Кузнецов В.Г. Литология. Осадочные горные породы и их изучение

Подождите немного. Документ загружается.

Несмотря на столь небольшое, казалось бы, количествен-

ное значение, роль осадочных пород огромна. Они занимают

почти 80 % общей площади суши (119 млн. км

из общей

площади 149 млн. км

) и примерно столько же — 76 % пло-

щади дна современного Мирового океана. Вместе с тем, не-

смотря на эту почти повсеместную распространенность, рас-

пределение мощностей и массы осадочных пород по площади

весьма неравномерно. Максимальные мощности достигают,

видимо, 20

—

25 км, а может быть и больше, в горно-складча-

тых областях, некоторых краевых впадинах платформ (типа

Прикаспийской) и в прогибах окраин континентов. Практи-

чески отсутствует осадочный чехол только на щитах плат-

форм (если исключить почвенный покров, который сам по

себе тоже является осадочным образованием) и на срединно-

океанических хребтах. Средняя мощность стратисферы для

Земли в целом определяется в 2,2 км.

Общий объем осадочной оболочки континентов составля-

ет 765-IO

км

, континентальных окраин — 250·IO

км

и океа-

нов -

115· IO

км

Среди осадочных пород наиболее распространены в стра-

тисфере Земли (без учета эффузивов) глинистые породы —

51,12 %; далее следуют обломочные породы (реально — песча-

ники, так как другие типы обломочных пород — конгло-

мераты и т.д. — встречаются в глобальном масштабе весьма

ограничено) — 25,0 %. Примерно таково же количество кар-

бонатных пород — 20,4 %. На кремнистые породы прихо-

дится 2,3 %, на гипсы, ангидриты, соли — 1,2 % общего объ-

ема осадочных отложений. Поскольку в стратисфере име-

ются и вулканогенные образования и их количество оценива-

ется в 12,7 % от общего объема данной оболочки, то с учетом

этого доля чисто осадочных пород несколько ниже и для ука-

занных выше пород равна соответственно 44,6, 21,8, 17,8, 2,0

и 1,1 %. Количественное значение других осадочных образо-

ваний — фосфоритов, аллитов, лимонитов и т.д. — ничтожно,

хотя их важное экономическое значение несомненно и не

сопоставимо с их количественным распространением.

Очень велико теоретическое, общегеологическое значение

осадочных горных пород. Они обладают очень высокой ин-

формативностью, ибо в них заключены сведения о механиз-

мах и обстановках осадкообразования и осадконакопления и

в более общей форме — о палеогеографии прошлых эпох.

Смена осадочных пород и их характеристик во времени, рав-

но как и содержащихся в них остатков организмов, является

основой изучения развития Земли, их исследование обу-

словило становление и развитие специфики геологии как

науки исторической. Антологическое изучение осадочных

пород лежит в основе многих геологических дисциплин. Так,

в сочетании со структурной геологией литология лежит в ос-

нове геотектоники, а через учение о формациях является

мощнейшим инструментом познания геологического строе-

ния и геологической истории Земли и ее отдельных регионов.

Осадочные породы имеют огромное экономическое значе-

ние. Так, в них сосредоточено практически 100 % мировых

запасов горючих ископаемых (нефть, газ, уголь, горючие

сланцы, торф), 100 % марганцевых, цирконо-гафниевых руд и

калийных солей, 80

— 90

% железных, магниевых, титановых,

кобальтовых, урановых руд и руд редкоземельных элементов,

фосфоритов и серы, от 50 до 80 % медных, никелевых, оло-

вянных, тантало-ниобиевых руд, львиная доля сырья для

строительной, химической и других отраслей промышленно-

сти. В целом полезные ископаемые осадочного происхожде-

ния по своей общей стоимости составляют не менее 75

—

80 %

общей стоимости всех полезных ископаемых, добываемых

человечеством (Пустовалов, 1964). Примерно подобный поря-

док цифр сохраняется и ныне. Нельзя не отметить и такое

важнейшее осадочное образование, как почвы — продукт

биосферы и абсолютно необходимый фактор существования

наземной биоты, и человечества в том числе.

Таким образом, практически вся жизнедеятельность чело-

вечества, само существование цивилизации в прямом и пере-

носном смысле слова базируется и развивается на осадочных

образованиях.

Сравнение среднего химического состава осадочных пород

с составом гранитогнейсовой оболочки и земной коры в це-

лом (где наряду с осадочными и кислыми магматическими

породами присутствуют и, видимо, даже преобладают основ-

ные породы) показывает, что каких-либо кардинальных раз-

личий по содержанию главных компонентов не отмечается

(табл. 1.1). Это касается как набора основных элементов (или

оксидов), так и их концентраций. Вместе с тем некоторые

важные отличия существуют. Из них прежде всего необхо-

димо отметить повышенное содержание в осадочном ком-

плексе кальция (в 2,5 раза больше, чем в гранитогнейсовой

оболочке), резко повышенное содержание органического уг-

лерода, углекислоты, воды, а также летучих — серы, хлора,

фтора (в 5- 10 раз).

Интересно отметить и Некоторые изменения в отноше-

ниях содержаний ряда важных компонентов. Так, в осадоч-

Таблица 1.1

Средний химический состав осадочных пород Земля, гранитно-метаморфической оболочки

и земной коры в целом (Ронов, 1980, 1993)

Оболочки

Средний химический состав, % (по массе)

Оболочки

SiO

FeO

MgO CaO

O K

Copr

Осталь-

ное

Сум-

ма

Осадочная оболочка с

эффузивами

51,02 12,67 2,56 2,8 3,24

10,54 1,92

2,18

0,46

7,68

3,23

1,7

100

Осадочные породы

без эффузивов

50,37 11,99

2,42

2,38 2,96 10,92 1,73 2,33

0,54

8,99

3,6 1,77 100

Гранитно-метаморфи-

ческая оболочка

63,81 14,92 1,75

3,68

2,83 4,08

3,02

2,84

0,05

0,9

1,17 0,95

100

Земная кора в целом

55,24 14,55 2,42

5,86 5,37 8,12

2,44

1,61

0,07

1,44

1,46

1,42 100

ном комплексе трехвалентное железо преобладает над двух-

валентным, а в земной коре это отношение обратное. Явле-

ние это связано с общей окислительной обстановкой зоны

осадконакопления. Аналогичным образом соотношение на-

трия и калия меняется в осадочных породах в сторону по-

следнего. Возможно, это обусловлено вхождением калия в

состав глинистых пород — самых распространенных пород в

стратисфере.

Различия же в минеральном составе магматических и оса-

дочных пород неизмеримо более существенны, если не ска-

зать кардинальны (табл. 1.2). Можно наметить три группы

минералов: 1) встречающиеся как в магматических, так и в

осадочных породах; 2) встречающиеся практически только в

магматических породах; 3) встречающиеся практически толь-

ко в осадочных породах. Среди первых это лишь салические

минералы — кварц и полевые шпаты; при этом соотношения

их в генетически разных породах существенно различны — в

осадочных породах примерно вдвое увеличивается содержа-

ние кварца, но в 5

— 7

раз сокращается количество полевых

Таблица 1.2

Средний минеральный состав магматических и осадочных пород, %

Минералы

Магматические породы Осадочны породы

Минералы

Барт, 1948

Швецов,

1958

Швецов,

1958

Кузнецов,

2003

Кварц

12,4

20,4

34,8

20-22

Полевые шпаты

60,2 50,25 15,57

8-10

Пироксены 12 12,9

- -

Амфиболы

1,7

1,6

- -

Оливин

2,6

2,65 - -

Биотит

3,8 3,86

- -

Мусковит

1,4

- -

Магнетит, ильменит,

гематит

4,1

4,6 0,09

—

Глинистые минералы

- -

29,62

40-45

Кальцит

Доломит

4,25 -ι

9,07 -J

20-25

Гипс, ангидрит, галит

0,97 1-2

Опал, халцедон

- 2-3

шпатов, причем практически исчезают средние и основные

плагиоклазы и относительно возрастает роль калиевых поле-

вых шпатов. В осадочных породах практически отсутствуют

фемические минералы (оливин, пироксены, амфиболы, био-

тит, магнетит), являющиеся породообразующими в средних и

основных магматических породах (вторая группа минералов).

Основу же осадочных пород составляют новообразованные,

характерные именно для них минералы — глинистые (каоли-

нит, гидрослюды, монтмориллонит и др.), карбонаты кальция

и магния, в меньшей степени сульфаты, галогениды (га-

лоиды), лимонит, опал (третья группа).

Принципиальное различие между относительно близким

химическим и резко различным минеральным составом маг-

матических и осадочных пород видно на диаграмме А.Н. За-

варицкого (рис. 1.1). В вершинах треугольника он скомпоно-

вал оксиды, обладающие, по его мнению, разной геохимиче-

ской подвижностью. Оказалось, что в этих координатах маг-

матические породы при всем их разнообразии занимают

CaO, Na

O, K

руды

Рис. 1.1. Треугольная диаграмма химического состава магматических и оса-

дочных пород (по А.Н. Заварицкому, 1932).

Заштриховано поле составов изверженных пород

лишь незначительную часть треугольной диаграммы. Осадоч-

ные же породы распространены по всему полю этой диа-

граммы, и лишь глинистые породы и граувакки соответст-

вуют по своему химизму магматическим. Принципиально

важно, что среди осадочных пород есть весьма «чистые» ли-

нии, т.е. мономинеральные породы, состоящие практически

из одного минерала — кварцевые песчаники, трепела и опо-

ки, известняки, доломиты, гипсы, соли и т.д. В этом про-

является открытое позднее, чем была составлена эта диа-

грамма, явление осадочной дифференциации вещества —

глобально развитое и составляющее, по-видимому, один из

характернейших и важнейших результатов осадочного про-

цесса.

1.2. ОСАДОЧНЫЕ ПОРОДЫ И ИХ СОСТАВНЫЕ

ЧАСТИ

Осадочная горная порода, равно как и любая

другая порода, представляет собой особый уровень организа-

ции вещества, более высокий, чем минеральный уровень.

Каждый минерал обладает по крайней мере двумя необходи-

мыми, внутренне ему одному присущими свойствами — хи-

мическим составом и внутренней структурой: аморфной или

упорядоченной — кристаллической; в последнем случае оп-

ределяющим является строение, структура пространственной

кристаллической решетки. Именно эти два показателя обу-

словливают основные внешние черты минерала — симмет-

рию и облик кристаллов, а также его свойства — цвет, твер-

дость, спайность и т.п. Горная же порода является законо-

мерной ассоциацией минералов, поэтому она характери-

зуется, в основном, не химическим, а минеральным составом,

и наличие мономинеральных пород (кварцевых песчаников,

опок, ангидритов и т.д.) ни в коей мере не опровергает этого

положения. Более того, именно на их примере наглядно ви-

ден абсолютный примат минерального состава над химиче-

ским. Например, при общем химическом составе SiO

это

может быть либо минерал кварц, и тогда состоящая из него

порода будет кварцевым песчаником, либо халцедон, из ко-

торого состоят кремни, фтаниты и другие подобные породы.

Но сам по себе набор минералов еще не определяет при-

надлежности к той или иной конкретной породе. Это поло-

жение легко проиллюстрировать несложным примером. Зада-

димся простым на первый взгляд вопросом: можно ли, а если

можно, то как назвать породу, состоящую из кварца, калие-

вых полевых шпатов, кислых плагиоклазов и небольшого ко-

личества слюд? Как правило, первый и поспешный ответ на

этот вопрос достаточно типичен — гранит. Но ведь такой же

состав имеют и многие песчаники. Следовательно, для того

чтобы различить эти породы, необходимо использовать еще

один показатель — структуру, т.е. характер слагающих по-

роду фрагментов: кристаллов в первом случае и обломочных

зерен во втором. Однако и введение этого показателя не все-

гда решает проблему. В рассматриваемом примере кристал-

лическую (точнее, кристалломорфную) структуру имеют как

граниты, так и, при том же минеральном составе, — гнейсы.

Для разделения этих пород необходим еще один показа-

тель — характер взаимного расположения слагающих породу

минералов, ее текстура. В гранитах она массивная, в гней-

сах — полосчатая, гнейсовидная, связанная с ориентирован-

ным расположением кристаллов. Еще один пример из чисто

осадочных горных пород. При одном и том же опаловом ми-

неральном составе порода может быть опокой (с аморфной

структурой), а может быть диатомитом (с органогенной

структурой).

Таким образом, для определения и описания горной по-

роды требуется охарактеризовать три необходимых и

достаточных свойства или признака — ее минеральный

состав, структуру и текстуру. Последние два понятия —

структура и текстура — в отечественной научной лите-

ратуре нередко объединяется единым термином — строение

породы. Аналогичные понятия имеются и в зарубежной

литературе. В английском языке это fabric, в немецком

das Gefiige.

Характер осадочной горной породы, ее состав, во мно-

гом структура и текстура определяются соотношением ос-

новных составных частей, или, точнее, генетических состав-

ных частей породы. Они подразделяются на две большие

группы (табл. 1.3). Первая — аллотигенные (аллохтонные)

компоненты. Это фрагменты, принесенные в данную породу

извне, уже сформировавшиеся где-то в других местах и часто

в результате иных, неосадочных процессов. Вторая группа —

это аутигенные (автохтонные) компоненты, которые образу-

ются на месте своего нахождения — in situ. При этом время

образования последних не лимитируется. Другими словами,

это могут быть компоненты, отложенные на стадии седимен-

тогенеза, но они могут образоваться и в результате постседи-

Таблица 1.3

Основные составные части (компоненты) осадочных горных пород

По месту образова-

ния компонентов

По механизму образования ком-

понентов

Примеры пород

Аллотигенные —

принесенные извне

(аллохтонные)

Вулканогенные (вулканические) Пирокластические

туфы и туффиты

Аллотигенные —

принесенные извне

(аллохтонные)

Обломочные

(кластические,

кластогенные)

Терригенные

(обломочный ма-

териал образо-

вался на суше)

Конгломераты,

песчаники

Аллотигенные —

принесенные извне

(аллохтонные)

Обломочные

(кластические,

кластогенные)

Эдафогенные

(обломочный ма-

териал образо-

вался на дне

океана)

Глыбовые накоп-

ления, песчано-

алевролитовые и

другие осадки

Аутигенные — об-

разовавшиеся на

месте нахождения

(автохтонные)

Хемогенные (седиментационные,

диа- и катагенические)

Гипсы, каменная

соль, метасомати-

ческие доломиты

Аутигенные — об-

разовавшиеся на

месте нахождения

(автохтонные)

Органогенные Диатомиты, орга-

ногенные извест-

няки

ментационных процессов на стадии диа- или катагенеза. Раз-

деление их по времени, по стадиям образования — это от-

дельная задача, решаемая стадиальным анализом.

Среди аллохтонных в свою очередь выделяются два вида.

Наиболее распространенными и важными являются обломоч-

ные (кластические, кластогенные: от clast — обломок). Это

обломки, образовавшиеся при разрушении более древних

пород, вне зависимости от их типа, возраста, состава и про-

исхождения, принесенные извне и отложенные чисто меха-

ническим путем. До недавнего времени синонимом этого

типа был термин «терригенный» (от terra — земля, т.е.

образующиеся при разрушении суши). В настоящее время

установлено, что породы океанического дна, не выходящие

выше уровня моря, т.е. подводные, тоже разрушаются и

образуют обломочные отложения из «собственного», океани-

ческого материала. Этот материал получил название эдафо-

генного. Таким образом, обломочные, или кластогенные,

компоненты могут быть двух видов — терригенные и

эдафогенные.

Другим видом аллотигенных компонентов являются вулка-

нические продукты в виде обломков вулканических пород.

Среди них различают обломки, состоящие только из вулка-

нического стекла — витрокласты, только из кристаллов-вкра-

пленников или их агрегатов — кристаллокласты, и, наконец,

из кристаллов-вкрапленников вместе со стеклом - вулкано-

класты. Обособление вулканогенного материала от обломоч-

ного, кластического обусловлено его специфическим проис-

хождением за счет вулканических извержений, а не путем

разрушения более древних, в том числе уже застывших вул-

канических пород.

Автохтонные (аутигенные) компоненты также подразде-

ляются на два типа. Полностью аутогенными являются хими-

чески осажденные (хемогенные) образования, причем, как

указывалось выше, не важно, образовались они в процессе

седиментации, при диа- или катагенезе. Практически авто-

хтонными являются и органические образования в виде ос-

татков скелетов организмов: как одиночных, так и колони-

альных, как внутренних (кости), так и внешних (раковины).

По сути дела мы имеем здесь дело с биокостным веществом,

т.е. минеральными соединениями разного состава, образо-

вавшимися в результате жизнедеятельности организмов.

Лишь незначительная часть органогенных компонентов имеет

аллохтонный характер — углистые включения, принесенные

с суши в морские отложения, остатки активно плавающего

нектона и некоторые другие. Однако это все-таки исключе-

ния, и их количественная роль весьма незначительна. В абсо-

лютном большинстве случаев даже перенос органических ос-

татков после отмирания организмов не только осуществля-

ется в пределах того же бассейна седиментации, но и проис-

ходит на очень небольшие расстояния, т.е. практически они;

захороняются там же, где и образуются.

Таким образом, основную породообразующую роль иг-

рают четыре генетически различные составные части — вул-

каногенная, обломочная, органогенная и хемогенная. Совер-

шенно ясно, что наличие всех составных частей в одной по-

роде не только не обязательно, но и весьма редко. Встреча-

ются породы, образованные одной из этих частей (например,

гипс или ангидрит), однако наиболее обычны породы, где

присутствуют две-три составные части (например, песчаник с

карбонатным цементом или такой же песчаник с остатками

раковин).

Само же наличие тех или иных составных частей, их на-

бор и количественные соотношения обусловлены составом

участвующих в образовании осадочных пород веществ, усло-

виями и механизмами их образования и преобразования.

Важно отметить, что это именно ведущие, породообра-

зующие компоненты, так как роль других (чаще всего указы-

вается на космический материал) ничтожна.

1.3. ОБЩИЕ ЧЕРТЫ СТРОЕНИЯ

ОСАДОЧНЫХ ГОРНЫХ ПОРОД

Строение осадочной горной породы, как указы-

валось выше, характеризуется двумя показателями — их

структурой и текстурой. Под структурой породы понимается

совокупность признаков, определяемых морфологическими

характеристиками отдельных составных частей породы, т.е.

слагающих ее фрагментов — их типом, формой, размером,

однородностью или неоднородностью этих размеров и т.д.

Эти показатели частично определяются при визуальном изу-

чении образцов, штуфов, а иногда и естественных обнажений

и горных выработок. Так, лишь в обнажении можно опреде-

лить структуру крупногалечных конгломератов; структура

гравелитов, дресвитов, некоторых органогенных известняков

может быть установлена в образцах (для этих целей иногда

очень хороши пришлифовки). Многие же структуры, если не

большинство их, более надежно устанавливаются и подроб-

нее описываются в шлифах под микроскопом. В зависимости

от размерности фрагментов, т.е. возможности изучать струк-

туру невооруженным глазом или под микроскопом, разли-

чают макроструктуру и микроструктуру.

Под текстурой понимается характер взаимного располо-

жения, пространственного взаимоотношения фрагментов по-

роды. Другими словами, это сложение породы, обусловленное

ориентировкой составных частей породы, типом их взаим-

ного расположения, способом выполнения пространства. Тек-

стуры, как правило, более «крупноразмерны», выделяются и

описываются в поле и крупных штуфах. К текстурам отно-

сится большинство видов слоистости (типичная текстура

именно осадочных пород), знаки ряби и т.д. Ряд текстур не-

плохо виден и в отдельных образцах, но чаще всего текстура

породы в образце, а тем более в керне из-за их относительно

небольших размеров определяется как массивная, что отнюдь

не отражает истинной текстуры породы (см. далее — раздел

1.3.1). Вместе с тем некоторые виды текстур удается наблю-

дать и в шлифах. К ним относится микрослоистость, в том

числе градационная, микростилолиты и т.д.

Достаточно сложными могут быть соотношения структур и

текстур для породы в целом и отдельных слагающих ее эле-

ментов. Наглядным примером этого является, в частности,

оолитовый известняк. Поскольку основной породообразую-

щий компонент породы — оолиты — имеют свои размеры,