Первичные осадочные текстуры

Кратко о главном

Слой (bed) ограничен поверхностями напластования — паузами или сменами условий; слойки (laminae) толщиной в миллиметры составляют его внутреннее строение. Граница между ними условна: около 1 см.
Зёрна сдвигаются, когда число Шилдса $\theta = \tau/((\rho_s - \rho)\,g\,d)$ превышает критическое — около 0,03–0,1 для песка и 0,04–0,055 для гравия и гальки. Число Фруда $\text{Fr} = U/\sqrt{g h}$ отделяет спокойное течение (меньше 1) от бурного.
С ростом скорости потока в песке мельче примерно 0,6–0,7 мм сменяются рябь → дюны → плоское дно верхнего режима → антидюны (в очень мелком песке, мельче примерно 0,1 мм, дюн нет); в более крупном песке вместо ряби сначала остаётся плоское дно нижнего режима.
Рябь оставляет мелкую косую слоистость (серии до 4–5 см), дюны — крупную (серии от дециметров до метров); прямые гребни дают плоскую, изогнутые — мульдообразную косую слоистость. Косые слойки падают по течению.
Градационный слой — крупное внизу, мелкое вверху — откладывается из ослабевающего потока; слепки промоин и борозд сохраняются на подошвах песчаных слоёв; деформации и ходы организмов возникают в ещё мягком осадке. Многие текстуры показывают, где кровля слоя.
Азимуты палеотечений усредняют как векторы, а не как числа. На имидже наклонная плоскость — синусоида: $\tan\delta = h/d$ ( $h$ — её размах, $d$ — диаметр ствола), азимут падения — по нижней точке синусоиды.

Ключевые соотношения

\theta = \dfrac{\tau}{(\rho_s - \rho)\,g\,d},\quad \tau = \rho g h S

число Шилдса и касательное напряжение равномерного потока

\text{Fr} = \dfrac{U}{\sqrt{g h}}

число Фруда: меньше 1 — спокойное, больше 1 — бурное течение

\tan\zeta = \dfrac{V_{agg}}{V_{mig}}

угол восхождения ряби: отношение скоростей отложения и движения гряд

\tan\delta = \dfrac{h}{d}

падение плоскости по синусоиде на имидже вертикального ствола: $h$ — размах синусоиды, $d$ — диаметр ствола (не глубина потока и не размер зерна, как в числе Шилдса)

Где чаще всего ошибаются

Путать рябь (высота — сантиметры) с дюнами (дециметры и больше), а мелкую косую слоистость — с крупной.
Усреднять азимуты арифметически: среднее 350° и 10° — 0°, а не 180°.
Читать палеотечение по наклонённой толще, не сняв структурный наклон: наклон поперёк палеотечения даже на 10° может повернуть азимут косых слойков примерно на 20°.
Считать массивный песчаник отложившимся «без истории»: слоистость могли стереть организмы или разжижение, а иногда она видна только на томограмме.
Принимать линию за направление: борозды и волновая рябь не говорят, в какую из двух сторон шло течение.

После урока вы сможете

отличать слой от слойка, описывать границы и толщину слоёв по стандартной шкале и объяснять, почему слоистость делает проницаемость анизотропной;
оценивать по числам Шилдса и Фруда, движутся ли зёрна и в каком режиме течёт поток, и читать фазовую диаграмму форм донного рельефа: рябь, дюны, плоское дно, антидюны;
узнавать текстуры течений, волн и ветра, градационные слои гравитационных потоков, знаки на подошвах, деформации мягкого осадка и биотурбацию и объяснять, что каждая говорит об обстановке и о том, где кровля и подошва слоя;
находить направление палеотечения по косой слоистости и знакам на подошвах, усреднять азимуты векторно и снимать структурный наклон;
узнавать текстуры на керне и на скважинных имиджах и определять падение слойков по синусоиде на развёртке ствола.

Слои, слойки и их границы

Осадочная толща делится на слои (beds) — тела, отличающиеся от соседей составом, размером зёрен, цветом или текстурой и ограниченные поверхностями напластования. Граница слоя — пауза в осадконакоплении или смена условий: иногда минуты между двумя порывами течения, иногда тысячи лет. Внутри слоя часто видны слойки (laminae) — прослойки миллиметровой толщины, различающиеся размером зёрен, содержанием слюды, глины или органического вещества.

Толщина слоёв и слойков

Название: Очень толстые слои
Толщина: больше 1 м

Название: Толстые слои
Толщина: 30–100 см

Название: Средние слои
Толщина: 10–30 см

Название: Тонкие слои
Толщина: 3–10 см

Название: Очень тонкие слои
Толщина: 1–3 см

Название: Толстые слойки
Толщина: 3–10 мм

Название: Тонкие слойки
Толщина: меньше 3 мм

Название	Толщина
Очень толстые слои	больше 1 м
Толстые слои	30–100 см
Средние слои	10–30 см
Тонкие слои	3–10 см
Очень тонкие слои	1–3 см
Толстые слойки	3–10 мм
Тонкие слойки	меньше 3 мм

Одна из распространённых шкал. В отечественных описаниях керна пишут о массивной, толсто-, средне- и тонкослоистой, микрослоистой текстуре; границы этих слов уточняют в легенде описания.

Описывая слой, отмечают характер его подошвы и кровли. Граница бывает резкой ровной, эрозионной — подрезающей нижележащие слойки, часто с гальками размытой породы в основании, — или постепенной, когда один осадок незаметно сменяется другим. Эрозионная подошва говорит о сильном потоке, постепенный переход — о плавной смене условий.

Слойки внутри слоя бывают горизонтальными (параллельными подошве), косыми (наклонными к ней — раздел о косой слоистости) и волнистыми. В переслаивании песка и глины различают флазерную слоистость — линзочки глины в песке, волнистую — сплошные волнистые прослои того и другого, и линзовидную — линзы песка в глине. Такое переслаивание возникает там, где течение то усиливается и несёт песок, то затихает и даёт осесть илу, — например, на приливных отмелях.

Почему слоистость важна для разработки

Слойки — это слои разной проницаемости толщиной в миллиметры. Вдоль них флюид идёт по лучшим, поперёк — вынужден пройти через худшие, поэтому вертикальная проницаемость слоистого песчаника обычно в разы меньше горизонтальной, а тонкие сплошные глинистые плёнки снижают её на порядки (осреднение по слоям, неоднородность пласта). На границах слойков разной зернистости меняется и капиллярное давление, поэтому при вытеснении нефть задерживается в слойках одного типа (Капиллярное давление и переходная зона).

Как течение переносит и откладывает зёрна

Течение воды или воздуха несёт зёрна двумя способами. Крупные зёрна катятся и скачут по дну — это влекомые наносы (bedload); мелкие подхватываются вихрями турбулентного потока и долго держатся во взвеси — взвешенные наносы (suspended load). Граница между ними подвижна: в паводок река поднимает во взвесь и песок. Отлагаются зёрна, когда поток ослабевает и уже не может их удержать; мелкий ил оседает лишь в почти неподвижной воде (скорость оседания по закону Стокса).

Зерно сдвигается с места, когда поток тянет его сильнее, чем держат вес и опора на соседние зёрна. Силу потока у дна выражают касательным напряжением $\tau$ , а с весом зерна в воде её сравнивают через безразмерное число Шилдса (Shields number).

Число Шилдса и касательное напряжение на дне

\theta = \frac{\tau}{(\rho_s - \rho)\,g\,d},\qquad \tau = \rho\,g\,h\,S

где:

$\theta$ число Шилдса, —
$\tau$ касательное напряжение потока на дне, Па
$\rho_s,\ \rho$ плотность зёрен (у кварца 2650) и воды (около 1000), кг/м³
$g$ ускорение свободного падения, 9,81, м/с²
$d$ диаметр зерна, м
$h$ глубина потока, м
$S$ уклон поверхности воды, м/м

Единицы: СИ

Справедливо, если

$\tau = \rho g h S$ — для установившегося равномерного течения в широком русле;
в $\tau$ входит и сопротивление самих гряд на дне, поэтому на зёрна приходится только часть напряжения, и число Шилдса для зёрен получается оценкой сверху.

Числитель — сила, с которой поток тянет единицу площади дна, знаменатель — вес погружённого в воду слоя зёрен толщиной в одно зерно. Зерно сдвигается, когда $\theta$ превышает критическое значение $\theta_{cr}$ .

Критическое число Шилдса (аппроксимация Соулсби — Уайтхауса)

\theta_{cr} = \frac{0{,}30}{1 + 1{,}2\,D_*} + 0{,}055\left(1 - e^{-0{,}020\,D_*}\right),\qquad D_* = d\left[\frac{g\,(\rho_s/\rho - 1)}{\nu^2}\right]^{1/3}

где:

$\theta_{cr}$ критическое число Шилдса — порог начала движения, —
$D_*$ безразмерный размер зерна, —
$\nu$ кинематическая вязкость воды; при 20 °C около $1{,}0\cdot10^{-6}$ , м²/с

Единицы: СИ

Справедливо, если

несвязные зёрна одного размера на плоском дне;
опытные данные разбросаны сильно — при одном и том же $D_*$ порог различается в разы, поэтому результат — ориентир.

Для песка $\theta_{cr}$ около 0,03–0,1 (верхние значения — у очень мелкого песка), для гравия и гальки — 0,04–0,055 (около 0,055 — у обломков крупнее примерно 8 мм). Мелкие частицы сдвинуть труднее, чем следует из их веса: они прячутся в вязком слое у дна, а глинистые к тому же слипаются. Поэтому уплотнённый ил может выдержать течение, которое катит гравий, а отложиться он может только в очень спокойной воде.

Числа Фруда и Рейнольдса потока

\text{Fr} = \frac{U}{\sqrt{g\,h}},\qquad \text{Re} = \frac{U\,h}{\nu}

где:

$\text{Fr}$ число Фруда, —
$\text{Re}$ число Рейнольдса потока, —
$U$ средняя скорость потока, м/с
$h$ глубина потока, м

Единицы: СИ

Справедливо, если

$U$ и $h$ — средние по сечению широкого потока;
течение в открытом русле ламинарно при Re меньше примерно 500 и турбулентно при Re больше примерно 2000 (по глубине или гидравлическому радиусу).

Fr сравнивает скорость потока со скоростью волн на поверхности воды. При Fr меньше 1 течение спокойное (subcritical) — возмущения на поверхности могут идти вверх по течению; при Fr больше 1 — бурное (supercritical). Реки почти всегда турбулентны, Re у них — сотни тысяч и больше, а Fr обычно 0,1–0,5; бурными бывают горные потоки и паводки на конусах выноса.

Расчётный примерЧто несёт река и в каком режиме

Исходные данные (условные)

Глубина $h$: 1,5 м
Уклон поверхности воды $S$: 0,0003 (0,3 м на километр)
Средняя скорость $U$: 0,9 м/с
Зёрна: кварц 2650 кг/м³: песок 0,25 мм и галька 16 мм
Вода: 1000 кг/м³, $\nu = 1{,}0\cdot10^{-6}$ м²/с

Решение

Касательное напряжение на дне: $\tau = 1000\cdot 9{,}81\cdot 1{,}5\cdot 0{,}0003 = 4{,}41$ Па.
Песок: $\theta = 4{,}41/(1650\cdot 9{,}81\cdot 0{,}25\cdot 10^{-3}) = 1{,}09$ . Безразмерный размер $D_* = 6{,}3$ , порог $\theta_{cr} = 0{,}0415$ : поток превышает его в $1{,}09/0{,}0415 \approx 26$ раз.
Галька: $D_* = 405$ , $\theta_{cr} = 0{,}0556$ , то есть $\tau_{cr} = 0{,}0556\cdot 1650\cdot 9{,}81\cdot 0{,}016 = 14{,}4$ Па — больше 4,41 Па: галька лежит ( $\theta = 0{,}017$ ).
Режим: $\text{Fr} = 0{,}9/\sqrt{9{,}81\cdot 1{,}5} = 0{,}23$ — течение спокойное; $\text{Re} = 0{,}9\cdot 1{,}5/10^{-6} = 1\,350\,000$ — турбулентное.

Ответ: Песок движется с большим запасом — число Шилдса в 26 раз выше порога; галька неподвижна; течение спокойное (Fr ≈ 0,23) и турбулентное.

Что это значит. Такая река гонит песок по дну, скорее всего грядами-дюнами, и часть его поднимает во взвесь, а галька остаётся на дне русла отмосткой, пока паводок не увеличит глубину и уклон. При Fr около 0,2 антидюн и плоского дна верхнего режима нет — в отложении будет косая слоистость дюн и ряби (следующий раздел). Касательное напряжение рассчитано по всему сопротивлению русла, часть которого приходится на сами гряды, поэтому числа Шилдса для зёрен — оценка сверху; вывод о гальке от этого только надёжнее. Данные примера условные.

На склонах осадок может двигаться и сам, под действием силы тяжести, — гравитационными потоками (sediment gravity flows). По мере роста доли воды различают обвалы, оползни и оплывины, где масса движется как целое; селевые (грязекаменные) потоки (debris flows), где обломки держит вязкая глинистая масса; зерновые потоки (grain flows) на крутых склонах, где зёрна держатся за счёт соударений; разжиженные потоки, где их поддерживает выходящая вверх поровая вода; и мутьевые (турбидные) потоки (turbidity currents) — облака взвеси, которые турбулентность несёт вниз по склону на десятки и сотни километров. Их отложения разобраны ниже.

Формы донного рельефа и косая слоистость

Песчаное дно под потоком редко остаётся плоским. Зёрна, которые течение катит по дну, собираются в повторяющиеся гряды — формы донного рельефа (bedforms). Гряда живёт на поверхности дна и меняется вместе с течением, а в осадке от неё остаётся текстура — косая слоистость, параллельные слойки и т. д. Поэтому по текстурам можно судить, каким было течение.

Рябь (ripples): гряды высотой до 3–4 см и длиной до 60 см. Появляется в песке мельче примерно 0,6–0,7 мм при слабом течении; её размер зависит от размера зёрен и почти не зависит от глубины потока.
Дюны (dunes; в старой литературе — мегарябь, megaripples): гряды длиной от 0,6 м до сотен метров и высотой от нескольких сантиметров до нескольких метров, в крупных реках — до десятка метров. Их размер растёт с глубиной потока: высота дюн обычно составляет от десятой до шестой части глубины.
Плоское дно (plane bed): нижнего режима — в крупном песке при слабом течении; верхнего режима — при сильном течении, когда гряды размыты и по всему дну движется тонкий слой зёрен.
Антидюны (antidunes): пологие волны дна, связанные со стоячими волнами на поверхности воды при числе Фруда около 1; могут смещаться и против течения и в отложениях сохраняются редко.

Рябь и дюна несимметричны: у них пологий наветренный склон (stoss), по которому течение гонит зёрна вверх, и крутой подветренный (lee). У ряби и многих дюн наклон подветренного склона близок к углу естественного откоса песка — около 30–35°; у крупных речных дюн он бывает гораздо положе. За гребнем поток отрывается от дна, зёрна перекатываются через гребень и осыпаются по подветренному склону, и гряда продвигается вперёд. Каждое прежнее положение подветренного склона сохраняется в виде наклонного слойка — так и возникает косая слоистость (cross-stratification).

Какая форма рельефа возникнет, зависит прежде всего от скорости потока и размера зёрен. Опыты в лотках и наблюдения в реках сводят на фазовую диаграмму форм донного рельефа (bedform stability diagram). При заданной глубине с ростом скорости в мелком и среднем песке появляются рябь, затем дюны, затем плоское дно верхнего режима и антидюны. В песке крупнее примерно 0,6–0,7 мм ряби нет: после начала движения дно сначала остаётся плоским, затем покрывается дюнами. В очень мелком песке, наоборот, поле дюн сужается, и рябь сразу сменяется плоским дном.

СхемаФормы донного рельефа в зависимости от размера зёрен и скорости потока при неизменной глубине. Схема: положение границ зависит от глубины и температуры воды; с ростом глубины они сдвигаются к большим скоростям.

Рябь и дюны относят к нижнему режиму течения (lower flow regime), плоское дно верхнего режима и антидюны — к верхнему (upper flow regime). Антидюнам нужно число Фруда около 1, а переход от дюн к плоскому дну в глубоких реках бывает и при Fr заметно меньше 1, поэтому режимы и числа Фруда совпадают лишь приблизительно.

Формы рельефа и текстуры, которые они оставляют

Форма рельефа: Рябь
Текстура в отложении: мелкая косая слоистость (cross-lamination)
Масштаб: серии толщиной до 4–5 см

Форма рельефа: Дюны
Текстура в отложении: крупная косая слоистость (cross-bedding)
Масштаб: серии от дециметров до метров

Форма рельефа: Плоское дно нижнего режима
Текстура в отложении: горизонтальная слоистость в крупном песке
Масштаб: слойки в несколько зёрен

Форма рельефа: Плоское дно верхнего режима
Текстура в отложении: горизонтальная слоистость; на плоскостях наслоения — тонкая первичная линейность по течению
Масштаб: тонкие слойки; порода раскалывается по ним

Форма рельефа: Антидюны
Текстура в отложении: пологая косая слоистость, часто наклонённая против течения
Масштаб: дециметры; сохраняется редко

Форма рельефа	Текстура в отложении	Масштаб
Рябь	мелкая косая слоистость (cross-lamination)	серии толщиной до 4–5 см
Дюны	крупная косая слоистость (cross-bedding)	серии от дециметров до метров
Плоское дно нижнего режима	горизонтальная слоистость в крупном песке	слойки в несколько зёрен
Плоское дно верхнего режима	горизонтальная слоистость; на плоскостях наслоения — тонкая первичная линейность по течению	тонкие слойки; порода раскалывается по ним
Антидюны	пологая косая слоистость, часто наклонённая против течения	дециметры; сохраняется редко

Форма гребней определяет вид косой слоистости. Прямые длинные гребни — двумерные (2D) гряды — дают плоскую (табличную) косую слоистость (planar cross-bedding): серии ограничены почти параллельными плоскостями, а слойки внутри плоские. Изогнутые языковидные гребни — трёхмерные (3D) гряды, возникающие при более сильном течении, — выкапывают перед собой ложбины, и серии получаются мульдообразными (trough cross-bedding): в разрезе поперёк течения это вогнутые линзы, вдоль течения — изогнутые слойки, плавно выполаживающиеся к подошве. И в том и в другом случае слойки падают по течению — на этом основано определение палеотечений.

Пачку косых слойков между двумя ограничивающими поверхностями называют серией (set), несколько серий друг над другом — пачкой серий (coset). Поверхности, срезающие слойки внутри серии, — поверхности возобновления (reactivation surfaces) — отмечают перерывы и смену течения, например спад и подъём воды. Серии с противоположным падением слойков друг над другом — косая слоистость «в ёлочку» (herringbone) — признак течения, которое меняет направление, как приливное.

Если зёрна оседают быстро, каждая следующая гряда поднимается над предыдущей и не успевает её срезать — возникают рябь и слоистость восхождения (climbing ripples). Угол, под которым поднимаются гребни, — угол восхождения $\zeta$ — показывает, во сколько раз дно наращивалось медленнее, чем двигались гряды.

Угол восхождения ряби

\tan\zeta = \frac{V_{agg}}{V_{mig}}

где:

$\zeta$ угол восхождения — наклон линии, соединяющей последовательные положения гребней, к напластованию, °
$V_{agg}$ скорость наращивания дна — толщина отложенного слоя в единицу времени, см/мин
$V_{mig}$ скорость перемещения гряды, см/мин

Единицы: любые одинаковые единицы скорости

Справедливо, если

гряды движутся с постоянной скоростью и сохраняют форму;
угол измеряют в разрезе, параллельном течению: в косом сечении он кажется меньше.

Если $\zeta$ меньше наклона наветренного склона, этот склон размывается и сохраняются только подветренные слойки (подкритическое восхождение); если больше — сохраняются и наветренные слойки, и они непрерывно переходят через гребни (надкритическое).

Расчётный примерСкорость отложения по ряби восхождения

Исходные данные (условные)

Угол восхождения, измеренный в керне вдоль течения: 12°
Рябь: высота 1,5 см, длина наветренного склона 12 см
Скорость движения ряби: от 0,5 до 2 см/мин (допущение — порядок величины)

Решение

Наклон наветренного склона: $\arctan(1{,}5/12) = 7{,}1°$ . Угол восхождения 12° больше — сохраняются и наветренные слойки.
Отношение скоростей: $V_{agg}/V_{mig} = \tan 12° = 0{,}213$ — на каждый сантиметр продвижения гряды дно поднимается на 2,1 мм.
При $V_{mig}$ = 0,5 см/мин: $V_{agg} = 0{,}5\cdot 0{,}213 = 0{,}106$ см/мин, то есть $0{,}106\cdot 60 \approx 6{,}4$ см/ч; при 2 см/мин — 0,425 см/мин, около 25,5 см/ч.

Ответ: Дно поднималось на 6,4–25,5 см в час: слой в несколько десятков сантиметров мог отложиться за несколько часов.

Что это значит. Такие скорости бывают при быстром сбросе наносов — на спаде паводка, в прорывах прирусловых валов, в мутьевых потоках. Скорость движения ряби в древней породе неизвестна, поэтому результат — порядок величины; надёжно определяются отношение скоростей и сам факт быстрого отложения. Данные примера условные.

Текстуры волн и ветра

Волна на поверхности воды почти не переносит воду вперёд: частицы воды движутся по замкнутым орбитам, размер которых быстро убывает с глубиной. Дно «чувствует» волну, пока до него доходит заметное движение, — примерно до глубины в половину длины волны. Эту глубину называют базисом волн (wave base).

Затухание волнового движения с глубиной

\frac{d_z}{d_0} = e^{-2\pi z/L},\qquad L = \frac{g\,T^2}{2\pi}

где:

$d_z/d_0$ отношение диаметра орбиты частиц воды на глубине $z$ к диаметру у поверхности, —
$z$ глубина под уровнем спокойной воды, м
$L$ длина волны на глубокой воде, м
$T$ период волн, с

Единицы: СИ

Справедливо, если

волны малой высоты на глубокой воде (глубина больше примерно $L/2$ );
на мелководье орбиты сплющиваются в эллипсы, а у самого дна вода качается взад-вперёд.

На глубине $L/2$ размах движения составляет $e^{-\pi} \approx 4$ % поверхностного — это и есть условный базис волн. Будут ли там сдвигаться зёрна, зависит ещё от высоты волн и размера зёрен, поэтому действительный базис обычных волн часто мельче, а длиннопериодные штормовые волны достают гораздо глубже.

Расчётный примерБазис обычных и штормовых волн

Исходные данные (условные)

Обычные волны: период 6 с
Штормовые волны: период 10 с

Решение

Длина обычных волн: $L = 9{,}81\cdot 6^2/(2\pi) = 56{,}2$ м; базис $L/2 \approx 28$ м.
Длина штормовых волн: $L = 9{,}81\cdot 10^2/(2\pi) = 156$ м; базис $\approx 78$ м.
Размах орбит на глубине $L/2$ : $e^{-\pi} = 0{,}043$ поверхностного; на глубине $L/4$ : $e^{-\pi/2} = 0{,}21$ .

Ответ: Обычные волны воздействуют на дно примерно до 28 м, штормовые — до 78 м.

Что это значит. Между двумя базисами дно в спокойную погоду не тревожат: там оседает ил и живут роющие организмы. В шторм его перемывают волны и откладывают песок с бугорчатой косой слоистостью — так возникает переслаивание биотурбированных глин и штормовых песков. Ниже штормового базиса волновых текстур нет. Действительные глубины зависят ещё от высоты волн и размера зёрен, поэтому числа — ориентир. Данные примера условные.

Волновая рябь (wave ripples) возникает от качания воды у дна. Она почти симметрична, с острыми гребнями, которые часто ветвятся, а отношение длины к высоте у неё обычно меньше, чем у ряби течений, — волновая рябь относительно круче. Слойки внутри неё наклонены в обе стороны, сходятся «ёлочкой» или облекают рябь сверху. Гребни волновой ряби вытянуты поперёк направления, в котором шли волны, — обычно вдоль берега, — поэтому они дают линию, но не сторону.

При сильных штормах волны и течения действуют вместе, и на дне между базисами обычных и штормовых волн образуются пологие бугры и впадины размером в метры. В разрезе от них остаётся бугорчатая косая слоистость (hummocky cross-stratification, HCS): пологие слойки, то выпуклые, то вогнутые, сходящиеся и расходящиеся под малыми углами, над эрозионной подошвой. Если сохраняются в основном впадины, слоистость называют ложбинной (swaley, SCS). Это один из главных признаков штормовых отложений шельфа.

Ветер переносит песок в основном скачками (сальтацией). Эоловая рябь очень низкая и вытянутая, её длину задаёт длина скачка зёрен. Пустынные дюны — барханы, поперечные, продольные, звёздчатые — высотой от метров до сотен метров оставляют самые крупные косые серии, от метров до десятков метров мощностью, со слойками осыпания и оседания зёрен и с поверхностями размыва между сериями. Об эоловых и речных отложениях — в теме о континентальных обстановках, о прибрежных и шельфовых — о морских обстановках.

Градационные слои, гравитационные потоки и знаки на подошвах

Когда поток, несущий зёрна разного размера, ослабевает, первыми оседают самые крупные зёрна, за ними всё более мелкие. Получается градационный слой (graded bed): крупное внизу, мелкое вверху — прямая, или нормальная, градация. Подошва такого слоя обычно эрозионная: в начале события поток был сильным и размывал дно. Обратная градация — мелкое внизу, крупное вверху — встречается реже, например в зерновых потоках, где крупные зёрна выталкиваются вверх соударениями.

Отложения гравитационных потоков

Поток: Селевой (грязекаменный)
Что держит зёрна: прочность глинистой массы
Признаки отложения: плохо отсортирован, обломки «плавают» в глине, градации нет или крупные обломки у кровли

Поток: Зерновой
Что держит зёрна: соударения зёрен
Признаки отложения: тонкие слои в сантиметры с резкими границами, обратная градация

Поток: Разжиженный
Что держит зёрна: выходящая вверх поровая вода
Признаки отложения: тарельчатые прослойки и трубки выхода воды, градации почти нет

Поток: Мутьевой (турбидный)
Что держит зёрна: турбулентность
Признаки отложения: градационные слои с эрозионной подошвой и знаками на ней; последовательность Боума

Поток	Что держит зёрна	Признаки отложения
Селевой (грязекаменный)	прочность глинистой массы	плохо отсортирован, обломки «плавают» в глине, градации нет или крупные обломки у кровли
Зерновой	соударения зёрен	тонкие слои в сантиметры с резкими границами, обратная градация
Разжиженный	выходящая вверх поровая вода	тарельчатые прослойки и трубки выхода воды, градации почти нет
Мутьевой (турбидный)	турбулентность	градационные слои с эрозионной подошвой и знаками на ней; последовательность Боума

Схема: в природе потоки переходят один в другой по пути вниз по склону.

Отложение мутьевого потока — турбидит (turbidite) — в идеале складывается в последовательность Боума (Bouma sequence), которая отражает затухание потока:

Последовательность Боума (снизу вверх)

Интервал: Ta
Текстура: массивный или градационный песок
Как образуется: быстрое выпадение из взвеси без перекатывания по дну

Интервал: Tb
Текстура: горизонтальная слоистость
Как образуется: плоское дно верхнего режима

Интервал: Tc
Текстура: мелкая косая слоистость, рябь восхождения, конволютная слоистость
Как образуется: рябь при ослабевшем течении

Интервал: Td
Текстура: тонкая горизонтальная слоистость алеврита и глины
Как образуется: оседание из хвоста потока

Интервал: Te
Текстура: глина
Как образуется: оседание взвеси и обычное накопление ила между событиями

Интервал	Текстура	Как образуется
Ta	массивный или градационный песок	быстрое выпадение из взвеси без перекатывания по дну
Tb	горизонтальная слоистость	плоское дно верхнего режима
Tc	мелкая косая слоистость, рябь восхождения, конволютная слоистость	рябь при ослабевшем течении
Td	тонкая горизонтальная слоистость алеврита и глины	оседание из хвоста потока
Te	глина	оседание взвеси и обычное накопление ила между событиями

Полные последовательности редки: вблизи источника нижние интервалы мощнее, а верхние размыты следующим потоком; вдали остаются только верхние. Где турбидиты накапливаются и как устроены подводные конусы выноса — в теме о морских обстановках.

Сильный поток в начале события размывает дно. Крупные формы размыва — русла и промоины (channels, scours), мелкие — следы вихрей и предметов, которые поток волочит по дну. Они вырезаны в кровле подстилающей глины, а заполнены песком нового слоя, поэтому сохраняются в виде выпуклых слепков на подошве песчаного слоя. В отечественной литературе такие знаки на подошвах называют иероглифами.

Слепки промоин (flute casts): языковидные выпуклости с тупым глубоким концом, обращённым против течения, и расширяющимся пологим хвостом по течению; дают направление.
Слепки борозд (groove casts): прямые длинные валики от предметов, которые поток волочил по дну; показывают линию течения, но не его сторону.
Следы уколов и подскоков (prod, bounce marks): короткие слепки от предметов, ударявшихся о дно: несимметричные следы уколов дают направление, симметричные следы подскоков — только линию.

Деформации мягкого осадка и следы жизнедеятельности

Свежий осадок рыхлый и насыщен водой, поэтому легко деформируется — под собственным весом, при сотрясении, при быстром отложении сверху или на склоне. Деформации мягкого осадка (soft-sediment deformation) возникают до превращения осадка в породу и обычно ограничены одним слоем или пачкой — этим они отличаются от тектонических.

Отпечатки нагрузки и языки пламени (load casts, flame structures): тяжёлый песок продавливается в мягкую глину округлыми мешками-«подушками», а глина выдавливается вверх между ними острыми языками; языки часто отогнуты по течению.
Конволютная слоистость (convolute lamination): слойки, смятые в мелкие складки внутри неискажённого слоя, — след разжижения в момент или сразу после отложения; обычна в турбидитах.
Тарельчатые прослойки и трубки выхода воды (dish and pillar structures), песчаные вулканы: следы воды, выжатой вверх из уплотняющегося песка.
Оползневые складки (slumps): пачки слоёв, смятые при сползании по склону; опрокинуты вниз по склону и показывают его направление.
Песчаные дайки и силлы (injectites): песок, вдавленный под избыточным давлением в трещины вышележащих глин. В некоторых бассейнах такие тела образуют самостоятельные коллекторы и пути перетока через покрышку.
Трещины усыхания (desiccation cracks): многоугольная сеть трещин в глине, высохшей на воздухе, заполненных сверху песком; признак осушения и надёжный указатель кровли.

Многие донные животные роют норы, ползают по дну и питаются осадком. Их следы — следы жизнедеятельности, или ихнофоссилии (trace fossils), — ходы, норки, дорожки, отпечатки, а перемешивание осадка организмами называют биотурбацией (bioturbation). Следы классифицируют прежде всего по поведению, которое их оставило: жилые норки, ходы питания, следы ползания и пастьбы, отпечатки покоя, следы бегства из-под быстро отложенного осадка.

Набор следов зависит от энергии воды, скорости осадконакопления, прочности дна, кислорода и пищи, поэтому комплексы следов — ихнофации — служат указателем обстановки. Вертикальные жилые норки в чистом песке — подвижная мелководная вода (ихнофация Skolithos); горизонтальные ходы питания в алевритах и глинах — спокойный шельф ниже базиса обычных волн (Cruziana); сложные ходы в илах спокойных и бедных кислородом вод (Zoophycos) и узорчатые следы пастьбы на глубоководном дне (Nereites). Ихнофации говорят об условиях, а не о глубине напрямую: «глубоководные» условия бывают и в мелких застойных бассейнах.

Индекс биотурбации

Индекс: 0
Переработано организмами: ничего
Что видно: слоистость чёткая, ходов нет

Индекс: 1
Переработано организмами: до 5 %
Что видно: единичные ходы

Индекс: 2
Переработано организмами: 5–30 %
Что видно: ходы заметны, слоистость отчётлива

Индекс: 3
Переработано организмами: 30–60 %
Что видно: ходы многочисленны, слоистость местами нарушена

Индекс: 4
Переработано организмами: 60–90 %
Что видно: слоистость видна лишь фрагментами

Индекс: 5
Переработано организмами: 90–99 %
Что видно: слоистость почти стёрта

Индекс: 6
Переработано организмами: 100 %
Что видно: осадок полностью перемешан

Индекс	Переработано организмами	Что видно
0	ничего	слоистость чёткая, ходов нет
1	до 5 %	единичные ходы
2	5–30 %	ходы заметны, слоистость отчётлива
3	30–60 %	ходы многочисленны, слоистость местами нарушена
4	60–90 %	слоистость видна лишь фрагментами
5	90–99 %	слоистость почти стёрта
6	100 %	осадок полностью перемешан

Шкала, распространённая при описании керна; в разных вариантах границы нижних классов немного различаются.

Для коллектора биотурбация работает в обе стороны. Перемешивая песок с глиной, животные портят сортировку и забивают поры — проницаемость падает. Разрушая тонкие глинистые прослойки и прокладывая вертикальные ходы, заполненные песком, они, наоборот, связывают слои и повышают вертикальную проницаемость, а в карбонатах сети ходов иногда становятся главными путями фильтрации. Поэтому индекс биотурбации и тип ходов заносят в описание керна и учитывают, выделяя типы пород для модели пласта.

Палеотечения и признаки кровли и подошвы

Направление древних течений — палеотечений (palaeocurrents) — показывает, откуда приходил материал и как вытянуты песчаные тела: русловые пески вытянуты вдоль палеотечения, прибрежные бары — вдоль древнего берега. По нему выбирают, куда ставить разведочные и эксплуатационные скважины и как ориентировать горизонтальные стволы.

Указатели палеотечений

Текстура: Косая слоистость
Что измеряют: азимут падения косых слойков, оси мульд
Даёт: направление

Текстура: Рябь течения
Что измеряют: азимут крутого склона
Даёт: направление

Текстура: Слепки промоин
Что измеряют: ось; тупой конец — против течения
Даёт: направление

Текстура: Черепитчатая укладка галек
Что измеряют: наклон плоских галек — против течения
Даёт: направление

Текстура: Слепки борозд, первичная линейность
Что измеряют: простирание
Даёт: только линию

Текстура: Волновая рябь
Что измеряют: простирание гребней
Даёт: только линию (волны шли поперёк неё)

Текстура	Что измеряют	Даёт
Косая слоистость	азимут падения косых слойков, оси мульд	направление
Рябь течения	азимут крутого склона	направление
Слепки промоин	ось; тупой конец — против течения	направление
Черепитчатая укладка галек	наклон плоских галек — против течения	направление
Слепки борозд, первичная линейность	простирание	только линию
Волновая рябь	простирание гребней	только линию (волны шли поперёк неё)

Азимуты отдельных серий разбросаны: внутри русла слойки падают в разные стороны от основного направления, а изогнутые гряды дают целый веер азимутов. Поэтому измеряют десятки серий и усредняют их. Арифметическое среднее чисел-азимутов для этого не годится: среднее 350° и 10° — 0°, а не 180°. Азимуты складывают как единичные векторы.

Средний азимут и средняя длина результирующего вектора

\bar\theta = \operatorname{atan2}\Big(\sum_i \sin\theta_i,\ \sum_i \cos\theta_i\Big),\qquad \bar R = \frac{1}{n}\sqrt{\Big(\sum_i \sin\theta_i\Big)^2 + \Big(\sum_i \cos\theta_i\Big)^2}

где:

$\theta_i$ азимуты отдельных замеров, от севера по часовой стрелке, °
$\bar\theta$ средний азимут — направление суммы единичных векторов, °
$\bar R$ средняя длина результирующего вектора: от 0 (разброс во все стороны) до 1 (все замеры совпадают), —
$n$ число замеров, —

Единицы: градусы; $\bar R$ безразмерна

Справедливо, если

замеры одного типа текстур одной толщи; разнотипные указатели усредняют отдельно;
распределение одновершинное: если направлений два, как у приливов и отливов, общее среднее бессмысленно;
азимуты взяты после снятия структурного наклона слоёв (дополнительный раздел).

Сумма синусов — восточная составляющая, сумма косинусов — северная. Функция atan2 возвращает угол с учётом знаков обеих сумм, то есть в правильной четверти круга.

Расчётный примерСреднее направление палеотечения по десяти сериям

Исходные данные (условные)

Азимуты падения косых слойков, °: 340, 355, 5, 12, 20, 28, 35, 48, 60, 15

Решение

Арифметическое среднее чисел: $918/10 = 91{,}8°$ — на восток, хотя почти все замеры направлены на север.
Сумма синусов (восточная составляющая): 3,12; сумма косинусов (северная): 8,69.
Средний азимут: $\bar\theta = \operatorname{atan2}(3{,}12;\ 8{,}69) = 20°$ .
Длина суммы: $R = \sqrt{3{,}12^2 + 8{,}69^2} = 9{,}23$ ; $\bar R = 9{,}23/10 = 0{,}92$ .

Ответ: Палеотечение было направлено на 20° — на север-северо-восток, разброс невелик:

\bar R

= 0,92.

Что это значит. Русловое тело с таким палеотечением, скорее всего, вытянуто с юго-юго-запада на северо-северо-восток, и оконтуривающие скважины логично ставить вдоль этой линии и по обе стороны от неё. Высокая кучность говорит о хорошо выраженном направлении; проверить, что оно не случайно, помогает простой критерий (дополнительный раздел). Данные примера условные.

РасчётРоза-диаграмма азимутов из примера: число замеров в секторах по 30°, точки на окружности — отдельные замеры; стрелка — средний азимут.

Многие текстуры показывают, где была кровля слоя. Это важно, когда толща круто наклонена или опрокинута в складке, а в керне — когда неизвестно, как он лежал:

в градационном слое с прямой градацией крупное внизу;
косые слойки срезаны сверху и плавно выполаживаются книзу, к подошве серии;
слепки промоин и борозд и отпечатки нагрузки находятся на подошве песчаного слоя и выпуклы вниз;
трещины усыхания сужаются книзу и заполнены материалом вышележащего слоя;
следы бегства организмов идут снизу вверх через слой, отложившийся разом.

Принципы, по которым устанавливают последовательность слоёв и их возраст, — тема Стратиграфия и геологическое время.

Текстуры на керне и на скважинных имиджах

Керн — единственный прямой образец текстур пласта. После продольного распила плоскую поверхность фотографируют и описывают: слои и их границы, текстуры, индекс биотурбации, размер зёрен по интервалам — обычно в масштабе 1:20–1:50 (сканирование и описание керна). Рентгеновская томография показывает слоистость и там, где на поверхности порода кажется однородной. Ограничение керна — малый диаметр: крупную косую серию шириной в метры в нём видно лишь фрагментом, а азимут слойков неизвестен, если керн не ориентирован. Ориентируют керн специальным инструментом при отборе или сопоставляя его с имиджем того же интервала.

Скважинные имиджеры (borehole imagers) строят изображение стенки ствола. Электрические микроимиджеры прижимают к стенке башмаки с десятками маленьких электродов и записывают изменения сопротивления с детальностью в миллиметры; в стволе диаметром около 200 мм они охватывают большую часть окружности (каротажные приборы). Классическим электрическим имиджерам нужен проводящий раствор на водной основе. Акустические сканеры вращающимся датчиком записывают амплитуду и время пробега отражённого сигнала по всей окружности и работают в любом растворе, но видят детали грубее. Обычный каротаж с разрешением в десятки сантиметров отдельных слойков не различает.

Изображение стенки разворачивают на плоскость: по горизонтали — азимут от севера через восток, юг и запад снова к северу, по вертикали — глубина. Наклонная плоскость — граница слоя или косой слоек — пересекает цилиндрический ствол по эллипсу, а на развёртке становится синусоидой. Её нижняя точка лежит в той стороне, куда падает плоскость, а размах тем больше, чем круче падение.

Падение плоскости по синусоиде на развёртке ствола

\tan\delta = \frac{h}{d}

где:

$\delta$ угол падения плоскости, °
$h$ размах синусоиды — разность глубин её нижней и верхней точек, м
$d$ диаметр ствола по каверномеру, м

Единицы: любые одинаковые единицы длины

Справедливо, если

ствол вертикальный и круглый; в наклонном стволе так получают падение относительно оси ствола, а истинное находят пересчётом с учётом зенитного угла и азимута ствола (элементы залегания);
плоскость пересекает ствол целиком; азимут её падения — азимут нижней точки синусоиды.

Горизонтальный слой даёт прямую линию, а при падении 45° размах синусоиды равен диаметру ствола. По сотням синусоид строят график падений по глубине — «головастики» (tadpole plot): кружок отложен по углу падения, хвостик указывает азимут.

Расчётный примерПадение слоистости и косых слойков по имиджу

Исходные данные (условные)

Диаметр ствола по каверномеру: 216 мм
Синусоида 1 (граница слоя): размах 19 мм, нижняя точка на азимуте 200°
Синусоида 2 (косой слоек в серии выше): размах 105 мм, нижняя точка на азимуте 40°

Решение

Граница слоя: $\delta = \arctan(19/216) = 5{,}0°$ на азимут 200° — это структурное падение толщи.
Косой слоек: $\delta = \arctan(105/216) = 25{,}9°$ на азимут 40°.
Повернув толщу так, чтобы граница слоя стала горизонтальной (дополнительный раздел), получаем падение слойка 30,7° на азимут 37°.

Ответ: Толща наклонена на 5,0° к юго-юго-западу, а поток, отложивший эту серию, шёл на северо-восток — на азимут около 37°.

Что это значит. Пологие синусоиды повторяют структурное падение, крутые синусоиды другого азимута внутри серии — косые слойки. Здесь структурный наклон мал, и поправка повернула азимут слойка всего на 3°, но увеличила его падение почти на 5° — до угла, близкого к углу естественного откоса песка. По таким замерам во многих сериях строят розу-диаграмму палеотечений, как в предыдущем разделе. Данные примера условные.

РасчётРазвёртка стенки ствола диаметром 216 мм для данных примера: пологие синусоиды — границы слоёв и серии (5° на азимут 200°), крутые — косые слойки внутри серии (26° на азимут 40°). Размах

h

и нижняя точка показаны на одном слойке.

На графике падений текстуры дают узнаваемые рисунки. Слои с постоянным падением повторяют структурный наклон. Внутри косой серии падение слойков уменьшается книзу — слойки выполаживаются к подошве серии, — а азимут остаётся примерно постоянным: это азимут палеотечения для этой серии. Биотурбированные интервалы дают пятнистое изображение без сплошных синусоид, массивные песчаники — однородное, а поверхности размыва видны как синусоиды, срезающие нижележащие слойки.

Как текстуры складываются по разрезу в фации и их последовательности, рассказывает тема о фациях и литологических колонках, а как сопоставляют разрезы скважин — корреляция скважин.

Термины и обозначения

Слой и слоек: тело, ограниченное поверхностями напластования, и миллиметровая прослойка внутри слоя; граница — около 1 см.
Формы донного рельефа: рябь, дюны, антидюны и плоское дно, которые поток создаёт на песчаном дне.
Косая слоистость: слойки, наклонённые к границам слоя; след подветренных склонов бегущих гряд; мелкая — от ряби, крупная — от дюн.
Серия и пачка серий: косые слойки между двумя ограничивающими поверхностями; несколько серий друг над другом.
Число Шилдса $\theta$: отношение касательного напряжения потока к весу погружённого слоя зёрен; зёрна движутся при $\theta > \theta_{cr}$ .
Число Фруда Fr: $U/\sqrt{gh}$ ; меньше 1 — спокойное течение, больше 1 — бурное.
Градационная слоистость: уменьшение (прямая) или увеличение (обратная) размера зёрен вверх по слою.
Последовательность Боума: идеальный разрез турбидита: Ta — массивный песок, Tb — горизонтальная, Tc — мелкая косая слоистость, Td — тонкие слойки, Te — глина.
Иероглифы: знаки на подошвах песчаных слоёв: слепки промоин, борозд, уколов, отпечатки нагрузки.
Биотурбация: перемешивание осадка роющими организмами; индекс от 0 до 6.
Палеотечение: направление древнего течения по косой слоистости, знакам на подошвах, черепитчатой укладке.
Скважинный имидж: изображение стенки ствола по сопротивлению или отражению звука; наклонные плоскости на нём — синусоиды.

Частые ошибки и заблуждения

Неверно

«Косые слойки падают против течения».

На самом деле

Косые слойки — бывшие подветренные склоны гряд, поэтому они падают по течению. Против течения наклонены плоские гальки черепитчатой укладки и, нередко, слойки антидюн.

Неверно

«Азимуты можно усреднять как обычные числа».

На самом деле

Для 350° и 10° арифметическое среднее даёт 180° — противоположное направление. Азимуты складывают как единичные векторы (сумма синусов и сумма косинусов).

Неверно

«Массивный песчаник отложился без всякой слоистости».

На самом деле

Бесструктурность бывает первичной — быстрое выпадение из взвеси, как в интервале Ta турбидита — или вторичной: слоистость стёрли организмы или разжижение. Иногда слоистость видна только на томограмме или имидже.

Неверно

«Размах синусоиды на имидже наклонной скважины сразу даёт истинное падение».

На самом деле

В наклонном стволе синусоида даёт падение относительно оси ствола. Истинное падение и азимут находят пересчётом с учётом зенитного угла и азимута скважины.

Неверно

«Биотурбация всегда ухудшает коллектор».

На самом деле

Она может подмешать глину и испортить сортировку, но может и разрушить глинистые прослойки и создать вертикальные пути фильтрации — тогда вертикальная проницаемость растёт.

Подробно: для продвинутых

Как снимают структурный наклон

Слои, накопившиеся почти горизонтально, позже наклонены тектоникой. Чтобы найти первоначальное направление косых слойков, толщу мысленно поворачивают обратно: вокруг линии простирания слоёв на угол их падения, пока слои не станут горизонтальными. Удобнее всего поворачивать вектор нормали к плоскости.

Нормаль к плоскости и её поворот

\mathbf n = (\sin\alpha\sin\delta,\ \cos\alpha\sin\delta,\ \cos\delta),\qquad \mathbf n' = \mathbf n\cos\beta + (\mathbf k\times\mathbf n)\sin\beta + \mathbf k\,(\mathbf k\cdot\mathbf n)(1 - \cos\beta)

где:

$\mathbf n$ единичная нормаль к плоскости, направленная вверх: составляющие на восток, север и вверх, —
$\delta,\ \alpha$ угол падения и азимут падения плоскости, °
$\mathbf k$ единичный вектор вдоль простирания слоёв, выбранный так, чтобы поворот возвращал слои к горизонтали, —
$\beta$ угол падения слоёв — угол поворота, °

Единицы: безразмерные векторы, углы в градусах

Справедливо, если

толща наклонена поворотом вокруг горизонтальной оси без складок с наклонным шарниром;
слои отлагались горизонтально; на склонах дельт и в дюнах первичный наклон в несколько градусов остаётся ошибкой метода.

После поворота угол падения слойка $\delta' = \arccos n'_z$ , азимут $\alpha' = \operatorname{atan2}(n'_x,\ n'_y)$ . Тот же расчёт выполняют программы обработки имиджей и стереографические сетки.

Расчётный примерНасколько наклон толщи искажает азимут косых слойков

Исходные данные (условные)

Косой слоек, измеренный сегодня: падение 25° на азимут 40°
Наклон толщи: а) 20° на азимут 40° — вдоль палеотечения; б) 10° на азимут 130°; в) 20° на азимут 130° — поперёк

Решение

Вариант а: после поворота слоек падает под 5° на азимут 40°: азимут не изменился, угол уменьшился на 20°.
Вариант б: 26,8° на азимут 20° — азимут сместился на 20°.
Вариант в: 31,6° на азимут 4° — смещение 36°.

Ответ: Наклон вдоль палеотечения меняет только угол падения слойков, наклон поперёк — прежде всего их азимут: на 20° при 10° и на 36° при 20°.

Что это значит. Поэтому структурный наклон снимают всегда, даже если он кажется малым, и заранее его не угадать: важен не только угол, но и направление наклона относительно палеотечения. Данные примера условные.

Глубина палеореки по мощности косых серий

Дюна, двигаясь при слабой аккумуляции, оставляет лишь нижнюю часть своей высоты: следующая дюна срезает верх. Опыты в лотках и наблюдения в реках показали, что средняя высота дюн примерно в 2,9 раза больше средней мощности оставленных ими серий, а высота дюн обычно составляет от шестой до десятой части глубины потока. Это позволяет оценить глубину палеорусла по керну.

Высота дюн и глубина потока по мощности серий

h_d \approx 2{,}9\,\bar s\ \ (2{,}2\ldots 3{,}6),\qquad H \approx (6\ldots 10)\,h_d

где:

$\bar s$ средняя мощность косых серий дюн в интервале, м
$h_d$ средняя высота дюн, м
$H$ глубина потока, м

Единицы: любые одинаковые единицы длины

Справедливо, если

серии оставлены дюнами при слабой аккумуляции, их мощности заметно разбросаны (коэффициент вариации около 0,9 ± 0,3);
отношение глубины к высоте дюн в разных реках различается — у больших рек дюны бывают ниже десятой части глубины, — поэтому оценка грубая, в пределах примерно двух раз.

Глубина русла — первая подсказка о мощности одного руслового песчаного тела; ширину русел оценивают по другим зависимостям (речные отложения).

Расчётный примерГлубина реки по сериям в керне

Исходные данные (условные)

Средняя мощность мульдообразных серий в русловом песчанике: 0,16 м (по 14 сериям)

Решение

Высота дюн: $h_d \approx 2{,}9\cdot 0{,}16 = 0{,}46$ м, в пределах от 0,35 до 0,58 м.
Глубина потока: от $6\cdot 0{,}46 = 2{,}8$ до $10\cdot 0{,}46 = 4{,}6$ м.
С учётом разброса обоих коэффициентов — от 2,1 до 5,8 м.

Ответ: Река была глубиной примерно 2,8–4,6 м (крайние оценки — 2,1–5,8 м).

Что это значит. Отдельное русловое тело такой реки, вероятно, имеет мощность порядка глубины русла — 3–5 м, а более мощные песчаники в разрезе сложены несколькими наложенными руслами. Оценка грубая, но она отличает неглубокую реку от крупной, где пески одного русла имели бы мощность в десятки метров. Данные примера условные.

Не случайно ли среднее направление

Даже случайно разбросанные азимуты дают какой-то средний вектор. Проверить, что направление реальное, позволяет критерий Рэлея: величина $z = n\bar R^2$ для $n$ независимых замеров сравнивается с тем, что дал бы равномерный разброс. При $n$ от десяти и больше вероятность получить такое или большее $z$ случайно приближённо равна $e^{-z}$ , и направление считают значимым на уровне 5 %, если $z$ больше примерно 3. При больших $z$ эта оценка сильно завышена — для десятка замеров в десятки раз, — то есть осторожна: истинная вероятность ещё меньше.

Расчётный примерПроверка палеотечения из примера

Исходные данные (условные)

Замеры: $n$ = 10, $\bar R$ = 0,92

Решение

$z = 10\cdot 0{,}92^2 = 8{,}5$ — намного больше 3.
Вероятность случайного совпадения — не больше $e^{-8{,}5} \approx 0{,}0002$ .
Для сравнения: при тех же 10 замерах и $\bar R$ = 0,5 получилось бы $z = 2{,}5$ и $e^{-2{,}5} \approx 0{,}08$ — направление нельзя было бы считать доказанным.

Ответ: Направление палеотечения значимо: случайный разброс дал бы такую кучность с вероятностью не больше 0,0002.

Что это значит. Замеры должны быть независимыми: несколько слойков одной серии — по сути один замер, поэтому их сначала осредняют по серии. Данные примера условные.

Связь с другими темами

Структура осадков: размер, сортировка и форма зёрен — размер, сортировка и форма зёрен в слойках; скорость оседания частиц.
Осадочные породы и их классификация — названия пород, из которых сложены слои.
Фации, фациальные последовательности и литологические колонки — как текстуры складываются в фации и последовательности по разрезу.
Континентальные обстановки: эоловые и речные — текстуры и тела речных и эоловых песков.
Прибрежные, мелководные и глубоководные обстановки — штормовые слои, приливные отмели и турбидиты.
Неоднородность пласта и осреднение проницаемости — как слоистость и прослои создают неоднородность и анизотропию проницаемости.
Лабораторный анализ керна — описание, сканирование и привязка керна.
Напряжения, деформации и методы структурного анализа — элементы залегания, истинное и видимое падение.

Проверьте себя

1
Внутри песчаного слоя слойки наклонены под 25° на восток, а серии имеют толщину около 3 см. Что это за текстура и куда шло течение?
1. А.Мелкая косая слоистость ряби; течение на запад
2. Б.Волновая рябь; направление не определить
3. В.Крупная косая слоистость дюн; течение на запад
4. Г.Мелкая косая слоистость ряби; течение на восток
Показать ответ
Правильный ответ: Г. Мелкая косая слоистость ряби; течение на восток
Серии тоньше 4–5 см оставляет рябь, а косые слойки — бывшие подветренные склоны гряд — падают по течению, то есть течение шло на восток. Волновая рябь дала бы слойки, наклонённые в обе стороны.
2
Песок со средним размером 0,4 мм, течение постепенно усиливается от порога движения при неизменной глубине. В каком порядке сменятся формы донного рельефа?
1. А.Дюны → рябь → плоское дно
2. Б.Рябь → дюны → плоское дно верхнего режима → антидюны
3. В.Плоское дно → дюны → рябь → антидюны
4. Г.Антидюны → дюны → рябь
Показать ответ
Правильный ответ: Б. Рябь → дюны → плоское дно верхнего режима → антидюны
В песке мельче примерно 0,6–0,7 мм первой появляется рябь, затем дюны, затем дно выравнивается (плоское дно верхнего режима), и при числе Фруда около 1 возникают антидюны. Плоское дно нижнего режима вместо ряби бывает только в более крупном песке.
3
Какой из указателей даёт только линию палеотечения, но не его направление?
1. А.Слепки промоин
2. Б.Слепки борозд
3. В.Черепитчатая укладка галек
4. Г.Косая слоистость
Показать ответ
Правильный ответ: Б. Слепки борозд
Борозду оставляет предмет, который волочится по дну, и она одинаково выглядит при течении в обе стороны вдоль неё. У слепков промоин тупой конец смотрит против течения, косые слойки падают по течению, плоские гальки наклонены против течения.
4
Песчаный пласт пронизан сплошными глинистыми плёнками толщиной 1 мм через каждые 10 мм песка. Проницаемость песка — 500 мД, плёнок — 0,01 мД. Оцените горизонтальную и вертикальную проницаемость.
Показать ответ
Вдоль слоёв — среднее, взвешенное по толщинам: $(10\cdot 500 + 1\cdot 0{,}01)/11 \approx 455$ мД. Поперёк — гармоническое: $11/(10/500 + 1/0{,}01) = 11/100{,}02 \approx 0{,}11$ мД, то есть в четыре тысячи раз меньше. Если же плёнки прерывистые, как во флазерной слоистости, поток обходит их через разрывы, и вертикальная проницаемость оказывается на порядки выше этой оценки: решает не только доля глины, но и сплошность прослоев.
5
На имидже вертикального ствола диаметром 0,22 м синусоида косого слойка имеет размах 0,13 м, нижняя точка — на азимуте 250°. Каковы падение слойка и направление течения, если структурный наклон пренебрежимо мал?
Показать ответ
$\tan\delta = 0{,}13/0{,}22 \approx 0{,}59$ , $\delta \approx 31°$ ; азимут падения — по нижней точке синусоиды, 250°. Слойки падают по течению, значит, поток шёл на запад-юго-запад (около 250°). При заметном структурном наклоне его сначала нужно снять.
6
Почему в шельфовых разрезах пласты песка с бугорчатой косой слоистостью переслаиваются с биотурбированными глинами?
Показать ответ
Такое переслаивание накапливается между базисами обычных и штормовых волн. В спокойное время туда не доходит волнение, оседает ил и его перерабатывают роющие организмы. В шторм длиннопериодные волны достают до дна, размывают его и откладывают песок с бугорчатой косой слоистостью над эрозионной подошвой. Каждая пара «песок — глина» — один шторм и последовавшее затишье.

Обновлено: 19 октября 2026 г.