Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Формирование литодинамической обстановки в Нарвском заливе

ВАК РФ 04.00.01, Общая и региональная геология

Автореферат диссертации по теме "Формирование литодинамической обстановки в Нарвском заливе"

О ,'ПР 'О-"'-?

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ, ВЫСШЕЙ ИКОЛ11 И ТЕХНИЧЕСКОЙ ПОЛИТИКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИ!'! ОРДЕНА ЛЕНИНА, ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГОРНЫЙ ИНСТИТУТ чмени Г.В.ПЛЕлАЮВА (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

На правах рукописи

Дторджо Ела забет

ФОРМИРОВАНИЕ ЛИТОДШШШЕСКОЛ ОБСТАНОВКИ В '[АРВСКОМ ЗАЛИВЕ

Специальности: 04.00.01 - общая и региональная геология 04.00.10 - геология морей и океанов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата гсолого-млнерэлогических наук

Санкт-Петербург 1993

Работа выполнена на кафедре литологии, диноми™еокой и морской геологии Санкт-Петербургского государственного горного института (технического университета).

ЯэучнкЯ руководитель - доктор геолого-минералогических

наук, профессор А.Н.ПАВЛОВ

Официальные оппоненты: доктор геолого-шнералогических

- наук, профеосор А.Н.ЛАСТОЧКИН

кандидат геолого-минералогичеоких наук, доцент" М.С.ЗАХАРОВ

Ведущее предприятие - Всесоюзный геологический институт

(ВСЕШГ)

3

Защита диссертации состоится у//" ¿.¿((7^ 1993 г. в /¿Г " часов на заседании специализированного совета К ОСЗ.15.07 в Санкт-Петорбургском государственном горном институте ¿¡глени Г.В. Плеханова (технической университете) по адресу: 199026, Санкт-Петербург, 21 линия, дом 2, ауд.3506.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СПбГГИ.

Ученый секретарь спетшлизиъозанного совета кандидат гёолого-минералсгическпх наук, доцонт

0Н1ЛЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность тега. Вопросы фор- чрования природных обста-новок для геологии всегда были, есть и будут актуальными, потому что они представляют собой попытки разобраться в механизме функционирования, в генетических основах структурных связей, без понимания которых не может быть надежного прогноза и рекомендаций по использованию природных объектов в практической деятельности человека.

Работа по Нарвскому заливу представляет к тому же и региональный иктерео, поскольку расширяет наши знания по Балтийскому региону в целом.

Новый подход к решению литодинамической задачи также актуален. Он расширяет технические возможности исследования генетических вопросов, а разработанная в диссертации процедура-исследований может быть использована и на других территориях, в частности, в Дужском ээливо, являющимся одним из потенциальных: объектов строительства нового морского порта.

Цель работы. Онс состоит в том, чтобы показать, что оценка литодинамдческой обстановки в мелководном заливе, типа Нар-вского, наибол2э корректно может-быть решена о привлечением, наряду с традиционным геологическим материалом, результатов^ матмоделирования причонкых течений, как характеристик тс ■ силовых полей, которые Формируют литологический и инженерно-геологический облик дна. Эта цель достигалась с помощью последовательного решения елвдущих задач:

1. Выбора наиболее характерных гетровых режимов.

2. Построение карт придонных ветровых течений.

•3..Перевода всей исходной информации на числовые шкалы.

.4. Выбора мотода сравнения гидродинамических, батиметрической, литологической и инженерно-геологической карт ы<гаду собой.

5. Оценка параметрических связей и построение на ев основе модели формирования литодинамической обстановки.

Исходный материал. В основу диссертаций' били положены результаты картирования дна Нарьского залива, проведенного институтом БСЕГЕИ, ПГО "Севзлпгеология" а кафэдрой инженерной ■

геологии Санкт-Петербургского горного института: карты литоло-гическая, кнжекерно-геологнчеокая и батиметрическая масштабов 1:200 ООО, а такяв материалы отчета, в состав которого входят эти карты..

Методика исследований включала в себя матмоделирование гидродинамических полей, перевод исходной информации масштаба 1:200 ООО в рабочий масштаб 1:500 ООО и перевод классификационной основы летологнческой и инженерно-геологической нарт в числовую, Как методический прием исследования связей использовался тренд-анализ, метод парных корреляций, и метод сравнения полиномов через отношения их коэффициентов.

Научная новизна. Впервые литодинамаческая обстановка охарактеризовала на комплексной основе о вспсльзозат5е;л традиционных геологических материалов г. результатов мгшоделированяя придонные ветровых течений.

Практическое значение. Полученные связи между гидродинамическими параметрами и характеристиками морфологического, лн-тологическсго к швкенерно-геологического устройства дна позволяют не только прогнозировать особенности литодинамкческой обстановки в залкре, но и предложить новые рекомендации по управлении этой обстановкой через воздействие на волновую ситуацию, например, через ¿истоку волнслоцов. При атом такие рекомендации предварительно могут проверяться с помощью ЭВМ.

Защищаемые положения

1. Наиболее активно на-дно Нарвского залива влияют придонные течения, продуцируемые западными ветрами. Они воздействуют через ирогресоггкые :: реверсивные составляющие этих течений, формируя как фоновую .структуру морфологических, литалоги-ческих V инженерно-геологических полей, так и структурные их детали.

2. Ветры северо~?еяадных румбов оказывают на формирование дна существенно меньшее значение: только через прогрессивные составляющие и в основном на фоновую структуру морфологического и литологического полей.

3. Ветры юго-восточных румбов воздействуют на дно только на уровне фона и непосредственно только на его инженерно-геологические устройства.

4. Рпэргботашшя процедура построения модели формирования литодинамической обстановки в Нпрэском заливе оказалась достаточно эффективную.

Апмэбагшя работы. Основные положения работы обоуждалиоь со специалистами кьфедры л г, галоши, динамической и морокой геологии, а также кафедпы инженерной гоологли СПбГГИ, кпфедры геоморфологии СПбГУ, с отдельными геологами и океанологами.

Объем работы. Диссертация состоит из 4 глав, введения и заключения, общим объемом отр., содержит рисунков а таблиц Список литературы включает названий.

Благодарности. Автор благодарит научного руководителя -профессора А.Н.Павлова за постановку интересной темы, постоянную помощь к содействие в написании роботы.

Автор глубоко признателен сотрудникам ка^гедры ЛЛИГ.ТГ ассистенту Г.Н.Попову, н.с.П.Ь.Федорову за неоценимую помощь в математической обработке материалов и консультации, завкафедрой инженерной геологии СПбГГИ М.С.Захарову за предоставление исходного материала, постоянные консультации, советы и обсуждения работы, а такяе Е.И.Старцевой - аспирантке кафедры геоморфологии СПбГУ за консультрции в области геоморфологии. Особую благодарность автор испытывает к проф.А.Н.Лаоточкгну ьа тот курс лекции, который ей удалось у него прослушать.

ССДЕРЕАНИЕ РАБОТЫ

В главе I дается анализ начальной информации, строится а обсуздастся концептуальная модель формирования лктодинамичес-кой обстановки дна Нзрвского залила, т.е. ставятся задача.

Основная исходная информация определена как набор следующих характеристик:

1. Откатки дна (?оордкнзты 2 по батамехрчческой карте).

2. Векторы скоростей пряденных течений по заданному ветру ( Тр - прогрессивныэ я \ - реверсивные составляющие).

3. л:;7охог,;чсс1тэ и шкекерно-теологические характеристики дна I. , I .

Счзвздяс, если параметры 2,ЛГ,, А/^ являются числами, то литолегкчееяле и игаеяэрко-гэологкчес.кие характеристики - это

'классификационные термины.

Таким образом, появилась еще одна подзадача - перевести условные обозначения литологической и инженерно-геологической карт в числовые шкалы.

В результате весь фактический материал укладывается в простую. схегду: каадым двум числам (X , ^ ), представлявшим собою координаты течек вд карте, соответствуют наборы чисел из параметров ,4^, 2 . Ь , I , мезду которыми требуется найти связи. Концептуальная основа этих связей дана на рис.1.

Логическая основа реализации этой схемы в рабочие модели сводится,к двум принципам:

■ I. Морфологическое, литологическое и шженерно-геологичес-' дое'устройство дна залива рассматривается как квазистационарное.

2. Эта квазисгационарносгь определяется' взаимодействием двух составляющих в механизме функционирования дна как литоди-намического ' ъекта:

- эволюционной, оформленной в виде тренда и приводящей к систематическим, по медленным преобразованиям;

- квазицикличной, связанной с конкретными и сезоннымч колебаниями гидродинамической обстановки.

Начальное состояние дна 'Нарвскиго залива рассматривалось как' современное его морфологическое, литологкч'еско'е и инженерно-геологическое устройство, сформировавшееся на протяжении длительного временного интервялг, на протяжении которого происходила смена »ледниковых и мекледнпкових реяимоь.

Граничные условия задачи сведены к следуети;.: понятиям:

1. Мощность слоя наносов, находящегося йод воздействием гидродинамических полей стрег.жтся к нулю.

2. Боковые границы - это береговая линия с граничными условиями П рода ^ - 0 ( о, _ расход воды) г работа ручьев к рек на

' мемейт решения задачи как бы "замерокяна".

3. Верхняя гргница - ре дел между водной массой залква и его дном не имеет мощности (толщины). Грякичнне условия II рода . по этой-границе

Во'второй 2 третьей главах даетсу переработка начальной ин-^юр; ;цки в_ рабочую я метбдвка решения задачи:

.. 1. По атласу гидрометеорологических характеристик для Бал-

Рис л. Шж-схема формирования лятодинамъческой обстановки в Нарвском заливе (концептуальная модель).

Рзс.2. Батиметрическая карта дна Нарв-ского залива, построенная по узловым точкам сеткй 3 х 3 км (см.тэйл.3.1.1).

Масштаб 1:500 000. 1

см

I

тайского моря бцпв выбраны наиболее ваяние для Нарвского залива типы ветровых режимов: ветры с запада с< = 270°, северо-запада & = 315° и с юго-востока d - 225°, выбраны их расчетные скорости и определены длины разгона волн.

О батиметрической карты масштаба 1:200 ООО были сняты значения по сетке 3x3 км. На основе новой "свернутой" информации была построена батиметрическая карта масштаба 1:500 ООО с помощью ПЭВМ "йскра-1030" и стандартной программы 5иг/ас<~ (рис.2).

2. Литологическая и инженерно-геологическая карты такле бшт свернуты до масштабов 1:500 ООО, после перевода их в иерархические числовые шкалы (рис.3,4).

3.-Построены карты придонных течений по выбранным ветровым режимам. В качестве примера на рис.5 показана карта для западного ветра.

4. Исследование связей мезду новыг/ш картами проводилось на двух уровнях:

- по полиномам 2 степени, характеризующим генеральные, черты каждой карты, и

- по "остаткам", характеризующим детали устройства сравниваемых карт.

5. Полиномы сравнивались попарно через отношения их коэффициентов на основе их простой статистической обработки: средние - суммарная средиеквадратическая ошибка - эта ке ошибка, нормированная на среднюю. Полученный аналог коэффициента вариации служил мерой сходства. Максимальные его значения рассматривались как преимущественные перед всеми остальными. Так определялась единственность выбора.

6. Остатки сравнивались по стандартному методу парных корреляций.

7. Дополнительно проводилось сравнение полиномов по скалярным произведениям векторов прогрессивных течений..Скалярные произзедения рассматривались как мера кинетической энергии при-, донного потока, отнесенная к единице массы ( Е ).

Связь "остатков" при этом оценивалась косвенно, через коэффициенты парных корреляций полей Е й Т^ . ' •

В пезледней четвертой главе дано исследование связей меж-

Рис.3. Литологическая карта Нарь-ского залива в изолиния»:. ■ Масштаб 1:500 00С-,

Условные обозначения даны в главе I (п.1.5)

|1-7) - грубоойломочные отлокениг [ЙЯ - пзске;

[о-18 - алевритовые отложения.

Рио.4. Кнзкенерпо-геологвческая карта Нзрвского залива в изолиниях.

Масштаб 1:500 (!>00. '

Условные"обозначения даны в главе I (п.1.5)

I'11-71 - породы особого состава; 11-15 Э-13 - породы маяой степени лита-фйкациа (П, № 8-12).группа смешанных пород, рыхлые несвязные, мягкие(Ш,.^ 13);

[4-151 - глинистые породы высокой

степйга уплстнения(1У,й 14) слоякай комплекс глинистых, пород высокой степени лите-фвкации (У, Я 15).

1*1«

к

\ \

N4 \

'Л* V. \

:• .,•■. . _ - > - л/ .•■' / I I / \ \ 'ч /

Рис.5. Векторы придонных течениГпри ветре А. = 270°; 15 м/с.

Масштаб: по оси абсцисс 1:^00 ООО;

во оси ординар Г:730 ООО. .

ЙС.6. Тоендовая поверхность второго порядка (а) и пове (б; ддяпр«?Рес-

счзпОй составляющей скоростей придоннн/. течении ( У при. ветре = г:. м/с. !.1асштаб 1:500 ООО.

Рпс.7. Трендовая поверхность второго порядка (а) и поверхность остатка (б) для литоло-■ гнческих характеристик (см.главу 2, й.З - Литологическая обстановка). Масштаб 1:500 ООО.

1

м

Таблица I

Сравнительные значения коэффициентов уравнения тренда второй степени для гидродинамических и энергетических характеристик потока у дна

Коэф-§цци-енты Гидродинамика потока у дна при ветре: Энергетика потока у дна при ветре:о( г Ч!

225а, 20 м/с 270°, 15 м/с 315°,6,75 м/с 225°,20 м/с 270°, 15 м/с 315°,6,75 м/с

разм. ч прогр. Ч> разм. ч прогр. разм. прогр. разм. ч прогр ч разм. V* поогр. тг разм. Ч прого. V

ЛО 74.215 12.324 147.257 12.293 6.703 3.696 3236.2 94.39 10504.8 112.60 64.073 6.920

А1 -1.852 -0.267 -3.806 -0.403 -0.287 -0.096 -68.9 -1.71 -зоз.е -4.04 -1.745 -0,214

А2 -2.337 -0.370 -3.977 -0.340 -0.162 -0.095 -117.6 -3.59 -322.0 -3.47 -2.833 -олее

АЗ 0.012 0.002 0.034 0.003 0.000* 0.001 0.3 0.01 2.6 0.04 -0.060 0.001

А4 0.031 0.004 0.060 0.006 0.006 0.002 1.3 0.03 4.7 0.05 0.092 0.004

А5 0.020 0.003 0.029 0.003 0.002 0.001 1.2 0.04 2.7 0.03 0.049 0.002

Общий вид уравнения тренда второй степени:

ТэОотца 2

Коэффициенты взаимной корреляции между исследуемыми характеристиками • (по рэзультатам обработки "остатков" тренд-поверхности второй степени)

225°, 20 м/с.разм. I 1.00

225°, 20 м/с.прогр. 2 0.88 1.00

270°, 15 м/с.разм. 3 0.93 0.89 1.00

270°, 15 к/с.прэгр. 4 0.80 0.89 0.83 1.00

315°, 6.75 м/с.разм. 5 0.88 0.75 0.73 0.71 1.00

315°, 6.75 м/с.прогр. 6 0.94 0.92 0.97 0.82 0.80 1.00

Батиметрия 7 -0.70 -0.76 -0.81 -0.65 -0,51 -О.Ы 1.00

Литология 8 -0.57 -0.56 -0.64 -0.43 -0,43 -0.68 0.69 1.00

Инженерная геология 9 0.52 0.55 0.61 0.40 0.39 0.63 -0.69 -0.77 1.00

I 2 3 4 5 6 7 8 9

Ер

^ 1 ! Ч 1

а/5"

•Л'- £.75 Ч/с.

А

я

11

Т

V,

ас.8. Влияние ветра з( = 315°, ^ = 6,7Ь г.'Ус на устройство дна Нарвского ззлнза. Числа у стрелок: для - зкачеяия относительной средкеквадратической охтбки отношений со-ответстзулзнх коэ^^ЕЦпевтов; дгя £■ - парной ксэффяцазлт корреляции медду параметрам и параметрам!I (числа без черты); числа с чертой внизу яаляатся ко-сфф2цзента:.!а парной корреляции, мелку остатка» ^г , Е^ и характеризует связь с параметра.® 2,^1 опосредованно.

I

ду морфологическими, литодогическими инженерно-геологическими и гидродинамическими полями.

В качестве примера трендовых поверхностей и поверхностей "остатков" приведено расчленение одной из карт течений(рис.6) и литологической карты (рис.7). Общая полиномиальная картина ясна из табл.1, а остатков - из табл.2.

Доела получения численных характеристик связей исходная концептуальная модель (сы.рис.1) была превращена в три рабочие модели (для каждого из выбранных типов ветровых режимов). Пример для .северо-западного ветра показан на рис.8.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Исследование вопросов формирования литодинамической обстановки в Нарвском зализе впервые било проведено не только на основе геологических материалов, ко и на бЕзе полей придонных течений, построенных для заданных ветровых режимов по специальной программе.

2. Привлечение к решению задачи новой группы параметров (скоростей придонных течений) привело к необходимости перевода традиционной'формы литологической и инкенерно-геологичес-кой карт в числовую форму на основе иерархической шкалы.

3. Таким образом была получена новая система карт более мелкого масштаба (1:500 ООО): придонных течений по реверсивной и прогрессивкой составляющим, батиметрическая, диалогическая и инкенерно-геачогическая.

4. .Цитологическая и инкен'ерно-геологическая картц, в отлитое от исходных карт, построенных в обычных легендах, были • сделаны на континуальной основе.

5. Для сравнения карт был использован тренд-анализ, позволивший провести сравнительную процедуру на двух уровнях:систематическом в форме полинома второй степени и случайной, в форме трендового остатка.

6. Построена модель формирования литодшшп;ческой обстановки в Нарвском заливе. Модель выполнена в виде блок-схемы, связи в которой выражены через коэффициенты парно:! корреля- . ции для "остатков" и относительные среднекладратические "¡га б-

к;? отноЕ-ени:* коэффициентов сряъниваемых полиномов. Хоэффп:кен- ■ тц корреляции отрргяют взаимосвязь структурных деталей рас-сматрмвйомцх параметрических полей, а относительные средке-квадрат1-;ческ:'2 ошибки - связь структур фона.

?. Выявлена генетическая рать каждого из выбрашпос для анализа ветров.

3. Оказалось, что ьал^олее активно на дно Нарвского залива влияют ветр:: западнях румбов.

На наи ззгляд, эта работа, выполненная для конкретного объекта, "меет достаточно общее методологическое и методическое значение. В ней не только показаны принципы решения задачи по формированию литодинамическоЯ обстановки на мелких полузамкнута акваториях, но достаточно детально проработана процедурная сторона решения. , _

Насколько нам известно, это первый опыт реализации традиционного картографического материала''среднего масштаба в реше-.нии задачи формирования с привлечением'в качестве причинных . параметров характеристик силовых полей, определяющих мзханизм функционирования дна как морфологического, литалогичеокого и инженерно-геологическсго объекта.