Литодинамический цикл

Размещено на http://www.allbest.ru/

Литодинамический цикл

А.Н. Павлов

Перемещение наносов на внешнем шельфе (связь литодинамических процессов с рельефом дна).

Наиболее активной в геологическом отношении является внешняя часть шельфа, прилегающая к суше. Она изучена значительно лучше, чем другие границы, поскольку относительно доступней для исследований и освоения.

Автору несколько лет пришлось заниматься этой зоной в связи с решением довольно сложных народнохозяйственных задач. На базе выполненных работ возникли оригинальные модельные представления о перемещении наносов и деформациях дна, с которых я хотел бы начать рассмотрение граничных процессов. Я обратились к этому вопросу по следующим причинам.

1. Рассматриваемые ниже модельные представления сформировались, на многолетних режимных исследованиях, проведённых на одном и том же участке, который можно назвать экспериментальным полигоном.

2. Полученная схема оказалась весьма общей, настолько общей, что появилась возможность результаты частного эксперимента сравнить с системной схемой всей континентальной террасы и подойти к её литодинамической модели.

Вначале рассмотрим связь между движением наносов и морфологией дна береговой части шельфа.

Элементы границы и прибрежной области шельфа

К материальным элементам этой области следует отнести минеральные наносы, представленные различными грунтами от суглинков до галечников, щепу * и воду. В результате их взаимодействия возникает еще один, как бы дочерний элемент-поверхность наносов, морфология которой играет чрезвычайно важную роль при воздействии воды на дно. Благодаря этой поверхности, область нашего исследования можно назвать геодинамической субсистемой, относящейся к числу граничных и развивающейся в результате прямого взаимодействия двух колоссальных систем, океана и литосферы.

Материальные элементы этой субсистемы характеризуются различными показателями, которые рассматриваются в многочисленных публикациях по мелкому морю и литодинамике.

По характеру взаимодействия океана и литосферы в прибрежной области могут быть выделены по крайней мере три зоны:

1) глубокая, где движение наносов непосредственно не зависит от волнения;

2) средняя, где энергия волны передается на дно;

3) мелкая, в которой происходит разрушение волны (зона прибоя).

* Переработанные волнением и движением песчано-галечного материала обломки древесины (обычно игольчатой формы и диаметром сечения от долей миллиметра до нескольких миллиметров. Характерны для районов с развитой девревоперерабатываемой хозяйственной структурой).

Первая задача исследований заключается в выделении этих подзон и получении критерия для контроля за их перемещением при изменении условий на границе море--атмосфера.

Работы охватывали две последние зоны, которые достаточно чётко разделились по данным гранулометрического анализа наносов. Зона прибоя отличалась высокой неоднородностью и относительно большими значениями медианных диаметров Md. При этом коэффициент неоднородности Kн и величина Md менялись синхронно, т. е. рост одной из характеристик сопровождался увеличением другой. В зоне средних глубин эти величины изменялись асинхронно. В качестве критерия контроля использована дискриминантная функция, построенная по показателям механического и химического состава наносов (всего было учтено 20 признаков). Кроме того, при построении функции учитывались глубина взятия пробы, уклон дна, ориентация изобаты относительно сторон света и угол подхода вектора фронта волны к изобате в точке взятия пробы.

Сравниваемые множества были представлены различным количеством точек: зона прибоя 38, зона, в которой энергия волны передается на дно, 177. Задача была решена с помощью компьютерной программы. Полученный порог дискриминанта составил 19,1201. Множества разделились очень чётко. Эмпирический риск распознавания объектов первой зоны составил 5,26%, а второй 0,56%. Разумеется, что с помощью полученной дискриминантной функции для всякой новой пробы, взятой после смещения зон, может быть определена её принадлежность к какой-либо из рассмотренных совокупностей. Таким образом, внутренняя граница нашей субсистемы определена с помощью кривых Md(х), Kн (x) (х -- координата, направленная от линии берега в сторону моря), а качество её выделения установлено с помощью дискриминантного анализа. По своему смыслу это граница генетическая, так же как и береговая линия.

Рис. 1. Профиль подводного склона (1) и положение нулевой поверхности (2).

Нижняя граница -- это поверхность, на которой лежат активные наносы. Представление о ней может дать рис. 1, на котором показанные превышения отсчитаны от так называемой нулевой поверхности, т. е. поверхности, теоретически не испытывающей деформаций.

Её теоретическая стабильность подтверждается натурными наблюдениями -- систематическими промерами.

Верхняя граница -- это поверхность, отделяющая область распространения частичек, слагающих наносы, от области, где таких частичек нет. При спокойном море она практически совпадает с поверхностью морского дна, при сильном волнении -- перемещается вверх и несколько упрощается по форме. При штормах она может достигать поверхности воды и тогда, по существу, совпадает с границей море--атмосфера (в прибрежной зоне).

Рис. 2. Зависимость содержания мелкопесчаной фракции наносов х (0,25-- 0,1 мм) от ориентации изобат по отношению к нормали и фронту волны.

Внутренние связи и механизм функционирования

В организации внутренних связей между выделенными элементами исключительная роль, по-видимому, принадлежит изобатам. Для её выяснения было выполнено несколько операций: проведен анализ зависимости затухания содержаний мелкопесчаной фракции наносов от ориентации изобат, сделан факторный анализ и оценена эрозионно-аккумулятивная активность изобат по данным промерных работ.

Результаты первой операции позволили сделать ряд выводов (рис. 2--5).

Глубины, м: I - 1-- 2, II - 2--3, III - 3-4, IY - 4-5, Y - 5-6, YI - 6-7.

у -- угол между нормалью к фронту волны и касательной к изобате в точке взятия пробы (угол отсчитывается от нормали по часовой стрелке; фронт волны принят параллельным генеральному простиранию береговой линии).

I -- уравнение множественной линейной регрессии у=f(х) по пяти переменным (с учетом глубины h, уклона дна i, ориентации изобаты -- азимута касательной к изобате в точке опробования в).

Уравнения вида у=а+bх получены (по программе ВСЕГЕИ).

I - y=130- o,536x, у=1,605; II-- y=30,5+0,495 х, у=3,077; III-- у= 106 -- 0,306 х. у=3,308; IY -- y=225-- 1,74 х, у=3,171; Y-- y=184 -- 1,25 х, у=2,556; YI -- у= 162 -- 1,26x, у-2,705;

у -- стандартное отклонение:

2 -- y=ц(х) -- простая линейная зависимость; 3 -- у(х) -- зависимость, учитывающая резкое изменение коэффициентов линейного уравнения.

г -- угол между графиком множественной линейной регрессии у=f(х) и графиком простой аппроксимации y=ц(х). г°: I-- 45, II -- 115, III -- 70, IY -- 24, Y -- 25, YI -- 20.

Координаты точек пересечения графиков у=f(х) и у=ц(х}

Рис. 3. Изменение начальной ординаты б и углового коэффициента b уравнений множественной линейной регрессии с глубиной.

Рис.4. Изменение угла г при увеличении глубины H.

Рис. 5. Перемещение координат точек пересечения графиков у=f(х) и y=ц(х) относительно изобат (по данным рис. 2).

1. Во всех случаях, кроме полосы изобат 2--3 м, связь величин у и х обратно пропорциональная как для множеств, так и для парных зависимостей. Это свидетельствует о том, что малые углы подхода вектора фронта волны к изобатам определяют аккумуляцию фракции с диаметрами 0,25--0,1 мм, а большие -- её потери (вероятно, процесс эрозии). Причем наибольшая создаваемая дифференциация такого рода на глубинах более 4 м, особенно в полосе 6--7 м. Таким образом, можно ожидать, что роль изобат как линий тока наносов с глубиной возрастает (во всяком случае, в пределах нашего полигона).

2. До глубины 4 м величины h, i, в делают связь у = f(х) более резкой. Поскольку параметр в характеризует пространственную ориентацию изобат по странам света и идентичен по смыслу функции y, его влиянием на зависимость у=f(х) можно пренебречь. Величина h, по-видимому, мало сказывается на характере этой зависимости, так как изменение её в полосе между двумя изобатами, проведенными через 1 м, невелико.
Следовательно, дифференциация в распределении мелкопесчаной фракции вдоль изобат существенно усиливается при увеличении уклона дна.

3. Полоса глубин 2--3 м является как бы аномальной. Здесь распределение мелкопесчаной фракции индифферентно по отношению к ориентации изобат. Эта аномальность проявляется в изменении углового коэффициента и начальной ординаты в уравнениях регрессии. В этой же полосе уклон дна наиболее сильно влияет на зависимость у = f(х) [наибольшее отклонение линии множественной регрессии от простой зависимости у = ц (х)]. Судя по промерным работам, это связано с довольно резким свалом глубин и внутренней границей наших подсисте 2 и 3, т. е. с границей зоны прибоя.

4. Точки пересечения графиков у=f(х) и y=ц(x) характеризуют область, где уклон дна практически не влияет на зависимость у = f(х). Можно отметить, что по мере увеличения глубины содержание мелкопесчаной фракции для этих точек закономерно уменьшается.

Проведенный с множеством из 24 признаков R-факторный анализ показал, что интенсивность процессов, происходящих в межизобатных полосах, меняется с глубиной (табл. 1).

Таблица 1 Изменение факторных нагрузок по изобатам

Выделяются как бы две полосы наиболее активных изобат: 2--3 и 6--7 м, при минимуме между ними 4--5 м. Вероятно, речь должна идти о двух относительно мощных потоках наносов, выделяющихся по своей активности (хотя и не очень сильно) на общем фоне перемещения.

Эти потоки отличаются тем, что в первом (2--3 м) наносы передвигаются без заметного образования групп, во втором (6--7 м) такие группы выделяются достаточно чётко и обусловлены пространственной ориентацией изобат по отношению к вектору фронта волны. Ориентация изобат также определяет их активность по протяженности. Так, за штормовую ситуацию первой декады сентября участки изобат северо-западного простирания потеряли в 5--10 раз больше материала, чем участки северной и западной ориентации. За период же 13--20 сентября 1974 г. наиболее активными стали участки западного простирания, получившие в 2--3 раза больше наносов, по сравнению с другими участками (табл. 2).

По-видимому, шторм, стремясь выработать нулевую поверхность, уничтожает скопления наносов там, где они создают положительные деформации. Этот процесс протекает наиболее активно на участках, ориентированных к вектору фронта волны под углом, близким к прямому. При слабом же волнении на таких участках возникают аккумулятивные формы. шельф береговой эрозионный грунт

Понятие литодинамического цикла

Анализ результатов промеров и грунтовых съемок позволил сделать два принципиальных вывода общего порядка о перемещении наносов.

1. Спокойное волнение приводит к упрощению механического состава наносов, создавая более или менее равномерное поле в основном супесчаного и суглинистого состава, и формирует сложные аккумулятивные структуры дна.

2. Штормовое волнение свыше 4 баллов разрушает эту относительную однородность вещественного состава и приводит к упрощению морфологии дна, стремясь сделать ее энергетически уравновешенной.

Эти выводы приводят к идее литодинамического цикла, под которым следует понимать всю совокупность процессов, обусловливающих перераспределение наносов и деформацию дна за некоторый условный период, состоящий из двух следующих друг за другом фаз: шторм-штиль. При этом под первой фазой подразумевается не какой-то конкретный шторм, а имеется в виду такое волнение, которое создает максимальное упрощение поверхности дна и максимальное усложнение вещественного состава наносов. Прекращение же волнения и переход ко второй фазе цикла (спокойное море) меняет картину на обратную: вещественный состав наносов упрощается, а морфология дна за счёт появления аккумулятивных форм снова становится сложной.

Таблица 2 Характеристика эрозионно-аккумулятивной активности изобат разной ориентации по данным промерных работ

Иными словами, литодинамический цикл описывает процесс постепенного возбуждения и последующего снижения активности граничной области море--литосфера в зонах 2 (средней) и 3 (мелкой). Этот цикл может быть изображён серией грунтовых карт в сочетании с картами промерных работ.

Примечание. В числителе дан объем структур за период с 28 августа по 13 сентября 1974 г.. в знаменателе с 13 по 20 сентября 1974 г.

Существование цикличности в механическом составе наносов и деформациях дна, вообще говоря, следовало ожидать. Действительно, воздействие на поверхность моря климатических факторов циклично. Функционирование рек как основных поставщиков терригенного материала циклично, смена штормовых и штилевых ситуаций на море, направление волнений, периодические течения, приливы и отливы -- тоже цикличны. А ведь под действием всех этих причин наносы формируются и перемещаются. Разве их перенос может быть не цикличным? Положительный ответ очевиден. Но простое утверждение цикличности дает очень мало с точки зрения информации. Надо ещё знать, как эта цикличность проявляется, через положительные или отрицательные градиенты и как её лучше параметризировать.

С этой целью была проведена статистическая проверка степени изменчивости промерных матриц и карт механического состава наносов. Изменчивость оценивалась по коэффициенту вариации и дисперсии (для каждой матрицы и генеральной совокупности) основных признаков: отметок дна, коэффициенту неоднородности механического состава и содержанию мелкопесчаной фракции. Рассмотренные связи статистических показателей с волнением и количеством атмосферных осадков, выпавших на побережье за месяц, предшествующий измерениям на полигоне (как косвенной характеристике интенсивности твёрдого стока с прилегающей суши), подтвердили выводы, полученные на основании сравнения промерных и грунтовых карт. Коэффициенты корреляции и корреляционные отношения оказались достаточно высокими (0,6--0,9).

Мы говорим о существовании циклов деформаций дна по морфологическим и механическим (составу) признакам. Надеемся, что читатель не осудит нас за такую вольность, поскольку речь идет о модельных, т. е. теоретических представлениях, хотя реальная ситуация, разумеется, лишь квазициклична.

Фронт волны обычно разворачивается параллельно основному простиранию береговой черты, вектор его может подходить к изобате под разными углами б. Очевидно, что при прочих равных условиях наименьшее сопротивление волна будет испытывать при б = 0° (или 180°) и наибольшее при б = 90°. Кроме того, чем сильнее этот угол отличается от прямого, тем активнее индуцированное фронтом вдольизобатное течение. Таким образом, от угла б зависит скорость, а иногда и направление вдольизобатных течений, что, безусловно, является одной из важных причин возникновения групп транспортируемых частиц. На участках повышенных скоростей ширина их потока меньше, а мощность больше, чем на участках с пониженными скоростями. Изгибы изобат могут быть такими, что вдольизобатные течения являются встречными. В зоне столкновения этих течений группы частиц формируются наиболее быстро, что приводит к местным деформациям дна, и упрощает форму изобаты, несколько спрямляя её а значит, замедляя дальнейший рост группы. Деформации дна, вероятно, всегда направлены на стабилизацию групп, формирующихся в процессе перемещения наносов, и являются механизмом обратной связи, делающим этот процесс саморегулируемым.

Таким образом, задача заключается в том, чтобы установить центры как бы прикрепления деформаций, определяющих образ батиметрической и вещественной поверхностей (наиболее характерные их черты). Иными словами, надо знать зоны, из которых развиваются частные деформации, приводящие к общему квазицикличному изменению морфологии дна и состава наносов всего участка. В нашем случае, если ориентироваться на данные табл. 1.1, 1.2, морфологический образ дна, например, можно изобразить в виде диаграммы, показанной на рис. 6.

Рис. 6. Диаграмма расположения наиболее активно деформируемых зон.

Участки, на которых резко меняются эрозионные и аккумулятивные процессы: 1 -- выделены только по табл. 1.2; 2--активность по табл. 1.1 и 1.2 совпадают.

Эта диаграмма наводит на мысль о путях управления геодинамическим циклом, которое, по существу, заключается в том, чтобы изменить диаграмму-образ, добившись выгодного для нас расположения активных участков, не меняя самого цикла и соотношения статей баланса наносов. В пределах геодинамического цикла структуры морфологической и вещественной поверхностей, характеризующих поле распределения наносов на том или ином участке, являются сопряженными, что отвечает одному из фундаментальных свойств математических групп. Упрощение одной поверхности приводит к усложнению другой, так что общий уровень полипараметрической организованности, по-видимому, остается постоянным. Изменить характер организованности системы, которая представляет собой группу, довольно сложно, и основная сложность здесь заключается в структурной консервативности. Именно сопряженность структур различных параметров и определяет ту буферность, которая создает консервативность. Разрушить эту консервативность нам, по-видимому, не дано -- это закон природы, но использовать ее, безусловно, в наших силах.

Теперь можно говорить о функционировании геодинамической модели нашей субсистемы. Основой модели является геодинамический цикл. В структуре этого цикла выделяются две простые поверхности: вещественная и морфологическая, разобщенные во времени, но взаимно регулирующие друг друга. О второй поверхности мы уже говорили, а о первой может дать представление рис. 7 и табл. 3.

Таблица 3 Результаты гранулометрического и спектрального анализа грунтов

Нулевая поверхность вещественного состава имеет начальную деформацию, которой соответствует определенный рисунок изобат. Искривленность изобат может быть самой различной и не влияет на вещественную структуру поверхности. Эта поверхность возникает в период спокойного моря, когда переносятся только мелкопесчаные и глинистые частицы, покрывающие всё дно как плащом. Появление областей наиболее активной их аккумуляции, вероятно, контролируется придонными течениями. Возможно, что здесь важную роль играют вдольизобатные течения, связанные с разложением вектора фронта волны на составляющие (рис. 7).

По такой схеме можно представить образование положительных аккумулятивных структур. По мере их роста первоначальные изобаты должны изгибаться, что препятствует развитию вдольизобатных течений, и наступает относительное равновесие вещественного состава наносов. Можно говорить, что структурная энтропия состава наносов увеличивается, а структурная энтропия рельефа уменьшается, делая его очень неустойчивым к воздействию внешней среды. Поэтому усиление волнения до штормового приводит к упрощению рельефа -- его выравниванию почти до нулевой поверхности за счет поперекизобатного переноса и эрозионного смыва. При этом структурная энтропия вещественного состава уменьшается, а морфологическая увеличивается.

Рис. 7. Схема возможного образования групп переноса.

1 - изобата; 2 -- группа переноса; 3 -- направления интенсивного перемещения частиц; 4 -- суша.

Таким образом, предложенная модель описывает такой литодинамический цикл, который постоянно энергетически неуравновешен. Он может служить хорошим примером к понятию коллективной структуризации. Его консервативность физически определенна и управляется энтропийными законами. Любое внешнее воздействие уравновешивает одну составляющую, но при этом выводит из равновесия другую, создавая предпосылки для постоянного развития и изменения.

Размещено на Allbest.ru