Шванов В.Н. Петрография песчаных пород (компонентный состав, систематика и описание минеральных видов)

Подождите немного. Документ загружается.

В.

Н.

ШВАНОВ

ПЕТРОГРАФИЯ

ПЕСЧАНЫХ ПОРОД

(компонентный состав,

систематика

описание

минеральных видов)

ЛЕНИНГРАД «НЕДРА» ЛЕНИНГРАДСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ

1987

УДК 552.51

!Иванов В. Н. Петрография песчаных пород (компонентный состав, сис-

тематика и описание минеральных видов). — Л.: Недра, 1987. — 269 с.

Представляет собой первую в Советском Союзе сводку по петрографии

песчаных пород. Содержит описание методики опробования и схему лабора-

торного исследования состава песков и песчаников. Приводятся характери-

стика обломочных и аутигенных компонентов песчаных отложений, описание

цементов и систематика пород по обломочно-компонентному и химическому

составу. Рассматриваются классы песчаных пород — минерально-петрокла-

•стических (олигомиктово-кварцевые, аркозы, граувакки), адъюнктивно-мине-

ральных и переходных, — их состав, вторичные изменения, распространение

и условия образования. Определяются геологические задачи петрографиче-

ского изучения песчаных отложений.

Для геологов, петрографов-осадочников, литологов; может быть полезна

студентам геологических вузов.

Табл. 32, ил. 48, список лит. 63 назв.

Рецензент — д-р геол.-минерал. наук Б. М. Михайлов (ВСЕГЕИ)

Ш 1904020000—316

ф Издательство «Недра», 1987

043(01)-87

ПРЕДИСЛОВИЕ

Изучение песчаных пород является важной составной ча-

стью региональных геологических исследований, межрегиональ-

ных сопоставлений и анализа состава и строения осадочной

оболочки Земли в целом. Это вытекает, во-первых, из широкого

распространения песчаных пород, на долю которых приходится

18—21 % от общего объема осадочных пород. Это следует, во-

вторых, из природы песчаных осадков и осадочных пород, зани-

мающих промежуточное положение между грубообломочными

и глинистыми породами и заключающих в себе как признаки

материнских пород областей сноса, так и признаки бассейнов

седиментации. Это проистекает, в-третьих, из способности пес-

чаных осадков и пород чутко реагировать на изменение усло-

вий диагенеза и эпигенеза, что делает их важнейшими индика-

торами постседиментационных превращений осадочных толщ.

Наконец, в-четвертых, очевидна связь песчаных пород с полез-

ными ископаемыми.

Седиментационные биохемогенные месторождения железа,

меди, урана, ванадия, фосфоритов, глауконита, россыпи цир-

кона, рутила, монацита, ильменита, магнетита, хромита, касси-

терита, а также золота, платины, алмазов и драгоценных кам-

ней непосредственно связаны с песчаными осадками и породами

и, что особенно важно, часто ассоциируют с их определенными

минеральными видами. Песчаные и алевролитовые породы яв-

ляются основными коллекторами нефти, газа и природных под-

земных вод. Без использования песчаников в качестве неруд-

ного промышленного сырья в литейном деле, стекольном про-

изводстве или строительстве невозможно представить существо-

вание современного общества.

Широкое распространение, высокая геологическая информа-

тивность и практическая ценность диктуют необходимость глу-

бокого изучения песчаных пород при геологическом исследо-

вании регионов, в том числе при геологической съемке и

стратиграфических работах, при поисковых работах на различ-

ные полезные ископаемые, при формационном анализе, изуче-

нии ката- и метагенеза, при инженерно-геологических, гидрогео-

логических и других исследованиях. Эти задачи требуют созда-

ния специальных руководств и обобщений, учитывающих

накопленный опыт изучения песчаников и способствующих

.внедрению его в практику новых исследований.

В науке о песчаных породах, или литологии песчаников,

вполне отчетливо обособилось пять основных направлений, при-

близительно отвечающих пяти главным научным направлениям

в литологии вообще: 1) раздел о породообразующем веще-

стве—

его составе и форме нахождения,— или собственно пет-

рография, в узком значении этого понятия; 2) раздел о струк-

турно-текстурных признаках — гранулометрическом составе,

слойчатости, напластовых и иных текстурах; 3) об акцессор-

ных, или тяжелых минералах, их стратиграфическом и палео-

географическом значении; 4) о форме песчаных тел; 5) о пес-

чаных породах как полезных ископаемых.

При эдом в науке о песках и песчаниках сложилось пара-

доксальное явление — большинство признаков, особенно струк-

туры, текстуры и акцессорные минералы, подробно описаны

в специальных сводках В. П. Батурина, Л. Б.Рухина, В,А.Грос-

сгейма, Л. Н. Ботвинкиной, Э. С. Кутырева, В. Н. Шванова,

Г. Ф. Рожкова и других, а наиболее важные, по убеждению

автора, самые существенные особенности, заложенные в поро-

дообразующем веществе, не привлекли необходимого внимания

и не завершились синтетическими исследованиями. Замечатель-

ные разработки В. Д. Шутова, интересные работы Е. Ф. Ма-

леева и А. М. Цехомского, многие публикации, рассеянные в пе-

риодической печати, рассматривают отдельные группы пород

или частные вопросы, не охватывая проблему в целом. Велико

значение переведенной в 1976 г. на русский язык книги Ф. Пет-

тиджона с соавторами «Пески и песчаники». Однако эта наи-

более полная на сегодняшний день сводка по песчаным поро-

дам не является собственно петрографической работой. Кроме

того,

в ней, за некоторыми исключениями, не учтен опыт совет-

ских исследователей и не освещены материалы по нашей терри-

тории, а систематика и номенклатура во многом отличаются

от принятых в нашей стране; целесообразность их применения

является спорной, а противоречия сложившимся у нас тради-

циям — очевидными.

Автор надеется, что предлагаемая книга в какой-то степени

восполнит существующий пробел. В ее названии «Петрография

песчаных пород» отражены представления автора о самостоя-

тельности научного направления, изучающего вещество осадоч-

ных пород, в каждом конкретном случае проявляющееся в оп-

ределенной структуре и текстуре. Это направление, содержа-

нием которого является породообразующее вещество, и назы-

вается петрографией, в данном случае петрографией песчани-

ков,

в отличие от более широкого понятия — литологии, изуча-

ющей все стороны осадков, осадочных пород и осадочного про-

цесса.

Фактической основой для написания книги послужили све-

дения по петрографии и минералогии песков и песчаников, со-

держащиеся в работах В. Д. Шутова, А. М. Цехомского,

А. Г. Коссовской, Ф. Петтиджона, У. Дира, Е. Ларсена, Дж.

Чилингара, Б. К. Прошлякова, Н. В. Логвиненко, Е. Ф. Мале-

ева, И. В. Хворовой, Б. М. Михайлова, И. М. Симановича,

Г. А. Мизенса и других исследователей. Автор опирался на соб-

ственные материалы по многим разрезам палеозоя и мезозоя

Средней Азии, палеозоя Урала, палеозоя Русской платформы,

мезо-кайнозоя юга европейской части СССР, а ',также на

многолетний опыт преподавания литологии и петрографии оса-

дочных пород на геологическом факультете Ленинградского

государственного университета. Дух книги, ее идея и направ-

ленность в значительной мере складывались под влиянием науч-

ного мировоззрения Л. Б. Рухина, В. Д. Шутова и А. Г. Коссов-

ской. Благоприятную роль сыграла совместная работа

c Н. В. Логвиненко, Э. И. Сергеевой и М. С. Дюфуром.

ГЛАВА

ПРИРОДА КОМПОНЕНТОВ И МЕТОДЫ ИЗУЧЕНИЯ

ПЕСЧАНЫХ ПОРОД И ОСАДКОВ

§ 1. ПРИРОДА КОМПОНЕНТОВ ПЕСЧАНОЙ РАЗМЕРНОСТИ

В интервал размерности от 0,05 до 2,0 мм, который прини-

мается за диапазон существования песчаных фракций [31, 49],

попадают частицы различного происхождения. Шесть типов

процессов приводит к их возникновению: 1) преобразование

горных пород и минералов в элювии; 2) измельчение облом-

ков при перемещении; 3) дезинтеграция при эксплозивных,

магматических процессах; 4) осаждение из растворов химиче-

ским или биогенным путем; 5) разрушение неконсолидирован-

ного осадка химического, биохимического или биогенного про-

исхождения, в том числе и органических остатков сразу после-

их отложения; 6) пеллетизация или образование сгустков соот-

ветствующего размера.

Подходя формально, любые частицы, возникшие в резуль-

тате каждого из перечисленных процессов, можно было бы от-

нести к песчаным, если они укладываются в интервал от 0,05>

до 2,0 мм. Однако в этом случае получается очень широкое-

понятие о песчаных частицах и песчаных породах, ими сложен-

ных, теряющее определенность, поскольку может быть распро-

странено на большинство осадочных образований, в том числе

химической, биологической и вулканической природы. Для су-

жения понятия и придания ему определенности, очевидно, сле-

дует ограничить понимание песчаных частиц не только метри-

чески, но и генетически, исключив из их состава продукты

химического и биогенного происхождения. При таком подходе

нельзя считать песчаными частицами раковины фораминифер,.

залегающие на океанических поднятиях в современных «фора-

миниферовых песках», зерна глауконита во многих современ-

ных и ископаемых отложениях, пеллеты, образованные от сли-

пания карбонатных или глинистых мицелл, вулканические вы-

бросы, не подвергшиеся переотложению, и другие подобные им-

образования.

Под песчаными частицами следует понимать только те, ко-

торые при заданном размере образованы от разрушения более-

древних пород, а песчаными породами такие, которые более-

чем на 50 % сложены песчаными частицами. Так группа пес-

чяимх пород обособляется от других по существу, а не по фор-

мальному признаку. Трудности чисто практического характера?

возникают при отделении собственно песчаных частиц от про-

дуктов конседиментационного размыва и разрушения неконсо-

лидированного осадка, механического раздробления створок

придонной фауны и т. п. Выяснение этих вопросов часто имеет

принципиальное значение для решения региональных геологи-

ческих задач, и на них мы в дальнейшем будем останавли-

ваться.

Причиной образования песчаных частиц является разруше-

ние коренных пород в зоне выветривания и измельчение об-

ломков при переносе. Элювиальному процессу в зарождении

обломочных компонентов, по-видимому, принадлежит ведущая

роль.

Известно, что песчаные частицы отделены от соседних

размерных фракций естественными дефицитами интервалов

1,4—4,0

мм и 0,03—0,06 мм, появляющимися вследствие раз-

рушения обломков при достижении ими некоторой критической

массы при размерах 4 мм для пород и 0,06 мм для минералов

,[49].

Изучение распределения песчаных зерен внутри интервала

песчаной размерности, отраженного, например, на суммарной

гистограмме гранулометрического состава зернистых пород

[Wolff R., 1964 г.], показывает, что большинство песчаных зерен

укладывается в интервал 0,12—0,50 мм. Почему именно эти

обломки преобладают в природе, можно было бы понять из

сравнения гранулометрии обломочных и первичных магматиче- г

ских и метаморфических пород. Однако точных данных по пер-

вичным породам нет, из общих описаний можно видеть, что ин-

тервал песчаного дефицита 1—4 мм как раз отвечает размерам

преобладающих кристаллов магматических и метаморфических

пород.

Накопление кристаллов в обломочных породах сопровожда-

ется их раскалыванием. Наблюдения В. Г. Чистякова [Py-

хина Е. В., Чистяков В. Г., 1973 г.] показали, что при искус-

ственном дроблении раскалывание зерен осуществляется до

некоторого предела, равного 0,25—0,35 мм, после чего умень-

шение размера происходит путем деформаций скола с образо-

ванием остаточного ядра и сколотого материала, поступающего

за нижний основной интервал песчаного дефицита, в алеврито-

вые и пелитовые фракции. Раскалывание зерен, так же как их

освобождение из породы с образованием остаточного, содержа-

щего песок материала, осуществляется главным образом в элю-

вии, а затем черты элювия наследуются делювиальным или

ледниковым материалом [Рухина Е. В., Чистяков В. Г., 1973 г.].

По-видимому, основная масса песчаного материала зарожда-

ется в самом начале осадочного процесса — в хемоморфном и

особенно в криогенном и термофракционном элювии, в местах

развития обвалов, эксплозивной деятельности вулканов и лед-

никовой эрозии.

В дальнейшем идет не столько продуцирование, сколько от-

мыв песка от тонких и крупных фракций. Абразия галек

водотоках, как показали наблюдения П. Маршалла в 1927 г.

ТАБЛИЦА

Состав среднего песчаника,

% [24]

Минералы

Средний

песчаник

Минералы

(по

Ф. Пет-

тиджону)

(по

Ф.

Кларку)

Русской

платформы

(по

А. Б. Po-

но

у)

Речной

(по

Ф. Пет-

тиджону

ДР-)

Кварц

66,8

69,7 58

Полевые шпаты 22 11,5 15,3 22

Каолин

— —

—

Хлорит

— — —

Карбонаты 6

11,1

1,8

—

Слюды

—

2,9

—

Окислы железа 2

1,8

—

Прочие,

в том

числе

об-

—

8,8 2,6 20

ломки пород

Ф.

Кюнена

в 1959 г.

[24], сопровождается образованием алев-

рито-глинистого,

но не

песчаного материала.

На

второстепенную

роль абразии

формировании песка указывает минеральный

состав породообразующих компонентов. Сравнение среднего»

ТАБЛИЦА

Породообразующие минералы, расположенные

порядке

возрастания твердости

по

шкале Мооса

(по Г. Б.

Мильнеру

[18])

индексам механической прочности

(по В. А.

Новикову

[20])

Твердость

Минерал

Твердость

Минерал

1,5

Гипс

3,5

Анкерит

2,0

Хлорит 4,0 Лимонит

2,5

Серпентин Кианит

(260)

Мусковит 4,5 Апатит

(275)

Биотит

5,0

Энстатит

3,0

Целестин

Тремолит

Хлорит Актинолит

Мусковит

Роговая

обманка

Кальцит

Диопсид

(160)

Барит

Гиперстен

Ангидрит

Гематит

3,5

Сидерит

5,5 Магнетит

(380)

Доломит Авгит

(420)

6,0 Эпидот

(320)

Цоизит

Твердость

Минерал

6,0

7,0

Силлиманит

Ортоклаз.

Опал

Олигоклаз

(325)

Микроклин»

Лабрадор

Битовнит

Анортит

Альбит

Ставролит

(420)

Оливин

(290)

Кварц

Андалузит

(220)

•

t н

и. t, В

скобках

д«1

мии#рвлвр

переменной

тмрдретыо учте

>ны

индексы механической прочности.

2. Длж

!на

минимальная твердость.

ТАБЛИЦА 3

Ряд породообразующих минералов, расположенных

по возрастанию индекса химической устойчивости

к выветриванию [20]

Группа

Минерал

Индекс

устойчивости

Неустойчивые

Глауконит

Оливин 10

Пирит 10

Ромбические пироксены 10—40

Анортит

Актинолит 40

• Битовнит 40

Умеренно устойчивые

Моноклинные пироксены

50—60

Роговая обманка 70

Цоизит

Гипс 70

Лабрадор

Устойчивые

Андезин

ПО

Эпидот ПО

Олигоклаз 130

Биотит

160

Альбит

170

Апатит

220

Весьма устойчивые

Ставролит

270

Микроклин 290

Гранат 310

Ортоклаз

350

Хлорит 400

Крайне устойчивые

Мусковит

600

Кварц 530

состава песчаных пород (табл. 1) со свойствами потенциально

возможных породообразователей (табл. 2, 3) позволяет заклю-

чить,

что не устойчивостью к абразии, а химической устойчиво-

стью определяется способность минералов концентрироваться

в песчаных породах. Если для кварца роль одного или другого

фактора неясна, поскольку кварц обладает и самой высокой

по сравнению с другими породообразователями твердостью,

следовательно, и снашиваемостью, коррелятно связанной

•с твердостью, и самой высокой химической устойчивостью, то

уже для полевых шпатов определяющая роль химической ус-

тойчивости очевидна. С породами, богатыми кварцем, ассоции-

руют устойчивые ортоклаз, микроклин и альбит, а не неустой-

чивые анортит и битовнит, тогда как по твердости и абразив-

ной прочности все они образуют одну близкую к кварцу группу.

Оливин близок по прочности к кварцу (табл. 2), но его нахож-

дение в обломочных породах представляет большую редкость

из-за малой химической устойчивости (табл. 3). То же можно-

сказать о пироксенах, в известной степени об амфиболах. Белая

слюда при малой твердости и низкой абразивной прочности яв-

ляется постоянным спутником кварца, что связано с ее высо-

кой химической устойчивостью. Таким образом, масштабы рас-

пространения минералов в песчаниках определяются в первую

очередь их химической устойчивостью.

Селективный отбор минералов по химической устойчивости

осуществляется на всех стадиях образования и преобразования?

осадка, но более всего — в ходе выветривания на водосборах;

элювиальный процесс — происходит ли он в «первичном» элю-

вии на коренных породах области сноса или во «вторичном^

элювии из осадков на временных водоразделах, или на осушае-

мых участках в области седиментации,— является определяю-

щим фактором в формировании и общего объема, и минераль-

ного состава частиц песчаной размерности. Разумеется, не

следует представлять, будто в элювии процесс селективного»

выветривания проходит от начала до конца и из коры выветри-

вания поступает материал настолько дифференцированный, что*

не способен более подвергаться механической абразии. Реаль-

ный механизм проявляется в том, что в результате элювиаль-

ной переработки образуется материал в разной степени вывет-

релый, потенциально в разной степени устойчивый к последую-

щей механической абразии. Степень выветрелости компонентов:

и степень последующей устойчивости зависят от природы элю-

виального процесса и от длительности экспозиции, которая оп-

ределяется режимом тектонических движений.

§ 2. ОТБОР ОБРАЗЦОВ И ИХ ПРЕДСТАВИТЕЛЬНОСТЬ

При изучении слоев горных пород и их сочетаний по образ-

цам, отобранным из них, ставится задача, которая может быть

приближена к своему решению с большей или меньшей точ-

ностью. Такой задачей является отображение закономерностей

в системе горных пород, минералов и химических элементов на

основе наблюдений над ее фрагментами, составляющими чрез-

вычайно малую долю относительно всех компонентов системы.

Чтобы приблизиться к системе, получить несмещенные (точнее,,

минимально смещенные) оценки, необходима рационально орга-

низованная схема достаточно большого числа наблюдений, со-

ответствующих морфологии и природе объекта.

Единых рекомендаций о том, что такое «рациональная»

схема и каково «достаточное» число наблюдений, пригодных на

все случаи, нет. Наиболее разработана система отбора и изу-

чения проб в разведочном деле, поэтому практика взятия ли-

тологических образцов и их обработка может исходить ш

опыта поисковых и разведочных работ на месторождениях,,

с необходимыми коррективами. Проблема отбора решается от-