неоднократно меняются, это может происходить каждый год как сезонное явление. Например, в западном Средиземноморье в разные месяцы дуют восточный ветер Levanter, северо-восточный Levantades, юго-западный Vendavales и южный Scirocco. Поэтому, вероятность сохранения прибрежных аккумулятивных форм рельефа в регрессивную фазу очень мала. Когда море отступает с высокой скоростью за счет поднятия суши, или прогибания дна, то уклон берегового склона становится более крутым или ступенчатым и, следовательно, интенсивнее разрушается. Продукты абразии сносятся и перераспределяются течениями на морском дне. Вдольбереговой транспорт наносов в терминах локальных и интегральных характеристик проанализирован в работе И. О. Леонтьева [7]. По данным расчетов исследователя при подходе волны к побережью под углом 35°, высоте волн на относительном глубоководье (вне зон обрушения) 1,7 м, диаметре переносимых частиц ~0,165 мм, расход наносов, проходимых через сечение всего потока, составляет 782 м3/ч. Под расходом наносов понимается количество взвешенного и влекомого обломочного материала, которое перемещает водоток за единицу времени. Локальный расход наносов выражается в м3, перемещенных вдоль 1 м берега в течение одного часа. Результаты натурных экспериментов на атлантическом побережье США (район Дак, Северная Каролина) и расчетные параметры приведены на рис. 2 [7].
200 300 400 500 Расстояние от берега, м
Рис. 2. Сравнение расхода вдольбереговых наносов в условиях сильного шторма по расчетным данным (2) и натурным измерениям (1) на Атлантическом побережье США, в районе Дак [7]:
а - наблюдения 20 октября 1997 г.; б - 4 января 1998 г.; в - морфология подводного склона
Одним из актуальных вопросов при реконструкциях древних обстановок седиментации является определение мощности отложений, которые были размыты в центральной части подводного склона в процессе достижения им профиля равновесия. Этот уровень при отступлении моря непрерывно передвигается вниз по склону. Вначале этапа размываются осадки трансгрессивной стадии, затем накопившиеся при регрессии. Очевидно, что величина потери мощности слоев, накопленных ранее, зависит от нескольких факторов - гранулометрического состава осадков, характера волновой деятельности, силе придонных течений и др. В рекомендациях к гидротехническим сооружениям приводятся зависимости неразмывающей скорости потока от диаметра частиц и глубины потока (при его определенной плотности и других характеристиках) [8]. Неразмываю-щая скорость характеризует устойчивость отложений на дне потока, при превышении этих предельных значений начинается донная эрозия. Исходя из данных следует, что частицы диаметром меньше 1 мм начнут отрываться от дна и вовлекаться в поток глубиной 10 м при скоростях больших 0,46-0,49 м/с. Для связанных (уплотненных грунтов) требуются большие скорости - 0,56-1,72 м/с. В современных акваториях скорость вдольбереговых течений на некоторых участках возрастает до 2,5 м/с. Таким образом, вначале регрессивного этапа кровля подстилающей трансгрессивной части разреза интенсивно размывается, разгрузка наносов происходит на разных по глубине участках дна. По мере значительного сокращения водной поверхности масштабы волновой эрозии будут уменьшаться. С учетом вышеизложенного автор считает обоснованным применение в исследованиях древних бассейнов седиментации математических моделей расхода вдольбереговых наносов, рассчитанных для современных отложений. Это важно для решения задач расчленения и корреляции разрезов.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Гурари Ф. Г. Строение и условия образования клиноформ неокомских отложений Западной Сибири: история становления представлений. - Новосибирск : СНИИГГиМС, 2003. - 140 с.
2. Нешиба С. Океанология. Современные представления о жидкой оболочке Земли : пер. с англ. - М. : Мир, 1991. - 414 с.
3. Планета Земля. Мировой океан. Морские волны: сайт Владимира Каланова [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http:// znaniya-sila.narod.ru/solarsis/zemlya/earth_ocean_06.htm.
4. Свод правил по проектированию морских берегозащитных сооружений. - М. : Корпорация Трансстрой, 1998. - 83 с.
5. Методическое руководство по морфологическим исследованиям. - Л. : Недра, 1972. - 384 с.
6. Инженерная геология : учеб. для строит, спец. вузов / В. П. Ананьев, А. Д. Потапов. - 3-е изд., перераб. и испр. - М. : Высш. шк., 2005. - 575 с.
7. Леонтьев И. О. О расчете вдольберегового транспорта наносов // Океанология. -2014. - Т. 54, № 2. - С. 226-232.
8. Рекомендации по прогнозу трансформации русла в нижних бьефах гидроузлов, СО 34.21.204-2005. ОАО «ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева». - СПб., 2006. - 38 с.
© О. Н. Злобина, 2017
