Алексеев В.И. Конспект лекций по курсу Литология

Подождите немного. Документ загружается.

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Санкт-Петербургский государственный горный институт им. Г.В.Плеханова (технический

университет)

В. И. Алексеев

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ

по курсу «ЛИТОЛОГИЯ»

для студентов, обучающихся по направлению

«Прикладная геология»,

специальность 130306 – Прикладная геохимия, петрология,

минералогия

Санкт-Петербург

2010

ВВЕДЕНИЕ

Литология

– наука о составе, строении и происхождении осадочных

пород, составляющих верхнюю твердую оболочку Земли – стратисферу.

Объектом ее изучения являются осадочные горные породы: их минеральный

состав, строение, формы залегания, условия образования и связь с полезными

ископаемыми. В современной литологии различают три раздела:

1. Петрография осадочных пород (классификация, описание вещест-

венного состава, строения и

форм залегания осадочных пород);

2. Методы изучения осадочных пород (приемы и средства полевого

и лабораторного изучения осадочных пород);

3. Общая литология (теория образования осадочных пород).

Студентам – будущим специалистам в области прикладной геохимии,

минералогии и петрологии крайне важно знать об осадочных породах все то,

что позволяет их диагностировать и изучать особенности

вещественного со-

става и строения. Настоящий конспект лекций посвящен первому разделу ли-

тологии – петрографии осадочных породах. В курсе лекций последовательно

рассмотрены особенности их вещественного состава и строения, классифи-

кация, приведены характеристика главнейших групп и описание их предста-

вителей. В конспекте не рассматриваются каустобиолиты, алюминиевые,

марганцевые и другие группы редких, но практически

важных пород, яв-

ляющихся предметом курса полезных ископаемых. Конспект предназначен

для студентов специальности 130306 «Прикладная геохимия, петрология,

минералогия».

Осадочные породы покрывают около 75 % поверхности суши и больше

90 % дна океанов нашей планеты. Они служат источником нефти, газа, угля,

воды, алюминия, марганца, строительных материалов и другого сырья. В

осадочных толщах геологи ищут и находят

продукты разрушения коренных

месторождений – россыпи, из которых добывают алмазы, золото, драгоцен-

ные камни и множество других ценнейших полезных ископаемых. В осадоч-

ных толщах сосредоточено более 90% мировых ресурсов полезных ископае-

мых. В настоящее время на осадочные породы приходится ¾ стоимости до-

бываемого минерального сырья.

По этой причине минералого-петрографические исследования осадоч-

ных

пород является неотъемлемой частью геологических работ, связанных с

геологической съемкой, поисками и разведкой полезных ископаемых. Задача

минералога, петрографа, геохимика состоит в правильной диагностике и все-

сторонней вещественной характеристике осадочных образований, на основе

которой проводятся стратиграфические корреляции, историко-геологические

реконструкции и весь комплекс геологоразведочных работ.

История человечества тесно связана с осадочными породами

. В камен-

ном веке человек использовал кремневые орудия труда и оружие, соль, ми-

неральные краски, позднее стал добывать из осадочных пород железо, медь,

уголь, использовать их в строительстве. Основой развития экономики совре-

менного общества стали нефть и газ, добываемые из осадочных толщ.

Знания об осадочных породах накапливались постепенно. Научные

сведения о некоторых из них можно встретить уже в трудах Леонардо да

Винчи, Николаса Стено и других ученых эпохи Возрождения. В XVII веке в

трудах знаменитого

немецкого ученого А. Г. Вернера было заложено понятие

«формация» применительно к сериям осадочных пород. В числе первых оте-

чественных исследователей был М. В. Ломоносов («О слоях земных», 1763).

Первые общие закономерности распространения и чередования морских

осадков были установлены в трудах Н. А. Головкинского (1867) и

И. Вальтера (1894).

Революционное значение для петрографии осадочных

пород имело

изобретение поляризационного микроскопа. Заслуга введения в петрографию

микроскопического метода принадлежит Г. Сорби (1850), Ф. Циркелю

(1863), Д. И. Мушкетову, А. А. Иностранцеву, А. П. Карпинскому и

А. В. Гурову (1867–1879).

В начале XX в. литология оформилась как самостоятельная наука, а

петрография осадочных пород - как один из ее разделов. В это время были

изданы классические труды А. Д. Архангельского, А. П. Карпинского,

М. Д. Залесского, В. И. Вернадского И. М. Губкина, Д.В. Наливкина, разра-

ботаны первые руководства по исследованию осадочных пород (Cayeux,

1916; Швецов, 1922; Наливкин, 1922). Первый учебник по петрографии оса-

дочных пород был издан Л.В. Пустоваловым в 1940 году.

Особенно бурное развитие петрографии

осадочных пород началось с

30-х годов XX в., что определялось развитием таких методов исследования

как иммерсионный, термический, рентгеноструктурный, химический и спек-

тральный анализ, гравитационная и другие виды сепарации. Затем появились

новые физические и физико-химические методы – электронографии, растро-

вой и электронной микроскопии, микрозондовый, инфракрасной спектроско-

пии и др.

Огромное значение для

литологии XX века имели труды русских уче-

ных Н. М. Страхова, Н. Б. Вассоевича, Г. И. Теодоровича, Д. В. Наливкина,

М. С. Швецова, Л. Б. Рухина, В. Б. Татарского, Л. В. Пустовалова,

А. Г. Коссовской, А. П. Лисицына, М. В. Кленовой, Ю. П. Казанского,

Н. В. Логвиненко, В. Т. Фролова

. За рубежом плодотворно работали

Г. Б. Мильнер, У. Х. Твенхофел, В. Крумбейн, Ф. Дж. Петтиджон,

Г. Фухтбауэр, Ф. Шепард, Д. Кюнен, Ж. Милло и др.

Современный этап развития литологии связан с углубленным исследо-

ванием осадков Мирового океана и их связей с геоморфологией и тектоникой

морского дна, с физическими процессами, происходящими

в водной толще.

См. работу Н.М. Страхова «Развитие литогенетических идей в России и СССР. Критический обзор. – М.:

Наука, 1971 (Тр. ГИН, вып. 228)

Весьма своеобразно место литологии в системе наук о Земле. С одной

стороны, литология связана с геологическими науками – минералогией, пет-

рологией магматических и метаморфических пород, тектоникой, учением о

полезных ископаемых. С другой стороны, ее развитие немыслимо без ис-

пользования достижений физической географии, климатологии, гидрологии,

океанологии, геоморфологии, биогеографии и почвоведения. Учитывая био-

генное

происхождение многих осадков, литологи вынуждены работать в тес-

ном контакте с биологами, палеонтологами и палеоэкологами.

Современная литология вместе с петрографией осадочных пород соз-

дает вещественную и генетическую базу стратиграфии и гидрогеологии,

обеспечивает проведение инженерно-геологических изысканий и геологораз-

ведочных работ на важнейшие виды полезных ископаемых. Достаточно ска-

зать, что без

петрографических знаний невозможно изучать фильтрационно-

емкостные свойства пород-коллекторов нефти и газа, оценивать перспективы

нефтегазоносности осадочных толщ.

Петрография осадочных пород, как раздел литологии, на современном

этапе своего развития нацелена на углубленное и всестороннее изучение ми-

нерального вещества с применением новейших физических и химических

методов исследования. Начинающим исследователям следует помнить, что

ведущая

роль в исследовании осадочных пород по-прежнему принадлежит

оптико-микроскопическому методу, с применения которого начинается ди-

агностика и любое другое исследование этого вида земного вещества.

ОСНОВЫ ПЕТРОГРАФИИ ОСАДОЧНЫХ ПОРОД.

ВЕЩЕСТВЕННЫЙ СОСТАВ ОСАДОЧНЫХ ГОРНЫХ ПОРОД

ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ОСАДОЧНЫХ ПОРОД

Средний состав осадочных пород близок по содержанию основных

петрогенных элементов к составу магматических пород (табл. 1). Содержа-

ния кремния практически идентичны – 27,74 и 27,55 %. Суммарное содержа-

ние железа в магматических породах около 4,5 %, а в осадочных – 3,9 %, т.е.

весьма близко; разница в 0,6 % отражает, возможно, его слабое рассеивание в

биосфере и гидросфере. При этом в магматических

породах преобладает за-

кисное железо (закисный модуль Fe2+O/Fe3+2O3 составляет 1,2-1,3), а в оса-

дочных – окисное (Fe2+O/Fe3+2O3 около 0,6). Это указывает на преоблада-

ние окислительных условий и господство в атмосфере и гидросфере кисло-

рода, производимого растениями, по крайней мере, с протерозоя.

Таблица 1

Содержание (%) химических элементов в горных породах [19]

Породы

Элементы

Магматические Осадочные

Прочие

47.33

27.74

7.85

4.5

3.47

2.46

2.24

0.22

0.19

1.54

49.95

27.55

6.97

3.9

3.82

2.33

0.82

1.52

0.48

2.01

0.65

Содержания окислов щелочноземельных элементов в магматических и

осадочных породах также близки. Более чем двукратное преобладание каль-

ция над магнием в осадочных породах имеет биогенную природу и является

результатом связывания извести в скелетах организмов. Содержа-

ние щелочей, составляет 4,92 % в магматических породах и только 3,15 % – в

осадочных породах. Это явное рассеяние легко объясняется

тем, что легко

растворимые щелочи не осаждаются, а постоянно пополняют запасы хлорид-

ных и сульфатных соединений океана.

Принципиальным отличием химического состава осадочных пород от

большинства магматических является значительное содержание летучих

компонентов, главным образом воды и углекислого газа (около 10 %), а также

углерода (2,01 %) – основного компонента органического вещества. Они по-

ступают в осадочные породы из атмосферы и гидросферы в составе биоген-

ных минералов и органического вещества, а также образуются в результате

гидратации магматических и метаморфических минералов.

Сравнительное рассмотрение химического состава осадочных и магма-

тических пород позволяет их рассматривать как продукты единого кругово-

рота вещества

Земли (рис. 1). В определенные периоды геологической исто-

рии они могут быть первичными и вторичными по отношению друг к другу.

В то же время осадочные породы несут в себе черты экзогенных превраще-

ний: растворения, окисления-восстановления, гидратации, гидролиза, карбо-

натизации и т.д. Интересно, что суммарный объем (атомное количество) ки-

слорода

и водорода в составе осадочных пород равен 67,5 % (по

А.Е. Ферсману, 1934 г.). С учетом этого стратисфера предстает как специфи-

ческая гидратно-кислородная твердая оболочка Земли, промежуточная меж-

ду силикатной корой и внешними сферами – атмосферой и гидросферой.

МИНЕРАЛЬНЫЙ СОСТАВ ОСАДОЧНЫХ ПОРОД

Список минералов осадочных пород насчитывает несколько сотен ви-

дов. Ведущая роль принадлежит минералам, устойчивым в обстановке зем-

ной поверхности (табл. 2). Основными составными компонентами этих пород

являются следующие:

1. Обломочный материал – продукты механического раздробления

ранее существовавших пород. Преимущественно, это минералы магматиче-

ских и метаморфических пород, сохранившиеся при выветривании этих по-

род и

перешедшие в осадки: кварц, микроклин, альбит, значительная группа

акцессорных минералов (магнетит, гранаты, титанит, циркон, монацит, тур-

малин и др.). Мусковит и биотит в процессе перехода в осадочные породы

гидратируются и представлены гидромусковитом и гидробиотитом. Все эти

минералы, представляющие собой продукты разрушения древних горных по-

род, называют аллотигенными.

2. Хемогенный материал

, являющийся результатом химического оса-

ждения или химических реакций, происходящих в осадках и породах. Мине-

ралы, возникающие на месте в осадке или породе (in situ) на разных стадиях

образования, изменения или разрушения осадочных пород называют аути-

генными. Преимущественно, это глинистые минералы, карбонаты, сульфаты,

фосфаты, гидроксиды железа, алюминия, марганца, а также аутигенные

кварц,

гидрослюды и полевые шпаты. Реже в осадочных породах концентри-

руются сульфиды, хлориды, фториды, бораты, минералы групп цеолитов и

хлоритов.

3. Биогенный материал – минеральные остатки животных и расти-

тельных организмов. Важнейшую породообразующую роль играют морские

организмы с минеральными раковинами или скелетами – известковыми (фо-

раминиферы, водоросли, цианобактерии, кораллы, мшанки, пелециподы, гас-

троподы, брахиоподы, остракоды, цефалоподы, кокколитофориды), кремни-

стыми (радиолярии, губки, диатомеи) или фосфорнокислыми (позвоночные и

два вида беззамковых брахиопод). Прикрепленные организмы, – кораллы,

водоросли, мшанки, губки, моллюски, криноидеи, черви, членистоногие,

создают крупные рифовые постройки, в ареалах произрастания бурых и зе-

леных водорослей формируются горючие сланцы, а

в мангровой зоне за счет

высшей растительности – угли. Организмы, концентрирующие углерод (фи-

топланктон и зоопланктон, представители макрофлоры и макрофауны морей)

и принесенный с суши растительный детрит служат основой будущей нефти

и битумов.

Рис. 1. Круговорот вещества в процессе образования магматических, осадочных и мета-

морфических пород.

В последние десятилетия на дне океана обнаружены совсем необычные

трубкообразные организмы – вестиминтиферы, жизнедеятельность которых

основана на использовании энергии превращения серных соединений. Они

окружают "курильщики" – сульфидные конусы в зонах выхода горячих гид-

ротермальных источников.

ТИПЫ СТРУКТУР И ТЕКСТУР ОСАДОЧНЫХ ПОРОД.

СТРУКТУРЫ ОСАДОЧНЫХ ПОРОД

Строение осадочных пород отражает особенности породообразующей

среды и в значительной мере определяет их физические и полезные свойства.

В строении различают структуру и текстуру.

Структура определяется размером, формой, взаимоотношением зерен,

степенью кристалличности вещества и сохранностью органических остатков.

Структура является микроскопической характеристикой и наблюдается глав-

ным образом в шлифах под микроскопом. Только в

грубообломочных и

крупнозернистых хемогенных породах структурные особенности доступны

для визуального изучения.

Для каждой группы пород характерны свои структурные особенности.

Структуры обломочных (терригенных) пород

характеризуется следующими

признаками:

Размер зерен (табл. 3). Границы гранулометрических фракций (гранула, греч. – зерно)

не являются общепринятыми, но существующие классификации достаточно близки, так как учитывают тре-

бование естественности границ.

С нижней границей 0,01 мм связан скачок свойств частиц: в более тон-

ких осадках появляется связность, резко изменяются ионообменные и капил-

лярные свойства. Граница между алевритовой и псаммитовой фракциями

0,1 мм – это нижний предел размера обломков, переносимых во взвешенном

состоянии эоловыми и водными потоками и одновременно – предел разре-

шения глазом зернистости. Естественное

обоснование имеет и граница 2 мм:

более крупные обломки, литокласты, сложены преимущественно породами, а

более мелкие – фрагментами монокристаллов минералов. Граница псаммито-

вой и псефитовой фракций 10 мм обоснована гидродинамически

Л.Б. Рухиным (1969). Верхний предел галек 10 см выделяют без обоснования

и иногда увеличивают его до 20 см.

2. Сортированность. Выражать гранулометрический состав породы с

помощью

одного только среднего или средневзвешенного диаметра зерен

нельзя, так как в этой величине устранены все различия отдельных фракций,

составляющих породу. При одном и том же значении среднего диаметра, от-

клонение от него может быть больше или меньше. Зернистость обломочных

пород характеризуется распределением обломков по размеру, называемым

сортировкой. Сортировка имеет важное

генетическое значение, отражая сте-

пень переработки, а значит – дальность переноса обломочного материала

(рис. 2).

Величина отклонений значений размеров зерен от среднего отражает

степень однородности обломочного материала, его сортировку и называется

коэффициентом сортировки (S

). Для расчета этого коэффициента можно

применять стандартное отклонение гранулометрической выборки:

= (d

ср

+σ)/ d

ср

где d

ср

– средний размер зерен, σ – стандартное отклонение выборки.

Порода считается хорошо сортированной при S

=1,0÷1,5, средне сортирован-

ной при S

=1,5÷2,0 и плохо сортированной при S

>2,0.

Таблица 3

Структуры обломочных пород

Структура Размер преобладающих обломков, мм

I. Псефитовая:

Глыбовая

Валунная

Галечная (окатанные обломки)

Щебеночная (остроугольные обломки)

Гравийная (окатанные обломки)

Дресвяная (остроугольные обломки)

II. Псаммитовая:

Псаммитовая крупнозернистая

Псаммитовая среднезернистая

Псаммитовая мелкозернистая

Алевропсаммитовая

III. Алевритовая:

Псаммоалевритовая

Алевритовая крупнозернистая

Алевритовая среднезернистая

Алевритовая мелкозернистая

Пелоалевритовая

Алевропелитовая

Пелитовая крупная

Пелитовая тонкая

>1000

100 – 1000

10 – 100

2 – 10

1 – 10

0,5 – 1

0,25 – 0,5

0,1 – 0,25

0,1 – 1,0 с заметной примесью <0,1

0,01 – 0,1 с заметной

примесью >0,1

0,05 – 0,1

0,025 – 0,05

0,01 – 0,025

>0,01 с заметной примесью <0,01

<0,01 с примесью >0,01

0,005 – 0,01

<0,005

Другой способ оценки сортированности основан на построении инте-

гральной (кумулятивной) кривой, которая показывает сумму фракций мень-

ше определенного диаметра (рис 3). Коэффициент сортировки S

в данном

случае определяется как соотношение диаметров частиц, содержащихся в ко-

личестве 25% (первая квартиль Q1) и 75% (третья квартиль Q3):

130

Q / Q=S

Значение S

может меняться в широком диапазоне – от первых единиц

до первых десятков. На основе этой величины П. Траск строил классифика-

цию осадков по степени отсортированности, выделяя хорошо сортированные

осадки (S

= 1,0÷1,58), средне сортированные (S

=1,58÷2,12) и плохо сорти-

рованные (S

>2,12).

Рис. 2. Закономерности изменения обломков в процессе пере-

носа

Минеральные зерна, испытавшие механическую обработку при пере-

носе, в той или иной степени округлены: от зерен со слегка сглаженными уг-

лами до зерен с идеальной шарообразной формой. Зерна минералов, не испы-

тавшие механической обработки или обработанные слабо, имеют неправиль-

ную угловатую форму (рис. 2). Наблюдения над формой и поверхностью зе-

рен

имеют существенное значение для суждения о постседиментационной

истории обломочной породы. Исследуя обломки, обязательно отмечают сте-

пень их корродированности и регенерированности, а также изменение формы

в результате перекристаллизации.

Рис. 3. Изображение результатов гранулометрического анализа в виде гистограммы и кумулятивной

кривой [13]

По кумулятивной кривой можно определить медианный размер облом-

ков (M

) и коэффициент асимметрии П. Траска (Ka), который показывает, об-

ломки какой крупности преобладают в породе: