XV SEMINARIUM NAUKOWE z cyklu REGIONALNE PROBLEMY OCHRONY ŚRODOWISKA pn. Geotechnika w projektach wspieranych przez Unię Europejską na Pomorzu Zachodnim Szczecin Tuczno 6-7 lipca 2007 Leszek Józef KASZUBOWSKI 1 ANALIZA GRANULOMETRYCZNA OSADÓW PRZEKROJU GEOLOGICZNEGO ŚWINOUJŚCIE II 1. Wstęp Przekrój geologiczny Świnoujście II został wykonany dla wschodniego obszaru mierzei Bramy Świny (rys. 1) w obrębie którego wykonano 7 otworów wiertniczych, średnio do głębokości od 15-18 m p.p.t. Autor już wcześniej prezentował [3,4] wyniki badań granulometrycznych pobranych osadów z otworów nr 15 i 17. Obecnie zostanie przedstawiona analiza granulometryczna dla otworu wiertniczego nr 14. Należy dodać, że analiza ta dotyczy osadów piaszczystych środkowego i późnego holocenu. Jak już wcześniej wspomniano [4] linia przekroju geologicznego została usytuowana prostopadle do linii brzegu morskiego (rys.1), tak aby można było szczegółowiej prześledzić przebieg najważniejszych procesów sedymentacyjnych obszaru mierzejowego w środkowym i późnym holocenie obszaru Bramy Świny. Podstawowe prace laboratoryjne dotyczyły badań uziarnienia osadów. Badania granulometryczne, które w przeważającej części dotyczyły materiału piaszczystego zostały wykonane metodą sitową [5]. Zastosowano interwały średnic sit w odstępach co 0.33 phi. Do badań granulometrycznych brano próbki o masie 200g. Czas przesiewu, który stosowano przy metodzie sitowej był dwojakiego rodzaju: w przypadku osadów eolicznych stosowano czas przesiewu równy 40 minut; dla pozostałych osadów czas przesiewu był krótszy i wynosił 25 minut. 1 dr ; Politechnika Szczecińska, Wydz. Bud. i Arch., Katedra Geotechniki
Dla poszczególnych próbek osadów obliczono podstawowe wskaźniki uziarnienia metodą momentów centralnych [8]. Obliczono w ten sposób M1 (średnią średnicę ziaren), Rys. 1. Lokalizacja przekroju geologicznego Świnoujście II na obszarze mierzei Bramy Świny [4]. 1- obszar wysoczyzny morenowej; 2- obszar wydmowy; 3 torfowiska nadbrzeżne; 4 obszar antropogeniczny; 5- lokalizacja przekrojów geologicznych; 6- miejsce poboru prób datowań radiowęglowych. M2 (wskaźnik wysortowania), M3 (wskaźnik skośności rozkładu uziarnienia), M4 (kurtoza - wskaźnik spłaszczenia rozkładu uziarnienia). Wskaźniki te obliczono według następujących formuł matematycznych:
średnia średnica ziaren (wartość oczekiwana) M1 m 1 (1) gdzie: m 1 m 4 momenty centralne poszczególnych rzędów a 1 - a 4 momenty zerowe poszczególnych rzędów m 1 = a 1, m 2 = a 2 - a 2 1, m 3 = a 3-3a 1 a 2 +2a 3 1, m 4 = a 4-4 a 1 a 3 +6 a 2 1 a 2-3 a 4 1. odchylenie standardowe (wskażnik wysortowania osadów) 1 2 2 2) M (m (2) skośność (miara asymetrii rozkładu uziarnienia) M 3 m (m 3 1.5 2) (3) kurtoza (spłaszczenie rozkładu uziarnienia) M m m 4 4 2 2 3 (4)
Należy zaznaczyć, że wszystkie wartości wskaźników uziarnienia obliczone metodą momentów centralnych wyrażone są w jednostkach skali phi. Przy charakteryzowaniu wyliczonych parametrów uziarnienia posługiwano się klasyfikacjami [6, 9] przedstawionymi w tab.1: Tabela 1. Klasyfikacja osadów. Rodzaje osadów Średnice ziaren [phi] żwir bardzo gruby -6.0-5.0 żwir gruby -5.0-4.0 żwir średni -4.0-3.0 żwir drobny -3.0-2.0 żwir bardzo drobny -2.0-1.0 piasek bardzo gruby -1.0 0.0 piasek gruby 0.0 +1.0 piasek średni +1.0 +2.0 piasek drobny +2.0 +3.0 piasek bardzo drobny +3.0 +4.0 mułek bardzo gruby * +4.0 +5.0 mułek gruby +5.0 +6.0 mułek średni +6.0 +7.0 mułek drobny +7.0 +8.0 mułek bardzo drobny +8.0 +9.0 * Uwaga termin mułek jest równoważny z pyłem i stosowany jest zamiennie. Źródło: [6,9] Tabela 2. Wskaźnik wysortowania osadów. Rodzaj wysortowania Wartości wskaźnika M2 wysortowanie bardzo dobre 0.35 wysortowanie dobre 0.35 0.5 wysortowanie umiarkowane 0.5 1.0 wysortowanie słabe 0.5 1.0 wysortowanie bardzo słabe 2.0 4.0 wysortowanie skrajnie słabe 4.0
Źródło: [2] Tabela 3. Skośność rozkładu uziarnienia. Rodzaj rozkładu uziarnienia Przedziały wartości M3 rozkład symetryczny -0.1 + 0.1 rozkład nieznacznie skośny dodatnio +0.1 +1.0 rozkład umiarkowanie skośny dodatnio +1.0 +2.0 rozkład wysoce skośny dodatnio +2.0 rozkład nieznacznie skośny ujemnie -0.1-1.0 rozkład umiarkowanie skośny ujemnie -1.0-2.0 rozkład wysoce skośny ujemnie -2.0 Źródło:[1] Tabela 4. Kurtoza (spłaszczenie rozkładu uziarnienia). Rodzaje spłaszczenia rozkładu uziarnienia Przedziały wartości M4 rozkład spłaszczony 2.0 rozkład normalny 2.0 4.0 rozkład umiarkowanie szczytowy 4.0 13.0 rozkład wysoce szczytowy 13.0 23.0 rozkład bardzo wysoce szczytowy 23.0 Źródło:[1] Ponadto dla analizowanego otworu wiertniczego sporządzono diagram granulometryczny, który przedstawia zmienność podstawowych parametrów uziarnienia w profilu pionowym. 2. Analiza wyników badań Przedstawiona w niniejszym opracowaniu analiza granulometryczna osadów otworu wiertniczego nr 14 przyczyni się do lepszego rozpoznania uziarnienia osadów środkowej części obszaru badań. Otwór nr 14 zlokalizowany jest w odległości 550 m od brzegu morskiego i położony jest na rzędnej 3.5 m n.p.m. Otwór sięga do głębokości 15 m p.p.m. Dla scharakteryzowania najstarszej części środkowego holocenu i zbadanej najstarszej serii osadów morskich posłużono się charakterystyką granulometryczną próbki 19 z otworu nr 18 (rys.3). Pod osadami mułków organicznych występujących w spągowych partiach otworu 19 i
18 zalegają piaski drobne należące do serii regresyjnej morza litorynowego cyklu L1. Osady te należą do piasków drobnych o umiarkowanym wysortowaniu. Rys. 2. Diagram granulometryczny osadów otw. 14 z przekroju geologicznego Świnoujście II. Wskaźniki uziarnienia obliczone metodą momentów: M1-średnia średnica ziaren, M2- wskaźnik wysortowania, M3-wskaźnik skośności rozkładu uziarnienia, M4-wskaźnik spłaszczenia rozkładu uziarnienia. L2- seria transgresyjna morza litorynowego cyklu L2 (wczesny atlantyk); L3- seria transgresyjna morza litorynowego cyklu L3 (wczesny atlantyk); L4- seria transgresyjna morza litorynowego L4 (późny atlantyk); L5- seria transgresyjna morza litorynowego L5 (późny atlantyk); L5/Lm1- osady wydm brunatnych z regresji morza litorynowego cyklu L5 (późny atlantyk).
Wskaźnik skośności M3 przyjmuje znaczne wartości ujemne (rys.3) charakteryzując rozkład uziarnienia jako umiarkowanie skośny ujemnie (wartość górnego przedziału). Kurtoza przedstawia rozkład uziarnienia jako umiarkowanie szczytowy. Natomiast spągowe partie otworu nr 14 należą do osadów serii transgresyjnej morza litorynowego cyklu L2. Występują tutaj piaski drobne o umiarkowanym wysortowaniu co jest charakterystyczne dla osadów morskich płytkiego podbrzeża. Wskaźnik skośności M3 osiąga znaczne wartości ujemne (< -2), które wskazują na rozkład uziarnienia jako wysoce skośny ujemnie (rys.2), co jest charakterystyczne dla środowisk sedymentacyjnych o dużej dynamice (w tym przypadku dużej dynamice płytkiego podbrzeża). Kurtoza wskazuje na rozkład umiarkowanie szczytowy. Należy dodać, że R.Racinowski i A.Pozlewicz [7] również na podstawie analizy wskaźników granulometrycznych wyprowadzają jakościową ocenę rozwoju współczesnych procesów litodynamicznych strefy brzegowej Pomorza Zachodniego. Kolejny poziom transgresyjny morza litorynowego w cyklu L3 ma bardzo podobną charakterystykę granulometryczną. Tylko nieznacznie wzrasta wskaźnik M2 (rys.2) osadów, które są jednak ciągle w przedziale utworów o umiarkowanym wysortowaniu. Wskaźnik skośności M3 (rys.4) również osiąga znaczne wartości ujemne (< -2). Kurtoza tutaj także wskazuje na rozkład umiarkowanie szczytowy. Następny poziom transgresyjny morza litorynowego to osady cyklu L4, które znajdują się na rzędnej od 7.5 10 m p.p.t. Występują tutaj nadal piaski drobne, które są umiarkowanie i dobrze wysortowane (rys.2). Wskaźnik skośności M3 znajduje się w przedziale (od -1 do -2) wskazując na rozkład umiarkowanie skośny ujemnie. Kurtoza jest rozkładem umiarkowanie szczytowym. Jest wielce prawdopodobne, że na tym obszarze morze litorynowe niszczy uformowaną wcześniej mierzeję wydm wczesnolitorynowych (dobre wysortowanie osadów macierzystych). Kolejny poziom transgresyjny morza litorynowego w cyklu L5 jest nadal reprezentowany przez piaski drobne, które zalegają tutaj na rzędnych od 6-7,5 m p.p.t. Osady są nadal umiarkowanie wysortowane (rys.2), a wskaźnik skośności M3 przyjmuje charakterystyczne dość duże wartości ujemne, ale w większości mieści się w przedziale (od -1 do -2). Osady zalegające na rzędnych od 5-6 m p.p.t. należą zapewne do serii regresyjnej morza poźnolitorynowego cyklu L5. Przeważają tutaj facje plażowe, gdzie w osadach występuje liczna fauna morska Cardium edule i Macoma baltica, a także coraz słabsze wysortowanie osadów (rys.2).
Tabela 5. Wartości momentów centralnych i momentów zerowych próbki 19 z otw.18. Rys. 3. Histogram uziarnienia dla próbki 19 z otworu 18 przekroju geologicznego Świnoujście II Górna część profilu wiertniczego na rzędnych od 0.5-5 m p.p.t. to osady wydm brunatnych późnolitorynowych reprezentowanych przez piaski drobne o dobrym i bardzo dobrym wysortowaniu (rys.2). Charakterystyczna jest tutaj wartość wskaźnika skośności M3 (rys.3), który wskazuje na rozkład nieznacznie skośny ujemnie (dość nietypowe dla środowisk eolicznych). Ujemne wartości wskaźnika M3 prawdopodobnie wskazują na
istnienie w tym czasie dość dużej dynamiki eolicznego środowiska sedymentacyjnego. Kurtoza jest nadal rozkładem umiarkowanie szczytowym. W spągowych partiach wydm brunatnych występuje o niedużej miąższości warstewka osadów rzecznych o wyraźnie różniących się wskaźnikach granulometrycznych (rys. 2). Występują tam piaski średnie o umiarkowanym wysortowaniu i niedużych ujemnych wartościach wskaźnika M3, a wyraźnie różniąca się tutaj kurtoza wskazuje na rozkład normalny. Należy zaznaczyć, że akumulacja wydm brunatnych w południowej i środkowej części obszaru badań (rejon otw. 14) kończy rozwój procesów morfogenetycznych środkowego holocenu tej części mierzei. Kolejne transgresje Bałtyku w późnym holocenie przebiegają już tylko w północnej części badanego obszaru mierzejowego. 3. Wnioski 1. Przeprowadzone badania granulometryczne osadów otworu 14 przekroju geologicznego Świnoujście II pozwoliły na dokładniejsze rozpoznanie przebiegu procesów sedymentacyjnych w środkowej części obszaru badań w środkowym i późnym holocenie. Ponadto należy zaznaczyć, że podstawowe wskaźniki granulometryczne obliczone metodą momentów centralnych wykazały dużą wrażliwość na skomplikowane zmiany środowisk sedymentacyjnych. 2. Cechą charakterystyczną osadów morskich płytkiego podbrzeża wszystkich cykli transgresyjnych Bałtyku na tym obszarze jest ich umiarkowane wysortowanie (rys.2). Pewne różnice występują w wartościach wskaźnika skośności rozkładu uziarnienia M3. Znaczne wartości ujemne (< -2) tego wskaźnika świadczą o występowaniu dużej dynamiki środowiska sedymentacyjnego płytkiego podbrzeża. 3. Stwierdzono, że osady transgresji wczesnego morza litorynowego (cykl L2 i L3; środkowy holocen) charakteryzują bardzo dużą dynamikę środowiska sedymentacyjnego płytkiego podbrzeża, co może być ich cechą wyróżniającą. Wskaźnik M3 w tym przypadku przedstawia rozkład uziarnienia osadów jako wysoce skośny ujemnie (rys.2). 4. Osady transgresji późnego morza litorynowego (L4 i L5; środkowy holocen) charakteryzują już stosunkowo mniejszą dynamikę środowiska sedymentacyjnego płytkiego podbrzeża. Wskaźnik M3 w tym przypadku przedstawia rozkład uziarnienia osadów jako umiarkowanie skośny ujemnie (rys.2). 5. Cechą charakterystyczną dla późnolitorynowych wydm brunatnych obszaru badań jest ich ujemna wartość wskaźnika skośności M3 dość nietypowa dla środowisk eolicznych.
Ujemne wartości wskaźnika M3 prawdopodobnie w tym przypadku wskazują na istnienie w tym czasie dość dużej dynamiki eolicznego środowiska sedymentacyjnego. Należy dodać, że występuje tutaj charakterystyczne dla osadów wydmowych dobre i bardzo dobre wysortowanie. 6. Należy stwierdzić, że akumulacja wydm brunatnych w południowej i środkowej części obszaru badań (rejon otw.14) kończy rozwój procesów morfogenetycznych środkowego holocenu tej części mierzei. Kolejne transgresje Bałtyku w późnym holocenie przebiegają już tylko w północnej części analizowanego obszaru. LITERATURA [1] Cadigan R.A.: Geologic interpretation of grain-size distribution measurements of Colorado Plateau sedimentary rocks. Jour. Geol., 69. 1961. [2] Folk R.L., Word W.C.: Brazos River bar: a study in the significance of grain size parameters. Jour. of Sedim. Petrol., 27, 1. 1957. [3] Kaszubowski L.J.: Ewolucja wschodniej części Bramy Świny w środkowym i późnym holocenie w świetle przekroju geologicznego Świnoujście II. Materiały VI Konferencji Naukowej Geologia i Geomorfologia Pobrzeża i Południowego Bałtyku. Słupsk 2004. [4] Kaszubowski L.J., 2005: Ewolucja wschodniej części Bramy Świny w środkowym i późnym holocenie w świetle przekroju geologicznego Świnoujście II. Wydawnictwo Pomorskiej Akademii Pedagogicznej. Słupsk 2005. [5] Kaszubowski L.J.: Charakterystyka granulometryczna osadów przekroju geologicznego Świnoujście II. Materiały VII Konferencji Naukowej Geologia i Geomorfologia Pobrzeża i Południowego Bałtyku. Słupsk 2006. [6] Nowak J., Superson J.: Próba zastosowania nowego statystycznego indeksu uziarnienia w badaniach granulometrycznych, Przegląd Geologiczny, 3. Warszawa 1982. [7] Racinowski R., Pozlewicz A.: An attempt of using a sediment grain-size distribution index for estimation of lithodynamic charakteristic of the western Pomeranian offshore. (In:) Lithodynamics of seashore. Technical University of Szczecin. Szczecin 1996. [8] Seward-Thompson B.W., Hails J.R.: An appraisal of the computation of statistical parameters in grain size analysis. Sedimentology, 20, 1. 1973 [9] Urbaniak-Biernacka U.: Nowoczesna klasyfikacja osadów klastycznych według wielkości ziaren. Ibidem, 3. 1975.
Streszczenie W artykule autor zajął się analizą granulometryczną osadów przekroju geologicznego Świnoujście II. Przekrój ten został usytuowany we wschodniej części obszaru mierzei Bramy Świny. Autor przedstawia tutaj wyniki badań uziarnienia osadów należących do otworu wiertniczego nr 14. Przeprowadzona analiza granulometryczna dotyczy osadów piaszczystych środkowego i późnego holocenu. Dla poszczególnych próbek osadów wyznaczono podstawowe wskaźniki uziarnienia obliczone metodą momentów centralnych. Obliczono w ten sposób M1(średnią średnicę ziaren), M2 (wskaźnik wysortowania), M3 (wskaźnik skośności rozkładu uziarnienia), M4 (kurtoza - wskaźnik spłaszczenia rozkładu uziarnienia). Stwierdzono, że cechą charakterystyczną osadów morskich płytkiego podbrzeża wszystkich cykli transgresyjnych Bałtyku obszaru badań jest ich umiarkowane wysortowanie. Pewne różnice występują w wartościach wskaźnika skośności rozkładu uziarnienia M3. Znaczne wartości ujemne tego wskaźnika świadczą o występowaniu dużej dynamiki środowiska sedymentacyjnego płytkiego podbrzeża. Zauważono, że osady transgresji wczesnego morza litorynowego charakteryzują bardzo dużą dynamikę środowiska sedymentacyjnego. Natomiast osady późnego morza litorynowego wskazują wyraźnie na stosunkowo mniejszą dynamikę środowiska sedymentacji. Stwierdzono, że cechą charakterystyczną dla poźnolitorynowych wydm brunatnych obszaru badań jest ich ujemna wartość wskaźnika M3, które wskazują na istnienie w tym czasie dość dużej dynamiki eolicznego środowiska sedymentacyjnego w środkowym holocenie. Następne transgresje Bałtyku późnego holocenu przebiegają w północnej części badanego obszaru.