Литология. Структурная геология

Р. А. Щеколдин. Конспекты лекций

Литология. Структурная геология

Р. А. Щеколдин. Конспекты лекций

 Общие сведения об осадочных породах

Определение осадочной породы

Осадочная горная порода – тип горной породы, наряду с магматическими и метаморфическими. Широко распространено мнение о том, что горные породы представляют собой естественный парагенез минералов. Однако это вполне справедливо только для интрузивных и метаморфических пород. Породы вулканические и осадочные часто содержат компоненты, минералами не являющиеся, или даже полностью из них состоят (примеры: обсидиан, каменный уголь). Поэтому определения осадочной породы, даваемые разными авторами, разнятся, иногда существенно. Обобщая эти определения, получаем:

Осадочные породы
– это породы, образующиеся в результате преобразования в термобарических условиях верхней части земной коры осадков, которые являются механически или химически осажденными продуктами разрушения более древних пород, извержений вулканов, жизнедеятельности микроорганизмов, животных и растений.
Встает вопрос, что считать осадком, а что – осадочной породой, поскольку многие осадочные породы долгое время остаются рыхлыми. Большинство геологов сходится на мнении, по которому осадок становится породой с момента захоронения, когда прекращается его переработка поверхностными процессами.

Распространение осадочных пород

Осадочные породы слагают верхнюю часть литосферы. Осадочная оболочка (стратисфера) прерывиста, местами мощность ее уменьшается до нуля. В других же районах мощность осадочных пород измеряется километрами. Осадочные толщи покрывают около 3/4 всей площади суши.

Осадочные породы существуют в определенном интервале изменений температуры и давления. При более значительном повышении температуры и давления они подвергаются метаморфизму и переходят в метаморфические породы.

Фации метаморфизма

Главные составные части осадочных пород

Осадки могут формироваться в результате трех резко различных процессов:

  1. осаждения обломочного материала,
  2. выпадения из растворов определенных веществ,
  3. жизнедеятельности организмов.

 

В большинстве случаев обломочные частицы образуются при выветривании материнских пород. Однако в некоторых случаях обломочный материал образуется также при вулканических извержениях. Формирующиеся при этом осадочные породы выделяются в группу пирокластических.

Растворенный в воде материал также образуется двумя путями. Основная его часть возникает при химическом выветривании материнских пород, другая же часть выносится на поверхность Земли вулканическими водами.

Осаждение растворенного вещества происходит или чисто химическим путем, или в результате жизнедеятельности организмов. Различные соединения в неодинаковой степени растворимы в воде. Для плохо растворимых веществ осаждение наблюдается в некоторых случаях уже в пресных или слабо соленых водах (окислы алюминия и железа). Хорошо растворимые соединения выпадают лишь из концентрированных рассолов (хлориды натрия и, в особенности, калия и магния).

Большое значение для образования осадочных пород имеет жизнедеятельность организмов. Организмы могут концентрировать соединения, находящиеся в ненасыщенном растворе, и служат источником органического вещества, образование которого на поверхности Земли другим путем исключено. Очень велико значение микроорганизмов в процессе выветривания.

В формировании осадочных пород выделяют четыре стадии:

  1. образование осадочного материала;
  2. перенос;
  3. отложение и
  4. преобразование осадков и осадочных пород.

Последняя стадия распадается в свою очередь на следующие этапы:

  1. преобразование осадочного материала на поверхности осадка (сингенез, или ранний диагенез);
  2. дальнейшее изменение самого осадка, превращающее его в породу (диагенез, или поздний диагенез);
  3. изменение породы (эпигенез).

На каждой из перечисленных стадий наряду с уже имеющимися минералами возникают новые.

Итак, 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: во время переноса и осаждения осадочного материала, а также зародившиеся во время преобразования осадков в осадочные породы или во время дальнейшего изменения. Совокупность химически выпавших, сингенетических и диагенетических минералов можно назвать первичными минералами (аутигенными), в отличие от вторичных (эпигенетических), возникающих уже не в осадке, а в породе.
  3. Остатки растений и животных, обитавших на месте образования осадка или принесенных извне. Они тоже подвергаются существенным видоизменениям во время преобразования осадка и породы.

Аллотигенные компоненты составляют основную массу обломочных и некоторых глинистых пород и входят в виде примеси во многие другие породы. Они представлены обломками минералов и различных пород. В осадочных породах мы встречаем обломки наиболее устойчивых минералов и пород. Среди них на первом месте находится кварц, затем следуют мусковит, гидрослюда, каолинит, лимонит, обломки горных пород (преобладают обломки кремнистых и эффузивных пород).

Аутигенные компоненты. В осадках и осадочных породах описано свыше 200 аутигенных минералов. Среди них наибольшее значение имеют глинистые минералы, карбонаты, сульфаты, соли, хлориты, окислы и гидроокислы Fe, Mn, Al, кремнезем, фосфаты. Аутигенные минералы слагают основную массу карбонатных, сульфатных, фосфатных, железистых, марганцевых, глиноземистых пород, солей, часть глинистых пород, а также широко распространены в цементах обломочных пород и в конкрециях.

Органические остатки. В осадочных породах присутствуют органические остатки или следы жизнедеятельности организмов. В породах биогенного происхождения органические остатки являются преобладающим компонентом, а в некоторых случаях породы целиком сложены ими. Скопления растительных остатков дают начало торфу, ископаемым углям, планктон морей и океанов – нефти и другим битумам.

Космогенный материал не играет существенной роли в осадках и осадочных породах. Метеоритное вещество и космическая пыль постоянно поступают на поверхность Земли. Однако количество космического материала невелико (тысячи, первые десятки тысяч тонн в год).

Классификация осадочных пород

Одним из наиболее ранних принципов подразделения осадочных отложений является выделение среди них пород обломочного, органогенного и химического происхождения.

Дальнейшее подразделение в пределах этих крупных групп производится по вещественному и минеральному составу. Например, в хемобиогенной группе выделяют глиноземистые, железистые, марганцевые и другие породы. Железистые породы в свою очередь разделяются на окисные, карбонатные, силикатные и смешанного состава.

При классификации любых природных объектов и явлений следует, конечно, стремиться к использованию генетического принципа. Однако большая часть осадочных пород образуется разными способами, и поэтому чисто генетическая классификация с выделением крупных групп пород по генетическому признаку неудобна.

Распространение осадочных пород (по Л.Б.Рухину). Площади, занятые в треугольнике, примерно пропорциональны частоте нахождения соответствующих пород в осадочной оболочке.

Три главных пути осадконакопления (механический, химический и биохимический) определяют формирование различных осадочных пород. Часто происходит тесное переплетение перечисленных выше процессов. Поэтому среди осадочных пород очень много смешанных типов. Примеры: мергель, туффит.

Из-за своеобразия процессов, образующих обломочный вулканический материал, их следует выделить в самостоятельную группу. Тогда можно различать следующие четыре группы основных типов осадочных пород:


1) породы пирокластические, образованные при вулканических извержениях за счет скопления их твердых продуктов (вулканических бомб, пепла и пр.);
2) породы обломочные, сложенные химически неизмененными зернами минералов или обломками материнских пород, устоявшими против выветривания;
3) породы глинистые, состоящие из продуктов химического разрушения материнских минералов, обычно уже в области сноса перешедших в новые минеральные виды;
4) породы химические и биохимические, образованные продуктами химического разрушения материнских пород, перешедшими в растворы. Выпадение их из растворов происходит химическим путем или при прямом, либо косвенном участии организмов.

В каждой из этих групп породы подразделяются на более мелкие категории, исходя из различных признаков. Обломочные и пирокластические породы классифицируются по величине слагающих их обломков на грубообломочные, песчаные и алевритовые разновидности. Глинистые породы подразделяются по составу глинистых минералов, а размер частиц имеет второстепенное значение. Для пород химического и биохимического происхождения ведущим признаком также является их химико-минералогический состав.

Форма осадочных тел

Форма осадочных тел определяется условиями их образования. Озерные отложения залегают в виде линз или линзовидных пластов. Русловые речные отложения слагают шнуровидные тела. Для типично морских пород характерны выдержанные пласты.

Слоистость

Наблюдения над ней очень важны для реконструкции физико-географических условий накопления осадков. Она может быть обусловлена

  1. неодинаковой величиной обломочных частиц или размеров кристаллов в соседних слойках;
  2. различием их минерального состава;
  3. неодинаковой ориентировкой или окраской частиц, слагающих слойки;
  4. неодинаковым количеством и составом органических остатков в смежных слойках.

 

Структуры пород

Структура определяется взаимоотношением, размером и формой зерен.

Взаимоотношение зерен

Взаимоотношение зерен показывает способ образования породы и, в частности, образовались ли минералы на месте залегания породы или были принесены сюда. По взаимоотношению зерен структуры осадочных пород подразделяются на две группы:
I – конформные, или конформнозернистые,
II – неконформные, или неконформнозернистые.

Конформнозернистые структуры: сторона или контур одного зерна является стороной соседнего или его повторяет, так что зерна полностью заполняют пространство. Различаются три типа конформнозернистых структур.

  1. Гипидиоморфнозернистая, или гипидиоморфная: последовательность выделения кристаллов характеризуется степенью их идиоморфизма: ранние более идиоморфны, поздние приспосабливаются к промежуткам (). Однако если более поздние кристаллы обладают большей кристаллизационной силой, то они более идиоморфны ().
  2. Гранобластовая () (лепидобластовая (), нематобластовая (), или фибробластовая) – кристаллы неидиоморфны (аллотриоморфны, ксеноморфны); образуются при бластезе – росте кристаллов в твердой породе.
  3. Механические конформнозернистые, или механо-конформнозернистые структуры возникают при механическом приспособлении зерен друг к другу под давлением вышележащих слоев или при стрессе (3).
  4. Неконформнозернистые структуры характеризуются несоответствием контуров у соседних зерен, и последние не заполняют полностью пространство, оно остается пустым (пористость) или выполняется цементом. Различают три основных типа:

    1. Обломочные, или кластические (то же – детритовые) (4), в том числе обломки кристаллов – кристаллокластическая, пород – литокластическая, вулканического стекла – витрокластическая, органических остатков – биокластическая.
    2. Цельноскелетные биоморфные структуры (5).
    3. Шароагрегатные, или сфероагрегатные (6), в том числе оолитовая, пизолитовая, сферолитовая, желваковая и т.п.

Гипидиоморфнозернистая структура

Гипидиоморфнозернистая структура

Гранобластовая структура

Лепидобластовая структура

Нематобластовая структура

Механо-конформнозернистая структура

Обломочная структура

Цельноскелетная биоморфная структура

Сфероагрегатная структура

Размер зерен. Общепринятых гранулометрических классификаций нет. Они различаются не только по странам, но и по группам пород, и даже в одной стране часто они различны по отношению к одной и той же группе пород.

 

Текстуры пород

Текстурой осадочной горной породы называют совокупность черт ее внутреннего строения, которые обусловлены пространственным взаимоотношением отдельных компонентов и их ориентировкой по отношению как к поверхности наслоения, так и к Земле.

Между структурами и текстурами пород существует отчетливая связь, иногда весьма тесная. Текстуры можно классифицировать по разным категориям признаков:
1) по тем объектам, которые они характеризуют: отдельный пласт, линзу, конкрецию, поверхность наслоения, закономерные сочетания слоев, целую толщу;
2) по типам пород (обломочных, глинистых, карбонатных и т. п.);
3) по их морфологическим признакам;
4) по стадиям литогенеза, с которыми связано их возникновение.

Текстуры обломочных и глинистых пород подразделяются по способу их образования на абиогенные и биогенные. Первые обусловлены физическими и химическими процессами, вторые – жизнедеятельностью организмов.

Различаются три основные формы стратификации: 1) собственно слоистость как текстуру сообществ пород; 2) слойчатость как внутреннюю текстуру слоев; З) слоеватость – параллельную ориентировку зерен плоской формы.

Цвет пород

Окраска осадочных пород, как правило, определяется минералогическим составом, в особенности присутствием железистых соединений и органического вещества; некоторое значение имеет также зернистость пород.

На рисунке - cоотношение содержания основных и закисных соединений железа в глинистых отложениях различной окраски (по Томлисону).
Глинистые породы:
1 – красные;
2 – пурпурные;
3 – зеленые;
4 – черные.

Пористость

Пористость (общая, или полная) осадочных пород и зависящая от нее их плотность (объемный вес) являются важными свойствами. Пористость породы определяется процентным соотношением порового пространства (V1) к общему объему породы (V2) и соответствует пространству породы, свободному от твердой минеральной фазы.

Эффективная пористость – это объем взаимосвязанных пор, через которые может проходить жидкость (вода или нефть). Начальная пористость осадков зависит от их петрографического типа и местных условий отложения. Она убывает на протяжении диагенеза, эпигенеза и метаморфизма. В процессе выветривания пористость обычно увеличивается. Особенно резко это выражено у карбонатных пород.

Проницаемость

Проницаемость – это способность пропускать жидкость или газ под действием перепада давления. Определяется по формуле

  • где Q – объем жидкости или газа, проходящего через пористую среду в единицу времени;
  • F – площадь фильтрации;
  • μ – динамическая вязкость фильтруемого газа или жидкости;
  • Δр/Δl – градиент давления.

Пористость и проницаемость характеризуют коллекторские свойства породы. Они имеют большое значение в разведке подземных вод, нефти и газа.

Выводы

  1. Осадочные породы – это породы, образующиеся в результате преобразования в термобарических условиях верхней части земной коры осадков, которые являются механически или химически осажденными продуктами разрушения более древних пород, извержений вулканов, жизнедеятельности микроорганизмов, животных и растений.
  2. Осадки могут формироваться в результате трех резко различных процессов:
    • осаждения обломочного материала,
    • выпадения из растворов определенных веществ,
    • жизнедеятельности организмов.
  3. В осадочных породах присутствуют три главные составные части:
    • минералы, которые существовали до образования данной осадочной породы (унаследованные),
    • минералы, образовавшиеся химическим путем на разных стадия формирования породы,
    • остатки растений и животных.
  4. Можно различать четыре группы осадочных пород:
    1) породы пирокластические, образованные при вулканических извержениях за счет скопления их твердых продуктов (вулканических бомб, пепла и пр.);
    2) породы обломочные, сложенные химически неизмененными зернами минералов или обломками материнских пород, устоявшими против выветривания;
    3) породы глинистые, состоящие из продуктов химического разрушения материнских минералов, обычно уже в области сноса перешедших в новые минеральные виды;
    4) породы химические и биохимические, образованные продуктами химического разрушения материнских пород, перешедшими в растворы. Выпадение их из растворов происходит химическим путем или при прямом, либо косвенном участии организмов.
  5. Основными свойствами осадочных пород являются также:
    • слоистость;
    • структура;
    • текстура;
    • цвет;
    • пористость;
    • проницаемость.
    Пористость и проницаемость имеют большое практическое значение.

Вопросы для самопроверки

  1. Что называется осадочной породой?
  2. В чем различие между осадком и осадочной породой?
  3. Насколько широко распространены осадочные породы?
  4. В результате каких процессов образуются осадки?
  5. Каковы основные стадии формирования осадочных пород?
  6. Что такое сингенез, диагенез и эпигенез?