Прошляков Б.К., Кузнецов В.Г. Литология

Подождите немного. Документ загружается.

ББК 26.303

П 78

УДК 552.12(075.8)

Рецензенты:

кафедра петрографии, минералогии и кристаллографии Университета дружбы

народов им. П. Лумумбы, д-р геол.-минер. наук Ю. К. Бурлин

ПРЕДИСЛОВИЕ

Литология — одна из фундаментальных наук геологиче-

ского цикла. Она все шире внедряется в различные области гео-

логических исследований и не случайно появление новых науч-

ных и прикладных направлений, связанных с литологией.

В нефтегазовой геологии это литология природных резервуа-

ров, нефтегазопромысловая литология, литолого-фациальный и

формационный анализ и др.

Литология — наука о современных осадках и осадочных гор-

ных породах. Название ее происходит от греческих слов «ли-

тоc»— камень и «логос» — учение. В начале XX в. литология

обособилась от общей петрографии. В ее составе выделяют: об-

щую литологию; петрографию осадочных пород; методы иссле-

дования осадочных пород.

В настоящее время сложилось три направления исследова-

ний по общей литологии. Стадиальное, или стадиально-литоло-

гическое, направление рассматривает историю осадочной горной

породы от зарождения осадочного материала через его перенос

и осаждение, превращение осадка в осадочную горную породу,

бытие последней, вплоть до ее исчезновения в результате гипер-

генеза или метаморфизма. Седиментационно-генетическое на-

правление акцентирует внимание на первых стадиях осадочного

процесса, рассматривает факторы, механизмы и обстановки

осадконакопления. В значительной степени оно перекрывает

первое направление в области начальных стадий или этапов

осадочного породообразования (мобилизация вещества — тран-

спортировка— осаждение), однако акцент здесь делается не

столько на процессы и механизмы, сколько на обстановки и ус-

ловия осадконакопления, поэтому он тесно связан с фациально-

генетическим анализом и служит его базой.

Фациальный анализ — это средство для воссоздания физико-

географических обстановок геологического прошлого. Он сла-

гается из комплекса приемов и методик, позволяющих на осно-

вании литологических признаков и свойств осадочных пород,

комплекса заключенных в них органических остатков и следов

жизнедеятельности, особенностей распространения и взаимоот-

ношения осадочных тел устанавливать условия осадконакопле-

ния. Естественно, что решение подобной «обратной задачи» воз-

можно лишь с учетом знаний об обстановках и условиях, где и

при которых формируются те или иные осадочные комплексы

с присущими им особенностями. В связи с развернувшимся в по-

1* 3

следние годы активным изучением Мирового океана и его осад-

ков, это направление литологии получило интенсивное развитие

и ряд принципиально новых материалов и выводов. Многие со-

ветские геологи (Ю. П. Казанский, С. И. Романовский и др.)

называют это направление седиментологией; во многом анало-

гично представление о седиментологии и у ряда зарубежных ис-

следователей.

Историко-литологическое направление изучает эволюцию,

а также периодичность осадочного породообразования в исто-

рии Земли, изменение состава и наборов пород, способов и ме-

ханизмов, а также обстановок и условий осаждения материала.

В числе первых исследователей осадочных пород с научными

целями был великий русский ученый М. В. Ломоносов. Он од-

ним из первых объяснил происхождение ряда осадочных пород,

в том числе нефти, каменного угля, и изложил это в известной

работе «О слоях земных» (1763 г.). Позже Д. Геттон (1795 г.)

опубликовал книгу об условиях образования некоторых осадоч-

ных пород Англии. Затем появились обстоятельные работы

Н. А. Головкинского (1867 г.) и И. Вальтера (1894 г.) в обла-

сти фациального анализа, Д. С. Ньюберри (1872 г.) в области

цикличности осадкообразования. В конце XIX в. и позднее пло-

дотворно работали по изучению отдельных проблем литологии

И. А. Андрусов, А. П. Карпинский, французский ученый Л. Кайе.

Большую роль в становлении науки об осадочных породах

сыграли работы В. И. Вернадского (1863—1945 гг.). Им было

обращено внимание на исключительно большое влияние органи-

ческой жизни на формирование многих осадочных пород.

И. М. Губкин (1871 —1939 гг.) оценил значение различных оса-

дочных пород как резервуаров нефти и газа, показал возмож-

ности фациального анализа для прогнозирования нефтегазонос-

ности недр.

В 1922 г. курс петрографии осадочных пород был введен

в Московском и Казанском университетах. В это же время

Д. В. Наливкин создал курс «Учение о фациях» и начал его чи-

тать в Ленинградском горном институте. В 1923 г. Я. В. Самой-

лов сформулировал основные задачи литологии, наметил про-

грамму и методологию исследований осадочных пород. В эти же

годы А. Д. Архангельский разрабатывал основы фациального

анализа.

В двадцатые годы текущего столетия за рубежом плодо-

творно трудился английский ученый Г. Мильнер. Он разрабо-

тал методы исследования минеральных зерен и заложил основы

микропетрографической корреляции. В США У. X. Твенхафел

в 1925 г. опубликовал монографию «Учение об образовании

осадков», ставшую важной вехой в развитии литологии.

Нельзя не отметить деятельность М. С. Швецова, который

одним из первых создал курс осадочной петрографии для вузов

и написал учебник «Петрография осадочных пород» (1932 г.).

Работы В. П. Батурина в области микропетрографической кор-

реляции и восстановления палеогеографии по терригенным ком-

понентам (1930—1945 гг.) не потеряли своего значения до на-

стоящего времени.

Огромную роль в развитии литологии сыграли работы

Л. В. Пустовалова (1902—1970 гг.). Опубликованная им

в 1940 г. двухтомная монография «Петрография осадочных по-

род» содержала целый ряд принципиально новых положений.

Л. В. Пустоваловым было введено в науку учение об осадочной

дифференциации, представление о периодичности осадкообразо-

вания. Большое внимание он уделял подготовке специалистов

в области литологии. В 1934 г. при Московском нефтяном ин-

ституте им была основана первая в Советском Союзе кафедра

петрографии осадочных пород. За монографию «Петрография

осадочных пород» Л. В. Пустовалов в 1941 г. был удостоен Го-

сударственной премии СССР первой степени.

Большое влияние на развитие литологии оказали работы

Н. М. Страхова (1898—1978 гг.). Он обобщил огромный литера-

турный материал, выполнил ряд важных исследований по со-

временному осадкообразованию. Используя весь этот практиче-

ский материал, на основе сравнительно-литологического метода

он разработал теорию осадочного породообразования. За моно-

графию «Основы теории литогенеза» в 1961 г. он был удостоен

Ленинской премии.

Среди зарубежных исследователей значительный вклад

в развитие науки об осадочных породах в последние годы сде-

лали голландский исследователь К. Эдельман — в области па-

леогеографических реконструкций, американские литологи

Б. Крумбейн, Л. Слосс, Ф. Петтиджон, перу которых принадле-

жат учебники и обстоятельные работы по осадочной петрогра-

фии. В области современного морского и океанического осадко-

накопления большой интерес представляют работы американ-

ского ученого Ф. Шепарда.

Большой вклад в развитие литологии внесли Ю. А. Жемчуж-

ников, Л. Б. Рухин, Г. И. Теодорович, Н. Б. Вассоевич, С. Г. Сар-

кисян, М. В. Кленова, Г. И. Бушинский, Ю. П. Казанский,

A. Г. Коссовская, Г. Ф. Крашенинников, А. П. Лисицын,

Н. В. Логвиненко, В. И. Попов, А. Б. Ронов, П. П. Тимофеев,

B. Н. Холодов и др.

В области изучения литологии природных резервуаров боль-

шое значение имели работы И. А. Конюхова, К. Р. Чепикова,

А. А. Ханина, М. К. Калинко, К. И. Багринцевой, О. А. Черни-

кова. Из зарубежных исследователей по этому направлению ус-

пешно работали С. Д. Пирсон, В. Энгельгардт и другие.

Литология тесно связана с науками геологического цикла—

стратиграфией, палеонтологией, кристаллографией, минерало-

гией, геотектоникой, исторической геологией, учением о нефти

и другими. Она использует возможности этих наук и вместе

с тем решает задачи, необходимые для них. В литологии ши-

роко используются сведения, методы и приемы систематизации

данных из наук физико-математического и физико-химического

циклов. При обработке литологических материалов в настоящее

время все шире внедряется электронно-вычислительная техника,

которая призвана значительно облегчить и ускорить обобщение

фактических данных. Следует отметить, что возможности лито-

логии в части решения практических задач, особенно поисков

полезных ископаемых раскрыты далеко неполностью. Это свя-

зано с недостаточной литологической подготовкой специалистов,

большой трудоемкостью литологических исследований, длитель-

ностью подготовки материалов, которые вступают в противоре-

чие с плановыми сроками и желанием специалистов скорее ре-

шить ту или иную задачу. Широкое внедрение ЭВМ, разработка

более эффективных приемов обработки данных должны помочь

преодолеть это противоречие.

Данный учебник предусматривает минимально необходимую

литологическую подготовку специалистов для решения задач

нефтегазовой геологии. Он составлен с учетом научных дости-

жений и практических разработок последних лет. Учтено, что

часть необходимых сведений студенты получили в курсах «Об-

щая геология», «Кристаллография и минералогия», «Общая пет-

рография» и «Структурная геология».

При написании учебника авторами использован опыт препо-

давания дисциплины и ее разделов, а также авторские мате-

риалы из опубликованных раньше и апробированных в вузах

страны учебниках. Разделы I и III (кроме § 2) написаны

Б. К. Прошляковым, раздел II и § 2 раздела III — В. Г. Кузне-

цовым.

Раздел I

ОСНОВЫ ЛИТОГЕНЕЗА

И ПЕТРОГРАФИЯ

ОСАДОЧНЫХ ПОРОД

Глава 1

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ЛИТОЛОГИИ

И ЕЕ ЗАДАЧАХ

Осадочные горные породы — основной объект исследования

литологии. Под осадочной горной породой понимают геологиче-

ское тело, состоящие из минеральных или органических образо-

ваний, а также их сообществ, сформировавшееся из отложивше-

гося на поверхности суши или на дне водоема осадка, и су-

ществующие в термобарических условиях, характерных для при-

поверхностной части земной коры.

Осадочные породы широко распространены на планете. Они

покрывают около 75 % суши, а на территории СССР—до 80 %.

Вместе с тем осадочные горные породы составляют лишь незна-

чительную часть массы Земли и даже в самой верхней части

земной коры до глубины 16 км они составляют лишь около 5 %

массы (по Ф. Кларку). Сейсмические исследования последних

лет позволяют считать, что в наиболее погруженных осадочных

бассейнах мощность осадочных толщ достигает 20—23 км. На-

ряду с этим в некоторых районах мощность осадочных образо-

ваний составляет единицы метров и менее. В целом же мощ-

ность осадочной оболочки планеты ничтожно мала по сравне-

нию с размером Земли (радиус Земли на экваторе 6378, 160 км).

Ниже осадочных пород, как правило, залегают метаморфиче-

ские, в значительной своей части являющиеся продуктом преоб-

разования более древних осадочных пород. Реже осадочные по-

роды залегают непосредственно на коре выветривания магмати-

ческих пород.

Исходным материалом для образования осадочных пород

служат продукты механического разрушения и химического

разложения более древних пород (магматических, метаморфи-

ческих, осадочных), жизнедеятельности организмов, вулканиче-

ской деятельности, а также атмосферные газы, вода с раство-

ренными в ней веществами и космические образования (кос-

мическая и метеоритная пыль, метеориты). Движущие силы

процесса породообразования — экзогенные (атмосфера, гидро-

сфера, тепло химических реакций, протекающих на поверхности

Земли, деятельность организмов и др.), эндогенные (в основном

тектонические) и космические (солнечная радиация, силы тяго-

тения Солнца и Луны и др.) виды энергии.

Процесс породообразования, или литогенез, представляет

собой комплекс механических, физических, химических и биоло-

гических превращений, совершающихся в стадии седиментоге-

неза (образование осадочного материала, его перенос, накопле-

ние осадка) и диагенеза (преобразование осадка в осадочную

горную породу). Продолжительность процесса породообразова-

ния зависит от состава осадочного материала и может дости-

гать сотен тысяч лет. Наступающая после образования породы

стадия жизни или бытия может продолжаться сотни миллионов

лет. Завершается эта стадия разрушением осадочной породы

в случае выхода на поверхность, или превращением ее в мета-

морфическую в случае глубокого погружения.

Осадочные породы отличаются от магматических и метамор-

фических минеральным составом, строением, меньшими проч-

ностью и плотностью, наличием органических остатков в виде

окаменелых скелетных образований, обугленных, тонкодисперс-

ных растительных тканей, а иногда и крупных фрагментов

в виде пней, стволов деревьев и т. д. Значительный объем в оса-

дочных породах часто составляют пустоты различного размера,

заполненные жидкостями или газами. Погружаясь на значи-

тельные глубины (7—10 км и более), осадочные породы подвер-

гаются воздействию высоких температур, давлений, химически

активных жидкостей и газов, а также других факторов, приоб-

ретают черты, характерные для метаморфических образований.

В конечном итоге, при прогрессирующем погружении, осадоч-

Таблица 1

Содержание (%) химических элементов в породах

Элементы

Породы

Элементы

магматические осадочные

47,33

49,95

Si 27,74 27,55

Al 7,85

6,97

Fe 4,5

3,9

3,47

3,82

2,46

2,33

2,46

0,82

2,24 1,52

0,22

0,48

0,19

2,01

Прочие

1,54 0,65

Таблица 2

Средний минеральный состав горных пород

Содержание, %

Минералы

магматические породы

осадочные

породы

Кварц

12,4

34,8

Полевые шпаты

31,0 11,02

Плагиоклазы

29,2

4,55

Слюды 5,2

15,2

Глинистые минералы

—

9,2

Карбонатные минералы — 13,32

Пироксены и амфиболы 13,7 —

Железистые минералы 4.1

4,0

Сульфатные минералы

—

0,97

Фосфаты

0,6

0,35

Прочие минералы

3,8

5.86

Органическое вещество

—

0,73

ные породы превращаются в метаморфические. В случае вы-

хода осадочных пород на поверхность происходит их разруше-

ние и начинается новый этап породообразования.

По химическому составу осадочные породы сходны с магма-

тическими и метаморфическими — в тех и других преобладают

кислород, кремний, алюминий (табл. 1). Это свидетельствует

о едином источнике материи.

Существенное превышение содержания углерода в осадоч-

ных породах по сравнению с магматическими связано с поступ-

лением его из атмосферы вследствие образования известняков,

доломитов, каменных углей и других органических образований.

Повышенное содержание водорода в осадочных породах опре-

деляется их большой водонасыщенностью. Большая доля кисло-

рода в осадочных породах также определяется поступлением его

из атмосферы в осадок вследствие процессов окисления, а также

и за счет обводненности осадочных пород. Резко пониженное

содержание натрия в осадочных породах, по сравнению с маг-

матическими, объясняется тем, что при разрушении магматиче-

ских пород значительные количества элемента переходят в ра-

створенное состояние и концентрируются в водах Мирового

океана.

Осадочные породы существенно отличаются от магматиче-

ских и метаморфических по минеральному составу (табл. 2).

В осадочных образованиях ведущая роль принадлежит минера-

лам, устойчивым в обстановке земной поверхности (кварц, хал-

цедон, мусковит). Малоустойчивые на поверхности минералы —

силикаты из групп пироксенов, амфиболов, оливин, плагиоклазы

(особенно основные и средние) в осадочных породах или отсут-

ствуют вообще или же встречаются в виде акцессорных образо-

ваний. Составные части малоустойчивых магматических мине-

ралов при химическом разложении на поверхности чаще всего

переходят в растворенное состояние и выносятся, а при механи-

ческом выветривании нередко накапливаются в коре выветрива-

ния. В составе осадочных пород вместо неустойчивых минера-

лов появляются вновь образованные (аутигенные), устойчивые

на поверхности, глинистые, карбонатные, сульфатные, фосфат-

ные и другие минералы, а также органическое вещество — про-

дукт жизнедеятельности животных и растительных организмов.

Таким образом формирование осадочных пород сопровождается

изменением минерального состава материнских пород.

Осадочные породы представляют собой гигантскую кладо-

вую различных полезных ископаемых. Стоимость сырья, добы-

ваемого из осадочных образований, в настоящее время оцени-

вается в 75—80 % от общей стоимости полезных ископаемых,

извлекаемых из недр. Из осадочных пород получают практи-

чески все топливо (нефть, газ, уголь, горючие сланцы, битумы),

значительную часть руд черных металлов (железо, марганец)

и алюминия, радиоактивное сырье, различные соли (каменная,

калийные, сульфаты и другие). С осадочными породами свя-

заны россыпные месторождения золота, титана, олова и других

металлов. Осадочные породы — основной источник строитель-

ного материала (гравий, песок, глина, известняк, мергель и др.)

для зданий, транспортных артерий, гидросооружений и т. д. Раз-

витие промышленности и сельского хозяйства вызывает необ-

ходимость увеличения добычи полезных ископаемых и одновре-

менно стимулирует развитие науки об осадочных породах.

Несмотря на известные достижения ученых и специалистов

мира, нельзя признать, что с литологических позиций осадочная

оболочка планеты достаточно изучена. Необходимо помнить,

что лишь 29,2 % поверхности составляет суша, а 70,8 % лито-

сферы находятся под толщей морских и океанических вод.

Кроме того, следует иметь в виду, что в пределах суши наши

знания распространяются на осадочные породы, залегающие на

глубине 4—5 км и лишь в некоторых регионах до 7—9 км. Пред-

ставления о составе, строении, генезисе глубокозалегающих оса-

дочных толщ, а также об осадочных образованиях, залегающих

под гидросферой, базируются пока на данных геофизических ис-

следований и теоретических расчетах. В связи с этим в нашей

стране и за рубежом все больше сил и средств направляется на

познание осадочных пород, залегающих на больших глубинах

в пределах континентов, под океаническим дном, а также на ос-

воение приуроченных к ним полезных ископаемых.

Современный этап развития литологии и особенно ее седи-

ментологического направления связан с резким расширением

комплексных исследований Мирового океана—его осадков, гео-

морфологии и тектоники морского дна, физических процессов,