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

Подождите немного. Документ загружается.

изменений и возможность разнообразных сочетаний факторов

дифференциации не позволяют дать универсальной схемы хими-

ческой дифференциации, применимой в любых физико-геогра-

фических и геохимических обстановках.

В зависимости от обстановок осадкообразования различа-

ются два вида химической дифференциации.: При постоянстве

состава и солености бассейновых вод в течение длительного

времени (открытые моря, океаны) осадки различного состава

откладываются одновременно, но на разном удалении от бере-

говой линии, на разных глубинах. Для морского гумидного ли-

тогенеза характерна, например, такая последовательность выпа-

дения веществ в осадок (в направлении удаления от берега):

окислы алюминия, окислы железа, окислы марганца. При посте-

пенном изменении солености вод бассейнов (эпиконтиненталь-

ные моря, озера, лагуны и др.) происходит дифференциация не

в пространстве, а во времени (снизу вверх по разрезу). В эпи-

континснтальных водоемах аридной зоны, например, по мере

возрастания минерализации вод намечается такой порядок осаж-

дения: кальцит, доломит, гипс, галит, сильвин, карналлит, би-

шофит. Следует, однако, заметить, что вследствие специфики

солевого состава вод и количественных соотношений между ио-

нами в ряде случаев наблюдаются отклонения от этой схемы,

заключающиеся в появлении новых химических соединений

(астраханит, эпсомит и др. — в заливе Кара-Богаз-Гол до отде-

ления его плотиной от Каспийского моря) или наоборот в от-

сутствии некоторых упомянутых. Смена одного слоя другим —

обычно постепенная, о чем свидетельствует тонкое пере-

слаивание или совместное нахождение в пограничной зоне хе-

могенных минералов, характерных для соседствующих

слоев.

Биогенная дифференциация заключается в изби-

рательном превращении растворенных и газообразных компо-

нентов в минеральные скелетные образования или органические

ткани в результате жизнедеятельности организмов. Этот вид

дифференциации происходит на суше и в водной среде. После

отмирания животных или растительных организмов их статки

(раковины, неполностью разложившиеся органические ткани

и др.) переходят в осадок, распределяясь по дну бассейна се-

диментации в соответствии с влиянием факторов механической

дифференциации.

Благодаря дифференциации этого типа, накапливаются ог-

ромные толщи органогенных известняков, создаются рифовые

постройки, накапливается органическое вещество — материал

для образования каустобиолитов нефтяного и угольного ряда.

Особенно велика роль биогенной дифференциации в накоплении

соединений, составные части которых в воде не находятся в со-

стоянии насыщения. В современную эпоху, например, не могли

.31

бы выпадать в осадок без участия организмов кремнезем, фос-

фаты и другие осадочные образования.

Необходимо отметить, что биогенная дифференциация полу-

чает свое завершение и материальное выражение только в бла-

гоприятной физико-химической обстановке. В неблагоприятных

условиях продукты жизнедеятельности организмов могут пол-

ностью раствориться или разложиться (как это случается

с кальцитовыми раковинами в северных морях или с раститель-

ными остатками в зонах интенсивной аэрации осадка).

Физико-химическая дифференциация присуща

коллоидному материалу. Она осуществляется в водной среде под

действием физико-химических сил, вызывающих укрупнение ча-

стиц вследствие коагуляции коллоидных растворов и явлении

сорбции. Распределение выпавшего в осадок коллоидного ма-

териала в бассейне осадконакопления контролируется факто-

рами механической дифференциации.

В зависимости от качества (обломочный, коллоидный, рас-

творенный и т. д.) и количества материала, климатических ус-

ловий, свойств и состояния среды в каждом конкретном случае

могут иметь место или один из видов осадочной дифференциа-

ции или несколько, протекающих одновременно и перекрываю-

щих друг друга. В первом случае возникает более или менее

чистый осадок, во втором — он может оказаться поликомпонент-

ным, состоящим из продуктов механической, химической и дру-

гих видов дифференциации. Иллюстрацией сказанному служит

существование песчаников известковых, мергелей, горючих слан-

цев/и многих других пород. Кроме этого смешивание (интегра-

ция) осадочного материала происходит на путях миграции, на-

пример в случае, когда в речную артерию вносят свои воды

притоки, а также в конечном водоеме стока, куда поставляется

материал различными источниками снова, в том числе и при

участии атмосферы. Такого рода интеграция способствует обра-

зованию терригенных осадков полиминерального состава и коа-

гуляции коллоидов.

Таким образом, седиментогенез представляет собой весьма

сложный, природный процесс, охватывающий значительную

часть поверхности Земли. Происходящие при этом дифференциа-

ция и интеграция являются одними из основных его движущих

сил, причинами многообразия осадочных пород. Постоянное про-

тивоборство этих двух противоположностей — суть проявления

одного из основных законов материалистической диалектики —

единства и борьбы противоположностей.

Вопросы для самопроверки

1. Что такое седиментогенез и каковы его этапы?

2. Назовите факторы, вызывающие образование осадочного мате-

риала.

3. В каких средах и какими силами осуществляется транспортировка

осадочного материала?

4. Перечислите основные факторы, вызывающие накопление осадка.

5. Расскажите об осадочной дифференциации и ее типах.

Глава 3

СТАДИЯ ДИАГЕНЕЗА

Осадок, сформировавшийся в стадию седиментогенеза, пред-

ставляет собой неравновесную в физико-химическом отношении

систему, состоящую из твердой и жидкой, твердой и газовой

или всех трех фаз совместно. Значительную часть осадка состав-

ляют жидкая или газообразная фазы. Так например, по дан-

ным В. В. Вебера, в Таманском заливе Черного моря и приле-

гающих к нему лагунах среднее содержание воды в песчаных

осадках составляет 40 %, в алевритовых — 43, в глинистых — 62.

В глинистых илах Клайпедского и Калифорнийского заливов

вода составляет 86—87 %- Содержание воды в илах пресновод-

ных озер Карелии, Валдайской возвышенности и Подмосковья

еще выше, что, по мнению Н. М. Страхова, связано с большим

содержанием в них органических веществ. Высокой влажностью

характеризуются и карбонатные осадки, отложившиеся в вод-

ной среде. В осадке, возникшем на суше (лёсс, пески), до 40—

60 % его объема составляет газовая фаза.

Характерная особенность осадка, образовавшегося в водной

среде,— обилие микроорганизмов. При этом наблюдается сле-

дующая закономерность — чем выше дисперсность осадка, тем

больше микроорганизмов (табл. 7), с увеличением глубины

погружения осадка количество бактерий сокращается. Как

подчеркивает Н. М. Страхов, основной фактор, регулирую-

щий такую локализацию бактерий,— содержание органического

вещества, за счет которого и развиваются микроорганизмы.

Максимальные количества бактерий наблюдаются в самом верх-

нем слое осадка мощностью до 1—3 см, ниже их количество

быстро сокращается (причем не только аэробных, но и ана-

эробных). На глубине около 0,5 м число бактерий уменьшается

в 1500—2000 раз, что объясняют переработкой органического

вещества и обеднением питательными веществами.

В осадках водных бассейнов (современных и послерифей

ских) почти всегда присутствует органическое вещество. Его ко-

личество определяется прежде всего физико-географическими

условиями. Распределение органического вещества контролиру-

ется волнениями, течениями, что отражается в ассоциациях

Copг с определенными типами осадочных пород. Намечается

2 Заказ № 1133

Таблица 7

Распределение бактерий в осадках в зависимости от размеров частиц

(по К. Зобелу)

Осадок

Средний диаметр

частиц осадка,

MKM

Содержание

N орг, %

Содержание

воды, %

Число бактерий

на 1 г сухого

остатка, тыс.

Песок

50—1000

0,09

33 22

Силт

5-50

0,19

Глина 1—5 0,37

390

Коллоид

1,0 98 1500

такая картина — в осадках бассейнов гумидной зоны содержание

органического вещества выше, чем в осадках аридной. В осад-

ках центральных частей крупных водоемов (океанов, морей)

органического вещества меньше, чем в периферийных. Это объ-

ясняется тем, что наиболее благоприятные условия для жизни

организмов существуют на небольших глубинах — до 50—

100 м. Кроме того, при опускании отмерших планктонных орга-

низмов на значительную глубину они разлагаются сильнее, чем

при опускании на небольшие глубины (за счет времени). Мак-

симальные количества органического вещества приурочены

к тонкодисперсным глинистым осадкам, а в алевритовых и тем

более в песчаных образованиях содержание его значительно

ниже (табл. 8).

Такая картина распределения органического вещества в зна-

чительной' степени определяется сходством благоприятных ус-

ловий для осаждения пелитового материала и органического

вещества.

В морских осадках Н. М. Страхов (1960) выделяет окисли-

тельную и восстановительную зоны. Зона окисления охватывает

Таблица 8

Содержание C

opr

в осадках Охотского моря (по П. Л. Безрукову)

Тип осадка

Число

проб

Пределы содержа-

ння С

орг-

Среднее содержание

орг-

Пески:

крупно- и среднезер-

0,00—0,93 0,29

нистые

мелкозернистые

0,08-0,75 0,36

Алевриты:

крупнозернистые

23 0,08-1,14 0,60

мелкозернистые 14

0,04—1,78

1,10

Илы:

алеврит-пелитовые 45

0,02—2,14

1,37

пелитовые 40

0,87—2,20

1,46

лишь верхний слой осадка мощностью от долей до нескольких

десятков сантиметров. В этой зоне окислительно-восстановитель-

ный потенциал (Eh) имеет положительные значения, достигаю-

щие нескольких сотен милливольт. Здесь, наряду с окислением

органического вещества, в осадках происходит восстановление

сульфатов, выделение углекислоты, образование железо-марган-

цевых конкреций и др. Ниже развивается восстановительная

зона, где Eh имеет уже отрицательные значения, достигающие

также нескольких сотен милливольт. В ней формируются оксиды

железа, карбонаты кальция, марганца, сульфиды металлов. Кон-

центрация водородных ионов (рН), характеризующая щелочно-

кислотные свойства среды, обычно в осадке мало отличается от

рН воды, а если отличается, то, как правило, в сторону повы-

шения кислотности.

Осадок, образовавшийся на поверхности суши или на дне во-

доема, обычно представляет собой неравновесную систему. От-

сутствие физико-химического и биохимического равновесия

в осадке — движущая сила процесса диагенеза. В результате

взаимодействия между составными частями осадка и состав-

ных частей осадка с окружающей средой при участии внешних

факторов возникает более или менее равновесная система, в ко-

торой составные части приспособились для совместного сущест-

вования.

В стадию диагенеза в осадках происходят следующие основ-

ные процессы: уплотнение осадка под действием веса вышеле-

жащих Осадочных образований; дегидратация или гидратация

осадка; переработка осадка илоедами и бактериями; образова-

ние устойчивых минеральных модификаций за счет неустойчи-

вых; растворение и разложение неустойчивых составных частей

осадка; минеральное новообразование; кристаллизация и пере-

кристаллизация.

Уплотнение осадка. Только что накопившийся осадок имеет

невысокую плотность. У глинистых илов она может составлять

всего 1,2—1,3 г/см

, плотность песчаных и алевритовых осад-

ков, накопившихся в водной среде,— 1,5—1,7, а образовавшихся

на суше—1,3—1,4. К концу стадии диагенеза вследствие пере-

группировки частиц, отжатия воды и других процессов плот-

ность глинистых осадков возрастает до 1,6—1,8 г/см

, песчани-

ков— до 1,7—1,9. Подобное явление происходит и с другими

осадками.

Дегидратация и гидратация осадка. Осадки, возникшие

в водной среде, содержат огромное количество воды (до 75—

85%). В процессе их уплотнения вода отжимается и обычно

перемещается в вышележащие слои. К концу стадии диагенеза

из осадка удаляется до 50 % исходного количества воды.

Осадки, образовавшиеся в воздушной среде (например, эоло-

вые пески, лёсс), получают влагу из подстилающих отложений

за счет диффузии или же из окружающей среды в виде атмо-

сферных осадков.

Переработка осадка организмами имеет место и в континен-

тальных, и в морских условиях. Интенсивнее всего перерабаты-

ваются тонкодисперсные осадки (пелитовые, карбонатные,

фосфатные и др.) водоемов с повышенным содержанием органи-

ческого вещества. Главная роль в переработке осадка принадле-

жит бактериям и илоедам (всевозможным червям), а само яв-

ление максимально развито на первых десятках сантиметров,

а ниже быстро затухает. В меньшей степени на преобразование

осадка влияют корни живых растений.

Образование устойчивых минеральных модификаций за счет

неустойчивых в данной физико-химической обстановке — харак-

терный для диагенеза процесс. Как отмечал Л. В. Пустовалов,

в зоне осадкообразования, в условиях избытка экзогенной энер-

гии, сплошь и рядом возникают малоустойчивые модификации

минералов, обладающие тем или иным запасом энергии. При

захоронении осадка они отдают эту энергию окружающей среде,

а сами образуют более устойчивые разновидности (модифика-

ции). Пример таких превращений — переход гидротроилита

(FeS·nH

O) в пирит или марказит (FeS

), арагонита — в каль-

цит, опала — в халцедон и другие.

Растворение и разложение неустойчивых составных частей

осадка — типичные процессы для стадии диагенеза. Они в зна-

чительной своей части определяются физико-химическими и био-

химическими параметрами и свойствами среды — рН и Eh среды,

растворенных в воде солей и газов, их концентрация, состав

атмосферй (а он в течение геологического времени существенно

изменился), давление, температура, жизнедеятельность орга-

низмов и т. д. Многообразие этих свойств определяет в од-

ном сочетании устойчивость данного компонента, в другом—

его химическую активность и подвижность. Например, в совре-

менных речных песчаных осадках гумидной зоны кальцитовые

остатки фауны обычно не сохраняются вследствие того, что

среда (речные воды) имеет кислую реакцию (рН>7). Подоб-

ное наблюдается и в морских осадках холодноводиых бассей-

нов с рН>8. Кальцитовые остатки растворяются здесь за счет

избытка углекислоты, способствующей переходу малоподвиж-

ного карбоната в легко растворимый бикарбонат. В тепловод-

ных морских бассейнах, где количество растворенной углекис-

лоты невелико, а среда щелочная (рН>8), обстановка благо-

приятствует сохранению карбонатов кальция в осадке. Другой

пример — в воздушной среде аридной климатической зоны (по-

лупустыни, пустыни) органическое вещество практически пол-

ностью разлагается на составные части и удаляется из осадка.

В гумидных условиях, на суше и особенно в водной среде орга-

ническое вещество сохраняется, хотя и существенно изменяется.

Минеральное новообразование — процесс широко развитый

в осадках. Новые минералы могут возникать в результате ре-

акций между неустойчивыми (в конкретной физико-химической

обстановке) минеральными и органическими частями осадка,

а также с находящимися в нем жидкой или газообразной фа-

зами, или же при взаимодействии между последними.

Например, реакция между гидроокислами железа и серово-

дородом (образующимся при разложении белковых соедине-

ний органического вещества) дает начало сульфидам железа

(пириту, марказиту). Широко известно диагнетическое обра-

зование доломита в результате химических реакций между из-

вестковым илом и ионами магния, находящимися в морской

воде, пропитывающей осадок. Взаимодействие окислов железа

с органическим веществом (в водной среде) приводит к обра-

зованию сидерита

2Fe

• n H

O + С → 4FeO + CO

+ n H

FeO + CO

→ FeCO

Диагенетическими минеральными новообразованиями явля-

ются конкреции марказита, сидерита, фосфорита, кремнистые

и глинистые минералы. В обломочных, органогенных и оолито-

вых карбонатных образованиях диагенетические минералы не-

редко выполняют роль цемента.

Кристаллизация и перекристаллизация составных частей

осадка характерна для хемогенных и коллоидных образований,

а также для органических минеральных остатков (раковины и

прочее). Образование конкреций (кремнистых, фосфатных

и др.), исходный материал для которых в большей части кол-

лоиды, обычно сопровождается кристаллизацией вещества,

уменьшением его удельной поверхности, адсорбционной спо-

собности, что в конечном итоге придает системе большую ус-

тойчивость.

Кристаллические образования (кальцит, доломит, сульфаты,

галоиды и др.) в стадии диагенеза могут перекристаллизовы-

ваться. Этому способствует беспорядочное расположение отдель-

ных кристаллических индивидуумов, наличие дефектов в кри-

сталлических решетках и высокая поверхностная активность

соединений (за счет большой дисперсности). Наиболее интен-

сивно должны перекристаллизовываться тонкозернистые, одно-

родные (лишенные посторонних примесей) осадки.

В стадии диагенеза осадок может быть вовлечен во все или

в часть перечисленных процессов в зависимости от его состава

и физико-химических свойств среды. Например при диагенезе

эоловых терригенных образований не происходят переработка

осадка организмами, дегидратация, растворение составных ча-

стей осадка. При формировании мономинеральных кварцевых

песков могут отсутствовать или проявляться очень слабо про-

цессы образования устойчивых минеральных модификаций за

счет неустойчивых, растворение неустойчивых соединений (по

причине их отсутствия) и др. Вследствие отсутствия в осадках

или в окружающей среде какого-либо компонента могут не про-

явиться процессы минерального новообразования, перекристал-

лизация и т. д. Наиболее полным комплексом диагенетических

преобразований выделяются глинистые и известковые илы мор-

ских и пресноводных водоемов, расположенных в областях гу-

мидного климата.

Кроме соответствующих свойств осадка и окружающей

среды, на течение процессов диагенеза оказывают влияние и

некоторые внешние факторы. Среди них температура, давле-

ние, продолжительность их воздействия, скорость накопления

осадка и его аэрируемость. Они способны ускорять, замедлять

или даже практически останавливать течение диагенетических

процессов.

Стадия диагенеза завершается превращением осадка в оса-

дочную горную породу. Следует заметить, что не всегда по

внешним признакам можно отличить породу от осадка. На-

пример, современный песок-осадок и ископаемый песок-порода

по внешним признакам могут быть одинаковы. В связи с этим

принято считать, что стадия диагенеза заканчивается с пре-

кращением жизнедеятельности организмов и достижением фи-

зико-химического равновесия в осадке. Продолжительность ста-

дии диагенёза колеблется в широких пределах, в зависимости

от скорости достижения равновесия в осадке и может состав-

лять десятки и даже сотни тысяч лет. Мощность зоны диагенеза

осадка также зависит от скорости наступления равновесия

между осадочными компонентами. В изначально равновесных

системах (например, чистых кварцевых песках) она может со-

ставлять единицы метров. Напротив, в многокомпонентных осад-

ках мощность зоны диагенеза может достигать 100 м и более.

Стадия диагенеза может прерваться вследствие выхода

осадка на поверхность под влиянием внешних сил и тогда он,

не превратившись в породу, может вовлечься в новый цикл се-

диментогенеза.

Вопросы для самопроверки

1. Что такое диагенез?

2. Каковы факторы и продолжительность диагенеза?

3. Расскажите о положении и мощности зоны диагенеза в осадочной

оболочке.

Глава 4

ОСНОВНЫЕ ФАКТОРЫ И УСЛОВИЯ

ОБРАЗОВАНИЯ ОСАДОЧНЫХ ПОРОД

Выяснение условий формирования и познание закономерно-

стей образования осадочных пород и связанных с ними по-

лезных ископаемых — одна из главнейших задач литологии. Ее

решение имеет большое научное и практическое значение, по-

скольку позволяет расшифровать детали формирования осадоч-

ной оболочки нашей планеты и открывает возможность наибо-

лее эффективного освоения ее недр. Решением этой литологи-

ческой задачи наука занимается практически со времени

своего зарождения. Особенно плодотворны последние 30—40 лет,

знаменующиеся установлением периодичности и эволюции осад-

кообразования, определением основных движущих сил процесса,

разработкой основ теории литогенеза, и т. д. Значительный

вклад в решение задачи внесли советские ученые М. С. Швецов,

Л. В. Пустовалов, Л. Б. Рухин, Н. М. Страхов, Г. И. Теодоро-

вич и др.

Образование осадочных пород происходит в различных фи-

зико-географических условиях и регламентируется многими фак-

торами и силами земной и космической природы. Их роль в фор-

мировании осадка и основные закономерности образования оса-

дочных пород рассматриваются ниже.

§ 1. ВЛИЯНИЕ ТЕКТОНИКИ И КЛИМАТА НА ЛИТОГЕНЕЗ

Среди множества факторов, определяющих условия обра-

зования осадочных пород и закономерности их формирования,

ведущее положение занимает тектоника и, в частности, режим

колебательных движений земной коры. Большое влияние на об-

щий ход осадочного процесса оказывают климат и рельеф, но

их роль в определенной мере регулируется тектоникой. Кроме

того, на формирование осадочных толщ оказывают влияние

жизнедеятельность организмов, солевой состав и соленость вод,

Eh, рН и др., но все они имеют подчиненное значение и оно

во многом ограничивается общим ходом тектонического разви-

тия планеты, климатом и рельефом.

Роль тектоники в процессе литогенеза. Интенсивность, ча-

стота, региональность тектонических колебательных движений

существенным образом отражаются на составе, строении (струк-

туре, текстуре), скорости накопления и мощности осадка,

а также форме осадочных тел.

Ka к известно, колебательные движения вызывают трансгрес-

сии и регрессии морских водоемов и, следовательно, перемеще-

ние береговых линий. Вместе с изменением положения берега

меняется и состав осадка. Например, при трансгрессии в задан-

ной точке водоема откладывались глинисто-алевритовые осадки,

в случае регрессии здесь же возможно накопление более круп-

нозернистых отложений. Колебательные движения могут при-

вести к образованию мелководных водоемов с весьма ограни-

ченной связью с открытым морем. В них при пенеплене и ин-

тенсивном испарении терригенное осадконакопление может

смениться накоплением различных солей. Пример такого бас-

сейна— современный залив Кара-Богаз-Гол. Наконец, колеба-

тельные движения могут привести к заболачиванию местности,

возникновению торфяников. В современных условиях примером

такой обстановки служит район залива Памлико (восточное

побережье Северной Америки), переходящий в огромное болото

с мощностью торфа более 6 м.

Колебательные тектонические движения в пределах суши

приводят к изменению положения области сноса осадочного ма-

териала, изменению базиса эрозии, что, в свою очередь, отра-

жается на составе накапливающегося осадка. Наконец, текто-

ника отражается на характере продуктов выветривания, воз-

можности образования коры выветривания и т. д.

Тектонические колебательные движения — одна из основных

причин слоистого строения осадочных толщ, чередования в раз-

резе пород разного состава. Поскольку граница между слоями

бывает выражена достаточно четко, надо полагать, что

смена одной обстановки осадконакопления другой соверша-

ется относительно быстро.

Колебательные движения — одна из главных причин перио-

дичности осадконакопления — неоднократной повторяемости

в геологических разрезах литологически однотипных или близ-

ких по составу осадочных пород. Продолжительность и масштаб

колебательных движений варьируют в широких пределах, по-

этому и чередующиеся отложения могут быть широко распро-

страненными и мощными или, наоборот, локально залегаю-

щими и небольшой мощности.

Тектоника оказывает огромное влияние на скорость накоп-

ления осадков и их мощность. Скорость современного осадко-

накопления колеблется в широких пределах. Максимальных зна-

чений она достигает у горных подножий и в конусах выноса,

достигая в ряде случаев нескольких метров в год. Значительна

скорость накопления в дельтах крупных рек — десятки санти-

метров в год. Иллюстрация этому то, что дельта р. Хуанхэ вы-

двинулась в Желтое море в течение 6 лет (1947—1952 гг.) на

25 км. В районах развития мутьевых (турбидных) потоков, вы-

зываемых разрядкой тектонических напряжений, скорость на-

копления современных осадков составляет в среднем 0,5 мм/год,

а в центральных частях океанов 0,008—0,06 мм/год.