Литология. Структурная геология

Р. А. Щеколдин. Конспекты лекций

Литология. Структурная геология

Р. А. Щеколдин. Конспекты лекций

Обстановки осадконакопления

Глубоководные морские обстановки

Можно выделить три основных фактора, контролирующих морское глубоководное осадконакопление: 1) поступление осадочного материала, 2) тектоника, 3) колебания уровня моря, а также ряд других второстепенных факторов.

1. Поступление осадочного материала — тип осадка (размер зерен и их состав), объем материала и скорость, с какой он может отлагаться, количество и расположение источников сноса.

2. Тектоническая обстановка воздействует на скорость воздымания и денудации, дренажные системы, ширину прибрежных равнин и шельфа, градиенты склонов, валовой запас осадков, морфологию котловин, аккумулирующих осадки и местные колебания уровня моря.

3. Колебания уровня моря влияют, главным образом, на источники сноса и, следовательно, на питание осадками. В периоды низкого стояния моря реки и могут непосредственно выходить на склоны бассейна. Во время высокого стояния моря сообщение между областями сноса и накопления осуществляется через широкий континентальный шельф. По своей природе эти изменения могут быть глобальными (эвстатическими) или региональными.

Обломочные осадочные частицы должны быть эродированы с суши или дна, перенесены, а затем отложены. Биогенный материал образуется непосредственно в океане. Аутигенные минералы образуются на поверхности раздела осадок — вода.

Физические процессы

Три основных процесса вызывают эрозию, транспортировку и осаждение материала в глубоком море: 1) гравитационное перемещение материала, 2) нормальные придонные течения, 3) поверхностные течения с пелагическим отложением.

Гравитационное перемещение материала

Сюда относятся все процессы, в ходе которых осадки перемещаются вниз по склону из более мелких в более глубокие воды под действием силы тяжести.

Камнепады в море относительно редки из-за очень пологих склонов. Они происходят только на крутых склонах, имеющих разломное происхождение или сложенных карбонатным материалом, или в верховьях глубоко врезанных морских каньонов и возникают за счет подмывания и эрозии, а также при землетрясениях. Перемещаемые обломки (олистолиты) могут быть очень большими (>10 м) и скатываться вниз по склону на расстояние от нескольких десятков до сотен метров.

Осадочный крип (ползучесть) возникает в процессе медленной деформации, обусловленной постоянной нагрузкой. Этот процесс редко удается наблюдать вследствие его крупномасштабности и малой величины вызываемой деформации. Вероятно, он является широко распространенным явлением даже на очень пологих склонах.

Модель крипа осадков на пологом подводном склоне: τ – напряжение сдвига, s – сопротивление сдвигу (Einsele, 2000)

Сползание блоков. Сползание (slide – соскальзывание) – характеризуется небольшими внутренними нарушениями, крупные блоки полузатвердевшего осадка смещаются как единое целое по единой поверхности скольжения.

Оползни (slump) сопровождаются значительными внутренними нарушениями. Эти процессы широко распространены на всех склонах с углами наклона, большими 0,5°. Объем вовлеченных в них осадков колеблется от менее 1 км3 до более 100 км3, а мощность может составлять несколько сотен метров. Они обычно вызываются землетрясениями.

Обломочные потоки представляют собой высококонцентрированную, очень вязкую осадочную дисперсию, которая ведет себя как пластический поток. Обломочные потоки, по-видимому, возникают за счет сейсмических толчков, оползания или крипа осадков. Поток останавливается, когда сопротивление сдвигу обломочных масс превышает силу тяжести.

Иловые потоки подобны обломочным и связаны с ними взаимными переходами. Отложения илового потока имеют илистый матрикс с высоким содержанием алеврита (или микрофоссилий) и не содержат никаких или только небольшое количество обломков, в основном интракласты, часто деформированные при оползании. Возникают на склонах, образованных накоплениями ила.

Турбидные потоки высокой и низкой плотности. По концентрации взвеси можно выделить течения высокой (50—250 г/л), так и низкой (0,025—2,5 г/л) плотности. Турбидные течения высокой плотности возникают : 1) из оползней или обломочных потоков; 2) из песчаных обвалов, зернистых потоков, или разрывных течений; 3) при штормах, взмучивающих неконсолидированные донные осадки и 4) непосредственно из взвешенного осадочного материала, поставляемого в море реками в половодье или при таянии ледников. Во всех турбидных потоках осадочные частицы поддерживаются во взвешенном состоянии главным образом направленной вверх компонентой турбулентности в жидкости. Доказано, что турбидный поток может сохраняться в виде автосуспензии. Для сохранения автосуспензии необходимо, чтобы потеря энергии при трении компенсировалась приростом энергии силы тяжести.

Модельные последовательности для иловых и песчаных турбидитов, оползней, обломочных и иловых потоков (Einsele, 2000)

Модели переотложенных карбонатных (биогенных) фаций

Переотложенные карбонаты встречаются вблизи многих современных карбонатных платформ и на флангах подводных гор и срединно-океанических хребтов. 

Отложения камнепадов в карбонатных толщах более распространены, чем в терригенных породах; по-видимому, это связано с наличием крутых склонов на рифах и краях карбонатных платформ. Широко распространены карбонатные оползни и дебриты, которые мало отличаются от терригенных аналогов. Для переотложенных обломочных карбонатов используются термины «кальцилютит» – частицы пелитовой размерности, «калькаренит» – частицы песчаной размерности, «кальцирудит» – карбонатные конгломераты и брекчии.

Структуры и фации разреза грубозернистых (кальцирудит-калькаренитовых) турбидитов эквивалентны структурам и фациям грубозернистых терригенных турбидитов. Однако для них более обычны интервалы разреза с косой слоистостью.

В калькаренит-кальцилютитовых турбидитах в подразделении Tc Боумы конволютная слоистость является более обычной, а перекрестная слоистость ряби чаще встречается в терригенных песчано-глинистых турбидитах. Во многих случаях трудно определить, являются ли переслаивающиеся кальцилютиты турбидитами или пелагическими отложениями. В менее чистых карбонатных системах, где имеется значительная примесь терригенных глин, формируется более нормальная обломочная последовательность Боумы.

В кальцилютитовой турбидитно-пелагической модели подчеркиваются тонкие различия между турбидитными и пелагическими подразделениями в мелкозернистых переотложенных карбонатах. Если в потоке существует небольшое количество алевритового или песчаного материала, он будет осаждаться первым в виде тонкого (слоистого) базального подразделения (Е1), перекрываясь бесструктурным кальцилютитом, в котором может быть видна очень слабая градационная слоистость (Е2).

Модельные последовательности для карбонатных турбидитов, камнепадов, оползней, обломочных потоков (Einsele, 2000)

Модели фаций придонных течений

Морские глубоководные придонные течения оказывают влияние на образование двух различных типов фаций: переотложенных осадков русел и контуритов.

Переотложенные русловые осадки. В каньонах и руслах под воздействием более или менее постоянных донных течений могут формироваться флювиальные фации. Крупные гряды косослоистых песчаников и маломощные гравийные остаточные отложения, вероятно, представляют собой фации нормальных течений, характерные для подводных каньонов и русел.

Контуриты. Под воздействием донных течений образуются два основных типа фаций контуритов: илистые контуриты и песчаные контуриты. Илистые контуриты — тонкозернистые, плохо сортированные отложения глинистой и алевритовой размерности с содержанием песчаной фракции до 15%. Они в основном гомогенны или бесструктурны и основательно биотурбированы, реже харак-теризуются неправильным наслоением и линзовидностью. По размеру зерна контуриты колеблются от тонкозернистых гомогенных илов до илистых алевритов.

Модели гемипелагических фаций

Гемипелагические осадки по составу очень близки к илистым контуритам, состоящим из смеси биогенного и терригенного материала; они также гомогенные, массивные и основательно биотурбированные. Однако в них отсутствуют какие-либо свидетельства влияния течений и не видно вертикальной последовательности фаций или текстур.

Выводы

1. Три основных фактора, контролируют морское глубоководное осадконакопление: 1) поступление осадочного материала, 2) тектоника, 3) колебания уровня моря.

2. Три основных процесса вызывают эрозию, транспортировку и осаждение материала в глубоком море: 1) гравитационное перемещение материала, 2) нормальные придонные течения, 3) поверхностные течения с пелагическим отложением.

3. Камнепады в море происходят только на крутых склонах. Перемещаемые обломки (олистолиты) могут быть очень большими (>10 м) и скатываться вниз по склону на расстояние от нескольких десятков до сотен метров.

4. Осадочный крип (ползучесть) возникает в процессе медленной деформации, обусловленной постоянной нагрузкой. Вероятно, он широко распространен даже на очень пологих склонах.

5. Оползни широко распространены на всех склонах с углами наклона, большими 0,5°.

6. Обломочные потоки представляют собой высоко концентрированную, очень вязкую осадочную дисперсию, которая ведет себя как пластический поток.

7. Турбидные потоки высокой и низкой плотности. Осадочные частицы поддерживаются во взвешенном состоянии направленной вверх компонентой турбулентности в жидкости.

8. Нормальные придонные течения включают внутренние волны и приливы, течения в каньонах и контурные течения. Придонные течения вызывают формирование осадочных тел, сложенных контуритами.

9. На склонах и в котловинах вблизи суши образуются гемипелагические осадки. В их составе присутствуют терригенные компоненты с большой долей зерен алевритовой размерности.

Вопросы для самопроверки

1. Что такое «олистолиты»?

2. Какие структурно-текстурные элементы включает цикл Боума?

3. Что такое «дебриты»?

4. Каковы особенности карбонатных турбидитов?

5. Что такое «контуриты»? Какие разновидности контуритов выделяются?

6. Каковы особенности гемипелагических осадков?

Пелагические отложения

Пелагические осадки сложены главным образом микроскопическими скелетными остатками планктонных животных и растительных организмов, в разной степени разбавленных абиогенными компонентами. Такие осадки могут быть богаты карбонатами, кремнеземом или глинистым веществом; их фации сменяют друг друга латерально по площади океана и по вертикали через определенные батиметрические уровни.

Фациальная изменчивость контролируется в первую очередь двумя факторами: глубиной карбонатной компенсации (ГКК) и продуктивностью поверхностных вод.

ГКК – глубина, на которой скорость поступления биогенного карбонатного материала и скорости его растворения равны. Уровень увеличения скорости растворения, или лизоклин, находится обычно на меньшей глубине, чем ГКК.

Глубже нескольких сотен метров морская вода недосыщена по отношению ко всем формам карбоната кальция, но наибольшее растворение происходит, как правило, на глубинах несколько километров.

Выше ГКК накапливаются известковые осадки, состоящие в основном из низкомагнезиального кальцита раковин фораминифер и нанофоссилий, в более мелководных условиях содержащие примесь арагонитовых раковин птеропод.

Распространение пелагических осадков в зависимости от глубины. 1 — красные глины; 2 — глобигериновые илы; 3 — птероподовые илы.

Ниже ГКК формируются диатомовые и радиоляриевые илы или красные (коричневые) глины, скорости накопления которых, как правило, ниже скоростей накопления карбонатов.

Биогенные осадки накапливаются быстро под областями высокой биологической продуктивности вод, где апвеллинги поставляют к поверхности океана богатые питательными веществами воды. Это создает условия для цветения микроскопических планктонных растительных организмов (фитопланктона). В таких условиях кремнезем становится существенным компонентом осадков вблизи и ниже ГКК.

Кремнистые илы распространены в приэкваториальных зонах, в Субарктике и Субантарктике, а также в определенных районах у побережий континентов. Все эти районы характеризуются апвеллингами и высокой биологической продуктивностью.

В непродуктивных регионах океанов глубже ГКК за счет осаждения эолового, вулканогенного и космогенного материала медленно образуются красные глины.

В субполярных районах существенным компонентом осадков становится материал ледового разноса. Все типы пелагических осадков при приближении к континентальным окраинам включают все больше терригенного материала, переотложенного мутьевыми потоками.

Спрединговые хребты

Спрединговые хребты представляют собой места сейсмической активности, вулканизма и высокого теплового потока. На склонах хребта осадконакопление также контролируется глубиной карбонатной компенсации (ГКК).

Хребты с медленным спредингом, например, Срединно-Атлантический, рассечены рифтом и характеризуются расчлененным рельефом, обнажениями разнообразных основных и ультраосновных пород. Хребты с быстрым спредингом, подобные Восточно-Тихоокеанскому поднятию, имеют более пологий рельеф с обширными поверхностями, занятыми эффузивами.

Вследствие смещения оси хребта смещаются и обстановки осадконакопления

На быстроспрединговом хребте наблюдается усиленное развитие базального слоя металлоносных осадков, обогащенных Fe и Mn. На хребте атлантического типа осадки залегают линзами на разных типах основных и ультраосновных пород. 

Металлоносные осадки, по сравнению со средним составом океанских глин обеднены Al и Ti, но обогащены Fe, Mn и сопутствующими им металлами (Cu, Pb, Zn, Ni, Co, Cr, V, Cd, U, Mg), а также As и В.

Металлоносные осадки состоят преимущественно из микроскопических глобуль гидроксидов Fe и Mn и железистого смектита, включают также разнообразные сульфиды и сульфаты.

 

В разных точках Восточно-Тихоокеанского поднятия обнаружены источники горячих флюидов с температурой до 350°С и рН до 4, отлагающие вокруг себя колонноподобные сооружения, которые получили название «дымоходов», сложенные различными сульфидными и сульфатными минералами. Известны два основных типа таких образований: высокотемпературные быстро растущие (8 см в день) «черные курильщики», выбрасывающие облака тонкодисперсного пирротина вместе со сфалеритом и пиритом, и менее горячие (до 100°С) «белые курильщики», извергающие взвешенный аморфный кремнезем, барит и пирит. Эти трубы стоят на холмиках, состоящих из выпавших из гидротерм сфалерита, пирита, халькопирита и ряда более сложных минералов. Активные трубы содержат также большое количество ангидрита и других сульфатов.

Железо-марганцевые корки и конкреции встречаются на многих подводных горах. Конкреции растут путем выпадения гидроксидов железа и марганца из разбавленного раствора морской воды. Однако по генезису они резко отличаются от гидротермальных образований центров спрединга. Железо-марганцевые отложения подводных гор обладают специфическими геохимическими признаками. Высокое содержание Со и нередко Ва, Рb, V, редких земель и Lu отличает обычно конкреции подводных гор от более глубоководных конкреций, более богатых Ni и Сu.

Красные глины непродуктивных районов океана состоят из различных глинистых минералов, главным образом иллита и монтмориллонита с подчиненным количеством каолинита и хлорита. Также присутствует примесь рентгено-аморфных железо-марганцевых гидроксидов, аутигенных цеолитов, местами палыгорскита и космических сферул. Примесь обломочного материала представлена полевыми шпатами, пироксенами и кварцем. Полевой шпат, пироксены и монтмориллонит поступают из внутриокеанических источников, и в частности последний — в результате подводного разложения базальтов. Хлорит терригенный поступает из районов с развитием пород низких ступеней метаморфизма. Кварц, иллит и в меньшей мере каолинит выносятся в океан, предположительно, высотными атмосферными струйными потоками. Вклад эолового материала в состав пелагических глин, вероятно, от 10 до 30%.

Кремнистые биогенные илы сложены радиоляриями, диатомовыми, силикофлагеллятами и спикулами губок. Распространены в современном океане в трех регионах: в глобальном южном поясе, в Северо-Тихоокеанской зоне и в экваториальном поясе. В северном и южном поясах первостепенную роль играют диатомовые, а в экваториальном преобладают радиолярии.

Выводы

1. Пелагические осадки сложены главным образом микроскопическими скелетными остатками планктонных животных и растительных организмов, в разной степени смешанных с абиогенными компонентами.

2. Фациальная изменчивость пелагических осадков контролируется в первую очередь глубиной карбонатной компенсации (ГКК) и продуктивностью поверхностных вод.

3. Выше ГКК накапливаются известковые осадки, состоящие в основном из раковин фораминифер, нанофоссилий и птеропод. Ниже ГКК формируются диатомовые и радиоляриевые илы или красные (коричневые) глины.

4. На спрединговых хребтах накапливаются металлоносные осадки, состоящие из микроскопических глобуль гидроксидов железа и марганца и железистого смектита.

Вопросы для самопроверки

1. Что такое глубина карбонатной компенсации?

2. Как зависит состав пелагических осадков от биологической продуктивности?

3. Где наиболее распространены радиоляриевые и диатомовые илы?

4. Где и как образуются металлоносные осадки, черные и белые курильщики?

5. Из чего состоят глубоководные красные глины?

6. Как образуются железо-марганцевые конкреции? Из чего они состоят?