Понятие о фация осадочных пород. Литогенез

Понятие о фациях осадочных пород. Литогенез, типы литогенеза

Понятие о фациях осадочных пород
Литогенез. Стадии литогенеза
Типы литогенеза

Понятие о фациях осадочных пород

При рассмотрении различных генетических типов осадков устанавливается определённая закономерность их распределения и особенностей в зависимости от физико-географических условий. При этом в одно и тоже время в разных условиях накапливаются разные типы осадков. В данный момент в разных местах образуются, например, и глубоководные морские осадки, и осадки шельфов, и дельтовые накопления, и континентальные отложения рек, ледников и множество других. Каждый из типов формирующихся осадков будет отличаться от осадков, накопившихся в иных условиях, и нести признаки условий собственного образования. Видя торф, несложно определить, что его накопление происходило в условиях болот, моренные отложения – в ледниковой зоне и т.д.
Для определения ассоциаций пород, образовавшихся в разных условиях, используется понятие «фация».

Фация – осадки (или горные породы), возникающие в определённой физико-географической обстановке и отличающиеся от состава и условий образования смежных одновозрастных пород. Уместно привести ещё одно определение, данное Н.В. Логвиненко и В.И. Марченко: фация – это «обстановка осадконакопления … овеществлённая в осадке или породе». Последнее определение, как нельзя лучше, объединяет два главных понимания фации: 1) как осадков, образовавшихся в определённых условиях, 2) как условий, определяющих накопление тех или иных осадков.

В самом общем виде всё разнообразие фаций можно разделить на три большие группы: группа континентальных фаций, группа фаций, переходных от морских к континентальным, и группа фаций морей и океанов.

Каждая из выделенных групп включает ряд фаций. Так, континентальная группа фаций объединяет речные (аллювиальные), пролювиальные, озёрные, болотные, пустынные, эоловые, прибрежных равнин, делювиальные и коллювиальные, ледниковые, карстовых областей и пещер, наземные вулканические и некоторые другие фации.

Группа фаций, переходных от континентальных к морским, включает лагунные и заливные, лиманов и эстуариев, приливно-отливных равнин, приморских озёр, дельтовые фации, а также фации баров и пляжей.

Группа фаций морей и океанов в самом общем виде объединяет фации шельфа, фации континентального склона (батиальные фации), фации средних океанских глубин и дна котловин окраинных морей (гемипелагические фации) и глубоководные фации (пелагические или абиссальные фации).

Нужно отметить, что фации разделяются также на современные и древние. При изучении современных фаций можно исследовать одновременно и обстановку, и образующийся в этой обстановке осадок; при изучении древних фаций – только горные породы и по их особенностям восстанавливать древние обстановки. Определению фациальных обстановок прошлого (т.е. физико-географических и других условий образования осадков) посвящены методы фациального анализа. Фациальный анализ складывается из суммы приёмов и методик, применяемых для реконструкции условий образования осадочных пород. В результате фациальных исследований создаются литолого-фациальные карты, отражающие состав и условия образования осадков какого-либо промежутка времени. Эти карты служат основой для создания палеогеографических карт

Литогенез. Стадии и типы литогенеза

Образование осадочной породы представляет собой сложный, включающий в себя несколько стадий, процесс. Рассмотрим, например, образование обыкновенного песчаника. Сначала за счёт разрушения каких-либо пород образовывались песчаные зёрна. Эти зёрна переносились (реками, ветрами, морскими течениями или другими путями) и затем отлагались – образовывался осадок. Этот осадок постепенно погребался под тощей накапливающихся слой за слоем вновь приносимых осадков. Происходило постепенное обезвоживание и уплотнение за счёт давления вышележащих накоплений: осадок превращался в горную породу (в данном случае – в песок). Последующие процессы цементации и кристаллизации привели к скреплению зёрен. В итоге рыхлый песок превращался в сцементированный песчаник.

Таким образом, можно выделить несколько последовательных стадий формирования осадочных горных пород, объединяемых общим понятием «стадии литогенеза» («литос» - камень + «генезис» - происхождение»). Рассмотрим эти стадии.

Гипергенез – стадия физического и химического выветривания (например, образование песчаных зёрен за счёт разрушения магматических, метаморфических или ранее образовавшихся осадочных пород).

Седиментогенез – совокупность явлений, протекающих на поверхности Земли и приводящих к образованию новых осадочных образований за счёт переработки ранее существовавших пород.
Этапы седиментогенеза:
1) смыв и транспортировка материала;
2) осаждение (седиментация) материала.

Диагенез – стадия преобразования осадка в осадочную горную породу. Необходимо подчеркнуть принципиальную разницу между понятиями «осадок» и «осадочная порода». Осадок – это обычно сильно обводнённая неуравновешенная физико-химическая система, со значительным количеством живого (бактерии) или мёртвого органического вещества. Чтобы представить себе типичный осадок вспомним ил – сильно обводнённый тонкозернистый осадок современных водоёмов, содержащий огромное количество микроорганизмов, разлагающих органические остатки.
На стадии диагенеза процессы направлены на уравновешивание системы (разложение неустойчивых минералов, разложение органики, выделение газов – продуктов химических реакций и пр.). Диагенез протекает обычно при температуре до 250С и на глубине до 300 м.
Главными процессами, протекающими на этой стадии, являются:
1) обезвоживание и уплотнение под давлением накопившихся новых слоёв;
2) цементация;
3) кристаллизация и перекристаллизация: аморфный опал превращается в халцедон и, затем, в кварц; сложенные карбонатными скелетами кораллов рифовые известняки начинают превращаться в кристаллические известняки и т.п.
4) образование конкреций.

Катагенез – стадия вторичных изменений осадочной породы, следующая за стадией диагенеза. Условия катагенеза: температура до 300-3500С, глубина погружения пород – до нескольких километров. Так, на глубине 4-5 км глина превращается в аргиллит. Факторами катагенеза, определяющими преобразование пород, являются температура, давление, состав поровых вод, геологическое время.
В условиях катагенеза образуется каменный уголь высоких степеней преобразования (в том числе антрацит), нефть и газ.

Нужно отметить особое положение стадии гипергенеза. С одной стороны, гипергенез предшествует седиментогенезу и всем последующим стадиям формирования осадочных пород, с другой – может завершать цикл развития осадочной породы – см. рис. На стадии гипергенеза может происходить не только выветривание существующих пород и формирование исходного материала для осадков, но и образование особого типа остаточных пород, не вовлекаемых в стадию седиментогенеза – пород кор выветривания. В эволюции процесса гипергенеза можно выделить три этапа. Гипергенез начинается обычно с глубинного «выветривания», связанно с воздействием на породы поверхностных агентов (кислорода, органических кислот и т.д.), проникающих в недра главным образом вместе с инфильтрационными водами. Этот этап получил название скрытого гипергенеза. По мере приближения к поверхности породы начинают подвергаться всё более активному воздействию гипергенных факторов: наступает второй этап – этап собственно гипергенеза. И, наконец, третий этап связан с выветриванием на поверхности.

Весь цикл образования осадочной породы объединяется термином «литогенез». Литогенез – совокупность процессов образования осадков (седиментогенез), превращения осадков в осадочную горную породу (диагенез) и последующего изменения осадочных пород (катагенез), а также процессов гипергенеза.

Общая схема стадий литогенеза (по Н.Б. Вассоевичу)

Стадии литогенеза

Типы литогенеза

В зависимости от физико-географических условий протекание процессов литогенеза значительно изменяется. Выделены 4 типа континентального литогенеза: ледовый, гумидный, аридный и вулканогенно-осадочный. Первые три типа обусловлены климатическими факторами – сочетанием температуры и влажности.

Ледовый тип литогенеза протекает в условиях, где среднегодовая температура значительно ниже нуля, а количество осадков преобладает над испарением (нивальные зоны). В этих условиях вода замерзает и осуществляет геологическую деятельность лишь в форме льда, химические и биогенных процессы подавлены, что определяет обломочный характер формирующихся пород. Важнейшими факторами литогенеза в этих условиях служат температурное и морозное выветривание. Их деятельность сводится к механическому разрушению пород под действием замерзающей в трещинах воды и колебаний температуры. Напряжения, связанные с колебанием температуры (главным образом с сильным переохлаждением), приводят к образованию трещин. В эти трещины попадает вода и, замерзая, оказывает расклинивающее действие на стенки трещин. Давление льда на стенки трещин может достигать 2000 кг/см3 и более. В результате возникает элювий размеров от десятков сантиметров до метров в диаметре. Отсутствие более мелкого материала обусловлено тем, что свободная и плёночная вода не проникает в микротрещины.

В нивальном климате длительное время могут существовать ледники, которые становятся одним из главных факторов образования и переноса обломочного материала. Перенос материала ледниками осуществляется в виде морен; во время движения ледники так же осуществляют механическую работу по разрушению ложа, что также приводит к формированию обломочных пород, размером от глыб до тонких алевритовых и пелитовых частиц («каменная мука»). На непокрытых льдом территориях транспортировка протекает под действием силы тяжести (обвалы, осыпи) и частично также за счёт водных потоков и ветра. В областях активного вулканизма во время извержений происходит расплавление огромных масс льда, вследствие чего образуются мощные грязекаменные потоки – лахары, сходные с селями, переносящие и отлагающие большие количества вулканогенного и моренного материала.

Современные области ледового литогенеза охватывают зоны высоких широт (Арктика, Антарктида) и горные вершины, расположенные выше снеговой линии.

Гумидный тип литогенеза характерен для влажных климатов, характеризующихся суммой осадков, превышающей испарение и среднегодовой температурой (или температурой в течение части года) выше нуля, что позволяет существовать воде в жидкой фазе. Такие климаты характерны для умеренной, экваториальной и влажной тропической зон. Важным фактором, определяющим особенность гумидного литогенеза, служит большое количество органического вещества - ежегодный прирост биомассы составляет 42-325 центнеров на гектар. При разложении органики образуется большое количество органических кислот, углекислого газа и других химически активных веществ, резко активизирующих процессы химического выветривания. Ещё один важнейший фактор – наличие воды. Важно, что химическое разложение сопровождается непрерывным или периодическим «промыванием» кор выветривания водой, выносящей растворимые продукты выветривания. Удаление продуктов выветривания – необходимое условие протекания процесса химического выветривания. Таким образом, интенсивное физическое, химическое и органическое выветривание на стадии гипергенеза приводит к активному разрушению и химическому разложению пород.

Не менее активно протекают процессы седиментогенеза. Поскольку количество осадков выше испарения, непрерывно происходит снос твёрдого и растворённого материала реками. Текучие воды являются главным агентом переноса в гумидных областях. Образующийся при гипергенезе материал может частично оставаться на месте, так формируются коры выветривания, частично осаждается на путях миграции (так образуется аллювий, делювий, коллювий и др. генетические типы отложений) и достигать конечных бассейнов стока - озёр, морей и океанов. При гумидном литогенезе формируются и терригенные, и хемогенные, и биогенные отложения; характерными являются развитые коры выветривания с каолиновым, частично (в тропическом и субтропическом климате) глинозёмистым горизонтом.

Аридный литогенез протекает там, где среднегодовая температура выше нуля и преобладает испарение над суммой осадков – в жарких засушливых зонах. Современные зоны аридного литогенеза охватывают сухие степи, саванны, полупустыни и пустыни. Специфика аридного литогенеза в первую очередь определяется дефицитом воды. По мере увеличения дефицита воды уменьшается интенсивность миграции растворённых веществ и химического выветривания. В областях аридного литогенеза интенсивность механического выветривания значительно выше, чем химического, отсутствуют развитые коры выветривания. Главную роль в разрушении пород имеет температурное выветривание. В результате суточных колебаний в массиве пород одновременно проявляются два типа напряжений: 1) в пределах массива, связанные с разницей температур на его поверхности и в более глубоких частях и 2) в пределах объёма породы и минерала, связанные с различием коэффициентов теплового расширения-сжатия минералов. Напряжения первого типа, называемые объёмно-градиентными, вызывают десквамацию и дробление пород до размера щебня. Напряжения второго типа приводят к раскалыванию до уровня минеральных зёрен и далее, по трещинам спайности, до образования частиц размером до сотых долей мм. Так в процессе температурного физического выветривания формируется элювий, состоящий из щебня, песчаного и алевритового материала. Суточные колебания температуры проявляются до глубины 1 м, что определяет максимальную мощность коры выветривания.

Транспортировка материала осуществляется в аридных зонах осуществляется поверхностными водами и ветром. Несмотря на дефицит влаги, периодически интенсивно проявляется деятельность поверхностных вод – типично формирование пролювиальных конусов выноса. Это обусловлено ливневым характером выпадения осадков, что приводит к кратковременному массовому выносу осадков к подножию склонов. Важным фактором осадконакопления является и ветер: формирование и движение дюн и барханов, эоловая транспортировка, в том числе и в виде пыльных бурь и пр. Причём, если песчаный материал сосредоточен в пределах пустынь, то глинисто-алевритовые частицы могут выноситься ветрами далеко за их пределы.

Для водоёмов аридных зон - как озёрных, так и морских – типична повышенная солёность, приводящая к осаждению карбонатов и солей.

Вулканогенно-осадочный литогенез. Вулканогенно-осадочный литогенез протекает на участках наземного и подводного вулканизма, где образование пород происходит под влиянием вулканических извержений. Специфичность данного типа литогенеза в первую очередь связана с участием глубинного вещества и эндогенной энергии. Это определяет его важную особенность – независимость от климата.