LITOLOGIA OSADÓW EOLICZNYCH POMIĘDZY ORZECHOWEM A USTKĄ

Geologia i geomorfologia 10 Słupsk 2013, s. 51-65 Łukasz E. Dullek Ireneusz J. Olszak LITOLOGIA OSADÓW EOLICZNYCH POMIĘDZY ORZECHOWEM A USTKĄ Słowa kluczowe: litologia, osady eoliczne, wybrzeże polskie, klif Key words: lithology, eolian sediments, Polish coast, cliff WPROWADZENIE Osady eoliczne występują na całym polskim wybrzeżu Bałtyku. Tworzą one nadbudowę klasycznych klifów wypreparowanych w osadach plejstoceńskich (Bohdziewicz 1963, Florek i in. 2008, Olszak i in. 2008) lub budują odcinki mierzejowe wybrzeża (Łabuz 2005). Osady eoliczne stanowią ostatni etap tworzenia się powierzchni terenu. Przedmiotem badań było określenie warunków paleogeograficznych, w jakich formowały się osady eoliczne pomiędzy Orzechowem a Ustką. TEREN BADAŃ Badany odcinek wybrzeża rozciąga się na długości 2,2 km pomiędzy 229,8 a 232,0 km brzegu morskiego, na zachód od ujścia Potoku Orzechowskiego. Według podziału W. Subotowicza (1982) odcinek ten leży na pograniczu klifu orzechowskiego i klifu usteckiego. Według innego podziału (Racinowski i in. 1992), którego podstawę stanowiła morfologiczna typologia brzegu, znajduje się on w rejonach IV i V. Rejon IV, pomiędzy 228,8 a 231,3 kmb, to rejon klifowy Orzechowa. Rejon V, od 231,3 do 233,4 kmb, to rejon mierzejowo-wydmowy Ustki (rys. 1). Na badanym odcinku brzegu wykonano osiem profili osadów eolicznych. Dwa pierwsze, oznaczone symbolami P-1 i P-2, zlokalizowane są w obrębie rejonu klifowego Orzechowa, zaś pozostałych sześć, od P-3 do P-8, w obrębie rejonu mierzejowo-wydmowego Ustki. Do badań laboratoryjnych oprócz próbek piasków eolicznych pobrano też próbki osadów je podścielających. Ogółem pobrano i przebadano 387 próbek, w tym 290 próbek osadów eolicznych. W poszczególnych profilach ich liczba wahała się od 30 do 73, w tym osadów eolicznych od 20 do 59. 51

Rys. 1. Lokalizacja terenu badań Fig. 1. Location of research area Rys. 2. Szczegółowa lokalizacja profili Fig. 2. Detailed location of the research profiles 52

Zróżnicowanie ich liczby wynikało ze stopnia skomplikowania budowy geologicznej danego profilu. Szczegółową lokalizację poszczególnych profili, ich wysokość oraz liczbę pobranych z nich próbek przedstawiono na rysunku 2 i w tabeli 1. Tabela 1 Lokalizacja profili, ich wysokość, liczba pobranych próbek oraz miąższość serii eolicznej Table 1 Profiles location, their height, number of samples, and thickness of eolian series Profil P-1 P-2 P-3 P-4 P-5 P-6 P-7 P-8 Kilometraż brzegu (kmb) 229,8 230,0 231,4 231,5 231,7 231,8 231,9 232,0 Wysokość profilu (m) 14,8 13,2 5,4 4,9 5,5 5,5 5,2 4,2 Miąższość osadów eolicznych (m) 8,74 8,24 2,38 >4,12 4,18 4,42 4,22 3,12 Liczba pobranych próbek 73 66 38 38 38 38 66 30 W tym liczba próbek osadów eolicznych 59 46 36 29 29 33 38 20 BUDOWA GEOLOGICZNA Oba badane odcinki brzegu mają podobną budowę geologiczną. Różnice dotyczą jedynie miąższości poszczególnych warstw osadów oraz liczby przewarstwień gleb kopalnych, wahającej się od dwóch do czterech. W związku z powyższym przyjęto, iż szczegółowo zostaną przedstawione jedynie dwa profile, które uznano za reprezentatywne dla poszczególnych odcinków brzegu. Dla rejonu klifowego Orzechowa jest to P-2 (rys. 3), zaś dla rejonu mierzejowo-wydmowego Ustki P-7 (rys. 4). Budowa geologiczna brzegu profilu P-2 jest następująca: Profil P-2 0,00-0,34 gleba współczesna, tzw. naspa przyklifowa 0,34-1,14 piasek średnioziarnisty, jasnoszary, warstwowany horyzontalnie, w spągu z przewarstwieniami piasku drobnoziarnistego 1,14-3,12 piasek średnioziarnisty 3,12-3,42 piasek średnioziarnisty, w spągu z przewarstwieniami piasku drobnoziarnistego 3,42-4,13 piasek drobnoziarnisty z przewarstwieniami piasku średnioziarnistego 4,13-4,26 gleba kopalna 4,26-4,47 piasek średnioziarnisty, szary, z rozproszoną organiką 4,47-7,12 piasek drobnoziarnisty, jasnoszary, z przewarstwieniami piasku średnioziarnistego 7,12-7,22 gleba kopalna 7,22-8,24 piasek drobnoziarnisty, szary, z rozproszoną organiką, w spągu z przewarstwieniami piasku średnioziarnistego 53

Rys. 3. Rejon klifowy Orzechowa. Profil P-2 Fig. 3. Orzechowo cliff area. Profile P-2 8,24-8,32 torf 8,32-8,48 gleba kopalna 8,48-9,22 piasek średnioziarnisty, jasnoszary 9,22-9,32 orsztyn 9,32-10,86 piasek średnioziarnisty, szary 10,86-11,12 ił niebieskoszary 11,12-11,90 piasek drobnoziarnisty, zailony, szary 11,90- glina szara, zaburzona glacitektonicznie, z przewarstwieniami mułkowymi Najniższym osadem odsłoniętym w tym profilu jest zaburzona glacitektonicznie szara glina. Glina ta buduje podstawę ściany klifu. Na jej powierzchni znajduje się seria osadów fluwioglacjalnych (glacilimnicznych?). Seria ta zbudowana jest głównie z iłów. Jej stropową część tworzy cienka warstwa zailonych piasków drobnoziarnistych. Powyżej serii fluwioglacjalnej zalegają osady mineralno-organiczne. Ich stropową część stanowi warstwa silnie sprasowanego torfu. W górnej części profilu leżą osady eoliczne. W ich obrębie występują trzy przewarstwienia gleb kopalnych. W osadach eolicznych znajduje się sporo rozproszonego materiału organicznego. Miąższość osadów eolicznych wynosi nieco ponad 8 m. 54

Rys. 4. Rejon mierzejowo-wydmowy Ustki. Profil P-7 Fig. 4. Ustka spit-dune area. Profile P-7 Profil P-7 0,00-0,22 gleba współczesna, tzw. naspa przyklifowa 0,22-0,42 piasek średnio- i gruboziarnisty, jasnożółty 0,42-0,62 gleba kopalna 0,62-2,05 piasek średnio- i drobnoziarnisty, jasnożółty 2,05-2,11 gleba kopalna 2,11-2,42 piasek średnioziarnisty 2,42-2,81 piasek grubo- i średnioziarnisty 2,81-4,12 piasek średnioziarnisty, jasnożółty 4,12-4,22 piasek drobnoziarnisty z cienkimi przewarstwieniami materii organicznej 4,22-4,90 piasek drobnoziarnisty, jasnożółty 4,90- ił niebieskoszary Budowa geologiczna brzegu w profilu P-7 jest podobna do budowy P-2. Różnica polega jedynie na występowaniu tu tylko dwóch poziomów gleb kopalnych oraz na wyraźnie mniejszej miąższości serii eolicznej, która w tej części brzegu nie przekracza 4,5 m. Ze względu na zalegającą u podstawy ściany dużą ilość materiału osuwiskowego nie odsłonięto tu szarej gliny zwałowej. Najstarszym osadem odsłoniętym w tym profilu jest późnoglacjalny ił niebieskoszary. Przykryty jest on około 70-centymetrową warstwą piasku drobnoziarnistego. 55

Powyżej zalegają osady eoliczne zawierające dwa poziomy gleb kopalnych. Znacznie mniej jest w nich, w porównaniu z profilem P-2, rozproszonej materii organicznej. Pomiędzy profilami P-2 i P-7 pojawiają się również wyraźne różnice w ułożeniu poszczególnych warstw osadów. We wschodniej części występują zaburzenia osadów. Są tu też liczne wysięki wód podziemnych. W zachodniej części natomiast osady zalegają horyzontalnie i brak wysięków wód. BADANIA LABORATORYJNE Badaniom laboratoryjnym poddano łącznie 357 próbek. W wybranych do analizy profilach P-2 i P-7 przebadano odpowiednio 60 próbek, w tym 46 osadów eolicznych, oraz 66 próbek, w tym 38 osadów eolicznych. Wykonano analizę sitową, obliczając na podstawie jej wyników współczynniki Folka i Warda (1957). Kształt ziaren wybranych frakcji i ich klasę obtoczenia określono na podstawie metody optycznej Zingga (1935) i Powersa (1953). Zastosowanie obu tych metod wiązało się z koniecznością zobiektywizowania otrzymanych wyników. Sposoby wyznaczania współczynników uziarnienia Folka i Warda oraz ich interpretacja są powszechnie znane i wielokrotnie opisywane w literaturze. Dla analizowanych osadów obliczono dwa współczynniki: średnią średnicę ziarna (M z ) oraz stopień wysortowania (δ 1 ). Inaczej jest w przypadku metod Powersa i Zingga, dlatego wymagają one krótkiego opisu. W analizie Powersa stosuje się sześciostopniową skalę obtoczenia ziaren kwarcu. Bierze się pod uwagę stopień zaokrąglenia ich krawędzi. Wyróżnia się następujące klasy obtoczenia ziren: 1 bardzo ostrokrawędziste, 2 ostrokrawędziste, 3 półostrokrawędziste, 4 półobtoczone, 5 obtoczone i 6 dobrze obtoczone. Charakter obtoczenia materiału określa tzw. dojrzałość teksturalną osadu, co jak się przyjmuje jest wprost proporcjonalne do długości i siły transportu (Folk, Ward 1957). W analizie Zingga wykorzystuje się czterostopniowy zakres opisu. Każde ziarno ma mniej lub bardziej regularną formę przestrzenną, w której wyróżnia się trzy wzajemnie do siebie prostopadłe osie (a, b i c). Oś a jest osią najdłuższą, oś b osią pośrednią, zaś oś c najkrótszą. W wyniku analizy poszczególnych osi można wyróżnić cztery typy ziaren: kuliste gdy długość wszystkich trzech osi jest do siebie zbliżona; dyskoidalne gdy długość dwóch osi jest zbliżona, a trzecia wyraźnie krótsza; elipsoidalne gdy wszystkie osie mają różną długość i żadna z nich nie jest zbliżona do pozostałych; wrzecionowate gdy dwie osie mają podobną długość, a trzecia jest wyraźnie dłuższa. 56

WYNIKI ANALIZY UZIARNIENIA Profil P-2 Analizując wartości średniej średnicy ziarna (M z ) oraz stopnia wysortowania osadów eolicznych (δ 1 ) odsłoniętych w tym profilu, można zauważyć wyraźną zmienność tych parametrów. Dotyczy to zwłaszcza współczynnika M z. W spągowej części tych osadów dominują wyraźnie piaski średnioziarniste. Ich średnica waha się od 1,3 do 1,7 phi. Na głębokości 7,22-7,40 m oraz 3,40-4,40 m w osadach zwiększa się udział piasku drobnoziarnistego. W poziomach gleb kopalnych w obrębie środkowej części serii eolicznej znajduje się wyraźna domieszka piasku drobnoziarnistego. W przypadku najniższego poziomu gleby kopalnej domieszkę tę stanowi piasek średnioziarnisty. Wyniki analiz uziarnienia osadów profilu P-2 przedstawiono na rysunku 5. W tym profilu dominują osady średnio wysortowane. Wartości współczynnika wysortowania zawierają się głównie w przedziale od 0,5 do 1,0. Nieco lepiej wysortowany materiał występuje jedynie w górnej części profilu, gdzie wartości współ- Rys. 5. Wartości średniej średnicy ziarna (M z ) i stopnia wysortowania (δ 1 ) osadów w profilu P-2 Fig. 5. Profile P-2; mean grain size (M z ) and sorting coefficient (δ 1 ) of the eolian sands 57

czynnika δ 1 osiągają wartości 0,3-0,4 (rys. 5). Świadczy to o zmiennej dynamice transportu eolicznego z wyraźnym jej ustabilizowaniem na ostatnim etapie formowania się tych osadów. Profil P-7 Wyniki analizy uziarnienia osadów odsłoniętych w profilu P-7 wykazują znacznie większą ich jednorodność pod względem średniej średnicy ziarna oraz stopnia wysortowania. Uwaga ta dotyczy przede wszystkim osadów eolicznych. Jedynie osady zbiornikowe, iły i przykrywające je piaski drobnoziarniste charakteryzują się mniejszą średnicą ziarna (rys. 6). W przypadku tych piasków wartości M z oscylują w granicach 2,20-2,40 phi. Wyraźnie większe ziarna występują w osadach eolicznych. Wartości M z tych osadów zawierają się w dość wąskim przedziale od 1,30 phi do 2,10 phi. Wyjątkiem jest przewarstwienie na głębokości 2,42-2,81 m, w którym występuje domieszka piasków gruboziarnistych o średnicy ziarna około 1,10-1,20 phi oraz piaski budujące stropową część ściany. Dość jednolite jest też wysortowanie osadów eolicznych. Jest to wysortowanie średnie (rys. 6), świadczące o stosunkowo słabej zmienności dynamiki transportu eolicznego. Rys. 6. Wartości średniej średnicy ziarna (M z ) i stopnia wysortowania (δ 1 ) osadów w profilu P-7 Fig. 6. Profile P-7; mean grain size (M z ) and sorting coefficient (δ 1 ) of the eolian sands WYNIKI ANALIZY METODĄ POWERSA Profil P-2 Najniżej zalegające piaski nadglinowe charakteryzują się brakiem obtoczenia lub bardzo niskim jego stopniem. Piaski przykrywające serię ilastą zawierają ziarna półostrokrawędziste i półobtoczone. Jest to charakterystyczne dla osadów fluwioglacjalnych. Piaski eoliczne leżące powyżej mają zupełnie inny charakter obtoczenia. W osa- 58

Rys. 7. Diagram analizy metodą Powersa osadów z profilu P-2 Fig. 7. Profile P-2; quartz grain abrasion diagram by Power s method analysis dach tych występują wyłącznie ziarna obtoczone oraz dobrze obtoczone. Świadczy to o eolicznym charakterze ich transportu. Występujące, w liczbie czterech, cykliczne zmiany dominacji ziaren obtoczonych i półobtoczonych są efektem zmian w dynamice i długości transportu (rys. 7). W górnej części profilu pojawiają się również ziarna półobtoczone. Może to świadczyć o dostawie materiału z innego źródła niż warstwy leżące poniżej. Profil P-7 Charakter obtoczenia ziaren osadów eolicznych w tym profilu jest zbliżony do obtoczenia osadów w profilu P-2. Tu również dominują ziarna obtoczone i dobrze obtoczone. Występują jednak pewne różnice. Zaznaczające się w tym profilu zmiany 59

Rys. 8. Diagram analizy metodą Powersa osadów z profilu P-7 Fig. 8. Profile P-7; quartz grain abrasion diagram by Powers s method analysis 60

cykliczne są mniej wyraźne, a piaski zawierające ziarna półobtoczone znajdują się nie w górnej, a w środkowej części serii eolicznej (rys. 8). Jednak interpretacja charakteru obróbki ziarna jest w tych osadach taka sama, jak osadów eolicznych w profilu P-2. WYNIKI ANALIZ METODĄ ZINGGA Profil P-2 W osadach piaszczystych odsłoniętych w dolnej części profilu dominują ziarna o kształcie dyskoidalnym z niewielką domieszką ziaren kulistych. Ziarna o kształcie Rys. 9. Diagram analizy metodą Zingga osadów w profilu P-2 Fig. 9. Profile P-2; shape of grain diagram by Zingg s method analysis 61

62 Rys. 10. Diagram analizy metodą Zingga osadów w profilu P-7 Fig. 10. Profile P-7; shape of grain diagram by Zingg s method analysis

dyskoidalnym są typowe dla środowiska wodnego, dlatego osady te zostały zaklasyfikowane jako piaski fluwioglacjalne. Domieszka ziaren o kształcie kulistym może być efektem nawiania materiału piaszczystego o pierwotnej obróbce eolicznej (rys. 9). W spągowej części osadów eolicznych wyraźnie dominują ziarna o kształcie kulistym. Jest to typowe dla ziaren osadów eolicznych transportowanych przez saltację. W środkowej i górnej części profilu wyraźnie zwiększa się udział procentowy ziaren o kształcie elipsoidalnym. Dotyczy to w dużej części osadów piaszczystych, zawierających materiał organiczny. Prawdopodobnie to właśnie ten materiał ograniczył proces transportu przez saltację, co w konsekwencji doprowadziło do zmian w morfologii ziaren. Mogło to być też efektem zwilgotnienia środowiska sedymentacyjnego. Profil P-7 Odsłonięte w tym profilu osady eoliczne w swojej części spągowej i stropowej charakteryzują się wyraźną dominacją ziaren o kształcie kulistym (rys. 10). W dolnej części profilu mamy do czynienia z trzema przewarstwieniami piasków, gdzie dominują mające elipsoidalny kształt ziarna. Przyczyna tych zmian kształtu ziaren jat taka sama, jak w przypadku osadów w profilu P-2. PODSUMOWANIE Najstarszym osadem odsłoniętym w rejonie klifowym Orzechowa jest szara glina zwałowa. Strop tej gliny obniża się w kierunku zachodnim i schodzi poniżej poziomu morza. Jest to sytuacja typowa dla środkowej części wybrzeża Polski (Olszak i in. 2008). Powyżej gliny znajdują się ilaste osady zastoiskowe, przykryte cienką warstwą osadów wodnolodowcowych. Dyskoidalny kształt ich ziaren może świadczyć o tym, że siła transportowa wód spływających z lądolodu nie była zbyt duża. Znajdujące się powyżej osady eoliczne różnią się między sobą miąższością poszczególnych warstw. Leżą też one na różnych wysokościach nad poziomem morza. Wynika to przede wszystkim z poziomu zalegania stropu gliny zwałowej. W obrębie serii eolicznej występują przewarstwienia gleb kopalnych. Nie tworzą one jednak ciągłych poziomów. Świadczy to o porastaniu powierzchni piaszczystej roślinnością, a zarazem o silnej działalności wiatru, który doprowadził do erozji słabo odpornych na niszczenie poziomów glebowych. W płytkich zagłębieniach terenu zachowały się płaty torfów. W torfach tych, w profilu P-2 stwierdzono występowanie między innymi liści brzozy (Marsz, Tobolski 1993). Piaski eoliczne mają zmienną strukturę. W dolnej części serii eolicznej zaznaczyły się lokalnie ślady spływów kongeliflukcyjnych. Kształt i charakter obtoczenia piasków nie pozostawiają wątpliwości co do ich genezy eolicznej. Dominował tu kulisty kształt ziarna, świadczący o transporcie materiału przez saltację. Charakter obróbki materiału piaszczystego wskazuje na stosunkowo krótki, ale stabilny pod 63

względem dynamiki transport. Piaski eoliczne tworzyły pokrywy eoliczne, które na ostatnim etapie zostały zwydmione. L I T E R AT U R A Bohdziewicz L., 1963: Przegląd budowy geologicznej i typów polskich wybrzeży. W: Materiały do monografii polskiego brzegu morskiego. Geologia i zagadnienia pokrewne 5, red. A. Mielczarski, Gdańsk-Poznań, s. 10-41 Florek W., Kaczmarzyk J., Majewski M., Olszak I.J., 2008: Zmiany rzeźby klifu w rejonie Ustki jako efekt warunków litologicznych oraz procesów ekstremalnych i przeciętnych, Landform Analysis 7, s. 53-68 Folk R.L., Ward W., 1957: Brazos River bar: A study in significance of grain size parameters, Journal of Sedimentology Petroleum 27, 1, s. 3-26 Łabuz A., 2005: Brzegi wydmowe polskiego wybrzeża Bałtyku, Czasop. Geogr. 76, 1-2, s. 19-47 Marsz A., Tobolski K., 1993: Osady późnoglacjalne i holoceńskie w klifie między Ustką a ujściem Potoku Orzechowskiego. W: Geologia i geomorfologia środkowego Pobrzeża i południowego Bałtyku 1, red. W. Florek, Słupsk, s. 201-250 Olszak I.J., Florek W., Seul C., Majewski M., 2008: Stratygrafia i litologia mineralnych osadów występujących w klifach środkowej części polskiego wybrzeża Bałtyku, Landform Analysis 7, s. 113-118 Powers M.C., 1953: A new roundness scale for sedimentary particles, Journal of Sedimentary Research 23, 2, s. 117-119 Racinowski R., Dobrzyński S., Seul C., 1992: Tendencje rozwojowe lądowej części strefy brzegowej morza między Rowami a Ustką w świetle badań morfologicznych i litologicznych, Szczecin, s. 95-193 Subotowicz W., 1982: Litodynamika brzegów klifowych wybrzeża Polski, Gdańsk Zingg T., 1935: Beitrag zur Schotteranalyse, Mineralogische und Petrologische Mitteilungen 15, s. 39-140 Lithology of eolian sediments between Orzechowo and Ustka SUMMARY The field research was conducted on an over 2-kilometre stretch of the cliff between the 229.8 and 232.0 km of the shore. 8 profiles were performed in this stretch, in which 357 samples of eolian sediments were collected. In all the profiles the whole eolian series was uncovered. The scope of the laboratory analyses covered grain size, grain shape by the Zingg method and the degree of grain rounding by the Power s method. The analysis of the lithological features of the sandy sediments indicates uniform dynamics of the sedimentation environment. The source material of these sediments was also homogenous. In the case of silty sediments, variable dynamics of the environment can be observed. Sedimentation structures of the sandy sediments in the upper part of the cliff indicate a variable intensity of the formation of these sediments. The periods of sand accumulation were interrupted by periods of formation of fossil soils. Soil layers are not continuous. The number of soil layers differs in different profiles and ranges from one to four. The number of 64

organic layers is clearly bigger in profiles situated in the western part of the analysed cliff section. They also differ in the degree of development. Locally, among sandy sediments there are scarce peat interbeddings. The lack of continuity of fossil soils results from two factors: the soils formed only in lowerings of the roof of sandy sediments, some soils layers were destroyed as a result of erosion processes. Ireneusz J. Olszak Instytut Geografii Uniwersytet Jana Kochanowskiego w Kielcach ul. Świętokrzyska 21 25-406 Kielce 65