Условия формирования осадочных горных пород

ОСАДОЧНЫЕ ГОРНЫЕ ПОРОДЫ

Осадочные породы можно определить как геологические тела, возникающие на поверхности Земли, при небольших температурах и давлении, путем преобразования отложений, возникших за счет продуктов выветривания, жизнедеятельности организмов и иногда за счет материала вулканического происхождения. Наука об осадочных породах – литология – изучает вещественный состав и особенности строения осадочных пород, рассматривает вопросы их классификации, условия возникновения и процессы преобразования [1,7,12]. Многие осадочные породы представляют собой ценные полезные ископаемые - это уголь, горючие сланцы, руды алюминия, железа, марганца, фосфориты, различные соли, глины, известняки и т.п. С некоторыми рыхлыми осадочными породами (россыпями) связаны месторождения золота, платины, олова и других металлов.

При изучении осадочных пород используются различные методы: рентгеноструктурный, термический, электронно-микроскопический, химический, грануло-метрический, иммерсионный, также петрографический, на ктором мы остановимся для более детального его изучения.

Условия формирования осадочных горных пород

Формирование осадочных пород это длительный и сложный процесс, который подразделяется на четыре стадии: выветривание (гипергенез), перенос и отложение продукртов выветривания (седиментогенез), диагенез, эпигенез.

4.1.1 Выветривание (гипергенез)

Выветриванием называют процессы разрушения горных пород на поверхности ЗК. Главными факторами выветривания являются различные атмосферные агенты и жизнедеятельность организмов. В результате выветривания возникает материал, за счет которого образуются осадочные породы. Различают два типа выветривания – физическое и химическое.

Физическое выветривание механическое раздробление массивной породы на обломки различных размеров. Главными факторами этого процесса являются резкие колебания температуры, деятельность воды, льда и ветра. Неодинаковая теплоемкость минералов в породе приводит к неравномерному их расширению и сжатию, что вызывает возникновение мелких трещин. Трещины увеличиваются под воздействием воды, льда и ветра, породы разрушается.

Химическое выветривание – процессы, которые приводят к изменению химического и минерального состава пород. Основная движущая сила этих процессов заключается в неустойчивости минералов магматического происхождения в зоне осадкообразования. Главными агентами химического выветривания являются вода, кислород, углекислота, а так же другие природные кислоты (гумидная, серная и др.).

Вода – это наиболее существенный фактор химического разложения. Химическая активность воды (Н₂О) зависит от степени ее диссоциации на ионы Н⁺ и ОН^-. В зависимости от концентрации ионов Н⁺ и ОН^- изменяются кислотно-щелочные свойства воды. Кислотность или щелочность воды определяется величиной рН, представляющей собой логарифмический показатель концентрации водородных ионов, взятый с обратным знаком: рН = -lgН⁺. При рН>7 воды становятся щелочными, при рН<7 - кислыми, при рН = 7 - нейтральными. Кислая среда характерна для болот и торфяников, слабощелочная - для морских вод, резкощелочная – для вод соленых озер. Под воздействием воды минералы растворяются, гидротируются (частично разлагаются), гидролизуются (поностью распадаются).

Кислород, воздействуя на минералы вызывает окисление последних. Процессам окисления наиболее подвержаны минералы, содержащие элементы переменной валентности и органическое вещество. Степеть окисленности-восстановленности среды оценивается величиной окислительно-восстановительного потенциала – Eh, которая измеряется в милливольтах (мв). При положительных значениях Eh среда оценивается как окислительная, а при отрицательных – как восстановительная. Изменение Eh в природных водах регулируется O₂, H₂S , деятельностью организмов и др.

Свободная углекислотаявляется третьим важным агентом химического выветривания. Вода, насыщенная углекислотой, разлагает силикаты с образованием глинистых минералов и карбонатов. Карбонаты же переходят в хорошо растворимые бикарбонаты. Источники углекислоты – разложение карбонатов, органики, реакции фотоситеза, вулканическая деятельность.

В качестве примера химического выветривания рассмотрим схему разложения полевых шпатов, которое проходит в несколько этапов.

На первом этапе химического выветривания полевые шпаты переходят в глинистые минералы типа гидрослюды:

6К [А1Si₃О₈]+2СО₂+nН₂О=2КА1₂ [А1Sі₃О₁₀]´(ОН)₂´nН₂О+2К₂СО₃+12SіО₂.

Часть калия в форме К₂СО₃ выносится растворами. При более глубоком разложении калий может быть вынесен целиком и образует другой глинистый минерал - каолинит:

4К [А1Si₃О₈]+2СО₂+4Н₂О = А1₂ [Sі₄О₁₆] ´ (ОН)₈ +2К₂СО₃+8SіО₂

В странах с влажным тропическим и субтропическим (гумидным) климатом происходит дальнейшее разложение каолинита с образованием гидроокислов алюминия и окислов кремния (процесс латеритизации):

А1₂ [Sі₄О₁₆] ´ (ОН)₈ + nН₂О = 2Al₂О₃ ´ 4Н₂О + 8SіО₂ ´ nН₂О

Таким образом, в высоких широтах процессы химического выветривания заканчиваются образованием гидгослюд, в средних – каолинита, а в тропиках каолинит разлагается до окислов и гидроокислов.

Коры выветривания – результат преобразования поверхности земной коры под воздействием химического выветривания при определенных тектонических и климатических условиях. Кора выветривания формируется из остаточных труднорастворимых продуктов, в то время как растворимые вещества выносятся за пределы зоны выветривания.

Современные коры выветривания достигают наибольшего развития в зоне влажных тропиков, где мощность этих образований измеряется многими десятками метров. В строении коры выветривания прослеживается следующая зональность:

- нижний горизонт обычно слагается почти свежей породой, затронутой лишь процессами механического разрушения (образование щебенки, дресвы);

- выше следует горизонт глинистых минералов группы гидрослюд (при разложении гранитов) или группы монтмориллонита (при разложении габбро, базальта);

- третий горизонт сложен каолинитом или монтмориллонитом и отличается от предыдущего горизонта пятнистой окраской, обусловленной локальным распространением гидроокислов железа;

- венчается кора выветривания зоной накопления охр или бурых железняков и латеритов.

В областях умеренно влажного климата кора выветривания маломощна (максимум 1 - 1,2м).

Процессы физического и химического выветривания тесно связаны между собой и обычно проявляются совместно Интенсивность действия каждого из этих процессов зависит от ряда факторов, втом числе и от физико-географических условий. В областях с аридным (сухим) и нивальным (морозным) климатом преобладают процессы физического выветривания, в зонах гумидного климата – химического. С процессом выветривания непосредственно связано образование месторождений алмазов, золота, хромита, каолина, бокситов, никеля, кобальта, марганца и др.

4.1.2 Перенос и отложение (седиментогенез)

Вслед за выветриванием и параллельно с ним происходят процессы переноса и отложения осадочного материала— седиментогенез. Преобладающая часть продуктов выветривания выносится из зоны выветривания и отлагается вдали от места разрушения материнских пород. Основными агентами переноса являются текучие воды, движущийся лед и ветер. Значение этих агентов различно для различных климатических зон. В связи с этим целесообразно рассмотреть условия осадкообразования раздельно в зонах гумидного, аридного и нивального климата.

Седиментогенез в областях с гумидным климатом определяется переносом и осаждением продуктов выветривания с помощью текучих вод, вторстепенными агентами переноса являются – ветер, сила тяжести, живые организмы.

Перенос продуктов выветривания водными потоками осуществляется различными способами: 1) путем волочения по дну, 2) в виде грубой механической взвеси, 3) в виде коллоидных и субколлоидных растворов.

Перенос осадочного материала сопровождается частичным его отложением еще в процессе перемещения. Причина отложения – уменьшение скорости транспотирующей среды. Сначала откладываются крупные обломки, затем – мелкие. В результате переноса и отложения дождевыми и талыми водами образуются делювиальные (на склонах) и пролювиальные (у подножия склонов) осадки, частицы которых слабо окатаны и плохо сортированы.

Речные воды перемещают громадное количество осадочного материала. Все реки земного шара выносят за один год в бассейны седиментации около 13 млрд.т.продуктов механического иоколо 5 млрд.т химического выветривания. Кроме того, значительное количество осадочного материала (аллювий) отлагается в руслах и долинах рек. Гранулометрический состав аллювиальных осадков зависит главным образом от скорости течения реки. Для равнинных рек (скорость 0,5 - 1 м/сек), характерны песчаные и глинистые осадки, для горных рек (скорость 5 - 10 м/сек), - грубозернистые. Наибольшая часть осадочного материала отлагается в дельтах рек. Здесь, кроме песчано-глинистых осадков, частично осаждаются продукты коллоидных растворов, а в заболоченных дельтах иногда накапливается органическое вещество.

Основная масса продуктов физического и химического выветривания осаждается в конечных водоемах стока – морских бассейнах и озерах. Здесь в процессе осаждения большую роль играют организмы, обладающие способностью извлекать из морской воды и концентрировать в теле, скелете или раковине кремнезем, карбонаты, фосфор и другие вещества. После гибели таких организмов на дне водоемов образуются кремнистые, карбонатные, фосфатные осадки. Особое значение имеет наземная и водная растительность, концентрирующая углерод. Обширные заболоченные леса дали начало торфу и ископаемым углям, а фитопланктон морей и лагун послужил материалом для образования нефти.

Седиментогенез в областях с аридным климатом осуществляется, главным образом, при помощи ветера. Мелкие частицы переносятся ветром во взвешенном состоянии, а песчинки, гравий и мелкая галька перемещаются путем перекатывания. В процессе переноса обломочные частицы окатываются и сортируются по размеру. Эоловые пески являются наиболее отсортированными В результате деятельности ветра образуются барханы и дюны, песчаные гряды и бугры.

В областях с засушливым климатом осадки выпадают редко и обычно в виде кратковременных обильных ливней. У подножия гор после таких ливней возникают веерообразные конусы выноса обломочного материала.

Преобладание испарения над количеством выпадающих осадков создает благоприятные условия для химического отложения легкорастворимых соединений в озерах и лагунах Существует определенная климатическая закономерность распространения озерных осадков. содовые озера располагаются на периферии аридной зоны, сульфатные озера – в полупустынях и хлоридные – в центральных частях аридных зон (в пустынях).

В лагунах при небольшой концентрации растворенных компонентов осаждается кальцит, при увеличении концентрации – последовательно доломит и гипс с примесью карбонатов и, наконед, при концентрации выше 27% осаждаются хлориды и сульфаты.

Седиментогенез в областях с нивальным климатом осуществляется при помощи движущнгося льда, второстепенное значение имеет перемещение под действием силы тяжести, а по периферии ледников – под действием воды, образовавшейся в результате таяния льда.

В настоящее время ледники занимают около 10% поверхности суши, покрывая территории полярных областей и вершины высоких гор. В эпохи материковых оледенений роль ледников была значительно больше. Скорость движения ледников измеряется от 0,5 до 30м и в сутки. Вместе со льдом перемещается различный обломочный материал: от тонких глинистых частиц до глыб огромного размера Этот материал отлагается при таянии ледника в виде различных моренных образований, которые представляют собой несортированную смесь глины и песка с гравием и валунами. Следует отметить важную транспортирующую роль айсбергов.

Общее количество обломочного материала, переносимого ледниками, не подсчитывалось, но известно, что некоторые альпийские ледники выносят в год более 6000 м^г обломочного материала.

На склонах гор в областях с нивальным климатом, помимо переноса и отложения обломочного материала льдом, происходит перемещение и накопление продуктов морозного выветривания, образующих порой обширные каменные россыпи.

4.1.3 Осадочная дифференциация вещества

Понятие об осадочной дифференциации вещества ввел в литологию Л.В.Пустовалов в 1940г.

Сущность представления об осадочной дифференциации заключается в том, что при разрушении материнских пород, а также при последующем переносе и отложении осадочного материала происходит его разделение (дифференциация) по размеру частиц, плотности и химическим свойствам. В результате этого в бассейнах конечного стока отлагается не пестрая смесь всевозможных компонентов, а происходит их раздельное накопление, что обусловливает формирование осадков определенного состава.

Л.В. Пустовалов различает два типа осадочной дифференциации: механическую и химическую, которые протекают одновременно, взаимно перекрывая друг друга.

Механическая дифференциация проявляется в сортировке обломочных частиц в зависимости от их размера, формы и плотности, обусловленной уменьшением энергии потоков, переносящих обломочный материал. Крупные и более тяжелые обломки отлагаются вблизи места их образования, а мелкие и более легкие уносятся значительно дальше. Поэтому горные области окаймляются полосой грубообломочных осадков, которые по мере удаления последовательно сменяются песчаными и глинистыми отложениями. Дальность переноса зависит также в определенной степени и от формы обломочных частиц: сферические частицы оседают первыми, а пластинчатые чешуи уносятся дальше. Примером могут служить пластинки слюды, намного «обгоняющие» зерна других минералов.

Химическая дифференциация вещества заключается в последовательном осаждении соединений из водных растворов соответственно их растворчмости. Вещества, характеризующиеся плохой растворимостью, - окислы алюминия, железа, кремния и марганца – выпадают в осадок вблизи места разрушения материнских пород при незначительном изменении физико-химических условий среды на континентах либо в прибрежной части морей. Лучше растворимы карбонаты; они могут перемещаться в виде ионных растворов на значительные расстояния. Наиболее легко растворимые соединения – соли переносятся далеко от места разрушения материнских пород и осаждаются в конечных водоемах.

Все это приводит к тому, что в природе локально существуют определенные типы осадочных пород – карбонатные, кремнистые, фосфатные, железистые, галоидные и др.

Осадочный материал, поступающий в зону осадкообразования из различных источников сноса, смешивается. В результате одновремениого осаждения обломочного, хемогенного и биогенного вещества образуются породы смешанного состава (гибридные).

Диагенез

Диагенез– совокупность процессов, превращающих осадок в породу. Сущность этих процессов состоит в физико-химическом преобразовании многокомпонентного осадка в условиях поверхности земной коры.

Твердые вещества, осаждающиеся и неподвижно сохраняющиеся на дне бассейна, образуют осадок. Свежий илистый осадок представляет собой рыхлое насыщенное водой полужидкое тело, где наряду со свободным кислородом и кислородными соединениями, присутствуют разлагающиеся остатки животных и растений, создающие восстановительную среду. Микроорганизмы осадка поглощают и различные химические соединения – сероводород, углекислоту и др. В результате этого существенно изменяется состав иловых вод. Если в момент образования осадка иловые воды практически не отличаются от вод бассейна седиментации, то в ходе диагенеза они лишается сульфатов, свободного кремнезема и обогащаются H₂S, СН₄, СО₂, NНз и др. Существенно изменяются показатели рН и Еh. Иловые воды активно взаимодействуют с донной водой бассейна. Иловые воды интенсивно поглощают О₂, (SO₄^-2 ), Са⁺² , Мg⁺², а выделяют в окружающую среду СО₂, NН₃, Н₂S, СН₄ и т. п.

При диагенезе происходит образование комплекса аутигенных минералов, таких как гидроокислы железа и марганца, фосфатные минералы, глауконит (окислительная среда), затем окисные соединения переходят в закисные, образуются сульфиды, силикаты железа, кальцит, доломит, сидерит (восстановительная среда).

Образованием диагенетических минералов сопровождается их перераспределением в пределах осадка, что обусловлено неравномерными изменениями параметров pH и Eh. Например, при значениях рН=8 и более растворяются кремнистые минералы и выпадает нерастворимый в щелочной среде СаСО₃, а в пределах участкав с низким рН СаСО₃ – растворяется и в осадок выпадает SіО₂. В результате такого перераспределения вещества образуются конкреңии (кальцитовые, сидеритовые, фосфатные, марказитовые и др.), а также пятна, линзы и прослои, обогащенные теми или другими минералами.

В гумидных зонах в результате диагенеза пески и алевролиты слабо уплотняются, глины теряют текучесть, карбонатные и кремнистые породы подвергаются литификации (окаменению).

В субаэральных условиях процессы диагенеза проявлены слабее, а в ряде случаев не проявляются совершенно. При диагенезе в условиях аридного климата происхолит формирование лесса, континентальных песчано-глинистых отложений, известковых туфов и ряда других пород.

4.1.5 Эпигенез

Эпигенезом называется совокупность процессов, изменяющих осадочные породы в период их существования до начала выветривания или до перехода в метаморфические породы. В результате эпигенеза разрушаются одни минералы и возникают другие, более устойчивые в новых условиях.

Если диагенетических процессы являются следствием внутренней неустойчивости осадка, то зпигенетические обусловлены воздействием на породу внешними факторами, к которым относятся: давление вышележащих толщ, возрастание температуры, геодинамическое напряжение, подземные воды. Эпигенез проявляется при температуре от 30 до 200°С и давлении от 100 до 2000 атм.

В разрезах, характеризующихся большой мощностью отложений, проявляется эпигенетическая зональность, Например, в мезозойских терригенных отложениях Западного Верхоянья выделены следующие четыре эпигенетические зоны, обусловленные характером изменения цемента терригенных пород (сверху вниз):

1) зона неизмененного глинистого цемента;

2) зона хлоритового и хлоритокварцевого цемента;

3) зона кварцево – регенерационного цемента, или зона кварцитовидных структур;

4) зона кварцево-регенерационного и слюдистого цемента.

Каждая из последующих зон соответствует большему уровню погружения осадочной толщи, а также более длительному пребыванию последней в погруженном состоянии.

В зависимости от интенсивности эпигенетического преобразования пород выделяют различные стадии этого процесса:

1) стадию начального эпигенеза;

2) стадию глубинного эпигенеза;

3) стадию метагенеза.

Минеральные парагенезисы конкретной стадии зависят от термодинамических условий данной стадии и состава исходных пород. Эти обстоятельства позволили в учение об эпигенезе ввести понятие, о фациях регионального эпигенеза.