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

Подождите немного. Документ загружается.

Рис. 1. Зависимость со-

стояния частиц и осадка

от скорости течения

воды (по Ф. Хьюльст-

рему, 1939 г.)

деятельности таких течений в значительной мере связана со

взмучиванием осадка под действием волн. По данным В. П. Зен-

ковича на побережье Черного моря во время штормов приходят

в движение отложения галечника мощностью до 2 м, при этом

перемещение галек, вдоль берега может достигать более

100 м/сут, более мелкие обломки переносятся еще дальше. В при-

брежных частях открытых морей и океанов на глубинах до

200 м и более волнения взмучивают осадок в широкой зоне,

поэтому перемещение терригенного материала имеет значи-

тельно большие масштабы.

Атмосфера играет важную роль в процессе переноса осадоч-

ного материала. Ее транспортирующая способность определя-

ется скоростью движения воздушной массы. Надо иметь в виду,

что плотность воздуха несравненно ниже, чем воды, поэтому и

транспортирующие возможности при равной скорости у воздуш-

ной массы во много раз меньше, чем у водной. Ж. Тулэ экспе-

риментально определил размер зерен, переносимых ветром раз-

ной скорости (табл. 5). Следует отмстить, что транспортирую-

щие возможности ветра по отношению к влажному обломоч-

ному материалу очень сильно понижаются.

Скорость ветра изменяется в широких пределах даже в ко-

роткий отрезок времени (на 10—15 м/с в течение 1 мин и даже

менее) и может достигать 50 м/с (ураганы). Наиболее типич-

ные скорости ветра у поверхности Земли 0,5—10 м/с, но с уда-

лением от нее они обычно возрастают.

Максимальный размер обломочных частиц, переносимых вет-

ром, по-видимому, не превышает 20 мм, т. е. значительно мень-

ший, чем транспортируемых водными потоками. Но несмотря на

это объем материала, перемещаемого ветром, весьма значите-

лен. Так за последние 2600 лет с площади дельты р. Нила ветер

унес слой осадков мощностью около 2,5 м (по Л. В. Пустова-

лову). Ураганные ветры нередко вызывают эрозию почвы. На-

пример, весной 1928 г. на юге СССР во время пыльных бурь

был разрушен и унесен почвенный слой мощностью до 12 см

(Наука и жизнь, № 5, 1947 г.). Огромное количество осадочного

.21

Таблица 5

Максимальный размер кварцевых частиц, переносимых ветром

различной скорости (по Ж. Тулз)

Скорость ветра,

м/с

Диаметр переноси-

мых частиц, мм

Скорость ветра,

м/с

Диаметр переноси-

мых частиц, мм

0,5

0,04

7,0 0,57

1,0 0,08 8,0 0,65

2,0 0,16

9,0 0,73

3,0 0,25

10,0 0,81

4,0

0,33

11,0 0,89

5,0

0,41

12,0 0,97

6,0 0,49

13,0

1,05

материала выносит самум (песчаная буря) из пустыни Сахары

в Атлантический океан.

Расстояние, на которое перемещается осадочный материал

с помощью атмосферы, определяется прежде всего размером

частиц, постоянством скорости и направления воздушного по-

тока. Пелитовые частицы могут «путешествовать» вокруг зем-

ного шара, алевритовый материал может переноситься во взве-

шенном состоянии на тысячи километров. Кроме того, во

взвешенном состоянии песок переносится перекатыванием и

сальтацией, а более крупные фрагменты — преимущественно пе-

рекатыванием. Если направление ветра периодически изменя-

ется, осадочный материал может длительное время кочевать

в пределах какой-либо определенной территории. Это положе-

ние прежде всего относится к песчаной фракции обломочной ча-

сти. Перемещаемый атмосферный материал — важный обло-

мочный компонент глубоководных осадков.

Лед выполняет большую транспортирующую работу. Разли-

чают льды материковые и морские. Современные материковые

льды распространены в высоких широтах на островах (о. Грен-

ландия, Виктория, Новая Земля и др.), в Антарктиде, а также

в высокогорных районах других континентов (Тянь-Шань, Па-

мир, Кордильеры, Альпы и др.). Они покрывают около 10 %

суши, их суммарный объем достаточен для того, чтобы покрыть

всю поверхность суши слоем толщиной 120 м. Древнейшее оле-

денение происходило на Земле около 2,3 млрд. лет назад. Мор-

ские льды в современную эпоху покрывают огромные водные по-

верхности — до 26 млн. км

(А. С. Монин, Ю. А. Шишков,

1979 г.), однако их средний годовой объем существенно усту-

пает материковым льдам (38,7 тыс. км

против 22 200 тыс. км

Материковые льды обладают способностью перемещаться

вниз по падению каменного ложа. Скорость их движения зави-

сит от целого ряда факторов (уклон ложа, мощность ледника

и др.) и составляет обычно от долей до 5 м/сут, но иногда до-

стигает 30—40 м/сут. В процессе перемещения лед увлекает

с собой обломки пород самого различного размера — от пелито-

вых частиц до крупных глыб. В конечном итоге ледник тает и

от него остаются лишь принесенные им обломки, неотсортиро-

ванные, мало или совсем неокатанные. Они могут транспорти-

роваться дальше талыми водами или накапливаться с обра-

зованием конечной морены. Объем и дальность переноса ма-

териала ледниками в каждом конкретном случае различен

в зависимости от размера ледника, скорости его перемещения

и прочности пород слагающих ложе. Протяженность конечных

морен составляет десятки и сотни километров (Рижская —

около 70 км), а мощность — несколько метров, иногда до

10—15 м.

Ледники, сползающие с материков и островов в моря (айс-

берги), также могут нести различный осадочный материал, ко-

торый по мере таяния льда освобождается и оседает на дно мо-

рей и океанов. В результате этого крупные обломки пород и

даже глыбы могут оказаться далеко в океане среди тонкозерни-

стого осадка.

Из морских льдов как средство переноса осадочного мате-

риала имеют значение лишь прибрежные (припай), которые до-

стигают дна водоема. Под действием сильных ветров и прилив-

но-отливных течений лед ломается, отторгается от дна вместе

с вмерзшим осадком и уносится от берега. В результате тая-

ния таких льдов происходит переотложение прибрежных осад-

ков часто на значительном удалении от берегов.

Действие силы тяжести играет огромную роль в транспор-

тировке осадочного материала. Эта сила проявляет себя само-

стоятельно и при переносе осадочных частиц водой, атмосферой

и ледниками. При отсутствии силы тяжести, приподнятые над

поверхностью планеты частицы могли бы бесконечно долго пе-

ремещаться не переходя в осадок.

Самостоятельно, как фактор транспортировки, сила тяжести

наиболее ярко проявляется в горных районах, особенно при зем-

летрясениях, вызывающих интенсивное растрескивание пород,

ослабляющее силы связи между составными частями породы,

отдельными пластами, участками и блоками. При известном

Верненском землетрясении (район г. Алма-Ата) в 1889 г. на

высоте 2000—1000 м переместившаяся масса обломков пород

оценивается в 450 млн. м

, такие случаи не единичны.

Эффективно сила тяжести проявляется в морях и океанах.

Именно с ней связано возникновение турбидных (мутьевых) по-

токов. Механизм этого явления следующий: при землетрясениях

взмучивается илистый осадок, в результате чего образуется сус-

пензия, плотность которой несколько выше, чем у воды. При

наличии уклона дна эта суспензия начинает перемещаться вниз,

увлекая с собой все новые массы осадочного материала, возни-

кает мутьевой (или турбидный) поток, скорость перемещения

которого может достигать нескольких десятков километров

в час; По расчетам Хизена и Юинга (1952 г.) скорость переме-

щения мутьевого потока в районе Ньюфаундлендской банки

составляла 20 м/с (или 72 км/ч). Объем переносимого такими

потоками осадочного материала (в основном песок, алеврит,

пелит) весьма велик, о чем говорит мощность (до 4—б м) обра-

зовавшихся из него осадков. Накопление осадка происходит

у подножья континентального склона и в абиссальных равни-

нах. Современные осадки такого происхождения приурочены,

главным образом, к глубинам свыше 2000 м. С перемещением

под действием силы тяжести связаны и другие природные явле-

ния, такие как осыпи и оползни.

Растительные и животные организмы не имеют большого

значения при транспортировке осадочного материала. Как при-

мер содействия транспортирующей деятельности рек и моря

можно указать на травяные растения и деревья, перемещаю-

щиеся в водных потоках вместе с минеральными обломками,

застрявшими в их корнях. Без участия растительности эти об-

ломки сразу осели бы на дно.

В заключение необходимо отметить, что роль упомянутых

сил природы в транспортировке осадочного материала в различ-

ных географических условиях неодинакова. Во влажных рай-

онах с растительным покровом (на равнинах и в горах) пере-

нос осадочного материала в основном осуществляется водными

потоками. В областях развития пустынь основную работу в про-

цессе транспортировки выполняет атмосфера. В высокогорных

районах и полярных областях перенос обломков осуществляется

движущимися ледниками и под действием силы тяжести (в гор-

ной местности). Течения и волнения осуществляют перемещение

основной части осадочного материала в морских и океанических

бассейнах. В тектонически активных областях в пределах кон-

тинентального склона перенос осадочных частиц осуществля-

ется, в значительной мерс, турбидными потоками.

В процессе переноса обломки прочных пород и минералов

(кварц, полевые шпаты, халцедон и др.) шлифуются, окатыва-

ются (рис. 2). Быстрее всего окатываются крупные обломки,

причем при длительной транспортировке размер их заметно

уменьшается. Механически непрочные обломки (сланцы,

слюды) в процессе переноса дробятся и переходят в пелитооб-

разное состояние и даже полностью разрушаются (кальцит, до-

ломит, гипс и др.) Соединения химически нестойкие в условиях

дневной поверхности (пироксены, основные плагиоклазы, орга-

нические вещества и др.) в процессе транспортировки в значи-

тельной мере разлагаются или растворяются.

Приведенные выше обобщения сделаны применительно к су-

ществующей географической обстановке, но они могут быть ис-

Рис. 2. Эволюция формы обломков размером 30—50 мм в зависимости от

пройденного пути (по Н. П. Клесновицкому, Т. Г. Нестеровой, Н. В. Разу-

михину).

1 — галька кварцита, 2 — монокристаллический кварц

пользованы и при анализе условий переноса в более древние

Этапы геологической истории. Несомненно, что в геологическом

прошлом с иной физико-географической обстановкой, роль от-

дельных сил природы в транспортировке осадочного материала

существенно отличалась от современной. Например, в докем-

брии в условиях отсутствия наземной растительности при пере-

носе осадочного материала большее значение, чем сейчас, имела

атмосфера. В отдельные этапы четвертичной истории, как и

в другие периоды оледенения материков, существенно возра-

стала транспортирующая деятельность льда.

§ 3. НАКОПЛЕНИЕ ОСАДКА

Осадочный материал, растворенные и газообразные веще-

ства, находящиеся в состоянии неустойчивого равновесия, при

взаимодействии с окружающей средой, между собой и при уча-

стии организмов могут перейти в осадок. Места его накопле-

ния — водные бассейны и поверхность суши, однако значение

первых несравненно выше. Общий облик осадка и его физико-

химические признаки определяются с одной стороны качеством

и количеством поступающего осадочного материала, с другой —

физико-географической обстановкой и свойствами среды, в ко-

торой происходит седиментогенез. Например при обильном по-

ступлении осадочного материала и стабильной обстановке мо-

жет образоваться мощный слой осадка, наоборот периодическое

изменение обстановок приведет к формированию тонкого пере-

слаивания осадочных образований, различных по составу и

строению.

Таблица 6

Скорость осаждения частиц разного размера в воде при 15

C (по А. Хазену)

Диаметр частиц, мы

Скорость осаждения,

мм/с (опытные

данные)

Диаметр частиц, мм

Скорость осаждения;

мм/с (расчетные

данные)

1,0

100 0,08

6,0

0,8 83

0,05

2,9

0,6

63 0,04

2,1

0,5

0,03

1,3

0,4

0,02

0,62

0,3

32 0,01

0,154

0,2

0,008

0,098

0,15

0,005

0,0385

0,1 8

0,001

0,00154

0,0001 0,0000154

В водной среде отложение осадочного материала в значи-

тельной мере определяется размером и плотностью частиц.

Крупные частицы, при прочих равных свойствах, имеют значи-

тельно большую скорость осаждения, чем мелкие (табл. 6).

Вследствие этого в водных бассейнах крупные зерна накапли-

ваются ближе к области сноса, мелкие же могут путешествовать

длительное время. Сравнение данных таблицы с графиком

Ф. Хьюльстрема (см. рис. 1) показывает, что скорость течения

на границе отложения — перенос соответствует скорости осаж-

дения частиц в спокойной водной среде. Если скорость свобод-

ного падения частиц будет меньше скорости течения, частица

переносится, а когда скорость падения частицы больше скоро-

сти потока, она осаждается. Частицы разной плотности также

осаждается с различной скоростью. При равных размерах, на-

пример, обломочные зерна значительно скорее достигают дна,

чем отмершие органические ткани растений и животных, имею-

щие плотность, близкую к плотности воды.

Определенное влияние на скорость осаждения частиц оказы-

вает вязкость водной среды, возрастающая с понижением тем-

пературы, повышением солености и концентрации коллоидных

частиц. Различные вариации вышеупомянутых признаков обус-

ловливают колебания вязкости воды в водоемах в несколько

раз.

Представление о роли некоторых факторов при осаждении

алевритовых и более мелких частиц мсожно получить, ориенти-

руясь на известную формулу Стокса:

где

— скорость осаждения частиц, r — радиус частиц, δ

—

плотность частиц, δ

— плотность воды, μ — вязкость воды, g—

ускорение свободного падения.

Следует иметь в виду, что приведенная зависимость отно-

сится к шарообразным частицам. При отклонении от такой

формы скорость осаждения частиц (эллипсоидальных, пластин-

чатых, призматических и т. д.) уменьшается.

Возможность осаждения коллоидного материала наступает

после его коагуляции, происходящей при взаимодействии частиц

с противоположными зарядами, повышении концентрации кол-

лоидных систем, под влиянием радиоактивного и рентгеновского

облучений, а также вследствие изменения свойств среды. В спо-

койной гидродинамической обстановке коллоидный материал

переходят в осадок поблизости от места образования, в под-

ЕИЖНОЙ среде он может быть унесен на значительные рас-

стояния.

Растворенные и газообразные вещества, прежде чем перейти

в осадок, под влиянием жизнедеятельности организмов и фи-

зико-химических факторов выделяется в твердую фазу.

Скорость накопления осадков в водной среде колеблется

в очень широких пределах — от долей миллиметра до несколь-

ких десятков сантиметров в год. Минимальные скорости осадко-

накопления в современную эпоху наблюдаются в центральных

частях океанов и составляют 0,006—0,008 мм/год.

Высокие скорости накопления осадков характерны для дельт

крупных горных рек и бассейнов с высокой минерализацией вод

(до 20 см/год и более). Подмечено, что с увеличением площади

бассейна осадконакопления (при нормальной солености) умень-

шается средняя скорость накопления осадка.

Осаждение переносимых атмосферой частиц происходит при

уменьшении скорости ветра. Более или менее крупные (песча-

ные) частицы осаждаются обычно в пределах континента или

в прибрежной части морей; мелкие пылеватые частицы могут

осаждаться в необъятных просторах морей и океанов. В тех

океанических областях, где поступление осадочного материала

с водными потоками незначительно, атмосферная пыль нередко

является основной составной частью осадков. В областях вул-

канической активности атмосфера разносит и поставляет

в осадки вулканический пепел.

Накопление материала переносимого ледниками и льдами

происходит на суше (в виде морен, флювиогляциальных и дру-

гих отложений), в прибрежных частях морей, а часть обломков

рассеивается в осадках открытых морей и океанов. Ледниковые

отложения характеризуются очень низкой отсортированностью

и окатанностыо обломочного материала. Они в большинстве

своем состоят из неокатанных валунов, щебня, дресвы или их

смесей, которые цементируются песчаным, алевритовым и гли-

нистым материалом.

Наибольшая скорость накопления осадочного материала на-

блюдается при обвалах, осыпях, в дельтах крупных рек.

В процессе переноса и осаждения осадочного материала про-

исходит осадочная д и ф ф е р е н ц и а ц и я. первые сведе-

ния о которой имеются в работах И. Фогта (1906 г.), А. Д. Ар-

хангельского (1923 г.), В. Гольдшмидта (1931 г.) и В. П. Бату-

рина (1931 г.). Наибольший вклад в развитие учения об осадоч-

ной дифференциации внес Л. В. Пустовалов (1936—1940 гг.).

К настоящему времени ряд положений этого учения сущест-

венно уточнен и дополнен.

Сущность осадочной дифференциации заключается в том,

что под влиянием механических, химических, биологических и

физико-химических процессов происходит рассортировка оса-

дочного материала или избирательное выделение в твердую

фазу растворенных и газообразных веществ с последующим пе-

реходом отделившихся однородных продуктов в осадок. Обра-

зовавшиеся из таких осадков породы отличаются от магматиче-

ских (являющихся по отношению к осадочным материнскими)

более простым химическим составом, высокой концентрацией

отдельных компонентов или большей однородностью частиц по

размеру (рис. 3). Благодаря этим обстоятельствам многие оса-

дочные породы представляют собой ценные полезные ископае-

мые (кварцевые пески, железные руды, каменная соль и др.).

Чрезвычайно важную роль осадочная дифференциация играет

в процессах формирования месторождений мало распространен-

ных элементов.

Главные внешние факторы, регламентирующие течение оса-

дочной дифференциации, следующие: рельеф поверхности суши

и дна водных бассейнов в зоне транспортировки; климат; среда

переноса (вода, атмосфера, ледники); режим движения среды

переноса (замедление, ускорение, пульсация скорости); количе-

ство областей питания осадочным материалом и расстояние от

них до места седиментации; соленость бассейна осадконакопле-

ния и количественные соотношения растворенных компонентов;

концентрация водородных ионов и окислительно-восстанови-

тельный потенциал среды; жизнедеятельность организмов.

Кроме внешних факторов на ходе осадочной дифферен-

циации отражаются и физико-химические свойства осадоч-

ного материала: степень дисперсности; плотность; механиче-

ская устойчивость; химическая активность; растворимость;

количество (или концентрация) осадочного материала на путях

переноса.

Обилие причин, влияющих на ход дифференциации, и разно-

образие состояний веществ, участвующих в процессе, не дает

возможности создания единой схемы осадочной дифференциа-

ции, пригодной при всех типах литогенеза. В зависимости от со-

стояния веществ и способов их разобщения выделяют 4 типа

осадочной дифференциации: механическую, химическую, биоген-

ную и физико-химическую.

Механическая дифференциация — один из наибо-

лее ярко проявляющихся способов рассортировки осадочного

материала. Она происходит при транспортировке и осаждении

обломков минералов, горных пород, скелетных остатков орга-

низмов и отмерших остатков растений. Рассортировка осадоч-

ного материала при прочих равных условиях регламентируется

свойствами самих осадочных частиц и прежде всего их разме-

ром, плотностью, формой.

В общем случае раньше всего при транспортировке отделя-

ются и накапливаются близ области образования осадочного

материала наиболее крупные обломочные фрагменты. По мере

удаления от области питания из среды переноса выделяются и

переходят в осадок все более мелкие обломочные зерна и орга-

нические остатки. Это происходит как на суше, так и в водных

условиях — во внутриконтинентальных и морских бассейнах.

При равных размерах транспортируемых частиц в первую

очередь осаждаются наиболее плотные (касситерит—6,8 г/см

магнетит—5,2, ильменит—4,79, рутил—4,25 и др.), а затем лег-

кие частицы (плагиоклазы — 2,6—2,75 г/см

, кварц—2,65; по-

левые шпаты — 2,55—2,56; остатки разлагающейся растительно-

сти— 1,1 и другие). Поскольку плотность и размер в какой-то

мере компенсируют друг друга при переносе, то в осадке очень

обычна ассоциация более крупных минералов легкой фракции,

с мелкими зернами тяжелых минералов.

На осаждение обломочных частиц влияет и их форма. Наи-

большей транспортабельностью обладают обломки таблитчатой

формы, поэтому в водном потоке, во взвешенном состоянии

.29

Рис. 3. Диаграмма химического состава осадочных пород (по А. Н. Зава-

рицкому).

Рис. 4. Схема меха-

нической осадочной

дифференциации.

вместе с пелитовыми и алевритовыми ча-

стицами нередко встречаются таблички

слюды более крупного размера.

Имея в виду, что обломочные породо-

образующие минералы осадочных пород

имеют относительно небольшой диапазон

колебаний плотности (2,55—2,75 г/см

) и

изометричную или близкую к ней форму,

ведущим признакам при рассортировке ча-

стиц следует считать их размер. Принци-

пиальная схема механической осадочной

дифференциации приводится на рис. 4. От-

клонения от нее могут иметь место при на-

личии поднятий и впадин в бассейне осад-

конакопления. На поднятиях, где волнения

более интенсивно взмучивают осадок, на-

капливается более крупный осадочный ма-

териал (песок), на склонах поднятия осаж-

дается слабо отсортированный материал

(песок, алеврит, глина). К отклонению от схемы дифференциа-

ции могут привести прибрежные морские течения, селевые по-

токи (когда происходит совместное отложение разнородного

осадочного материала) и другие природные явления.

Химическая дифференциация — это совокупность

химических процессов, происходящих в гидросфере, вызываю-

щих последовательный переход растворенных веществ в твер-

дую фазу и осаждение возникших продуктов в бассейне

седиментации. Этот вид дифференциации грандиозен по мас-

штабам— он происходил прежде и осуществляется сейчас в кон-

тинентальных водоемах, морях и океанах, покрывающих более

/з поверхности нашей планеты.

Основные продукты химической дифференциации отличаются

простотой состава — это, главным образом, простые окислы, соли

угольной, серной и соляной кислот, состоящие из 2—3 элемен-

тов. Выделение растворенных веществ в твердую фазу происхо-

дит под влиянием внешних факторов (температура, давление,

газовый режим, щелочно-кислотные и окислительно-восстанови-

тельные свойства среды), эффективность воздействия которых

в значительной мере определяется тектонической обстановкой

и климатическими условиями. Существенное значение в про-

цессе дифференциации имеют также солевой состав вод, кон-

центрация отдельных компонентов и их химические свойства.

При постоянстве внешних факторов и химической характери-

стики природных вод между осадком и растворенными вещест-

вами устанавливается равновесие. Изменение физико-химиче-

ской обстановки влечет за собой выпадение веществ в осадок,

либо разрушение последнего. Различная направленность этих