Литология. Структурная геология

Р. А. Щеколдин. Конспекты лекций

Литология. Структурная геология

Р. А. Щеколдин. Конспекты лекций

Соляные породы

Общая характеристика

Соляными породами (кратко — солями, или эвапоритами) именуют образования, состоящие преимущественно из легко- или заметно растворимых в воде минералов.

Минеральный состав

Хлориды:

  1. галит, или поваренная соль NaCl,
  2. сильвин, или калийная соль КСl,
  3. бишофит MgCl2 · 6H20,
  4. карналлит КСl · MgCl2 · 6H20).

Сульфаты:

  1. ангидрит CaSO4,
  2. гипс CaSO4 · 2H20,
  3. мирабилит, или глауберова соль Na2SO4 · 10H20,
  4. кизерит MgSO4 · H20,
  5. эпсомит MgSO4 · 7H20,
  6. лангбейнит K2SO4 ·2MgSO4,
  7. полигалит K2SO4 · MgSO4 · 2CaSO4 · 2H20,
  8. acmpaханит Na2SO4 · MgSO4 · 4H20 и др.

Двойные смешанные соли:

  1. каинит КСl · MgSO4 · 3H20 и др.

Легкорастворимые карбонаты:

  1. сода – десятиводная Na2CO3 · 10H20 и семиводная Na2CO3 · 7H20,
  2. гейлюссит Na2CO3 · СаCO3 · 5H20.

Нитраты:

  1. селитра натриевая, или чилийская NaNO3,
  2. селитра калиевая KNO3.

Бораты:

  1. борацит Mg3ClB7O13,
  2. гидроборацит MgCaB6O11 · 6H20,
  3. бура Na2B4O7 · 10H20 и др.

Фториды:

  1. флюорит CaF2.

Фториды нерастворимы.
У большинства пород названия одинаковы с господствующими минеральными видами:
гипсы, ангидриты, мирабилиты, карналлитовые породы, каинитовые породы, полигалитовые породы, лангбейнитовые породы и др.,
а также сильвиниты, сложенные сильвином с примесью галита и некоторых калиевых сульфатов, и каменная соль – галитовая.
Все они представляют собой ценные полезные ископаемые.
Они важны как геологический документ, по которому устанавливается аридный тип литогенеза.
Они генетически однотипны: только хемогенное осаждение (биогенная только чилийская селитра – гуано). Большинство солей образуются в наземных водоемах за счет повышения концентрации до перенасыщения и выпадения осадков вследствие полного или частичного выпаривания растворов. Отсюда и возникло название «эвапориты».

Структуры

В большинстве случаев соли образуют идиоморфнозернистые крупнокристаллические агрегаты с гранобластовыми структурами;
у ангидритов и гипсов-селенитов с могут быть нематобластовые структуры (от греч. nematos – игла).
Реже встречаются микрогранобластовые, микронематобластовые и колломорфные структуры.

Текстуры

Текстуры в основном горизонтально-слойчатые, с ритмично чередующимися слойками соли, чистой и загрязненной глинисто-карбонатными примесями – сезонная ленточная слойчатость (варвы).
Они нередко осложняются подводно-оползневыми складками, диапировыми складками или складками, вызванными вторичным обводнением и изменением объемов пород при катагенезе.

Гранобластовая структура соли в стенке горной выработки

Тонкослойчатая текстура соли в стенках горной выработки

Петротипы эвапоритов (по В.Т. Фролову, 1992)

Сульфатные породы

Главными сульфатными породами являются ангидриты, гипсы, мирабилиты, глаубериты и др., а также смешанные полисульфатные.
Более редки баритовые и целестиновые породы.

Гипсы, или гипсолиты

Широко распространены. Мощность пластов – от десятков метров до сантиметров и миллиметров, обычны конкреции, гнезда и жилы. Цвет белый, светло-серый, голубоватый, розовый и красный. Структура от гиганто- до микрокристаллической, гипидиоморфная, гипидиогранобластовая и гранобластовая, переходящая в фибробластовую, часто порфирогранобластовая. Текстура: тонкая и грубая слоистость, нередко сезонная, с прямой и обратной градационностью, иногда косая и волнистая (в гипсовых дюнах). Гипсы часто переслаиваются с доломитом и ангидритом. Гипс образует и сростки кристаллов в виде «гипсовых роз».

В шлифе гипс узнается по отсутствию рельефа (немного меньше бальзама). Ng=1,5305, Nm=1,5228, Np=1,5208, белым, как у кварца, цветам интерференции (Ng—Np=0,0097), крупным размерам кристаллов с совершенной спайностью, косому погасанию, двуосности (+).

Гипсовые дюны

Гипсы, нижний карбон, о-ва Алебастровые, Новая Земля

Гипсовые розы

Ангидриты, или ангидритолиты

Ангидриты тесно связаны с гипсами взаимными превращениями. Они имеют те же формы залегания – пласты, линзы, гнезда, жилы, конкреции. По цвету, структурам и текстурам также подобны гипсам. При гидратации переходят в гипсы с увеличением объема на 30—50%. Это вызывает энтеролитовую (внутрипластовую) складчатость. С глубины 100—200 м гипсы переходят в ангидриты. Взаимодействие гипса и ангидрита с битумами часто приводит к образованию месторождений самородной серы.

Энтеролитовые складки

В шлифе ангидриты чаще всего имеют лепидогранобластовую структуру и могут быть приняты за мусковитовые породы из-за своего высокого двупреломления (Ng—Np=0,044), ярких пестрых цветов интерференции и слюдоподобного габитуса кристаллов. Показатели преломления Ng=1,614; Nm=1,576; Np=1,570. Погасание прямое, кристаллы призматические с совершенной спайностью по призме.

Бариты, или баритолиты

Бариты отличаются большим удельным весом (4,3—4,7). Цвет белый (кристаллы – бесцветные), серый, от примесей гидроокисей железа желтый и бурый, а от битумов – темно-серый и черный. Структуры от гиганто- (размер кристаллов до 5 см) до мелкозернистых, обычны сферолиты. Барит в шлифе бесцветен. Ng=1,643—1,649, Nm=1,635—1,638, Np=1,630—1,636, Ng – Np=0,012. Обычно встречается в виде конкреций, достигающих размера 5—10 м, часто сферолитового строения, а также в виде жил и цемента песчаников. Содержание в песчаниках может достигать 12,6—33,8%. Изменяется в церуссит, сидерит, кальцит и др.

Целестины, или целестинолиты

Цвет целестина – голубоватый, реже красноватый и бесцветный. Образуют изоморфный ряд минералов целестин—барит. Образуют конкреции, жеоды, жилы среди известняков, доломитов, сульфатов кальция, каменной соли. Структура волокнистая, игольчатая и призматически-зернистая. В шлифе целестин сходен с баритом, от ангидрита и барита целестин отличается низким двупреломлением (0,009) и несколько более высоким светопреломлением.

Кристаллы барита

Баритовые конкреции из песков нижнего мела. П-ов Хара-Тумус, Хатангский залив

Кристаллы целестина

Хорошо растворимые в воде сульфаты

Сюда относятся тенардиты, мирабилиты, кизериты, эпсомиты, астраханиты, глазериты, лангбейниты, полигалиты и др., а также смешанные хлоридно-сульфатные породы – каиниты. Они образуют моно- или полиминеральные слои, часто в смеси с галитом, карналлитом и др.
Структуры яснокристаллические, гипидиоморфнозернистые и гипидиогранобластовые.
Текстуры каркасные, пятнистые, массивные, брекчиевые, желваковые, вкрапленные, жильные, волокнистые, сферолитовые и др.
Цвет от бесцветного и белого до серого, желтого, красного, голубоватого, зеленоватого, однородного и пятнистого.

Хлоридолиты

Каменная соль, или галитолит образует мощные (от сотен метров до 1—2 км) толщи однородной породы. Содержание NaCl в наиболее чистых породах достигает 99% и более. Цвет белый, серый, реже голубоватый и красный. Структуры гипидиоморфные и гранобластовые. Текстуры массивные и слоистые.
Соль при относительно низких температурах и давлении способна к пластическому течению (галокинезу).

Сильвиниты – калийная соляная порода, красная и пестрая, бесцветная, неслоистая и тонкослоистая, полосчатая, с разной примесью (ангидритовой, полигалитовой, кизеритовой, карбонатной, глинистой). Они часто смешанные, галито-сильвиновые. Мощность пластов достигает десятков метров.

Карналлиты, карналлитолиты по распространенности и значению уступают только сильвинитам. Чаще всего они срастаются с галитом и сильвином, а в месторождениях сульфатного типа с каинитом, кизеритом, ангидритом, а также с магнезитом, анкеритом и др. Цвет чаще всего красный, от темного и сургучного до светло-желтого, иногда с лиловатым и зеленоватым оттенками, в единичных кристаллах карналлит бесцветен. В шлифах нередко видны таблички гематита и иголочки гётита. Характерны двойники: полосчатые, решетчатые и неправильные. Текстуры – массивная, слоистая, пятнистая, петельчатая, замещения.

Бишофитолиты, бишофитовые породы распространены ограниченно, образуют линзы, гнезда, прослои в калийных и других солях. Структура разнозернистая, чаще средне- и крупнозернистая, близкая к гранобластовой.

Фторидолиты, или флюорититы

Флюорит образует небольшие гнезда и скопления в пелитоморфных доломитах, гипсах, и ангидритах, а также в нормально-морских органогенных известняках.

Растворимые карбонатолиты

Это содовые породы, белые, землистые или кристаллические, состоящие из ромбоидальных табличек ромбической сингонии, с низкими показателями преломления, но с высоким (0,035) двупреломлением.
Образуются в значительных массах на средних стадиях выпаривания содовых озер.

Полихромный флюорит

Содовое озеро

Нитратолиты

Нитратолиты, или селитровые породы (натриевые и калиевые), легко растворимые в воде, накапливаются только в аридном климате в результате бактериального разложения органических остатков, в том числе и копролитов.
Натровая (чилийская) селитра – тригональная, ромбоэдрическая, сходная с кальцитом, но с более низким преломлением. Образует зернистые массы, корки, выцветы, солончаки и пластовые накопления. Часто связана с залежами гуано и карстом.
Калиевая селитра – ромбическая, игольчатая, сходная с арагонитом, но с более низким преломлением, встречается в виде выцветов в почвах и налетов в пещерах.

Добыча селитры в Чили

Боратолиты, или боратовые породы

Основные представители – гидроборацитовые и борацитовые породы белого или иного (от примесей) цвета, кристаллические и землистые, в виде натеков, сферолитовых образований, жил, линз и редких пластов, встречающихся в гипсе, ангидрите, других солях и глинах.

Происхождение эвапоритов

С образованием эвпоритовых отложений связаны четыре основных вопроса.

  1. Почему при современных малых площадях соленакопления древние толщи солей имеют огромные площади распространения – до 1 млн. км2?
  2. Как прежде могли выпадать в осадок толщи солей мощностью в десятки и сотни метров, если для извлечения из морской воды 3-метрового пласта гипса необходимо осушение водоема глубиной около 4 200 м, а для формирования 40 000 км3 девонских солей в Днепрово-Донецкой впадине потребовалось бы выпарить столб океанской воды высотой более 51 км?
  3. Почему при выпаривании морской воды соли из нее выпадают не в той же последовательности, какая наблюдается в соленосных комплексах геологического прошлого?
  4. Почему при массовом соленакоплении не иссякали солевые резервы Мирового океана?

Соленакопление происходит по-разному в двух принципиально различных типах ландшафтов:
1) континентально-озерном;
2) лагунно-морском.
Сейчас преобладает первый тип, в прошлом преобладал второй.

Соленые озера представляют собой бессточные бассейны аридных климатических зон, куда соли привносятся реками либо подземными водами.

Обстановка осадконакопления в гидрологически закрытой впадине с непересыхающим соленым озером

Обстановка осадконакопления в гидрологически закрытой впадине с пересыхающим соленым озером

Солевой состав озер разный, он зависит от составов дренируемых пород. Воды таких бассейнов принадлежат к одному из трех химических типов:
1) хлоридному – насыщенному NaCl;
2) натриево-сульфатному;
3) хлоридно-карбонатному (содовые озера).
Озера, насыщенные боратами, редки.

Совершенно иные условия в лагунно-морских солеродных бассейнах. Их воды относятся к сульфатно-магниевым. Составы и последовательность выпадения из них солей здесь другие, чем в озерах.

В древние эпохи окраинно-морские обстановки эвапоритовой седиментации имели намного бо́льшие масштабы, чем сейчас. Эвапоритовые отложения накапливаются очень быстро, в 10—100 раз быстрее, чем большинство других осадков.

Модель образования глубоководных эвапоритовых отложений

Теория Бишофа и Оксениуса считается наиболее обоснованной. По этой модели осаждение эвапоритов происходило из сравнительно глубокой застойной массы рассола, периодически пополняемой океанской водой через барьер.

Выделяют четыре стадии заполнения бассейна: а) эвксинная; б) эфемерная; в) постоянная эвапоритовая; г) заключительная.

Эвксинная стадия: стагнация на глубине ниже порога; придонные воды обеднены кислородом; бентос анаэробный, нектон нормально морской; сапропелевые фации

Эфемерная стадия: постоянная стагнация на дне; соли, осаждающиеся в поверхностных водах, растворяются на глубине; фауна редка или отсутствует

Постоянная эвапоритовая стадия: донный рассол насыщен галитом; галит и гипс, образующиеся в поверхностных водах, сохраняются на глубине; донный рассол замещается солями

Заключительная стадия: бассейн заполняется солями; на поверхности окислительные условия, соляные пруды, эоловые осадки и выцветы солевых корок; формируются калийные соли

Модель себхи

Вторая модель соленакопления – себха. На берегу Персидского залива в районе Абу-Даби осадконакопление связано с себхами – засоленными надлиторальными равнинами. Соленость Персидского залива (40—50‰) выше солености Индийского океана (35—37‰), а в лагунах может достигать 70‰. Интенсивное испарение (до 150 см/год) и редкие атмосферные осадки (в среднем 4—5 см/год) в себхах приводят к повышению солености грунтовых вод. Бо́льшая часть грунтовых вод происходит за счет просачивания штормовых потоков и стекающих в море грунтовых вод суши. Быстрое испарение приводит к концентрированию поровой жидкости и осаждению гипса, ангидрита и галита в промежутках между зернами осадка. Гипс и галит, кроме того, образуются в пониженных участках поверхности и в замкнутых лагунах и входят затем в комплекс отложений себхи. Основной вклад ионов в грунтовые воды себхи дает море. Морские воды поступают в себху с брызгами, разгрузочными потоками и в результате интенсивного испарения – процесса, известного как эвапоритовая накачка.

Карта фаций прибрежных карбонатов в районе Абу-Даби, побережье Персидского залива: 1 – суша; 2 – себха; 3 – водорослевые маты; 4 – пеллеты и илы; 5 – пеллеты, грейпстоны и скелетные пески; 6 – оолиты; 7 – органогенные рифы и кораллово-водорослевые пески; 8 – скелетные пески; 9 – глубина, морские сажени.

Модель прибрежной себхи в районе Абу-Даби, побережье Персидского залива: a – общая схема: лагунная вода уже гиперсоленая. При сужении прохода в море, соли могут осаждаться в лагуне и подстилать эвапориты сабхи. b – прибрежая себха с испарительной накачкой морской воды (приток подземный или эпизодические наводнения) и континентальных грунтовых вод.

Идеализированный вертикальный разрез себхи: в самом низу отложения сублиторальные, далее (вверх) литоральные и надлиторальные фации. Верхняя часть разреза срезана и перекрывается снова сублиторальными отложениями

Модель высыхающего бассейна

Эта модель предполагает несколько событий заполнения и высыхания бассейна. В результате образуются концентрические зоны осаждения карбонатов, сульфатов и галита. В этой модели эвапоритовые фации сменяются латерально и имеют кольцевое расположение.

5—6 млн. лет назад было несколько эпизодов понижения уровня Средиземного моря. Частично или полностью закрывался проход в Атлантический океан, затем следовало новое наполнение бассейна и возобновление нормального морского осадконакопления. Мессинский кризис солености послужил основой для модели высыхающего глубоководного бассейна. Эвапоритовые события средиземноморского мессиния продлились не более 500 тыс. лет, за это время было образовано 1,5—2 км сульфата кальция и галита со средней скоростью 3—4 м/1000 лет.

Эвапоритовые события средиземноморского мессиния: 1, 2, 3 – последовательные стадии

Таким образом, разработаны три основные модели для большинства древних эвапоритовых отложений.

  1. Замкнутый бассейн, субаквальное отложение в условиях от мелководных до глубоководных,
  2. Субаэральное осаждение в прибрежных себхах и солончаках,
  3. Осаждение в глубоких, частично пересыхающих, бассейнах, как в себхах, так и внутри соленых водных масс.

Эти модели не исключают друг друга, и многие древние эвапориты отлагались при разнообразном сочетании тесно связанных обстановок.

В древние эпохи окраинно-морские обстановки эвапоритовой седиментации имели намного большие масштабы, чем теперь. Существовали лагуноподобные, мелкие и разделенные узкими проливами моря. Испарение вод этих морей пополнялось притоками из океанской акватории все новых и новых вод.
Один из примеров – палеобассейн кунгурского века на восточной окраине Русской плиты.

Литолого-фациальная схема кунгурского солеродного бассейна. Районы распространения: 1 – пермских отложений; 2 – кунгурского яруса; 3 – терригенных грубозернистых пород; 4 – терригенных угленосных отложений; 5 – аргиллитов, алевролитов и песчаников; 6 – то же, с включениями и прослоями гипса и ангидрита; 7 – терригенно-соленосных отложений; 8 – песчаников и аргиллитов с прослоями известняков; 9 – то же, с прослоями доломитов и ангидритов (гипсов); 10 – глинистых доломитов; 11 – то же, с прослоями ангидритов; 12 – чередования ангидритов, глинистых доломитов и мергелей; 13 – доломитов и ангидритов; 14 – каменной соли; 15 – калийных солей; 16 – бишофитовых пород

Схема питания Восточно-Европейского эпиконтинентального морского бассейна кунгурского времени (М.П.Фивег, 1983): 1 — морская вода; 2 — воды суши; 3 — воды эпиконтинентального моря, поступающие в солеродный бассейн

Схема расположения Восточно-Европейского бассейна кунгурского времени (по В. И.Устрицкому, с дополнениями): 1 — эпиконтинентальное море нормальной солености; 2 — промежуточный бассейн; 3 — солеродный бассейн; 4 — океан

Практическое значение

Все соли являются ценными полезными ископаемыми. Соль — один из основных продуктов питания, калийные и азотные соли — ценнейшие удобрения, все соли — ценное химическое сырье, многие гипсы — поделочные камни и сырье для производства стройматериалов и алебастра; по сульфатам образуются месторождения серы. Соляные купола – ловушки углеводородов.

Выводы

  1. Соляными породами (кратко — солями, или эвапоритами) именуют образования, состоящие преимущественно из легко- или заметно растворимых в воде минералов.
  2. Большинство солей образуются в водоемах за счет повышения концентрации до перенасыщения и выпадения осадков.
  3. Соли имеют очень важное практическое значение.

Вопросы для самопроверки

  1. Какие породы относятся к группе соляных?
  2. Каковы основные породообразующие минералы соляных пород?
  3. Каковы основные типы сульфатных пород?
  4. Каковы основные типы хлоридолитов?
  5. Каково происхождение соляных пород?
  6. Каково практическое значение соляных пород?