Особенности состава, строения и происхождения осадочных горных пород

Литология

Литология (от греч. lithos – камень, logos– учение) - это фундаментальный раздел геологии, направленный на исследование вещественного состава, строения и происхождения (генезиса) осадочных пород и породных ассоциаций, на раскрытие закономерностей их нахождения, условий и стадиальных процессов возникновения и последующего изменения в земной коре, а также эволюции этих процессов в геологическом прошлом.

Предмет изучения литологии – осадочные горные породы.

Особенности состава, строения и происхождения осадочных горных пород

Существуют разные определения понятия осадочная горная порода, но все они сходятся к тому, что это геологическое тело определенного состава, сформировавшееся в верхней части литосферы. Ниже приведены определения осадочной горной породы данные различными авторами в учебниках.

Осадочная горная порода – это геологическое тело, состоящее из минеральных или органических образований, а также их сообществ, сформировавшееся из отложившегося на поверхности суши или на дне водоема осадка, и существующее в термобарических условиях, характерных для приповерхностной части земной коры(Кузнецов, Прошляков, 1991).

Осадочной горной породой называют геологическое тело,возникшее из продуктов физического и химического разрушения литосферы, в результате химического осаждения и жизнедеятельности организмов, или того и другого одновременно (Логвиненко, 1984)

Осадочными горными породами называются геологические тела минерального или органического состава, возникшие на земной поверхности либо вблизи нее под воздействием химических, физических и (или) биологических процессов и существующие при термодинамических условиях, свойственных для верхней части земной коры(т.е. до температур 3500°С и давлений не более 250 МПа) (Япаскурт, 2008).

Осадочные породы чрезвычайно разнообразны по составу и происхождению. Но всех их объединяют общепородные признаки осадочного генезиса: форма залегания, своеобразие строения (структуры и текстуры) и компонентного состава. Прежде всего, большинству рассматриваемых образований свойственна пластовая форма залегания (рис. 1).

Рис. 1. Толща переслаивающихся осадочных пород

Пласт представляет собой тело с относительно однородным вещественным составом, которое четко обособлено от выше- и нижележащих тел почти параллельными поверхностями раздела (Рухин, 1969). Или другое определение понятия пласт.

Пласт – плитообразное тело осадочной породы, представляющее единицу подразделения разреза по вещественному составу. Пласт глины или песчаника.

Каждый пласт рано или поздно выклинивается по простиранию, но протяженность его превышает толщину в сотни или тысячи раз. В тех же случаях, когда такие соотношения сократятся до 100:1 и меньше, пласт именуется линзовидным, или линзой. Пласты и линзы современных и большинства молодых осадочных пород залегают, как правило, горизонтально или полого-наклонно. Однако древние пласты приобретают вследствие тектонических перемещений крутые вертикальные или даже запрокинутые залегания и нередко сминаются в складки. Породы при этом не утрачивают своего осадочного облика, запечатленного в структурах и текстурах.

Структурой называется свойство породы, обусловленное размерами и формой составных компонентов (минеральных или органических),а также характером внутрипластовых сочленений (Япаскурт, 2008).

Структура осадочной горной породы –это особенности её строения, которые определяются размером, формой, степенью однородности составных частей, а также количеством, размером и степенью сохранности органических остатков (Прошляков, Кузнецов, 1991).

Это один из важнейших показателей способа породообразования. Так, например, при механогенном способе формирования породы она слагается обломочными компонентами. Каждый из них имеет сугубо индивидуальную форму: либо угловатую (неокатанную), либо в различной мере округленную (окатанную) благодаря прежним воздействиям на обломок движущейся воды, льда или ветра. Если количество таких частиц в пласте превысит 50% его объема, структура породы называется обломочной, или кластической (от греч. klastos– обломок) (рис. 2).

Рис.2. Обломочная (кластическая) структура, представленная угловатыми обломками

Принципиально иные категории структур свойственны химическим способам породообразования. В данном случае минеральные компоненты именуются хемогенными, а также аутигенными («на месте рожденными»). Им соответствуют структуры: аморфные и кристаллически-зернистые.

Кристаллически-зернистая структура – характеризуется взаимозависимостью форм у контактирующих минералов (рис. 3). Такие частицы внутри породы выглядят как будто «припаянными» друг к другу, имея обычно неровные контуры границ сочленения.

Рис. 3. Кристаллически-зернистая структура каменной соли

Значительно реже встречается совершенная (идиоморфная) форма породообразующих кристаллов.

Логвиненко Н.В. (1984) по размеру зерен в кристаллически-зернистой структуре предлагает выделять: крупнозернистую с размером зерен более 0,5 мм, среднезернистую – 0,5-0,1 мм, мелкозернистую – 0,1-0,05 мм, микрозернистую – 0,05-0,005 мм и пелитоморфную - менее 0,005 (0,001) мм.

Также среди пород образовавшихся хемогенным способом выделяются структуры, отличающиеся особенностями строения формы зерен и их агрегатов.

Оолитовая структура характеризуется концентрически-скорлуповатым строением частиц размером от 0,1 до 2 мм (рис. 4).

Сферолитовая структура характеризуется радиально-лучистым строением частиц размером от 0,1 до 2 мм.

Пизолитовая структура характеризуется концентрически-скорлуповатым строением частиц размером более 2 мм.

Бобовая структура характеризуется неконцентрическим строением частиц размером от 0,1 до 1 мм.

Выделяются также структуры, характеризующиеся определенной ориентировкой вытянутых зерен: волокнистая ориентированная и волокнистая беспорядочная.

Ещё одна категория своеобразных структур возникает там, где главной причиной породообразования была жизнь и (или) гибель животных, растений и бактерий.

Рис. 4. Оолитовая структура в известняке

Её продукты, или биогенные компоненты, опознаются по признакам их строения (морфологии), описанным биологией и палеонтологией. Соответствующие структуры именуются биоморфными (различными ракушечными, коралловыми, водорослевыми и др.) (рис. 5).

Рис. 5. Ракушечная биоморфная структура

Существует различная степень сохранности биогенных компонентов. Биоморфная структура характеризуется хорошей степенью сохранности биогенных компонентов.

Детритовая структура характеризуется плохой степенью сохранности биогенных компонентов размером более 1мм.

Биогенно-шламовая структура также характеризуется плохой степенью сохранности биогенных компонентов размером менее 1мм.

Текстура – это черты строения осадочной горной породы, определяемые способом выполнения пространства, расположением составных частей и ориентировкой их относительно друг друга.

Текстура породы формируется с этапа накопления осадка. Возникшие в процессе осадконакопления текстуры отражают состояние среды в момент накопления осадочного материала и результаты её взаимодействия с осадком. Различают следующие текстуры.

Текстуры поверхности слоя (напластования) возникают на поверхности осадка при кратковременном изменении состояния среды осадконакопления, при выпадении осадков и жизнедеятельности организмов. Необходимое условие сохранения таких текстур – быстрое захоронение под новыми осадками.

Знаки ряби - система параллельных валиков на поверхности осадка, перпендикулярно направлению водного или воздушного потоков. Рябь течений и ветра асимметричная, а рябь волнений симметричная (рис. 6).

Рис. 6. Знаки ряби: А, Б – асимметричная, В, Г – симметричная

Трещины усыхания образуются в глинистом или известковистом осадке, при высыхании его на воздухе (такыры) (рис. 7).

Отпечатки капель дождя и града – округлые углубления с бортиками по периферии (рис. 8).

Следы жизнедеятельности животных – отпечатки лап, ног, следов ползания, волочения хвостов и т.п.

Внутрислоевые текстуры формируются при последовательном, неоднократном накоплении осадка.

Массивная (беспорядочная) – обусловлена беспорядочным расположением в породе её составных частей (рис. 9).

Слоистая – обусловлена чередованием слоев нескольких разностей осадочной горной породы (рис. 10).

Рис. 7. Трещины усыхания – такыры

Рис. 8. Отпечатки капель дождя

По морфологическим признакам выделяют:

1. Горизонтальную слоистость – слои ориентированы параллельно друг другу и плоскостям наслоения.

2. Волнистая слоистость – слои выпукло-вогнутой формы.

3. Косая слоистость – расположение слойков под углом к плоскостям наслоения. По происхождению различают прибрежно-морскую, дельтовую, речных русел, временных потоков и др. косую слоистость.

Рис. 9. Массивная текстура

Рис. 10. Слоистая текстура

По мощности слоев текстура делится на массивнослоистую – более 50 см, крупнослоистую – 50-10 (5) см, среднеслоистую – 10 (5) – 2 см, тонкослоистую – 2-0,2 см, микрослоистую – менее 0,2 (0,1) см.

Осадочные породы широко распространены на планете. Они покрывают около 75% поверхности суши, но даже в самой верхней части земной коры до глубины 16 км они составляют лишь 5% её массы. Вместе с современными осадками морей и океанов осадочные горные породы слагают осадочную оболочку Земли – стратисферу.

В наиболее погруженных осадочных бассейнах мощность осадочных толщ достигает 20-23 км. Наряду с этим в некоторых районах мощность осадочных образований составляет единицы метров и менее. Ниже осадочных пород, как правило, залегают метаморфические породы, в значительной своей части являющиеся продуктом преобразования более древних осадочных пород. Реже осадочные породы залегают непосредственно на коре выветривания магматических пород.

Исходным материалом для образования осадочных пород служат продукты механического разрушения и химического разложения более древних пород (магматических, метаморфических, осадочных), жизнедеятельности организмов, вулканической деятельности, а также атмосферные газы, вода с растворенными в ней веществами и космические образования (космическая и метеоритная пыль, метеориты).

Движущими силами процесса породообразования являются следующие виды энергии: экзогенные – атмосфера, гидросфера, тепло химических реакций, протекающих на поверхности Земли, деятельность организмов и др.; эндогенные – в основном тектонические процессы; космические – солнечная радиация, силы тяготения Солнца и Луны.

Процесс осадочного породообразования или литогенез по Н.М. Страхову (1963), представляет собой комплекс механических, физических, химических и биологических превращений, совершающихся в стадии седиментогенеза (образование осадочного материала, его перенос, накопление осадка) и диагенеза (преобразование осадка в осадочную горную породу).

В общем виде процесс литогенеза заключается в возникновении и мобилизации исходных продуктов осадкообразования, переносе осадочного материала с частичным осаждением его на путях переноса, осаждение осадочного вещества в водных бассейнах, возникновение и преобразование осадков, и переход их в осадочные горные породы.

Продолжительность породообразования зависит от состава осадочного материала и может достигать сотен тысяч лет. Наступающая после образования породы стадия жизни или бытия может продолжаться сотни миллионов лет. Завершается эта стадия разрушением осадочной породы в случае её выхода на земную поверхность, или превращением её в метаморфическую породу в случае глубокого погружения в земную кору.

Осадочные горные породы отличаются от магматических, метаморфических, метасоматических и др. пород минеральным составом, строением, меньшими прочностью и плотностью, наличием органических остатков и т.д.

По усредненному валовому химическому составу осадочные породы сходны с магматическими и метаморфическими – в тех и других преобладают кислород, кремний, алюминий (табл. 1). Это свидетельствует о едином источнике материи. Исходные источники вещества и конечные продукты периодически менялись местами в процессе формирования и эволюционирования земной коры. Физическое и химическое выветривание поднятых к земной поверхности магматических тел всегда питало и питает веществами осадки, а те, будучи в дальнейшем погружаемы тектоническими силами в глубины недр с температурами свыше 800° С, вновь подвергались переплавлению. Однако своеобразие экзогенных факторов породообразования наложило свой отпечаток на отличительные признаки химизма осадочных отложений. Наиболее заметны три таких признака.

Таблица 1

Во-первых, при близких количествах железа в составе осадочных и магматических пород первым свойственно преобладание окисных форм этого металла над закисными (в магматических породах – противоположные соотношения). Объясняется это воздействиями атмосферного и растворенного в водах кислорода на выветриваемый субстрат и формирующийся осадок.

Во-вторых, существенное различие касается щелочных элементов и состоит в том, что при очень близких цифровых значениях К₂О содержание Na₂O в магматических породах почти втрое превысило его количество в осадочных породах. Это свойство обусловлено тем, что высвобождаемый при выветривании и легко растворимый NaCl накопился в водах Мирового океана. Почти так же геохимически подвижный К⁺ на путях его переноса речными и подземными водами был отчасти активно поглощен наземной флорой, а отчасти он вошел в составы синтезируемых осадочными процессами глинистых минералов. В результате калий большей своей массой был возвращен из водных растворов в различные биогенные и глинистые осадки.

В-третьих, содержание Н₂О, СО₂ и С в магматических породах очень мало, а в осадочных породах их присутствие весьма существенно. Например, содержание углерода в осадочных породах составляет 2,01% против 0,19% в магматических горных породах. Это обусловлено значительным поступлением углерода из атмосферы вследствие образования известняков, доломитов, каменных углей и других органических образований. Больше в осадочных породах водорода, вследствие их водонасыщенности, кислорода, поступающего в осадок из атмосферы в результате процессов окисления, а также обводненности горных пород.

По минеральному составу осадочные породы существенно отличаются от горных пород иного генезиса. Главная роль в них принадлежит устойчивым в обстановке земной поверхности минералам – кварцу, халцедону, мусковиту и др. Малоустойчивые на поверхности минералы силикаты группы пироксенов, амфиболов, оливин, плагиоклазы в осадочных породах или отсутствуют вообще или встречаются в виде акцессорных образований (табл.2).

Таблица 2

В составе осадочных пород вместо неустойчивых минералов появляются вновь образованные – аутигенные минералы, устойчивые на поверхности: глинистые, карбонатные, сульфатные, фосфатные и др., а также органическое вещество – продукт жизнедеятельности животных и растительных организмов.

Для осадочно-породных минеральных и органических компонентов характерны различная генетическая природа (т.е. гетерогенность) и многостадийность (полистадийность) времен формирования. В соответствии с местом и временем их возникновения эти компоненты разделяют на две главные генетические категории: 1) возникшие непосредственно in situ («на месте рожденные») или ранее упоминавшиеся аутигенные образования; 2) возникшие разными способами прежде и не на месте осадкообразования, а привнесенные туда водными потоками, льдом, ветрами или силами гравитации из иных участков земной поверхности аллотигенные компоненты. Часть осадочных пород целиком состоит из аллотигенных минеральных и органических компонентов (например, пески, дресвяники, фосфатные костяные брекчии и др.), другая часть, напротив, сложена полностью аутигенными компонентами (соли, угли), но большинство пород представляет собой смеси с некоторыми количественными преобладаниями представителя одной из вышеназванных категорий.

Схема литологического описания – визуального и микроскопического (взаимодополняемых) – реализуется в такой последовательности: 1) цвет образца породы на выветрелой поверхности и свежем сколе; 2) структура; 3) текстура; 4) минеральные составы породообразующих и второстепенных компонент – аллотигенных и аутигенных; их типоморфные признаки и количественные соотношения; 5) крепость, приблизительно оцениваемая такими категориями: рыхлая – пластичная масса – слабо сцементированная (легко крошится пальцами) – крепкая (дробится молотком) – очень крепкая (трудно податлива молотку); 6) пористость и её признаки; 7) включения 3 видов: а- фаунистических и флористических остатков, б – возможных обломков чужеродных пород, в – конкреций; 8) вторичные изменения структуры, текстуры породы или ее отдельных компонентов, например, меняющая их размеры и форму коррозия либо перекристаллизация; а также всевозможные прожилки, трещины, стилолиты, текстуры кливажа, сланцеватости и другие новообразования.

Изучению осадочных пород способствовало в первую очередь то, что они представляют гигантскую кладовую различных полезных ископаемых. Это практически все топливо – нефть, газ, уголь, горючие сланцы, битумы, а также железные, марганцевые, алюминиевые руды, различные соли, россыпные месторождения золота, платины, олова и других металлов, строительный материал в виде гравия, песка, глины, мергеля, известняка и т.д.

Развитие промышленности и сельского хозяйства вызывает необходимость увеличения добычи полезных ископаемых и одновременно стимулирует развитие науки об осадочных породах. Приоритетное направление имеет познание осадочных пород, залегающих на больших глубинах в пределах континентов, под океаническим дном, а также связанных с ними полезных ископаемых.

Современный этап развития литологии связан с резким расширением комплексных исследований мирового океана – его осадков, геоморфологии и тектоники морского дна, физических процессов, происходящих в водной толще и др. В целом же задачи литологии многоплановы и разнообразны по назначению. Среди них главная задача – дальнейшее совершенствование теории литогенеза.