Эксперименты по исследованию слоистости осадочных пород

Гай Бертхолт

СЕДИМЕНТОЛОГИЯ — Эксперименты по исследованию осадочных пород, которые являются результатом периодической градационной слоистости, которая происходит после отложения пород, помогают объяснить слоистость различных отложений и осадочных горных пород.

Эти эксперименты по исследованию осаждения проводились в стоячей воде, и при этом в воду постоянно вводился материал с зернами разного размера. В результате эксперимента получается отложение, которое создает впечатление последовательных пластов или тонких прослоек породы. Эти тонкие прослойки породы являются продуктом спонтанного, периодичного и длительного гранулометрического процесса, который происходит очень быстро после отложения смеси с зернами разного размера.

Оказывается, что толщина тонкой прослойки породы не зависит от скорости осаждения, но резко увеличивается по мере увеличения размера частиц в смеси. Там, где присутствует горизонтальное течение, отмечаются тонкие многослойные залегающие выше пласты, которые располагаются по сторонам в направлении течения.

---

Вступление

Геологи традиционно считают тонкой прослойкой породы те пласты, которые имеют толщину менее 1 см. Августин Ломбард дает следующее определение: ‘Слоистость объединяет вместе все структуры, которые характеризуют осадочные породы в пределах слоя или пласта. Слои или слоистые структуры являются внутренней составляющей частью пласта на разных уровнях осадочных пород’.1

Пласт представляет собой осадочную “стопку”, которая находится между двумя граничными поверхностями. Она состоит из отложения осадочных пород различных структур, которые накопились во время непрерывной фазы.2 Относительно её происхождения, Ломбард пишет: ‘происхождение плоских, расположенных параллельно тонких пластов объясняется течениями, которые имели место во время отложения’.3 ‘Повторяемость градационной слоистости в пласте вероятно является результатом последовательных пульсаций в потоке основной массы осадочной породы’.4

Однако Ломбард также пишет: ‘В 1966 Кене воспроизвел эти тонкие пласты без каких-либо пульсаций. Во время его экспериментов эти пласты образовывались во время замедлений‘.5 Узнав об этом, меня заинтересовало, было ли течение чем-то необходимым для образования этих тонких пластов, и не могли ли эти тонкие пласты образоваться благодаря непрерывному осаждению в стоячей воде.

Фундаментальные эксперименты

Чтобы проверить эту гипотезу, я провел три очень простых эксперимента:-

1. Была приготовлена смесь, которая состояла из 25% песка с частицами размером между 0.3 мм и 0.4 мм, окрашенными метиленовым синим красителем, и 75 % кремнистого порошка с частицами размером от 20 до 80 микрон. Затем в течение 10 минут эту сухую смесь выливали в конический сосуд объемом 2 литра. На Рисунке 1 показано, что в результате того, что смесь падала в сосуд с постоянной скоростью, она расположилась в сосуде в виде аллювиального конуса.

Одновременно на дне сосуда появились почти горизонтальные градуированные последовательные слои, которые состояли из синего песка, расположенного на самом низу, и кремнистого порошка приблизительно 2.5 мм толщиной, который располагался сверху. Эта удивительная копия получается в результате сухого потока смешивания порошков’.6 Эти эксперименты указывают на сегрегацию частиц одного и того же размера.

2. 5 кг той же самой смеси влили в воронку винтового распределителя порошка (благодаря которой сохранялся постоянный поток смеси с переменной скоростью вливания) и поместили в пробирку объемом 2 литра, в которую была налита вода. 400 г данной смеси влили в пробирку со скоростью 140 г в час. В результате было получено слоистое отложение. Толщина тонкого пласта бала практически одинаковой, и составляла приблизительно 2.5 мм. С помощью поперечного разреза сухого отложения можно было увидеть тонкую прослойку породы.

3. Для того чтобы лучше понять механизм слоистости, описанный выше эксперимент повторили, только на этот раз вода была окрашена метиленовым синим красителем. На Рисунке 2 показано, что верхняя часть получившегося отложения намного чище, чем остальная часть отложения. Эта верхняя часть образует кольцо, состоящее в основном из кремнистого порошка, в котором можно увидеть, как в него приникают частицы синего песка. По мере того, как кольцо становится толще, в нем появляется тонкий слой синего песка. Он составляет основу нового слоя. И так продолжается и дальше.

Поэтому происхождение этой слоистости является следствием четкой сегрегации частиц одинакового размера в пределах отложенной смеси. Ступенчатое напластование появилось внутри самого отложения после его осаждения. И не было никакого напластования слоев.

Влияние скорости осаждения

Влияет ли скорость осаждения на изменение толщины тонкой прослойки породы?

Для того чтобы это проверить, использовали песок, размер частиц которого составлял от 135 мм до 0.400 мм, и был окрашен в метиленовый синий, и кремнистый порошок с размером частиц от 20 до 40 микрон.

1. Изменения в скорости осаждения кремнистого порошка.

Было последовательно разведено 50, 100, 200 и 300 см³ порошка в пробирке, заполненной водой. Время осаждения увеличивалось в соответствии с увеличением количества порошка, который разводили. В каждый из этих растворов было добавлено одинаковое количество песка 80 см³, который поступал из распределительного устройства на протяжении 5 минут. Толщина получившейся тонкой прослойки оставалась неизменной и составляла приблизительно 2.5 мм.

2. Изменения в скорости осаждения песка.

На протяжении 5 минут 40, 80 и 120 см³ песка последовательно добавили к тому же самому раствору кремнистого порошка объемом 200 см³ в 2 литрах воды. Толщина получившейся тонкой прослойки также оставалась неизменной и составляла приблизительно 2.5 мм.

3. Одновременные изменения в скорости осаждения песка и кремнистого порошка.

Смесь, состоящую из 25% песка и 75% кремнистого порошка, добавили из распределительного устройства в пробирку, заполненную водой, при скорости 140 г в час, а затем эту скорость увеличили в два и в три раза. На Рисунке 3 показано, что толщина тонкой прослойки оставалась неизменной.

Напрашивается очевидный вывод, что в рамках экспериментов толщина тонкой прослойки не зависит от скорости осаждения.

Влияние размера частиц

Изменяется ли толщина тонкой прослойки, если сильно отличаются размеры частиц?

1. Изменение толщины прослойки в результате увеличения размера частиц песка.

200 см³ кремнистого порошка, с размером частиц от 20 до 80 микрон, развели в пробирке с водой и на протяжении 5 минут добавляли к нему порциями 100 см³ песка с размером частиц, которые постепенно увеличивались. Толщина получившейся тонкой прослойки увеличивалась по мере увеличения разницы между размерами частиц песка в каждой порции:

Градация размера песка в мм.	Толщина слоистой структуры в мм.
0.125-0.160	2
0.200-0.250	2
0.315-0.400	2.5
0.500-0.630	2.7
0.630-0.800	3
0.800-1.000	Слоистость не образовалась

2. Изменение толщины прослойки в результате изменения размера частиц кремнистого порошка.

100 см³ песка с размером частиц от 0.3 мм до 0.4 мм последовательно смешали с шестью порциями кремнистого порошка и песка объемом 200 см³, размер частиц которых с каждый разом увеличивались. На протяжении пяти минут эту смесь разливали в отдельные колбы и наблюдали образование слоистой структуры. Толщина получившейся тонкой прослойки увеличивалась по мере увеличения размера частиц тонкоизмельчённого порошка, но не выше следующих границ:

Градация размера кремнистого порошка в микронах	Толщина слоистой структуры в мм.
0-4	2.5
20-40	2.5
63-80	2.5
80-100	2.5
125-160	2.7
200-250	2.7

3. Изменение толщины прослойки в результате сильного изменения размера частиц песка.

Четыре порции песка поочередно вышли из распределительного устройства. Размер маленьких частиц песка в каждой порции остался неизменным, но размер более крупных частиц песка увеличивался с каждой порцией. На Рисунке 4 показано, что толщина тонкой прослойки увеличивалась по мере того, как разница между размером частиц становилась сильнее, как видно из следующей таблицы:

Размер маленьких частиц песка в микронах	Размер больших частиц песка в мм	Толщина слоистой структуры в мм.
4	0.4	5
4	0.63	6
4	0.8	8
4	1	10

 

Три дальнейших эксперимента с еще более заметным отличием в размере частиц (1.25 мм –1.6 мм – 2 мм) привели к образованию нестандартного расслоения.

На основе второго ряда эксперимента можно сделать очевидный вывод, что толщина тонкой прослойки увеличивается по мере того, как увеличивается разница между размерами частиц, которые содержатся в прослойке.

Эксперименты c природними стратифицированными осадочными породами

Многочисленным речным и морским осадочным отложениям, а также осадочным горным породам, которые залегают в виде прослоек, даны такие названия, как: тонкие прослойки породы, слоистые пласты, сезонные слоистости и так далее. Эти типы слоистых структур относят к последовательным отложениям слоев. Вопрос заключается в том, можно ли объяснить некоторые из этих природных тонких прослоек породы с помощью механизма, о котором мы говорили ранее. В связи с этим экспериментальный метод был применен к следующим осадочным породам, обнаруженным во Франции.

1. Многоцветный песчаник из Фонтенбло демонстрирует слоистую структуру толщиной в среднем 3 мм. Эту породу раскрошили на частицы размером от 0.1 до 0.3 мм. Частицы поместили в распределительное устройство, а затем в наполненную водой пробирку объемом 2 литра, со скоростью 50 г в час. В результате весьма спокойно было получено оригинальное расслоение с почти идентичной толщиной.

2. Диатомит из Оверня демонстрирует слоистую структуру (смотрите Рисунок 5). Восстановленный до его элементарных частиц диатомит калибровали в циклоне и отделили частицы размером, по меньшей мере, 80 микрон. Исследование под микроскопом подтвердило, что большая часть диатомов была разрушена. Частицы большего размера были окрашены метиленовым синим красителем, а затем смешаны с маленькими частицами.

Из распределительного устройства смесь поместили в наполненную водой пробирку при трех последующих скоростях 50, 100 и 150 г в час на протяжении одинаковых периодов времени. В отложении появилась слоистость, и толщина прослойки не изменялась при изменении скорости осаждения. В результате было получено оригинальное расслоение практически с одинаковой толщиной (смотрите Рисунок 6).

Ответ на вопрос является утвердительным, то есть, существующие в природных условиях тонкие прослойки породы можно объяснить с помощью описанных выше механизмов. Кроме случаев, где возможно продемонстрировать, что слоистость является результатом сезонных отложений.7

Действие поперечного потока

Пластина размером 80 см х 25 см х 40 см была помещена с одного конца наклонного желоба, прямо на уровне воды. На неё подавалось горизонтальное течение воды при очень низкой скорости. Проходя из наклонного желоба через циркуляционный насос, в одно и то же время, частицы диатомита выпадали со скоростью 80 г в час. Эксперимент продолжался на протяжении 15 дней, без остановки. В результате образовались тонкие, стратифицированные, расположенные один над одним, и распространенные в стороны слои, которые лежали в направлении течения (смотрите Рисунок 7). Эти слои можно было отличить друг от друга путем разделения цветов, которые были четкими благодаря различной массе крупных окрашенных частиц.

Выводы

В данном исследовании изучалось непрерывное отложение в стоячей воде зерен разного размера.

1. Было отмечено, что отложенный материал сразу после отложения образовал периодические ступенчатые тонкие прослойки породы, которые выглядели как последовательные пласты.
2. Одной из наиболее удивительных характеристик этих тонких прослоек, образованных в самом осадке, была их регулярная периодичность.
3. Толщина тонких прослоек породы измерялась в миллиметрах. Она не зависела от скорости осаждения и колебалась в соответствии с заметной разницей в размере смешанных частиц.
4. Когда отложение происходило в потоке воды, явление слоистости также отмечалось. Геометрическое строение слоистости изменялось потоком воды, но не водный поток был причиной этого изменения.
5. Градуированные тонкие прослойки породы были похожи на тонкие прослойки породы или сезонные слоистости, которые наблюдаются в природе и которые являются напластованием сезонных или годовых пластов. Однако их происхождение было довольно другим и являлось результатом периодического структурирования, которое наступало после отложения.
6. Что касается этого механизма, теперь следующим вопросом является исследование группы расслоенных или сезонно расслоенных формаций, особенно физического структурирования, полученного в ходе проведенных экспериментов.

Ссылки

1. Ломбард. A.. 1972. Series sedimentaires—Genese—Evolution. Masson et Cie-Edit. Париж. стр. 147. Вернуться к тексту.
2. Ссылка 1. стр. 166. Вернуться к тексту.
3. Ссылка 1, стр. 148. Вернуться к тексту.
4. Ссылка 1. стр. 158. Вернуться к тексту.
5. Ссылка 1. стр. 248. Вернуться к тексту.
6. Кемпбелл. Х. и Бауер. У.К., 1966. журнал Chemical Engineering 73:179–185. Вернуться к тексту.
7. Голл, Д.К.,1971. Mem. Serv. Carte geol. Als. Lorr. 34:126–128. Вернуться к тексту.

Эта часть оригинального исследования была представлена для Французской Академии Наук в Париже 3 ноября, 1986 года, и была впоследствии опубликована в научных докладах Академии — C.R. Acad.Sc.Paris, t. , Serie II (17):1569–1574, 1986. Мы выражаем благодарность Гаю Бертхольту за предоставленное разрешение на публикацию английской версии данной статьи.

Источник: www.answersingenesis.org