Литология. Структурная геология

Р. А. Щеколдин. Конспекты лекций

Литология. Структурная геология

Р. А. Щеколдин. Конспекты лекций

Введение

Предмет литологии

Литология (от др.-греч. λιθοσ – камень и λογοσ – слово) – наука об осадочных породах и современных геологических осадках, их вещественном составе, строении, закономерностях и условиях образования и изменении.

 

 

Связь литологии с другими дисциплинами (по Л.Б. Рухину)

Разделы литологии

 

Петрогра́фия (греч. πέτροσ «камень» + γράφω «пишу») – наука, описывающая горные породы и составляющие их минералы.

Седиментоло́гия (лат. sedimentum «осадок» + греч. λογοσ «слово») — наука о закономерностях формирования современных осадков.

Стадиальная литология рассматривает последовательные стадии преобразования осадка в горную породу: литогенез, диагенез, катагенез и метагенез.

Формациология изучает геологические формации – парагенетически связанные совокупности фаций.

Связь с другими дисциплинами

Литология близка к учению о месторождениях полезных ископаемых в осадочных породах и к исторической геологии.

Познание литологии невозможно без стратиграфии. В свою очередь она помогает уточнять и создавать стратиграфические схемы.

Литология родственна общей геологии и геотектонике.

Связана литология и с геологией моря, с океанографией и гидрологией, с экологией и палеоэкологией, с климатологией, физической географией и с почвоведением, с минералогией, а через нее с геохимией, физической и коллоидной химией. Очень важны взаимосвязи литологии с инженерно-геологическими дисциплинами, грунтоведением и гидрогеологией.

Вещественно-структурный и генетический подходы в литологии

Два этих подхода к изучению и классификации пород издавна противопоставляются друг другу. В основе первого – изучение состава и внутреннего строения пород, в основе второго – разделение пород по способу и условиям их образования. Однако все попытки построить «чистую» классификацию пород на основе только одного из этих подходов неудачны – на разных стадиях изучения нужно использовать тот или иной, либо оба подхода.

Принцип актуализма в моделировании процессов геологического прошлого

Актуализм
(англ. actual, франц. actuel – настоящий, современный) – одна из форм исторического метода в геологии.

Актуализм исходит из принципа: «Настоящее есть ключ к пониманию прошедшего», то есть изучение процессов, происходящих в современных условиях, принимается за основу для суждения о процессах и условиях минувших геологических периодов. Принцип актуализма отражает вывод о том, что геологические отложения и среда, условия, в которых происходит их образование, представляют собой единство.

Актуализм возник одновременно с первыми ростками геологической науки в XVI—XVII веках. Его становление связано с именами таких деятелей эпохи Возрождения, как Леонардо да Винчи, Бернар Палисси, Николай Стено и др.

Леонардо да Винчи

Бернар Палисси

Николай Стено

Впервые в истории геологии научное понятие о природе и происхождении горных пород на основе принципа актуализма дал М.В. Ломоносов. Он писал, что силы, изменяющие лик Земли, бывают внешние и внутренние: «Внешние действия суть сильные ветры, дожди, течение рек, волны, морские льды, пожары в лесах, потопы; внутреннее одно землетрясение».
В 30-х годах XIX в. Ч. Лайель сформулировал принцип актуализма в следующем виде:
«Если он (геолог) твёрдо усвоит верование в сходство или тожество древней и настоящей системы земных изменений, то в каждом факте, указывающем на причины, повседневно действующие, увидит ключ к истолкованию какой-нибудь тайны в прошедшем».

М.В. Ломоносов

Ч. Лайель

Фации

Термин «фация» предложен швейцарским геологом А. Грессли (1838-41).

Понятие фация у Грессли было многосторонним (оно охватывало петрографический состав пород, заключённые в них органические остатки, генезис отложений и их изменения в определённых стратиграфических рамках), что послужило причиной дальнейшего использования термина «фация» в разных смыслах.

Наиболее широко он применяется для обозначения физико-географических условий древнего осадконакопления со всеми особенностями среды: её динамикой, химическим режимом, органическим миром, глубиной водоёма и т.д.

Происхождение фациальных изменений Грессли связывал с различиями в условиях образования пород и сравнивал их с теми изменениями, которые можно наблюдать на современном морском дне.

Аманц Грессли

 В современном толковании существуют два варианта понимания фации:
1) фация – порода, возникающая в определённой обстановке;
2) фация - обстановка осадконакопления (современная или древняя), овеществлённая в осадке или породе.

В самом общем смысле фация — это тело горной породы со специфическими особенностями.
Фация может быть выделена по: a) цвету, б) характеру слоистости, в) составу, г) структуре, д) ископаемым остаткам, е) осадочным текстурам.

Цвет

Цвет зависит от состава породы. Главными красящими компонентами осадочных пород являются железо и органическое вещество.

Первичный цвет породы зависит от окислительной или восстановительной среды осадконакопления. Темно-серый, черный – восстановительная среда; пестроцветность – нейтральная среда (близость окислительно-восстановительного барьера); белый, бежевый, красный – окислительная среда.

По цвету различают: сероцветные, пестроцветные и красноцветные породы.

Сероцветные породы

Пестроцветные породы

Красноцветные породы

Состав

В осадочных породах присутствуют три главные составные части.

  1. Минералы, существовавшие до образования данной осадочной породы (унаследованные минералы). Они образуются при выветривании материнских пород, реже – при вулканических извержениях.
  2. Минералы, образованные химическим путем на различных этапах формирования осадков и пород.
  3. Остатки растений и животных, обитавших на месте образования осадка или принесенных извне.

 

Все они несут информацию об условиях осадконакопления.

Структура

 Структура – характеристика размеров и формы компонентов, образующих породу.
Размер обломков позволяет оценить динамику среды осадконакопления.
Форма обломков (степень окатанности) указывает на дальность переноса.
Сортировка обломков отражает свойства транспортирующей среды.

Текстура

Текстура – характеристика пространственного расположения структурных элементов породы. Она отражает динамику среды осадконакопления и характер движения придонных вод. Текстуры обломочных и глинистых пород подразделяются по способу их образования на абиогенные и биогенные. Массивная текстура. Структурные элементы породы расположены равномерно. Интерпретация: равномерное осадконакопление или вторичное перемешивание осадка.
Градационная текстура – постепенное уменьшение размера обломков от подошвы к кровле в пределах одного слоя.
Слойчатость – текстура, возникающая благодаря многократному повторению тонких одинаковых слойков, в которых определенным образом упорядочены структурные элементы породы.
Основные типы слойчатости: 1) горизонтальная, 2) волнистая, 3) косая.

Горизонтальная слойчатость

Волнистая слойчатость

Косая слойчатость

Биофации выделяют в первую очередь по составу остатков организмов. Если упор делается на физические и химические характеристики породы, то используют термин «литофация».

С развитием косвенных методов изучения стали выделять новые виды фаций. По конфигурации, протяженности, амплитуде, частоте отражений и пластовым сейсмическим скоростям в сочетании с формой тел выделяют сейсмические фации. При каротаже фации выделяют по электрическим, акустическим и радиоактивным свойствам. Однако подобные фации обычно прямо не сопоставимы с породами.

Очень трудно установить какие-то строгие правила выделения фаций. В идеальном случае фация представлена четко различимой породой, образовавшейся в определенных условиях, и отражает особый процесс или обстановку. Фации могут быть разделены на субфации или сгруппированы в ассоциации или комплексы. Прежде чем вынести заключение об обстановке, необходимо иметь сведения о соотношениях данной фации с соседними.

Закон Головкинского-Вальтера:
фации, залегающие согласно в вертикальном разрезе, формировались в соседних по латерали обстановках;
фации, контактирующие по вертикали, должны быть продуктами расположенных рядом друг с другом обстановок.
Этот закон действует только в случае отсутствия крупных перерывов.

Геологическая чечевица Н.А. Головкинского является результатом трансгрессивно-регрессивного цикла.

Пространственное перемещение фаций при сложных перемещениях береговой линии (по Ф. Лею). 1 - галечники; 2 - пески; 3 - глины; 4 - известняки; 5 - органогенные илы

 

Контакты между фациями в вертикальном разрезе также несут важную информацию. Различают три главных типа контактов:

  • постепенный,
  • резкий,
  • эрозионный.

Постепенные контакты указывают на то, что фации непосредственно сменяют друг друга во времени, скорее всего, в результате миграции обстановок. Эрозионные контакты образуются в результате перерыва в осадконакоплении. Если же контакты резкие, то даже при отсутствии доказательств эрозии соседние по вертикали фации могли образоваться в обстановках, удаленных друг от друга. Некоторые контакты нарушаются интенсивным воздействием роющих организмов, следами ползания червей и др., конседиментационными деформациями или диагенезом нижележащих осадков.

Циклы – неоднократно повторяющиеся геологические процессы, а также повторяющиеся комплексы пород, образованные этими процессами.

Фациальные ассоциации представляют собой группы фаций, встречающиеся вместе и считающиеся генетически или по условиям седиментации связанными между собой. По сравнению с изучением каждой фации в отдельности, ассоциация фаций дает дополнительные признаки для интерпретации обстановок седиментации.

Фациальная последовательность состоит из ряда фаций, закономерно сменяющих друг друга. Последовательность может встречаться в разрезе единично либо повторяться (циклично). Для обломочных осадков характерны два вида закономерного изменения гранулометрического состава:
1) размер зерен увеличивается кверху от резкого или эрозионного нижнего контакта;
2) размер зерен уменьшается кверху от резкого или эрозионного контакта. Последовательность с погрубением кверху, как правило, указывает на усиление потока и наоборот.

Последовательности: а) с уменьшением; б) с увеличением размера обломков

Интерпретация фаций

Большой вклад в седиментологию внесло создание упрощенных типовых моделей. Было разработано ограниченное число фациальных моделей, каждая из которых представляет определенную обстановку. Выделяются три стадии интерпретации древних разрезов.
1. Разработка начальных рабочих гипотез, сходных с типовыми моделями. Постановка очень ограниченных задач. Модель не привязывают к какой-либо конкретной обстановке или к определенному времени, может также отсутствовать ориентировка в пространстве.
2. Палеогеографическая интерпретация – выработка локальной модели, в которой показаны ориентировка и приблизительное расположение поясов фациальных обстановок.
3. Разработка истинной фациальной модели, которая в идеальном варианте воссоздает точную обстановку седиментации в данной точке в определенный момент времени. Очевидно, что достичь этого невозможно, но следует к этому стремиться.

Пример фациальных моделей. Фациальные модели отложений дельты с преобладанием процессов: а) речных, б) волновых, в) приливно-отливных (по G. Nichols, 2009)

 Геолог должен пользоваться методом множества рабочих гипотез, так как
а) он имеет дело с неполным набором данных,
б) конечный осадок может быть результатом действия нескольких различных процессов.
Следует создавать и неактуалистические модели – некоторые прошлые условия не имеют современных аналогов.

Нормальная и катастрофическая седиментация

До появления современной седиментологии образование большинства осадочных фаций считалось результатом катастрофических событий вроде наводнений, землетрясений и тектонических подвижек.

Изучение современного осадконакопления во второй половине XX века привело седиментологов к убеждению о преобладании нормальных процессов седиментации.

В настоящее время признается важность как нормальной, так и катастрофической седиментации. Различать их не всегда легко, поскольку мы регистрируем результат, а не сам процесс.

Нормальная седиментация

Более продолжительна во времени. Энергия относительно невысокая. Осадконакопление обычно медленное. Примеры: пелагическая седиментация, рост рифов, деятельность речных потоков.

Катастрофическая седиментация

Происходит почти мгновенно. Энергия превышает ту, которая управляет нормальными процессами, часто на несколько порядков. Примеры: ураганы, извержения вулканов, землетрясения, обвалы.

 Катастрофические процессы могут отлагать небольшую долю от всей массы осадков, но могут создавать и основную массу пород.

Массовые и редкие фации

Осадочные фации можно разделить на массовые и редкие. К массовым относятся фации, слагающие основную часть осадочной толщи, к редким – образующие незначительную долю всей толщи. И те, и другие могут образоваться как в результате нормальной седиментации, так и под действием катастрофических процессов. Выделяются еще единичные процессы или события, которые создают один единственный слой с уникальными характеристиками. Это процесс обычно катастрофический, однако отложенный им слой резко выделяется на фоне прочих отложений (и нормальных, и катастрофических). Понятия «нормальный» и «катастрофический» дают характеристику как процессов, так и осадков, образованных этими процессами. «Массовый» и «редкий» указывают на относительную роль фаций в разрезе. Термин «единичный» можно применять как к событию, процессу, так и к уникальному слою.

Возможность сохранности

Лишь немногие отложения сохраняются в ископаемом состоянии. Большая часть осадков удаляется размывом вскоре после отложения. Способность отдельных фаций сохраниться в ископаемом состоянии существенно различна. При сравнении современных осадков и древних пород необходимо давать оценку вероятности их захоронения. Возможность захоронения контролируется скоростью прогибания в таких обстановках, где существует базис аккумуляции. В таких обстановках осадки не могут накапливаться выше определенного уровня. Избыточные количества поступающего осадочного материала выносятся на новые территории, т.е. расширяются площади осадконакопления.

Профиль равновесия (поверхность равновесия) - максимально энергетически выгодный при данных условиях рельеф земной поверхности. На поверхностях, близких к профилю равновесия, продукты выветривания остаются на месте. Образуются почвы, коры выветривания, биотурбиты.

Продукты выветривания быстро удаляются с положительных форм рельефа. В результате формируется поверхность размыва

Продукты выветривания накапливаются в отрицательных формах рельефа, заполняя осадкоёмкое пространство - разность между профилем равновесия и отрицательной формой рельефа

Фации, скрытые под поверхностью Земли

По сейсмическим записям возможно не только выделить фации, но также установить трехмерную форму тел фаций и определить их пространственные взаимоотношения с другими фациями.

Фации на сейсмическом профиле

Сейсмическая фация представляет собой картируемую трехмерную сейсмическую единицу, устанавливаемую на основании конфигурации, протяженности, амплитуды, частоты и пластовой скорости сейсмических отражений. В отличие от фациального анализа по обнажениям, где форму тел часто бывает трудно установить, в анализе сейсмических фаций важна именно трехмерная форма тел. Непрерывность отражающих границ позволяет судить о протяженности площадей осадконакопления. Амплитуда говорит о контрастности фаций по вертикали. Самым выразительным признаком сейсмических фаций является конфигурация отражений.

Каротаж

При помощи каротажа скважин измеряются электрические, радиоактивные и акустические свойства пород. Эти свойства сопоставляются с литологией, гранулометрическим составом, плотностью, пористостью и содержанием поровой жидкости. Их можно использовать по отдельности для определения литологических переходов, но лучшие результаты дает совместное использование. Главными видами каротажа являются нейтронный, плотностной, гамма-излучения и естественных потенциалов, в сочетании с акустическим, электрическим каротажем и инклинометрией.

Типичные каротажные графики характерных литологических комплексов

Нейтронный каротаж обнаруживает содержание водорода и дает отрицательные величины в пористых породах, содержащих водород в виде воды, нефти или газа, а также в углях и обогащенных органическим веществом сланцах. Следовательно, угли и горючие сланцы показывают высокую «нейтронную» пористость; плотные коллекторы, ангидриты и соли имеют низкую «нейтронную» пористость; пористые песчаники, известняки, доломиты и умеренно уплотненные аргиллиты характеризуются промежуточными величинами.

При плотностном каротаже измеряется электронная плотность пород, поэтому он показывает плотность как твердой, так и жидкой фаз. Он применяется обычно вместе с нейтронным каротажем. Электронная плотность пересчитывается на эквивалентную плотность в монолите породы. Соль и уголь имеют низкую плотность; ангидрит и компактные породы коллекторов обладают высокой плотностью; пористые песчаники, известняки и доломиты, а также умеренно литифицированные аргиллиты характеризуются промежуточными значениями плотности.

При гамма-каротаже измеряется естественное гамма-излучение толщ пород, указывающее на концентрацию калия, а местами урана и тория. Обычно данные гамма-каротажа принимаются как показатели гранулометрического состава пород, поскольку высокие значения обычно соответствуют глинам.

Естественный потенциал является мерой пористости и используется в качестве индикатора соотношения песков и глин.

При акустическом каротаже меряется скорость продольных звуковых волн (волн сжатия), проходящих через толщу пород и реагирующих как на зерна, так и на жидкую фазу. Его применяют для изучения пористости и литологии пород.

Картина фациальных последовательностей выявляется на всех типах каротажных графиков, но особенно ясно на записях каротажа естественного потенциала, гамма-излучения, плотностного и нейтронного.

Факторы, контролирующие характер и распространение фаций

 

Распространение фаций зависит от большого числа взаимосвязанных контролирующих факторов, таких, как

  1. процессы осадконакопления,
  2. поступление осадочного материала,
  3. климат,
  4. тектоника,
  5. изменения уровня моря,
  6. биологическая активность,
  7. химия вод,
  8. вулканизм.

Относительная роль каждого из этих факторов в разных фациальных обстановках различна. Универсальными являются климат и тектоника. Климат имеет решающее значение для континентальных и мелководных морских фаций. Тектоника очень важна в континентальных и глубоководных морских обстановках.

Процессы осадконакопления, характерные для данной обстановки, могут сами контролировать распространение фаций. Например, продвижение рукавов дельты настолько уменьшает уклон и замедляет течение, что река в конце концов находит более крутой и короткий путь к морю, и лопасть дельты отмирает. Также меандрирующие реки рано или поздно прорывают свои берега, чтобы найти новое русло. Эти изменения заложены в самой природе обстановок осадконакопления, хотя точное время их проявления контролируется обычно сильными паводками, штормами или сейсмическими толчками. Такие «спусковые механизмы» необходимо отличать от основных причин явлений.

Поступление осадочного материала является одним из факторов, контролирующих мощности осадочных фаций; оно может также влиять на глубину и условия осадконакопления. Осадочный материал поступает из двух источников:

  1. внебассейнового, поставляющего главным образом терригенный материал, тип материала зависит от геологического строения, рельефа, климата и тектоники области сноса;
  2. внутрибассейнового, поставляющего материал путем химического осаждения, в результате жизнедеятельности растений или животных, размыва ранее отложившихся в бассейне осадков.

Климат. На фации влияют главным образом температура и количество атмосферных осадков, может иметь значение также сила ветров. Важны не только средние значения температур и атмосферных осадков, но также их сезонные и спорадические колебания. Индикаторами температуры служат эвапориты, ископаемые почвы, растительность и фауна, тиллиты, оолиты. Показателями количества атмосферных осадков являются растительность, ископаемые почвы, эвапориты, эоловые песчаники. Озера и лагуны особенно чувствительны к климату. Теплый климат оказывает сильное влияние на образование известняков, эвапоритов и углей.

Тектоника формирует распределение возвышенностей и впадин, она создает географические предпосылки поставки осадочного материала, контролирует климат и условия среды.

Колебания уровня моря могут быть локальными или глобальными (эвстатическими) и по-разному влияют на осадконакопление.

Локальные изменения уровня моря могут быть вызваны поступлением осадочного материала, нагрузкой осадочных масс на земную кору, вертикальными тектоническими движениями, наклонением блоков коры, изостатическим погружением или воздыманием.

Глобальные, или эвстатические, колебания уровня Мирового океана обусловлены изменениями либо объема океанских вод, либо вместимости океанских бассейнов в результате тектонических процессов.

Трансгрессии и регрессии являются, главным образом, результатом эвстатических изменений уровня моря. Однако регрессия береговой линии может иметь место также в ходе глобального подъема уровня моря, если поступление осадочного материала достаточно интенсивно (а). Аналогично, трансгрессия может происходить во время глобального понижения уровня моря, если скорость тектонического прогибания суши больше скорости падения уровня Мирового океана (б).

Глобальные циклы относительных изменений уровня моря в фанерозое (Veil et al., 1977)

а) регрессия при подъёме уровня моря

б) трансгрессия при падении уровня моря

Изменения уровня моря имеют различные временные масштабы. Эвстатические колебания уровня моря, обусловленные флуктуациями оледенений или затоплением малых океанических бассейнов, происходят со скоростью на три порядка выше скорости изменений, обусловленных глобальной тектоникой. Объем океанических бассейнов может меняться в результате действия различных тектонических механизмов. Объем океанских вод может меняться из-за захвата и замерзания части воды в полярных ледовых шапках либо за счет внезапного затопления или высыхания малых океанических бассейнов.

Биологическая активность имеет первостепенное значение при изучении пелагических обстановок и карбонатных отложений мелководных морей. Характер, интенсивность и места проявления биологической активности постоянно менялись в ходе эволюции. При сравнении древних и современных фаций или древних фаций из разных систем необходимо знание современной биосферы. Роль бактерий в формировании и преобразовании осадков также велика. Бактерии имеют особенно большое значение в формировании почв как агенты выветривания, окисления и восстановления железа, а также восстановления сульфата. Планктонные микроорганизмы (фораминиферы, радиолярии, диатомеи и др.) обеспечивают постоянный «дождь» осадочного материала в океанах и озерах. Растительный покров на суше участвует в формировании почвы и подавляет эрозионную деятельность дождевых вод и ветров. Коралловые, мшанковые, водорослевые и иные рифы, а также накопления мощных толщ растительных остатков, представляют собой основные элементы органогенной седиментации.

Химический состав вод контролирует формирование карбонатов и других хемогенных или биохемогенных осадков. Химические свойства водявляются главным контролирующим фактором фаций озерных отложений. Уровень насыщения вод карбонатом кальция определяет, будут ли карбонатные скелеты организмов растворяться или сохраняться, возможно с дополнительным выпадением хемогенного карбоната. Океаническая циркуляция приводит к подъему богатых питательными веществами вод, обусловливая накопление фосфатов и диатомитов.

Вулканизм. Вулканическая деятельность служит источником твердого и растворенного осадочного материала. Возникновение вулканических гор и островов приводит к изменению глубины моря и быстрой смене фациальных условий. В озерах может наблюдаться прямая связь отлагающихся осадков с составом вулканических продуктов. В пелагических обстановках значительную роль играют выщелачивание горячих базальтов под действием морской воды, формирование глинистых минералов путем химического обмена между вулканитами и морской водой, разгрузка обогащенных металлами гидротермальных растворов.

Научное и практическое значение литологических исследований

Научное значение очевидно: воссоздание геологической истории осадочной оболочки Земли – стратисферы – невозможно без реконструкции прошлых обстановок осадконакопления.

Практическое значение связано с изучением закономерностей распространения полезных ископаемых (в том числе нефти и газа) в осадочных бассейнах.

Выводы

  1. Реконструкция прошлых обстановок осадконакопления основана на принципе актуализма.
  2. Конкретную обстановку осадконакопления отражает фация – тело горной породы со специфическими особенностями.
  3. Фация может быть выделена: по цвету, характеру слоистости, составу, структуре, ископаемым остаткам, осадочным текстурам и, конечно, по совокупности признаков.
  4. Фации могут быть разделены на субфации или сгруппированы в ассоциации или комплексы.
  5. Фации, залегающие согласно в вертикальном разрезе, формировались в соседних по латерали обстановках.
  6. Интерпретация фаций основана на использовании упрощенных типовых моделей.
  7. Осадочные фации можно разделить на массовые и редкие.
  8. И те, и другие могут образоваться как в результате нормальной седиментации, так и под действием катастрофических процессов.
  9. Под земной поверхностью фации выделяют по сейсмическим отражениям, каротажу, керну и шламу.
  10. Распространение фаций зависит от таких факторов, как
    1. 1) процессы осадкообразования,
    2. 2) поступление осадочного материала,
    3. 3) климат,
    4. 4) тектоника,
    5. 5) изменения уровня моря,
    6. 6) биологическая активность,
    7. 7) химия вод,
    8. 8) вулканизм.

Вопросы для самопроверки

  1. В чем заключается принцип актуализма?
  2. Что такое «фация»?
  3. Что влияет на формирование и распространение фаций?
  4. От чего зависит первичная окраска пород?
  5. О чем свидетельствует структура осадочной породы?
  6. Что называется текстурой породы?
  7. Что такое «ихнофация»?
  8. Как выделяются сейсмофации?
  9. В чем заключается Закон Головкинского-Вальтера?
  10. Каково значение седиментологических исследований?