Петрография осадочных пород

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Предмет и задачи петрографии осадочных пород

Петрография осадочных пород призвана всесторонне изучать осадочные породы, их химический и ,минералогический состав, строение и сложение, органические остатки и т. п. и на основании этого решать вопрос об их генезисе. Важнейшей задачей петрографии является также изучение состава и происхождения полезных ископаемых осадочного генезиса.

Чтобы уяснить, какие конкретно проблемы разрешает осадочная петрография и какими методами, коротко остановимся на характеристике ее основных направлений.

Терригенно-минералогическое направление.

Терригенно-минералогические исследования ставят своей задачей изучение обломочных минералов осадков и пород с целью использования полученных данных для корреляции немых осадочных толщ, а также для .палеогеографических реконструкций. Например, сравнивая минералы исследуемой толщи с минералами возможных источников сноса, определяют, откуда они принесены -- устанавливают питающую провинцию. Изучая состав и содержание минералов в породах по ряду разрезов немык осадочных толщ, сопоставляют отдельные горизонты различных разрезов по одинаковым или сходным комплексам минералов.

Аутигенно-минералогическое направление.

При изучении осадочных пород особое внимание следует уделять минералам, образовавшимся в осадке или породе на месте ее залегания, а также изменению структур и текстур при процессах метаморфизации пород. Аутигенные минералы являются показателями физико-химических условий и термодинамического режима среды образования и изменения осадочных пород. На основании изучения состава и характера сообществ аутитенных минералов можно определить условия образования и изменения осадочных пород.

Геохимическое направление.

Геохимическое направление ставит перед собой задачу выяснения условий накопления и перемещения химических элементов и их комплексов в различных осадках и породах в связи с физико-химическими и геологическими обстановками. Основным методом этого направления является химический анализ осадочных пород на массовом материале и на обширных пространствах. В настоящее время для решения ряда геохимических проблем широко привлекается изучение изотопного состава элементов осадочных пород.

Фациальио-формационное направление.

Сущность этих исследований заключается га следующем: на основании детального изучения осадочных пород восстанавливаются условия их образования (фациальный анализ). Наряду с этим в самих толщах выделяют определенные генетически связанные между собой сообщества пород -- формации -- и прослеживают их размещение в разрезах и на площади. Формации возникают при определенном геотектоническом режиме, и их характер и размещение помогают выяснять геологическую историю региона.

Изучение современных осадков.

Современные осадки -- это тот материал, из которого со временем образуются осадочные породы. Как происходит образование осадков, мы наблюдаем непосредственно и во многих случаях можем детально исследовать среду осадконакопления. Знание условий образования- осадков в настоящее время помогает геологам определять условия образования осадочных пород (древних осадков при аналогичном составе и строении). Этот принцип лежит в основе сравнительно-литологического метода. Изучение современных осадков сыграет большую роль в дальнейшем развитии петрографии осадочных пород и геологии вообще.

1. УСЛОВИЯ ОБРАЗОВАНИЯ, СОСТАВ, СТРОЕНИЕ И КЛАССИФИКАЦИЯ ОСАДОЧНЫХ ПОРОД

Осадочной породой называют геологическое тело, возникшее из продуктов физического и химического разрушения литосферы или в результате химического осаждения и жизнедеятельности организмов, или того и другого одновременно.

Образование осадков, из которых возникают осадочные породы, происходит на поверхности земли и в водных бассейнах в результате различных геологических ,процессов. По своей сущности эти процессы являются процессами физико-механическими, физико-химическими, химическими и органическими и регулируются динамикой и физико-химическими условиями среды осадконакопления (состав и концентрация растворов, кислотность и щелочность, окислительно-восстановительный потенциал Таким образом, возникновение и изменение осадочных пород представляет собой ряд последовательных закономерных процессов, происходящих в различных термодинамических и физико-химических условиях, которые накладывают отпечаток на их строение и минералогический состав. В настоящее время процессы образования и изменения осадочных пород принято разделять на ряд стадий и этапов.

Первая стадия -- возникновение исходных продуктов для образования осадочных пород. Так как подавляющая масса этих продуктов возникает благодаря процессам выветривания или гипергенеза, ее называют стадией гипергенеза.

Вторая стадия -- перенос и осаждение вещества; ее называют стадией седиментогенеза (образования осадков).

Третья стадия -- преобразование осадков, возникновение осадочных пород, именуется диагенезом.

В конечном результате образуются осадочные породы, поэтому указанные выше стадии называют стадиями литогенеза (Страхов, 1960).

Условия образования осадков определяются климатом, рельефом и геотектоническим режимом территории. Из этих трех факторов, пожалуй, наибольшее значение имеет климат. Это обстоятельство послужило основанием для выделения типов литогенеза по климатическому принципу (Страхов, 1960). Выделяются следующие типы литогенеза: нивальный *, или ледовый, гумидный, или литогенез умеренно-влажной и влажной субтропической и тропической зон, и аридный, или пустынный.

Нивальный тип литогенеза наиболее простой. Преобладают процессы физического выветривания и, следовательно, скопление их продуктов -- различных обломочных пород, ледниковых образований. Диагенез осадков проявляется в уплотнении.

Гумидный тип литогенеза значительно сложнее. Здесь широко развиты как процессы физического и химического выветривания, так и биологические. В результате образуются различные типы пород: обломочные, углистые, глиноземистые, железистые, марганцевые, фосфатные, кремнистые, карбонатные. Процессы диагенеза осадков сложны и многообразны.

Аридный тип литогенеза. В аридных зонах Земли преобладает физическое выветривание. Процессы осадконакопления и диагенеза сложны и многообразны. Огромная масса осадочного вещества поступает сюда из гумидных зон, что сильно усложняет процессы осадконакопления и диагенеза в их пределах. Здесь образуются различные обломочные породы, доломиты, сульфатные, хлоридные и другие соли, а также ряд пород, характерных для гумидных зон: карбонатные, кремнистые, фосфатные Вулканы поставляют большое количество материала -- исходных продуктов для образования осадочных пород. Можно утверждать, что большинство осадочных пород содержат в небольших количествах вулканогенный материал и не только в областях вулканической деятельности, но и на расстоянии тысячи и нескольких тысяч километров от вулканов.

Четвертая стадия -- изменение осадочных пород в стратисфере. Она получила название стадии катагенеза. В стадии катагенеза происходит уплотнение пород, изменение их минералогического состава и отчасти структуры.

Пятая стадия -- стадия глубоких структурно-минералогических изменений пород в нижней части стратисферы (в геосинклиналях), носит название метагенеза. Дальнейшая история осадочных горных пород развивается по одному из двух вариантов: опускание на большие глубины и горообразование, т. е. переход в метаморфические породы или поднятие с выходом пластов на поверхность земли -- затем выветривание и разрушение.

Учение о стадиях осадко- и породообразования в настоящее время представляет собой один из наиболее важных разделов петрографии осадочных пород.

2. СТАДИИ ОБРАЗОВАНИЯ ОСАДОЧНЫХ ПОРОД

Стадия гипергенеза

Типы выветривания. Выветривание -- разрушение материнских пород на поверхности Земли под воздействием воздуха, воды, льда, изменения температур и других физических и химических явлений, а также жизнедеятельности организмов.

В зависимости от того, какие факторы воздействия являются главными, различают физическое и химическое выветривание.

Ф и з и ч е с к о е в ы в е т р и в а н и е . Главным фактором является изменение температуры, раздробляющая деятельность воды, льда и ветра.

Благодаря неодинаковым тепловым свойствам минералов суточные изменения температуры приводят к неравномерному расширению и сжатию их, в результате чего в породах появляются мельчайшие трещины. Трещины увеличиваются вследствие попадания в них воды и ее замерзания (морозное выветривание).

Испарение воды и отложение в трещинах солей вызывают аналогичное действие.

Большую разрушительную работу производят текучая вода, волнение. Важным фактором разрушения является снег и лед. Физическое выветривание приводит к образованию обломков пород и минералов различной величины -- от крупных глыб диаметром в несколько метров до тонких частиц размером менее 0,005 мм.

Х и м и ч е с к о е в ы в е т р и в а н и е . Главным агентом химического выветривания является вода. Благодаря явлению диссоциации вода всегда содержит некоторое количество ионов H+ и ОН- . В зависимости от концентрации ионов H + и OH- вода обладает кислотными или щелочными свойствами.

Действие воды на минералы происходит тремя путями: растворение, гидратация (вытеснение ионами H + оснований из силикатов и других минералов), гидролиз -- полный распад минералов.

Воздействие кислорода на минералы называют окислением.

Третьим важным агентом выветривания является свободная углекислота. Свободная углекислота, соединяясь с водой, образует угольную кислоту. Благодаря диссоциации угольной кислоты повышается кислотность среды (H+ и HCO3- ) . Содержание углекислоты в воздухе равно 0,03%, в воде ее содержится в десятки и сотни раз больше, чем в воздухе. Присутствие углекислоты снижает значение рН. Кислые воды энергично растворяют карбонаты и вытесняют основания у силикатов.

Источником углекислоты является жизнедеятельность организмов, разложение органических остатков и карбонатов и вулканическая деятельность. Особенно много углекислоты в болотных водах и торфяниках.

И, наконец, большое значение для процессов химического выветривания имеет наличие в природных водах различных кислот: гуминовой, серной и др. Присутствие кислот значительно увеличивает интенсивность процессов химического выветривания.

Химическое выветривание приводит к изменению минералов глубинных зон земли, возникших в условиях высокого давления и высокой температуры, и превращению их в минералы, устойчивые на земной поверхности.

Устойчивость минералов при выветривании.

Способность минералов противостоять внешним воздействиям зависит от их состава и свойств. Можно различать механическую и химическую устойчивость. Механическая и химическая устойчивость минералов взаимно связаны и влияют друг на друга.

Механическая устойчивость зависит от твердости, спайности и других физических свойств и от степени выветрелости или разложенности минералов.

Химическая устойчивости минералов зависит от состава, строения (конституции) степени- дисперсности материала, а также от характера среды и времени пребывания минералов в этой среде.

Характер выветривания в различных климатических зонах.

Ареной выветривания является поверхность суши. В зависимости от климата, рельефа и гидрогеологических условий местности преобладает тот или иной тип выветривания.

В странах с резким континентальным климатом, в полупустынях и пустынях, а также в полярных и высокогорных областях преобладает физическое выветривание.

Во влажных тропиках и субтропиках, влажной экваториальной и умеренно-влажной зонах, особенно при равнинном рельефе и наличии богатой растительности, преобладают процессы химического выветривания.

В ы в е т р и в а н и е в о б л а с т я х с г у м и д н ы м к л и м а т о м.

Избыточное увлажнение, положительные и высокие температуры и интенсивная деятельность организмов определяют характер и направление выветривания в гумидных зонах.

Минералы, легко растворимые в воде, в гумидной зоне не накапливаются, растворяются и выносятся подземными и поверхностными водами.

В процессах химического выветривания принимают участие организмы, поэтому часто говорят о биохимическом выветривании.

В ы в е т р и в а н и е в о б л а с т я х с а р и д н ы м климатом.

Дефицит влаги и высокие температуры воздуха (при наличии значительных колебаний температуры в течение суток) определяют характер выветривания в аридных странах. Здесь преобладают процессы физического выветривания (растрескивание, десквамация и т. п.), эоловые процессы (ветровая коррозия).

В результате выветривания происходит образование обломочного материала.

В ы в е т р и в а н и е в о б л а с т я х с н и в а л ь н ы м к л и м а т о м . Отсутствие воды в жидкой фазе и отрицательные температуры на протяжении почти всего года определяют в полярных и высокогорных областях также преобладание процессов физического выветривания (морозное выветривание) и образование обломочного материала. Химическое выветривание не имеет существенного значения. Если оно и проявляется, то ограничивается процессами окисления и гидрослюдизации, а также образованием легко растворимых солей -- сульфатов железа и тяжелых металлов подобно аридной зоне. Это, на первый взгляд, парадоксальное явление, объясняется той же причиной -- дефицитом влаги.

Кора выветривания. В результате химического выветривания на месте залегания материнских пород возникает кора выветривания.

В процессе выветривания происходит дифференциация вещества: на месте выветривания остаются так называемые остаточные продукты, преобразованные в условиях поверхности земли минералы, а вещества, перешедшие в раствор, выносятся за пределы зоны выветривания подземными и поверхностными водами.

При размывании коры выветривания поверхностными водами из остаточных продуктов возникают обломочные частицы, которые присоединяются на путях переноса к обломочному материалу, образовавшемуся при физическом выветривании.

Стадия гипергенеза или выветривания может быть подразделена в соответствии со стадийностью самого процесса на четыре самостоятельных этапа:

1) преобладание механического выветривания с образованием щебенисто-дресвянистых продуктов при наличии незначительного химического разложения в щелочных условиях среды;

2) химическое разложение в щелочных условиях среды с образованием гидрослюд й гидрохлоритов;

3) химическое разложение в щелочных и кислых условиях среды с накоплением различных глинистых минералов группы каолинита, группы монтмориллонита и др.;

4) химическое разложение -- гидролиз силикатов с образованием охр, бурых железняков и латеритов.

Стадия седиментогенеза

Вслед за выветриванием и параллельно с ним происходит перенос и осаждение вещества -- образование осадков.

На путях переноса и в бассейнах седиментации к продуктам выветривания присоединяется вулканогенный материал и продукты жизнедеятельности организмов.

Осаждение вещества, за исключением коры выветривания, невозможно без переноса, и перенос завершается осаждением. Таким образом, перенос и осаждение являются последовательными процессами -- двумя сторонами одного и того же явления -- осадкообразования.

Осадкообразование в областях с гумидным климатом.

П е р е н о с и о с а ж д е н и е о б л о м о ч н о г о м а т е р и а л а . Главным

агентом переноса и осаждения обломочного материала в областях с гумидным климатом являются текучие воды, второстепенными -- ветер, сила тяжести и организмы.

Перенос и отложение дождевыми и талыми водами. Перенос обломочного материала дождевыми и талыми водами происходит на склонах гор и возвышенностей. Перенос осуществляется обычно на небольшое расстояние, поэтому частицы слабо окатаны и плохо отсортированы.

Перенос и осаждение обломочного материала речными водами.

Речные воды переносят обломочный материал во взвешенном состоянии, волочением по дну, а также в растворенном виде. Соотношение растворенного вещества и материала, переносимого волочением и во взвешенном состоянии, для равнинных рек равно 100 : 4 :53, для горных рек -- 100 : 86 : 622.

В результате перекатывания обломочных частиц по дну они приобретают округлую форму. Степень окатанности зависит от дальности переноса и свойств самих обломков.

Перенос и осаждение обломочного материала в водных бассейнах.

В морские и озерные бассейны поступают с суши растворенные в воде вещества и часть обломочного материала, не осевшего на путях переноса. Значительная масса обломочного материала попадает в водоемы в результате размывания (абразии) берегов. Главными агентами перекоса в водных бассейнах являются течения и волнения.

В процессе разноса и отложения обломочного материала в водных бассейнах осуществляется разделение его по размеру частиц и удельному весу и дальнейшее отделение обломочных частиц от глинистых и растворенных веществ. Это третий этап осадочной дифференциации вещества.

Наряду с этим наблюдаются и другие явления -- отложение только с частичной -- несовершенной сортировкой. В последнее время уделяется большое внимание мутьевым потокам, или турбидным течениям. Причиной образования мутьевых потоков является оползание осадков на крутом континентальном склоне в результате землетрясений, волн цунами и даже сильных штормов.

Отложения мутьевых потоков характеризуются горизонтальной слоистостью и сортировкой материала в каждом слое -- от более грубого (с наличием мелкого) внизу до более тонкого вверху.

П е р е н о с и о т л о ж е н и е к о л л о и д о в и и с ти н н ы х р а с т в о р о в.

Воды рек приносят в бассейны седиментации огромное количество вещества в виде коллоидов и истинных растворов.

В виде коллоидов переносятся глинистые минералы, кремнезем, органическое вещество, соединения железа, марганца, фосфора и ряда малых элементов (ванадия, хрома, никеля, кобальта и др.). Многие малые элементы адсорбируются другими коллоидными частицами -- мицелами глинистых минералов, гуминовых соединений, железа и марганца.

В виде истинных растворов переносятся все легко растворимые соли -- хлориды, сульфаты, карбонаты щелочных и щелочно-земельных металлов (в виде бикарбонатов) *, частично кремнезем, органическое вещество, соединения железа, марганца, фосфора и некоторых малых элементов.

Значительная часть коллоидов, принесенных в бассейны седиментации, осаждается вблизи устьев рек и в прибрежной зоне, некоторая часть попадает в срединные области бассейнов, где осаждается совместно с глинистым веществом.

Осадкообразование в областях с аридным климатом.

П е р е н о с и о с а ж д е н и е о б л о м о ч н о г о м а т е р и а л а .

Главным агентом переноса и осаждения в областях с аридным климатом является ветер и второстепенным -- вода и сила тяжести.

Ветры возникают благодаря неравномерному нагреванию воздуха.

Пустыни и полупустыни характеризуются большой аэродинамической активностью, это центры бурь и ураганов.

Ветер перемещает огромные массы обломочного материала в аридных областях и выносит тонкую пыль (алеврит) за их пределы. В процессе переноса обломочные частицы окатывайтся и сортируются по размеру. Эоловые пески являются наиболее отсортированными. Бесчисленные столкновения песчинок между собой и о поверхность скал приводят к полировке их поверхности. Характерные эоловые формы рельефа -- барханы дюны, песчаные гряды и бугры. Первые типичны для пустынь, дюны -- для морских и речных побережий.

П е р е н о с и о с а ж д е н и е р а с т в о р е н н ы х в е щ е с т в.

Основная масса растворенного вещества поступает в аридные области из гумидных, расположенных по соседству (по горизонтали) или над ними (по вертикали -- горные сооружения), через реки и подток вод из морских и океанических бассейнов в заливы и лагуны аридной зоны. Небольшая часть вещества поступает в результате химического выветривания в пределах самой аридной зоны. Массы воды концентрируются в континентальных озерах и лагунах, связанных с морем (в настоящем или прошлом). Преобладание испарения над количеством выпадающих осадков создает идеальные условия для выпаривания воды и химического осаждения вещества.

В эпохи оледенений более значительная часть поверхности суши была покрыта ледниковым покровом.

С деятельностью ледника связаны и такие образования, как озы, друмлины, флювиогляциальные пески и ленточные глины.

Всё они представляют собой более отсортированный обломочный материал (валуны, и галька, гравий, песок, глина), образовавшийся в результате деятельности подледниковых или приледниковых вод.

Некоторые альпийские ледники выносят в год более 6000 м3 обломочного материала.

Значительную роль в переносе и отложении обломочного материала играет плавающий лед. Для литолога особый интерес представляет припайный лед, образующийся на границе с сушей и в полосе мелководья, а также донный лед, часто возникающий в полярных морях. Припайный лед достигает толщины 2--3 м.

При замерзании воды в лед вмерзают осадки литорали -- валуны, галька, гравий и песок. Припайный лед неоднократно взламывается приливно-отливными течениями и сильными штормами.

Оторванный от берега, он уносится течениями, растаивает в летний период, отлагая на морское дно вмерзшие в него осадки.

Материал, отложенный в этом случае, хорошо окатан, так как какое-то время находился в волноприбойной зоне.

Осадочная дифференциация вещества. При переносе и отложении осадочного вещества осуществляется его разделение по размеру частиц, удельному весу, химическим свойствам и химическому сродству Механическая дифференциация проявляется в сортировке обломочных частиц по размеру и удельному весу.

Химическая дифференциация вещества в водных бассейнах заключается в последовательном осаждении соединений из водных растворов согласно их растворимости (от трудно к легко растворимым).

В настоящее время наши знания о процессах дифференциации и ее значении для осадкообразования значительно расширились, выделяются различные типы дифференциации вещества.

1. Механическая -- рассортировка обломочного материала по размеру частиц и удельному весу (последняя дает мономинеральные осадки -- минералогическая дифференциация).

2. Физико-химическая -- рассортировка коллоидного материала.

3. Хемобиогенная -- осаждение и рассортировка вещества "благодаря жизнедеятельности организмов.

4. Химическая -- осаждение и разделение >вещества истинных растворов.

В различных обстановках обычно проявляются все типы дифференциации (в водных бассейнах), но в определенный период времени в данном месте преобладает один какой-либо тип дифференциации, определяя этим характер осадков Наряду с дифференциацией происходит смещение осадочного материала разного состава и различной размерности

В результате дифференциации образуются осадки чистой линии, при смещении -- гибридные.

Стадия седиментогенеза разделяется на два этапа: склоново-долинный и бассейновый. В ископаемом состоянии мы чаще встречаем отложения второго этапа.

Стадия диагенеза

Диагенезом называют изменения, происходящие в осадке (диагенез* -- означает перерождение). По своей сущности процессы диагенеза являются процессами физико-химическими, химическими и органическими. В стадии диагенеза происходит уплотнение осадка и уменьшение его влажности, старение коллоидов, образование новых минералов из иловых растворов, разложение одних минералов и возникновение других, перераспределение вещества в осадке -- его перемещение и концентрация. Диагенез представляет собой уравновешивание сложной многокомпонентной системы осадка в новых физико-химических условиях среды. В результате диагенеза из осадка образуется осадочная порода.

Как происходит диагенез и какие минералы образуются, зависит от состава минералов, состава и концентрации растворов, количества органического вещества и продуктов его разложения.

Диагенез в осадках различных климатических зон. При диагенезе терригенных, существенно глинистых морских осадков г у м и д н о й зоны ранние этапы характеризуются щелочными и окислительными условиями среды (в толще осадка 10--15 и до 40 см). Осаждаются железо-марганцевые конкреции, глауконит, фосфаты и цеолиты.

По мере погружения осадка и перекрывания его новыми порциями условия резко изменяются: поглощение кислорода организмами вызывает восстановление гидроокислов железа и марганца, а также сульфатов.

На позднем этапе диагенеза в терригенных, существенно глинистых осадках водоемов гумидной зоны, происходит перераспределение диагенетических минералов -- растворение их в одних местах и отложение в других; образуются сгущения диагенетических минералов -- конкреции (и конкреционные прослои) и зацементированные участки осадка. Конкреции обычно приурочены к границе между осадками разного состава (песчаными и глинистыми) и к плоскостям напластования, т. е. к путям дегазации.

На позднем этапе диагенеза одновременно с процессами уплотнения осадка и отжима поровых вод, уменьшения влажности осадка и его коллоидов, конкреции уменьшаются в объеме и растрескиваются, а трещины заполняются различными минералами: халцедоном, кварцем, каолинитом, баритом и др. Таким путем образуются конкреции септарии.

Фосфатные конкреции образуются в щелочных окислительных условиях среды, железо-марганцевые -- в окислительных щелочных условиях морских бассейнов и кислой среде коры выветривания тропических влажных стран.

О диагенетическом происхождении конкреций свидетельствуют многие факты.

1. Расположение конкреций согласно с напластованием пород и приуроченность их к границе раздела осадков различного состава.

2. Соотношение конкреций со слоистостью -- слои обтекают конкреции.

3. Наличие в конкрециях органических остатков -- раковин, не подвергшихся деформации, в то время как в самой породе органические остатки уплощены, раздавлены, т. е. деформированы во время уплотнения осадка и перехода его в породу.

4. Наличие в конкрециях хорошо сохранившихся ходов илоедов.

5. Большинство минералов конкреций присутствуют в современных осадках.

Все эти факты свидетельствуют о том, что конкреции образовались в еще незатвердевшем осадке

Д и а г е н е з в о с а д к а х а р и д н ы х и н и в а л ь н ых о б л а с т е й изучен слабо. В соляных озерах и лагунах он осуществляется в щелочных и резко щелочных окислительных, нейтральных и слабовосстановительных условиях среды. Одним из важных факторов диагенеза является взаимодействие минералов осадка с иловыми растворами (рапой) и преобразование неустойчивых соляных минералов в устойчивые.

Нередко возникают также магнезиальные водные силикаты.

Диагенез в осадках платформ и геосинклиналей. На платформах скорость и величина опускания незначительна и скорость накопления осадков также невелика. Стадия диагенеза здесь растягивается на большой отрезок времени. Материал осадка длительное время находится во взаимодействии с иловыми растворами и в какой-то степени с наддонными водами бассейна. Вследствие этого происходит глубокая переработка осадочного вещества, приспособление его к новым условиям среды. Полевые шпаты, слюды и гидрослюды в кислой среде полностью превращаются в каолинит, в щелочных условиях образуются монтмориллониты. В геосинклиналях амплитуда опусканий большая, темп быстрый и скорость накопления осадков велика. Стадия диагенеза в геосинклиналях является кратковременной, поэтому осадок не всегда успевает полностью приспособиться к новым условиям среды, несет значительно -больше черт своего исходного состава. Процессы диагенеза не всегда завершаются и продолжаются в последующую стадию изменения осадочной породы.

Стадия диагенеза подразделяется на следующие этапы (в современных морских осадках гумидной зоны по Страхову 1960).

1. Окислительное минералообразование происходит в осадке мощностью до 40 см. В прибрежной зоне образуются железо-марганцевые конкреции, дальше от берега -- глауконит, фосфориты, в глубоководной зоне -- марганцевые конкреции и цеолиты.

2. Восстановительное минералообразование осуществляется в более глубоких горизонтах осадка, для современных осадков это глубины 2--4 и до 10 м. В этот этап образуются силикаты железа (лептохлориты), карбонаты железа, магния, кальция и марганца, сульфиды железа и других металлов.

3. Перераспределение аутигенного материала, возникновение в осадке зацементированных участков, образование конкреций.

При дальнейшем погружении осадочные породы подвергаются различным изменениям в толщах осадочной оболочки Земли, при поднятии и выходе пластов на поверхность Земли -- выветриваются.

3. СТАДИИ ИЗМЕНЕНИЯ ОСАДОЧНЫХ ПОРОД

Стадия катагенеза

Изменение осадочных пород в стратисфере называют катагенезом *.

Процессы изменения осадочных пород в стратисфере происходят при повышенных температуре и давлении (см. табл. 17) в присутствии подземных вод и грунтовых растворов.

Катагенез в отличие от диагенеза по своей природе процесс неорганический (физико-механический и физико-химический).

Живое вещество, и в частности бактерии, являющиеся одним из факторов преобразования осадков при диагенезе, во время катагенеза не играют существенной роли.

В стадию катагенеза происходят уплотнение пород и различные процессы минералообразования: коррозия и растворение, регенерация, образование новых минералов из растворов или путем метасоматического замещения, дальнейшее изменение обломочных зерен, перекристаллизация и т. п.

Наиболее распространенными минералами стадии катагенеза являются: сульфиды железа и тяжелых металлов (пирит, марказит, галенит, сфалерит и др.); окислы (халцедон, кварц, гематит, рутил, анатаз, брукит); сульфаты (барит, ангидрит); карбонаты (кальцит, доломит, железистый доломит, анкерит, сидерит и др.); силикаты (гидрослюды, каолинит, монтмориллонит, смешанно-слойные минералы, ортохлориты, цеолиты, анальцим, гейландит, десмин, ломонтит, сколецит, полевые шпаты, эпидот, сфен, турмалин и др.). Характерная черта многих минералов катагенеза -- их значительные размеры

Ряд минералов образуется по обломочным зернам, приурочен к ним и представлен кристалликами идеально правильной формы Некоторые минералы образуют каемки нарастания на обломочных зернах, облекают их, выполняют поры, капиллярные трещины, трещины отдельностей, пустоты и образуют конкреции и секреции.

Процессы уплотнения. Давление вышележащих толщ по-разному действует на глинистые и зернистые, сцементированные и несцементированные породы.

Глинистые породы, насыщенные водой, воспринимают нагрузку на твердые частицы -- скелет и заключенную в порах воду.

Под воздействием нагрузки вода медленно вытесняется из пор и частицы сближаются между собой. Постепенно давление на твердые частицы увеличивается и при полном отжиме воды полностью воспринимается ими.

До определенного предела процесс этот является обратимым:

снятие нагрузки (при возможности фильтрации воды) приводит к увеличению пористости и влажности.

После отжима гравитационной воды в породе сохраняется пленочная и гигроскопическая вода, прочно удерживаемая поверхностью частиц. Удаление этой воды происходит при значительно большем давлении.

Глинистые частицы имеют чешуйчатую или листоватую форму и под давлением ориентируются параллельно наиболее развитой поверхности (001), вследствие чего могут плотно прилегать друг к другу, образуя агрегаты с ничтожной пористостью.

Глинистые и слюдистые частицы обладают также способностью к пластическим деформациям. Это очень хорошо проявляется в смешанных песчано-глинистых породах -- деформации глинистых и слюдистых минералов между жесткими кварцевыми песчинками.

Процессы минералообразования.

Характер процессов минералообразования определяется термодинамическими условиями, составом пород и составом подземных вод.

Вся толща стратисферы с точки зрения условий циркуляции и состава подземных вод разделяется на три зоны (сверху вниз).

1. Зона свободного водообмена до глубины 200--700 м (в зависимости от местных условий). В этой зоне наблюдается интенсивная циркуляция подземных вод и обмен их с поверхностными.

2. Зона затрудненного водообмена до глубины 1500--2000 м где условия циркуляции мало благоприятны, а обмен с поверхностными водами осуществляется лишь частично.

3. Зона застойных вод на глубинах более 2--2,5 ~мм, где циркуляция подземных вод еще более затруднена или вообще не имеет места, а обмен с поверхностными водами полностью исключен.

В кислых условиях среды образуется каолинит в глинистых породах и в цементе зернистых, корродируются и растворяются карбонаты и фосфаты. Все эти процессы еще напоминают процессы диагенеза (отчасти выветривания) или являются их естественным продолжением.

В стадии катагенеза можно выделить два этапа: начальный, или ранний, и глубинный, или поздний, катагенез.

Начальный этап характеризуется наличием в глинистых и цементе зернистых пород неизменного глинистого вещества, унаследованного от стадии диагенеза или образовавшегося уже при катагенезе, широким развитием процессов внутрислоевого растворения неустойчивых минералов, коррозией кварца и полевых шпатов (с частичной регенерацией) и образованием различных карбонатов. Пористость пород высокая, порядка 30--15%, сохраняются еще рыхлые и слабо сцементированные породы:

глины, аргиллиты, размокающие в воде, пески, рыхлые и пористые песчаники, ракушечники, мел, мергели, бурые и каменные, длиннопламенные и газовые угли.

Поздний катагенез характеризуется массовым растворением под давлением обломочных зерен кварца, полевых шпатов, обломков горных пород (с регенерацией и микростилолитизацией), интенсивной гидрослюдизацией и хлоритизацией глинистого вещества, перекристаллизацией карбонатов и т. п. Пористость пород сильно уменьшается -- до 3--5%. Текстуры осадочных пород сохраняются, структуры испытывают заметные изменения: появляются конформные, регенерационные структуры, стилолитовые, структуры перекристаллизации в известняках, ориентированные структуры в глинистых породах.

В результате этих изменений глины переходят в аргиллиты, не размокающие в воде, пески и рыхлые песчаники в плотные и крепкие песчаники, ракушечники в плотные известняки, происходит перекристаллизация мела, мергелей и известняков.

Каменные угли типа газовых и длиннопламенных переходят в спекающиеся (коксовые и паровично-спекающиеся). Поздний катагенез осуществляется при температуре до 200° С и давлении до 2000 атм.

Стадия метагенеза

Глубокие изменения осадочных пород, происходящие в нижних частях стратисферы, по своему характеру близкие, а во многом тождественнные начальным стадиям регионального метаморфизма мы будем называть метагенезом Метагенез по своей природе процесс физико-химический. Уже на стадии глубинного катагенеза, как мы видели, уплотнение пород в основном заканчивается, пористость достигает величины 2--3%. Следовательно, уплотнение в метагенезе не играет существенной роли. Однако движение масс при складчатости вызывает появление тонкой трещиноватости -- многочисленных поверхностей кливажа скольжения, создавая этим новые пути для миграции растворов.

В стадию метагенеза широко развиты процессы направленной коррозии, кристаллизации и перекристаллизации под воздействием стресса.

Бурые и большинство каменных углей характеризуют стадию катагенеза, тощие угли и антрациты -- метагенеза.

Метагенез представляет собой глубокие структурно-минералогические преобразования пород в новых условиях их существования -- в нижней части стратисферы. Степень И характер преобразований определяются составом пород и растворов, глубиной погружения и интенсивностью орогенических движений (интенсивностью стресса) В стадии метагенеза можно наметить два этапа.

Первый этап -- ранний или начальный, происходящий на глубинах свыше 7000--8000 м при температуре 200--300° С и давлении 2000--3000 атм. Для него характерно развитие кварцитовидных песчаников, глинистых сланцев, частично перекристаллизованных известняков, тощих каменных углей и антрацитов.

Наблюдается интенсивная гидрослтадизация и хлоритизация глинистых минералов, развитие конформных и регенерационных структур, микростилолитов. Однако еще сохраняются реликты обломочного биотита, текстуры осадочных пород, структуры перестраиваются, пористость пород невысокая -- 2--4%. Появляется кливаж течения (ориентировка чешуйчатых минералов перпендикулярно давлению стресса) и кливаж разрыва.

Второй этап -- поздний, или глубинный, метагенез, происходит на глубинах свыше 9 000--10000 м при температуре 3000C и выше и давлении 3000 атм и более. Для него характерны кварцито-песчаники и кварциты, аспидные и филлитоподобные сланцы, мраморизованные известняки, антрациты и графитизированные антрациты. В породах появляется гидрослюда, близкая к серициту, серицит, иногда мусковит; обломочный биотит переходит в пакеты хлорита и мусковита. Появляются структуры, характерные для метаморфических пород,-- сланцеватые, линзовидно-сегрегационные, полосчатые, шиловидные, стилолитовые.

Интенсивно проявляется направленная коррозия и кристаллизация под воздействием стресса *, кливаж течения и кливаж разрыва. Пористость пород 1--2%.

Стадия глубинного метагенеза частично сопоставляется с начальной стадией регионального метаморфизма -- фацией зеленых сланцев.

Гипергенез

Условия выветривания осадочных и кристаллических пород одинаковы, однако в связи с различием минералогического состава существует некоторая специфика выветривания осадочных пород. В настоящем разделе речь идет о процессах химического выветривания. Благодаря выветриванию происходит существенное изменение состава осадочных пород: вещества цемента, обломочных зерен, основной массы биогенных и хемогенных пород.

Процессы окисления, гидратации и растворения. В осадочных породах, содержащих сульфиды, происходит окисление и гидратация железа и серы. Сульфиды железа и других металлов на первой стадии выветривания переходят в сульфаты закиси водные и безводные.

Сульфаты окиси железа, помимо высокой растворимости, являются неустойчивыми соединениями, легко подвергаются гидролизу и выпадают из растворов в виде гидроокислов железа.

Этот процес проходит в четыре этапа и может быть охарактеризован следующими уравнениями.

1. Растворение пирита и образование ионов железа и серы. Окисление серы и образование серной кислоты, взаимодействие серной кислоты с ионами железа -- возникновение маловодных сульфатов закиси железа:

2FcS, + 4H2O + 7O2 -» 2FeSO4H2O + 2H2SO4 или

2FeS2 + 16H2O + 7O2 -» 2 F e S 0 47H2 0 + 2H2SO4.

2. Присоединение воды и образование богатых водой сульфатов закиси железа:

FeSO4H2O + 4H2O ^ FeSO4SH2O и FeSO4SH2O + [ 2 H 2 O ^ FeS047H2 0 . . ..

3. Взаимодействие сульфатов закиси железа с серной кислотой, водой и кислородом воздуха -- окисление железа и образование нормальных и основных сульфатов окиси железа:

4FeSO4SH2O + 2H2SO4 + O2 -» 2Fe2 ( S 0 4 ) 37H20

4FeSO4SH2O + H3O + O2 2Fe2 ( O H / S 0 4 ) 2 9 H 2 0 + H2O.

осадочный порода петрография железо

4. Гидролиз сульфатов окиси железа и образование гидроокислов железа:

Fe2 ( S 0 4 ) 3 7 H 2 0 ^ 2Fe ( O H ) 3 + H2O + 3H2SO4

или Fe2 (SO4J3 + 6H2O ^ 2Fe ( O H ) 3 + 3H2SO4.

Возникшая при окислении сульфидов серная кислота в процессе обменных реакций с другими соединениями, и в частности с карбонатами, а также при взаимодействии с растворами, содержащими калий, натрий, кальций, магний, алюминий, железо, образует ряд менее растворимых сульфатов: гипс, квасцы, ярозит, алунит и др.

Не менее важным процессом зоны гипергенеза является растворение и вынос вещества поверхностными и подземными водами.

Растворению подвержены в первую очередь наиболее растворимые соединения: галоиды, сульфаты, нитраты, затем карбонаты и фосфаты.

Особенно активны кислые воды, содержащие органические и неорганические кислоты.

В результате растворения и выноса вещества увеличивается пористость, появляется ноздреватость, кавернозность, осадочные породы становятся менее плотными, иногда полностью теряют цемент.

В случае минерализованных вод одновременно с растворением происходит образование новых минералов (см. выше образование сульфатов).

Стадийное изменение силикатов. Наиболее распространенные процессы зоны гипергенеза -- процессы изменения силикатов.

Среди силикатов, как известно, особое значение имеют полевые шпаты и слюды, составляющие больше 50% массы минералов земной коры и около 30% массы минералов осадочных пород.

Гипергенез в восстановительных условиях. На некоторой глубине от поверхности земли, особенно при застойном режиме грунтовых вод, грунтовые растворы обеднены кислородом. Обеднение кислородом до полного его исчезновения может иметь место в породах, содержащих органическое вещество и бактерии (разложение органического вещества и бактериальная деятельность потребляют кислород). В этих условиях выветривание происходит в восстановительной обстановке и образуются следующие минералы: самородные элементы (сера), вторичные сульфиды (пирит, марказит, галенит, сфалерит и др.), карбонаты (брейнерит, сидероплезит, пистомезит, сидерит), окислы (кварц, халцедон и др.), силикаты (каолинит, железистые хлориты и др.).

В результате выветривания в осадочных породах происходят различные изменения вплоть до полного их разрушения или растворения.

В зависимости от состава эти изменения проявляются по-разному: каменная соль, калийные соли, гипс, ангидрит -- растворяются, карбонатные породы (известняки, доломиты) -- частью растворяются, частью замещаются кремнеземом, гидроокислами железа, доломитизируются или дедоломитизируются.

В породах, содержащих глауконит и железистые хлориты, происходит окисление закисного железа -- обогащение окислами и гидроокислами.

4. СОСТАВНЫЕ ЧАСТИ ОСАДОЧНЫХ ПОРОД

Осадочные породы состоят из различных по составу и происхождению составных частей -- компонентов:

1. Аллотигенные компоненты, принесенные из других областей-- источников питания. Это, главным образом, обломочный или терригенный, материал, поступающий с суши (terra -- земля), частично продукты перемыва осадков дна бассейна.

2. Аутигенные компоненты, возникающие на месте в осадке или породе «in situ» на разных стадиях образования, изменения или разрушения осадочных пород.

3. Органические остатки.

4. Вулканогенный материал.

5. Космогенный материал.

Аллотигенные компоненты. А л л о т и г е в н ы е м и н е р а лы.

Аллотигенные минералы слагают основную массу обломочных и некоторых глинистых пород и входят в виде примеси в состав других пород.

В настоящее время в осадочных породах известно свыше 200 аллотигенных минералов и большое количество обломков самых различных горных пород. Теоретически все известные минералы и горные породы нашей планеты могут встречаться в виде обломков в осадках и осадочных породах.

Аллотигенный характер минералов определяется по окатанности или угловатости зерен и обломков.

1. Осадочная толща состоит из обломочных пород мономинерального состава, преимущественно кварцевых, и содержит прослои каолинитовых глин. Породообразующие !минералы представлены почти исключительно кварцем и каолинитом, акцессорные--цирконом, сфеном, апатитом, заметно измененным мусковитом и лимонитом.

Состав толщи и ее минералогия свидетельствуют о том, что размывалась кора выветривания кристаллических пород (гранитов, гнейсов).

2. Осадочная толща состоит из обломочных и карбонатных пород, среди которых часто встречаются песчаные, обогащенные полевыми шпатами. В составе породообразующих минералов преобладают кварц, кислый плагиоклаз, в небольшом количестве встречается ортоклаз, микроклин и мусковит. Акцессорные минералы представлены цирконом, апатитом, монацитом, сфеном, биотитом, в небольшом количестве присутствуют пироксены и амфиболы.

Минералогия пород и состав толщи свидетельствуют о том, что размывались магматические породы гранитоидного типа (граниты, гранодиориты и др.).

3. Разрез состоит из различных типов обломочных пород, среди которых отмечены песчаники грауваккового типа, содержащие в большом количестве обломки горных пород.

Породообразующие минералы -- основные плагиоклазы и обломки эффузивных пород, акцессорные -- пироксены, амфиболы, эпидот.

Подобный состав минералов осадочных пород свидетельствует о размыве эффузивных пород основного состава (диабазы, базальты и др.).

4. Осадочная толща сложена обломочными и глинистыми породами.

Породообразующие минералы -- основные плагиоклазы, акцессорные -- пироксены, рутил, ильменит, пикотит и хромит.

Такая ассоциация аллотигенных минералов может сложиться в результате размыва ультраосновных магматических пород.

5. Осадочная толща сложена обломочными породами, преимущественно кварцевого состава.

Среди породообразующих минералов преобладает кварц и присутствуют обломки осадочных пород, среди акцессорных минералов отмечены циркон, турмалин, рутил, гранат. Зерна минералов хорошо окатаны.

Состав толщи и ассоциация минералов дают основание заключить, что образовалась она в результате перемывания осадочных пород (преимущественно обломочных).

6. Разрез состоит почти целиком из обломочных пород.

Породообразующие минералы -- кварц (часто с волнистым угасанием), полевые шпаты (в основном кислые и средние плагиоклазы), акцессорные -- дистен, ставролит, силлиманит, гранат, слюды и хлориты.

Подобная ассоциация аллотигенных минералов свидетельствует о размывании комплекса метаморфических пород (гнейсы, кристаллические сланцы).

Органические остатки. З н а ч е н и е о р г а н и ч е с к их о с т а т к о в . В осадках и осадочных породах присутствуют органические остатки или следы жизнедеятельности организмов.

Количество органических остатков в породах биогенного происхождения достигает 50--70% от всего состава породы, а в ряде случаев они целиком сложены ими (ископаемые угли, некоторые известняки, диатомиты и др.).

Наиболее важными породообразователямй являются организмы с кремневой раковиной или скелетом (радиолярии, губки, диатомеи), с известковой раковиной или скелетом (фораминиферы, губки, кораллы, мшанки, брахиоподы, пелециподы, гастроподы, цефалоподы, тентакулиты, остракоды, кокжолитофориды, синезеленые, зеленые и багряные водоросли), с фосфорнокислым скелетом или раковиной (позвоночные и два вида беззамковых брахиопод), организмы, концентрирующие углерод, дающие начало торфу и ископаемым углям (псилофитовые, папоротникообразные, папоротники, хвойные, кордаитовые, цветковые), нефти и битумам (фитопланктон морей, зоопланктонморей, различные представители макрофлоры и макрофауны морей и растительный детрит, принесенный с суши).

Вулканогенный материал. В значительной части современных осадков и древних осадочных пород в том или ином количестве присутствует примесь вулканогенного, или пирокластического, материала.

Пирокластический материал представлен обломками вулканического стекла и различных минералов: пироксенов, амфиболов, кварца, кристобалита, полевых шпатов, биотита, лейцита и др. В отличие от обломочных минералов он попадает в осадок, не подвергаясь выветриванию и обработке во время переноса и отложения (вулканический пепел в современных осадках и осадочных породах). Иногда он отлагается на больших площадях более или менее выдержанным слоем и поэтому может служить хорошим корреляционным признаком.

Помимо обломочного материала вулканы поставляют большое количество растворенных в воде веществ (кремнезема, железа, марганца, меди, мышьяка, свинца, цинка, серебра и др.) в виде гидротермальных растворов, проникающих в толщу осадков (осадочных пород) или непосредственно в воды морей и океанов.

Поступление вулканогенного материала, особенно в непосредственной близости от вулканов, сильно изменяет минералогию и геохимию осадочных пород и в целом ряде случаев является причиной возникновения месторождений полезных ископаемых.

5. КЛАССИФИКАЦИЯ И ТЕКСТУРНО-СТРУКТУРНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ОСАДОЧНЫХ ПОРОД

Классификация осадочных пород основана на генезисе и вещественном составе. По генезису выделяют породы обломочные, химические и органогенные (Лучицкий, -1948) или обломочные, глинистые и хемобиогенные (Швецов, 1958; Рухин, 1953 и др.). Дальнейшее подразделение в пределах крупных генетических групп производится по вещественному и минеральному составу. Так, например, в хемобиогенной группе выделяются глиноземистые, железистые, марганцевые и другие породы. Железистые, в свою очередь, подразделяются на окисные и гидроокисные, карбонатные, силикатные и породы смешанного состава. В некоторых случаях используют также условия залегания (пластовые и конкреционные тела в кремнистых, фосфатных и других породах) и текстурно-структурные особенности. Например, разделение обломочных пород по размеру частиц на грубообломочные, песчаные, алевритовые.

При классификации любых природных объектов и явлений следует, конечно, стремиться к использованию генетического принципа.

Классифицируя различные группы осадочных пород, не следует какому-либо признаку отдавать предпочтение перед другим в угоду однообразию или ложной стройности.

По вещественному составу и генезису выделяются: 1) обломочные, 2) глинистые (алюмосиликатные и силикатные) *, 3) глиноземистые (аллитные), 4) железистые, 5) марганцевые, 6) фосфатные, 7) кремнистые, 8) карбонатные, 9) соли, 10) каустобиолиты. Каждая осадочная порода состоит из обломочных -- аллотигенных и аутигенных, хемобиогенных и биогенных компонентов в различных соотношениях. И только сравнительно редкие породы состоят из какого-либо одного компонента.

Текстуры и структуры. В определении понятий текстура и структура существуют различные точки зрения. В одном из новейших руководств Исходя из этогс, можно так определить понятие текстуры: это сложение осадочной породы, обусловливаемое ориентировкой, взаимным расположением составных частей, а также способом выполнения пространства. Текстура преимущественно макроскопический признак, изучение которого производится в обнажениях и образцах (штуфах) горных пород. Возникает она во время осадконакопления и диагенеза и видоизменяется при последующих процессах.

Структура -- строение породы, определяемое размером, формой, ориентировкой частиц и степенью кристалличности вещества (микроскопический признак). Поскольку осадочные породы в большинстве случаев залегают в виде пластов и слоисты, то и текстурные признаки целесообразно рассмотреть в связи с поверхностями пласта.

Т е к с т у р ы в е р х н е й п о в е р х н о с т и п л а с т а .

Знаки ряби. Знаки ряби представляют собой ряд прямых или изогнутых, более или менее параллельных, реже перекрещивающихся валиков на поверхности песчаных и алевритовых пород. Среди них различают асимметричную рябь течений или ветра и симметричную рябь волнений .

Асимметричная рябь ветра характеризуется небольшой высотой гребешков и небольшой амплитудой (отношение высоты к длине 1:15, 1:50). На гребнях ветровой ряби накапливаются более крупные частицы.

Симметричная рябь волнений образуется в результате действия волн. Гребни ряби волнения более острые, желобки пологие, длина волны измеряется сантиметрами и десятками сантиметров.

При попеременном воздействии волн разного направления образуется ячеистая рябь. Обычно рябь волнений возникает на небольших глубинах (до 200 м). Знаки ряби наблюдаются на песчаных и песчано-алевритовых осадках.