Литология. Структурная геология

Р. А. Щеколдин. Конспекты лекций

Литология. Структурная геология

Р. А. Щеколдин. Конспекты лекций

Обстановки осадконакопления

Морские обстановки

Мелководные моря с терригенным осадконакоплением 

Мелководные моря характеризуются нормальной морской соленостью, небольшой глубиной (10—200 м) и делятся на два основных типа: 1) краевые, или периконтинентальные, моря, (современные шельфы континентов); 2) эпейрические, или эпиконтинентальные моря, – мелководные, частично замкнутые бассейны в континентальных районах. 

Типы шельфовых и эпиконтинентальных морей (по Einsele, 2000)

Можно различать четыре гидравлических режима шельфа: 1) преимущественно волновой, 2) преимущественно приливно-отливный, 3) преимущественно океанических течений, 4) преимущественно штормовой.

Шельфы с преимущественно волновым режимом контролируются сезонными изменениями интенсивности волн и течений. Активная транспортировка осадков ограничена периодами штормов. Преобладают тонкозернистые осадки и мелкомасштабные формы дна.

Шельфовые моря с преимущественно приливно-отливным режимом ежедневно промываются сильными донными течениями, которые способны формировать донные формы различного размера. В них песок поступает в больших количествах, чем в бесприливные моря.

Шельфы с режимом преимущественно океанических течений обычно узкие и постоянно находятся под воздействием устойчивых однонаправленных течений, которые вторгаются на шельфы из открытого океана.

Шельфы с преимущественно штормовым режимом. Режим любого шельфа в большей или меньшей степени подвержен штормовым процессам. При высокой частоте штормов режим считается полностью штормовым.

Древние мелководные моря с терригенной седиментацией

Древние мелководные моря с терригенной седиментацией распознаются на ос-новании солености и батиметрии. Для обстановок древних морей чаще всего используются названия сублитораль, неритовая зона и шельф.

Критерии определения древних мелководных морских терригенных отложений: 1) соленость, 2) температура, 3) количество раство-ренного кислорода, 4) свойства субстрата, 5) гидравлические условия, 6) глубина воды. По этим признакам древние морские мелководные терригенные отложения подразделяются на основании суммы диагностических критериев: 1) биологических, 2) минералогических и 3) седиментологических.

Биологические критерии

Наиболее надежную основу для различения морских и неморских обстановок дают остатки ископаемых беспозвоночных. Шельфовую обстановку идентифицируют стеногалинные виды. К ним относятся кораллы, цефалоподы, замковые брахиоподы, иглокожие, мшанки и некоторые известковые фораминиферы.

Следы жизнедеятельности дают несомненные данные об активности животных внутри субстрата и на нем. Каждый след жизнедеятельности несет информацию как об активности индивидуального организма, так и об условиях субстрата.

Ихнофации и их связь с батиметрическими зонами (Nichols, 2009, по Pemberton et al. 1992)

Следы Thalassinoides, ихнофация Cruziana (Nichols,2009)

Следы Zoophycos (Nichols, 2009)

Следы Nereites, верхний карбон, Новая Земля

Относительная распространенность скелетных остатков (Рединг, ред.,1990)

Относительная распространенность следов жизнедеятельности (Рединг, ред.,1990)

Минералогические критерии

Некоторые аутигенные минералы образуются в основном или полностью в морской обстановке и могут использоваться как ее точные индикаторы. В мелководной морской обстановке наиболее характерными аутигенными минералами являются глауконит, шамозит и фосфаты.

Фосфаты особенно характерны для районов медленной кластической седиментации, часто расположенных на возвышениях дна в зонах прибрежных апвеллингов. Большинство древних местонахождений фосфатов принадлежит к мелководно-морским отложениям.

Глауконит формируется в морской обстановке, главным образом путем замещения органического материала, особенно фекальных пеллет.

Шамозит также в основном морской мелководный минерал и является преобладающим первичным силикатом железа в фанерозойских железняках. Он ассоциируется с кластическими осадками, лимонитом (или гематитом), оолитами или сидеритом.

Седиментологические критерии

Выделяются три обширные группы литофаций: 1) преимущественно песчаные (90—100% песка), 2) смешанные песчано-илистые (гетеролитические, 20—90% песка), 3) преимущественно илистые.

Процессы осадконакопления подразделяются на 1) процессы спокойной погоды (включающие приливно-отливные течения, океанические течения и небольшие волны); 2) штормовые процессы (связанные со штормами нагонные течения и колебательные волны высокой энергии).

Различаются три фациальных типа, связанные с тремя группами процессов: преимущественно приливно-отливных, преимущественно волновых, преимущественно штормовых. Такая предварительная схема позволяет выделить три основных группы мелко-водных морских терригенных фаций.

1. Преимущественно приливно-отливные отложения включают пески, отлагающиеся при спокойной погоде, главным образом океаническими течениями.

2. Преимущественно волновые и штормовые отложения включают пески, отложенные штормами, ветровыми дрейфовыми течениями, колебательными потоками и плотностными потоками, вызванными штормами.

3. Преимущественно илистые отложения включают шельфовые аргиллиты с прослоями штормовых слоев (темпеститов). Преимущественно приливно-отливные фации. Отличительным свойством этих отложений является разнообразная косая слоистость, и часто — крупный размер осадочных текстур. 

Преимущественно приливно-отливные фации. Отличительным свойством этих отложений является разнообразная косая слоистость, и часто — крупный размер осадочных текстур.

Песчаные волны — крупномасштабные поперечные к потоку донные формы, образуемые возвратными приливно-отливными течениями. Обычно они сложены крупномасштабными косыми слоями (мощность косослоистых серий составляет около 1-10 м, редко до 20 м).

Типы крупномасштабной сложной косой слоистости песчаных волн приливно-отливного происхождения в нижнемеловых слоях Фолкстон (Рединг, ред., 1990)

Мегарябь (или дюны) характерны не только для приливно-отливного режима. Однако в большинстве древних приливно-отливных песчаников среднемасштабная косая слоистость (серии мощностью 0,1—0,2 м) является одной из наиболее распространенных осадочных текстур. Довольно часто наблюдается бимодальная или биполярная косая слойчатость, указвающая на возвратно-поступательный характер течений.

Иловые шлейфы — характерная черта приливно-отливных отложений. Они хорошо развиты в современных сублиторальных обстановках, намываются отливными течениями. 

Приливно-отливные песчаные гребни. Линейные приливно-отливные песчаные гребни (или песчаные бары) распространены в современных приливных обстановках и на прибрежных, и удаленных от берега участках.

Признаки, указывющие на влияние приливов (Nichols, 2009)

Преимущественно волновые и штормовые фации внешней зоны

Штормовые отложения хорошо сохраняются в разрезах. Кратковременные условия высокой энергии («штормы») чередуются с более длительными периодами условий малой энергии («спокойная погода»).

Процессы спокойной погоды включают жизнедеятельность организмов и незначительную переработку осадка волнами.

Волновая рябь и мелкая косая слоистость волновой ряби. Наиболее заметным признаком действия волн являются знаки ряби.

Рябь на поверхности напластования песчаников. Верхний девон, франский ярус, Новая Земля

Общие диагностические признаки косой слоистости волновых знаков ряби (Рединг, ред., 1990)

Мелкомасштабная косая слоистость волновой ряби в песчаниках. Верхний девон, Новая Земля

Характерным признаком штормовых отложений является бугорчатая косая слоистость. Это одна из форм средне- и крупномасштабной косой слоистости, при которой ундулирующая и слабонаклонная поверхность слоев наследует форму дна при перемещении бугров и понижений. Эта текстура развивается в основном в крупном алеврите и мелком песке, которые обычно содержат обильное количество слюды, карбонатного детрита и разрозненные интракласты аргиллита.

Для бугорчатой косой слоистости характерно: 1) эрозионная нижняя поверхность с наклоном в основном меньше 10°, 2) перекрывающие слои дискордантно облекают эрозионное основание, 3) систематические изменения мощности слоев, 4) большая изменчивость направлений падения, 5) на эрозионной поверхности сохраняются подошвенные знаки (в основном следы ударов и волочения), 6) поверхность кровли может быть уплощенной, мягко ундулирующей и с волновой рябью, 7) бугры имеют высоту 10—50 см и поперечник около 1—5 м.

Идеализированный разрез штормовых песчаных отложений представлен слоем мощностью около 0,2 м (до 1—1,5 м), состоящим из: 1) штормовой базальной эрозионной поверхности, которая может быть ровной или волнистой, с подошвенными знаками и включениями гальки, раковин или аргиллитов; 2) основных штормовых отложений — интервал с бугорчатой косой слоистостью, в сочетании с параллельной слоистостью; 3) отложений утихающего шторма — песчаный слой с волновой рябью, иногда присутствует и косая слоистость знаков ряби однонаправленного течения; 4) глинистых отложений, отражающих либо выпадение из взвеси осадка, поднятого штормом (постштормовой ил), или возвращения к режиму седиментации спокойной погоды. Обычна биотурбация.

Бугорчатая косая слоистость

Идеализированный разрез штормовых песчаных отложений

Песчаник с бугорчатой косой слоистостью. Средний триас, о. Ла-Ронсьер, Земля Франца-Иосифа

Дистальные и проксимальные темпеститы (по Einsele, 2000)

Ихнофации темпеститов и вмещающих осадков (Einsele, 2000)

Преимущественно иловые фации шельфа

Эти фации – самые распространенные среди всех древних терригенных отложений этой зоны. По аналогии с современными обстановками, глинистые шельфовые отложения большой мощности, вероятно, накапливались в районах слабого воздействия волн и течений, особенно там, где высока концентрация взвешенного осадка.  Свидетельством штормов являются скопления переотложенного скелетного материала (ракушняки) и глинистые штормовые слои («иловые темпеститы») с характерной биотурбированной кровлей. 

Ракушняки — это беспорядочные скопления ископаемых раковин, связанные с двумя процессами переотложения:

1) с транспортировкой раковинного материала из обстановки непосредственного обитания штормовыми течениями,

2) с переотложением раковинного материала штормовыми волнами.

Штормовые слои в глинистом осадке (Einsele, 2000)

Штормовой слой ракушняка в глинах ильменских слоев. Верхний девон, Ильменский глинт

Выводы

1. Основные процессы, контролирующие осадконакопление и фации на шельфе: 1) скорость и тип привноса осадка, 2) тип и интенсивность гидравлического режима шельфа, 3) колебания уровня моря, 4) климат, 5) взаимодействие живые организмы—осадок, 6) химические факторы.

2. Различают четыре гидравлических режима шельфа: а) преимущественно волновой, б) преимущественно приливно-отливный, в) преимущественно океанических течений, г) преимущественно штормовой.

3. Древние мелководные моря с терригенной седиментацией распознаются на основании признаков 1) биологических, 2) минералогических и 3) седиментологиче-ских.

4. Шельфовую обстановку идентифицируют стеногалинные виды. К ним относятся кораллы, цефалоподы, замковые брахиоподы, иглокожие, мшанки и некоторые известковые фораминиферы.

5. В мелководной морской обстановке наиболее характерными аутигенными минералами являются глауконит, шамозит и фосфаты.

6. Преимущественно приливно-отливные отложения включают пески, отлагающиеся при спокойной погоде, главным образом океаническими течениями.

7. Преимущественно волновые и штормовые отложения включают пески, отложенные штормами, ветровыми дрейфовыми течениями, колебательными потоками и плотностными потоками, вызванными штормами.

8. Преимущественно илистые отложения включают шельфовые аргиллиты с прослоями штормовых слоев (темпеститов).

9. Наиболее заметным признаком действия волн являются знаки ряби.

10. Глинистые шельфовые отложения большой мощности, вероятно, накапливались в районах слабого воздействия волн и течений, особенно там, где высока концентрация взвешенного осадка.

11. Свидетельством штормов являются скопления переотложенного скелетного материала (ракушняки) и глинистые штормовые слои («иловые темпеститы») с характерной биотурбированной кровлей.

Вопросы для самопроверки:

1. Какие два основных типа мелководных морей выделяют?

2. Каковы основные процессы, контролирующие осадконакопление и фации на шельфе?

3. Какие гидравлические режимы шельфа выделяются?

4. Каковы основные формы поверхности дна, образуемые приливно-отливными течениями?

5. Каковы наиболее важные критерии определения древних мелководных морских терригенных отложений?

6. Какие организмы называются стеногалинными? Какие группы организмов к ним относятся?

7. Какие аутигенные минералы могут служить индикаторами морской обстановки?

8. Как образуется бугорчатая косая слоистость?

9. Что такое «темпеститы»?

Мелководные моря с карбонатным осадконакоплением

Карбонатное осадконакопление на континентальном шельфе в настоящее время непосредственно связано с двумя основными факторами:

1)отсутствием терригенного осадконакопления;

2)высокой биологической продуктивностью.

Все современные карбонатные осадки распространены в районах, которые не получают больших количеств терригенного обломочного материала.

Большая часть карбонатного материала на современных шельфах имеет преимущественно органическое происхождение — либо непосредственное как скелетный материал, либо косвенное как побочный продукт органической деятельности. Основная масса осадка образуется на месте на «литоральной фабрике карбоната».

Современные субтропические карбонатные шельфы

Карбонатные шельфы попадают в две основные категории.

1. Защищенные шельфовые лагуны («окаймленные шельфы»).

2. Открытые шельфы. Среди них выделяют наклонные шельфы (рампы) и безбарьерные шельфы.

Защищенные шельфовые лагуны представляют собой мелководные бассейны (средняя глубина около 10 м), окруженные барьерами, образованными коралловыми или кораллово-водорослевыми рифами, островами и банками. Край шельфа, обычно крутой, достигает абиссальных глубин. Действие волн ограничено наружными краями барьеров, так что на большей части платформ преобладает иловое осадконакопление. Основными физическими факторами, действующими внутри лагуны, являются ветровые и приливные течения. 

Огражденный шельф (по G. Nichols, 2009)

Рампы погружаются к кромке шельфа, под углом около 1°. Дно внутреннего рампа подвержено действию волн и приливно-отливным течениям. Здесь отлагается крупнозернистый детрит. На побережьях с сильным воздействием волн может образоваться бар из карбонатных песков, отделяющий узкую лагуну, где накапливаются карбонатные илы. Средний рамп лежит ниже базы волн спокойной погоды. Здесь отлагаются илы. Во время штормов сюда выносится биокластический материал с внутреннего рампа, образуя темпеститы. Внешний рамп лежит ниже базы штормовых волн. Здесь отлагаются илы, часто с признаками турбидитов.

Карбонатный рамп (по G. Nichols, 2009)

Безбарьерные шельфы представляют собой почти горизонтальную платформу с резким перегибом к континентальному склону. Они не имеют барьера на краю шельфа и подвержены действию волн и приливно-отливным течениям. Осадки постоянно перерабатываются волнами, отлагаются грейнстоны. Тонкозернистый материал выносится на внешний шельф, где отлагаются вакстоны и мадстоны.

Безбарьерный карбонатный шельф (по G. Nichols, 2009)

Обстановки и фации «тепловодных» карбонатных систем

Можно выделить пять крупных зон:

• супралиторальная зона,

• литоральная зона,

• морской шельф (сублитораль),

• пояс карбонатных песков и

• рифовый пояс.

Супралиторапьная зона. Эта зона лежит выше уровня самых высоких приливов. Она может иметь ширину до нескольких километров и характеризоваться волнистым рельефом или представлять собой узкое побережье. Процессы, действующие в надлиторальной зоне, сильно зависят от климата, особенно от количества осадков. В гумидном климате развиваются водорослево-мангровые марши. Они часто заливаются пресными водами, так что на поверхности маршей могут сохраняться временные пресные или солоноватоводные водоемы. Поверхность маршей колонизуется цианобактериями (сине-зелеными водорослями), которые являются пищей для большого количества соскребателей (гастропод). Вследствие распада органического материала образуются заполненные газом полости. В консолидированном осадке такие полости («птичьи глазки», или фенестры) заполняются кристаллическим кальцитом и могут хорошо сохраняться в ископаемом состоянии. Супралиторальные зоны характеризуются признаками субаэрального диагенеза – почвенными корками (каличе, калькреты) и карстовыми поверхностями. В очень аридных регионах в супралиторальной зоне формируются эвапориты. В аридных районах значительную роль в переработке осадка играет ветер. И в аридных, и в гумидных районах там, где после отлива начинается сильное испарение, могут быть участки, где арагонит в процессе раннего диагенеза замещается доломитом.

Литоральная зона  включает приливно-отливные равнины, каналы, намывные валы, «пруды» и береговые валы. Литоральную зону характеризуют четыре особенности: 1) микробные («водорослевые») маты, 2) ламиниты, слоистость которых обусловлена цианобактериями, 3) пористость типа «птичий глаз» или фенестры, 4) признаки осушения. Приливно-отливные равнины обладают отчетливой зональностью. В зоне нижней литорали присутствуют зарывающиеся организмы и соскребатели, которые сдерживают развитие водорослевых матов (за исключением тех мест, где соленость повышена). Выше в литоральной зоне водорослевые маты весьма разнообразны и хорошо развита пористость типа фенестры. Осадочный материал внутри водорослевых матов микритизирован и имеет черный цвет вследствие сильно восстановительных условий. В литоральной зоне формируется сложная система каналов, которые являются путями движения приливно-отливных и нагонных течений. Скорость течения в каналах варьирует, и размерность осадка в них меняется от ракушечника до карбонатного ила. Бары между приливно-отливными каналами сложены осадками со знаками ряби и содержат раковинный материал, интракласты и пеллеты.

Основные физико-географические подразделения в береговой зоне острова Андрос, Багамские острова. Поперечное сечение АА' показывает мелководный характер прудов и их соотношение с уровнем обычного высокого прилива и обычного низкого прилива (Рединг, ред., 1990)

Морской шельф. В зависимости от энергетического режима платформа может быть либо известково-песчаной либо известково-илистой. Если шельф широкий и мелкий или он рассечен рифами или песчаными намывными косами, то морская платформа представляет собой замкнутую морскую среду, подверженную сильным сезонным и суточным вариациям температуры и/или солености.

Пояса карбонатных песков распространены преимущественно вдоль краев платформ. Они состоят и из не-оолитовых зерен и из оолитов, первые более распространены. Форма этих тел и состав зерен контролируются в основном уровнем энергии волн или приливов и ориентировкой края платформы. Во многих районах одновременно с активным намывом происходит подводная цементация зерен. Сцементированные корки (хардграунды) также могут быть источником обломков. Мобильные песчаные пояса обычно обеднены бентосной фауной из-за нестабильности субстрата. Районы активных песков постепенно переходят в краевые участки, где мобильность песков меньше. Здесь селится мелководное сообщество бентосных организмов с обильными зарывающимися формами.

Рифы и атоллы. Шельфовые рифы, растущие на погруженных континентальных окраинах, представляют собой гигантские рифовые комплексы, которые включают окаймляющие барьерные рифы и атоллы. В рифах отражается баланс между нарастанием вверх каркаса и его разрушением сверлильщиками, соскребателями и физическими процессами. Атоллы – кольцеобразные рифовые постройки на вершинах подводных гор.

Основные биологические и морфологические зоны рифового комплекса: 1) передовая часть рифа, 2) фронт рифа с рифовым гребнем, 3) рифовая платформа, 4) тыловая часть рифа.

Схематический разрез, иллюстрирующий различные морфологические элементы на обращенной к морю стороне краевого рифа (Рединг, ред., 1990)

Древние карбонатные фации

Стандартные фациальные пояса Уилсона

Распределение фаций эпиконтинентальных карбонатов Уилсон представил в виде девяти стандартных поясов. Все девять поясов не обязательно присутствуют. В настоящее время отсутствуют аналоги крупных эпиконтинентальных морей, которые покрывали обширные пространства в палеозое и мезозое.

1. Бассейновые фации представлены переслаиванием глинистых и известковых илов. Известковый ил может поступать с прилегающих платформ и из пелагиали. Низ-кое содержание кислорода ограничивает развитие бентосных зарывающихся организ-мов, сохраняются слоистость и высокие концентрации Cорг.

2. Фации открытого моря – мадстоны и мергели – формируются в водах с высоким содержанием кислорода ниже базиса нормальных волн, но при периодическом влиянии штормов.

3. У подошвы платформы, на краю склона, пелагические и гемипелагические отложения переслаиваются с рифовой осыпью.

4. Отложения переднего склона рифа — мадстоны, пакстоны и брекчии — в основном состоят из обломков, происходящих с прилегающих краев платформы.

5. Постройки или рифы могут быть представлены иловыми холмами, биокластическими бугристыми рифами и твердыми каркасными рифами.

6. Пески края платформы образуются в подвижных водах с преобладанием волнового или приливно-отливного режима.

7. Фации открытой платформы формируются в мелких водах лагун и заливов и состоят из битурбированных микритов, переслаивающихся со слоями штормовых карбонатных песков.

8. Фации замкнутой платформы включают осадки, отложенные в прудах, лагунах и на приливно-отливных низинах.

9. Эвапориты развиваются в супралиторальных обстановках в аридном климате.

Карбонаты умеренных вод

Осадки, богатые скелетными остатками, широко распространены в мелких морях с умеренным и холодным климатом. В карбонатах умеренных вод всегда доминируют форамольные ассоциации. Они бедны известковым илом, характерны отсутствие ооидов и агрегатов, преобладание кальцита над арагонитом и магнезиальным кальцитом. В фотических условиях могут быть обильно представлены красные водоросли, но другие рифолюбивые виды отсутствуют, и в фауне преобладают мшанки, моллюски, фораминиферы и, при большой подвижности вод, усоногие раки. Холодноводные шельфовые карбонаты аккумулируются гораздо медленнее, чем их тропические аналоги, и часто ассоциируются с глауконитом на глубинах ниже 200 м. Однако как в тропических, так и в умеренных водах накопление карбоната контролируется прежде всего степенью привноса терригенного кластического материала.

Выводы

1. Карбонатное осадконакопление на континентальном шельфе в настоящее время непосредственно связано с двумя условиями: 1) отсутствием терригенного осадконакопления; 2) высокой биологической продуктивностью.

2. В глобальном масштабе первейшими контролирующими факторами являются температура и соленость.

3. Карбонатные осадки можно разделить на две крупные ассоциации в зависимости от температуры воды: ассоциацию форамол, типичную для умеренных вод, и хлорозойную ассоциацию, типичную для теплых вод.

4. По нескелетным компонентам выделяются три ассоциации: 1) нескелетные зерна отсутствуют, 2) присутствуют только пеллеты, 3) присутствуют ооиды и/или их агрегаты либо с пеллетами, либо без пеллет.

5. Современные субтропические карбонатные шельфы попадают в две основные категории: 1) защищенные шельфовые лагуны («окаймленные шельфы») и 2) открытые шельфы (рампы и безбарьерные шельфы).

6. На окаймленных шельфах можно выделить пять крупных зон: а) супралиторальная зона, б) литоральная зона, в) морской шельф (сублитораль), г) пояс карбонатных песков и д) рифовый пояс.

7. Распределение фаций эпиконтинентальных карбонатов Уилсон представил в виде девяти стандартных поясов. Все девять поясов не обязательно присутствуют.

8. Карбонатные осадки широко распространены в мелких морях с умеренным климатом. В карбонатах умеренных вод всегда доминируют форамольные ассоциации.

Вопросы для самопроверки:

1. Какими факторами контролируется карбонатная седиментация на шельфе?

2. Какие скелетные остатки входят в форамольную и хлорозойную ассоциации?

3. Чем образованы барьеры окаймленных шельфов?

4. Какие карбонатные осадки характерны для открытых шельфов?

5. Для какой обстановки характерны фенестральные текстуры?

6. Для какой обстановки характерны хардграунды?

7. Что такое «атоллы»?

8. Какие фациальные пояса выделены Уилсоном для эпиконтинентальных бассейнов с карбонатным осадконакоплением?