«ПЕТРОГРАФИЯ ОСАДОЧНЫХ ПОРОД (С ОСНОВАМИ МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ) Допущено Министерством высшего и среднего специальиегв ебразования СССР в качестве учебного пособия для студентов геологических специальностей вузов ...»

н. В. ЛОГВИНЕНКО

ПЕТРОГРАФИЯ

ОСАДОЧНЫХ

ПОРОД

(С ОСНОВАМИ МЕТОДИКИ

ИССЛЕДОВАНИЯ)

Допущено

Министерством высшего и среднего

специальиегв ебразования СССР в качестве учебного пособия для студентов геологических специальностей вузов

ИЗДАТЕЛЬСТВО „ВЫСШАЯ ШКОЛА"

МОСКВА-1967 Более четверти века курс осадочной петрографии' читает­ ся в в ы с ш и х учебных заведениях нашей страны. В настоящее время по петрографии осадочных п о р о й имеются учебники М. С. Ш в е ц о в а, Л. Б. Р у х и н а и Л. В. П у с т о в а л о в а. К а к учебное пособие используют к н и г у Г. И. Теодоровича, по от­ дельным разделам курса — работы Г. Б. М и л ь н е р а, Н. А.

П р е о б р а ж е н с к о г о и С. Г. Са1ркисяна, Н. В. Л о г в и н е н к о, а т а к ­ ж е р я д учебников на английском языке: Г. Б. М и л ь н е р а, В. К. Крумбейна и Ф. И. П е т т и д ж о н а и Ф. И. П е т т и д ж о н а.

О д н а к о у п о м я н у т ы е в ы ш е учебники по своему объему, по объему и направленности не отвечают программе универ­ ситетского к у р с а.

Н а с т о я щ и й учебник с о д е р ж и т минимум сведений по петро­ графии осадочных пород, к о т о р ы й м о ж н о и з л о ж и т ь в объеме университетского к у р с а.

К н и г а состоит из четырех частей: в первой части рассмот­ рены условия образования осадочных пород, во в т о р о й ' — д а н о описание наиболее в а ж н ы х типов парод, третья часть по­ священа вопросам формирования осадочных толщ, в четвер­ той части изложены методы и приемы исследования осадоч­ ных пород. П р и написании к н и г и учтены данные и результа­ т ы новейших исследований.

Содержание учебника соответствует программе к у р с а пе­ трографии осадочных пород с основами иммерсионного метода д л я специальностей «Геологическая съемка и п о и с к и место­ р о ж д е н и й полезных ископаемых», «Геология и разведка ме­ сторождений полезных ископаемых» и «Геохимия» высших геологических учебных заведений.

ВВЕДЕНИЕ

История возникновения и развития петрографии осадочных пород Петрография осадочных пород /выделилась из об­ щей петрографии в начале XX в. и наряду с радиогеологией, геохимией и другими является одной из наиболее молодых гео­ логических наук.

Одной из основных причин возникновения новой.научной дисциплины явились запросы практики — развитие !промышлен­ ности и сельского хозяйства, особенно бурно происходившее в нашей стране, требовавшее все большего и большего !количества различных !полезных ископаемых. Огромное большинство полез­ ных ископаемых — руды железа, марганца, алюминия, уголь, нефть, горючие газы, калийные соли, фосфориты, различные строительные материалы — представляют собой осадочные гор­ ные породы. Правильная организация поисков и разведок полез­ ных ископаемых невозможна без знания их состава и условий образования, что и обусловило необходимость систематическо­ го, всестороннего изучения осадочных пород.

Естественно, что для возникновения новой научной дисципли­ ны потребовался долгий подготовительный 'период. Системати­ чески излагать историю развития петрографии, (переплетающу­ юся с историей других геологических наук, мы здесь не будем, а остановимся кратко на некоторых важных вехах, подготовив­ ших создание новой отрасли знаний.

Изучение современных осадков и некоторых осадочных по­ род началось в XVIII в. Одна из первых работ в этой области принадлежит Реомюру и посвящена золотоносным пескам Фран­ ции («История рек и ручьев Французского королевства, несу­ щих золотые чешуйки»). Ценный вклад в развитие геологии внес великий русский ученый М. В. Ломоносов. В своей работе «О слоях земных» М. В. Ломоносов рассматривает и,правильно для того времени объясняет происхождение угля и нефти, произ­ водит сравнение современных осадков и осадочных пород (тор­ фа и каменного угля), а также (высказывает общие, принципи­ ально.правильные соображения об условиях образования оса­ дочных пород. Однако в целом XVIII в. явился периодом накопления фактического материала.по современным осадкам и некоторым осадочным породам. Методы исследования были несовершенными, преобладало визуальное описание с простейши­ ми физическими и химическими испытаниями.

В XIX в., наряду с дальнейшим накоплением фактического материала, усовершенствуется методика исследования и формулируется ряд важных теоретических обобщений.

Революционизирующее значение для петрографии вообще и петрографии осадочных пород в частности имело изобретение поляризационного микроокопа. Заслуга введения в петрографию микроскопического метода исследования принадлежит Сорби (1850), Циркелю (1863), Д. И. Мушкетову, А. А. Иностранцеву, А. П. Карпинскому и А. В. Гурову (1867—1879). Француз Туле впервые применил разделение минералов осадочных пород по удельному весу в тяжелых жидкостях, а Делессе — электромаг­ нитное разделение минералов (1899). Не меньшее значение име­ ло введение в методику исследования осадочных пород терми­ ческого анализа французским физико-химиком JIe Шателье (1885).

Наряду с усовершенствованием методов исследования появ­ ляются крупные теоретические обобщения. Теория словообразо­ вания, понятие о фациях и закон корреляции фаций введен в науку Н. А. Головкинским (1867) и И. Вальтером (1894), уче­ ние о циклах седиментации разработал Ньюберри и др. (1872).

Эти работы имели большое значение не только для развития петрографии осадочных пород, но и для геологии вообще.

Крупные успехи были достигнуты в области изучения совре­ менных осадков. В 1872 г. закончила работу экспедиция Меррея и Ренара на судне «Челленджер», обследовавшая донные осадки океанов, в 1896 г. Н. А. Андрусов изучил условия осадконакопления в Черном море.

XX в. является веком создания петрографии осадочных пород.

Большая заслуга в развитии этой науки принадлежит русским и советским ученым. Одним из основоположников ее заслуженно считается А. Д. Архангельский. Ему принадлежат классические работы по изучению меловых отложений, фосфоритов, бокситов, железных руд и современных осадков. А. П. Карпинский первым обратил внимание на связь осадконакопления с геотектониче­ скими движениями, заложил основы палеогеографии — науки о географии древних времен. Учение об ископаемых углях и неф­ ти разрабатывалось М. Д. Залесски-м, И. М. Губкиным и др.

М. Д. Залесскому принадлежит классическое исследование по вопросу о происхождении углей, И. М. Губкин разработал осно­ вы учения о нефти и много сделал для ее поисков и разведки.

Современную методику термического анализа разработал Н. С. Курнаков. Ему и его ученикам принадлежат также иссле­ дования условий образования солей. Я. В. Самойлов посвятил свои работы выяснению роли организмов в процессе осадко- и породообразования.

Из иностранных ученых конца XIX и начала XX вв. следует упомянуть В. Мейке, Л. Кайе, Г. Потонье. В. Мейке одним из первых начал исследовать степень выветрелости обломочных минералов и использовать эти данные для реконструкции палеоклиматов. Л. Кайе принадлежат фундаментальные труды по ме­ ловым отложениям Франции, а также первая сводка по методам исследования осадочных пород (1916). Г. Потонье является од­ ним из основоположников учения о происхождении углей и автором многочисленных работ по углям Г Д Р и ФРГ и палеобо­ танике.

Большое значение для развития петрографии осадочных по­ род, равно как и для всех геологических наук, имели идеи и мысли В. И. Вернадского и А. Е. Ферсмана, крупнейших мине­ ралогов-геохимиков XX в.

Особенно бурное развитие петрографии осадочных пород на­ чалось с 30-х годов XX в. Известно, что уровень развития науки в значительной мере определяется совершенством методики ис­ следования. В 1925—1930 гг. в нашей стране получил широкое распространение иммерсионный метод (метод изучения зерен минералов в жидкостях при помощи поляризационного микро­ скопа), который значительно расширил возможности исследова­ ния осадочных пород и быстро завоевал всеобщее признание.

Д л я разработки и усовершенствования иммерсионного метода много сделали О. М. Аншелес, В. П. Батурин, С. Г. Вишняков, В. Б. Татарский и др.

Одновременно совершенствовались и разрабатывались мето­ ды химического, термического и рентгеноструктурного анализов, электромагнитной и электростатической сепарации. В самое по­ следнее время появились новые методы исследования — элек­ тронная микроскопия, электронография и др.

За последние тридцать лет детально изучены многие осадоч­ ные толщи и,полезные ископаемые осадочного происхождения в различных областях нашей страны, а также современные осадки морей, озер и рек. Из работ этого периода назовем наиболее крупные: по изучению нефтеносных отложений — работы В. П.

Батурина, Н. Б. Вассоевича, С. Г. Саркисяна и др.; угленосных толщ и углей — П. И. Степанова, Ю. А. Жемчужникова, Г. Ф.

Крашенинникова и др.; карбонатных отложений — Г. И. Бушинского, Н. М. Страхова, Г. И. Теодоровича, И. В. Хворовой и др.;

железных руд и бокситов — Н. М. Страхова, Л. Е. Формозовой, Ю. К- Горецкого и др.; современных о с а д к о в — М. В. Кленовой, Н. М. Страхова и др.

За эти же годы появились и новые обобщающие и теорети­ ческие работы, рассматривающие отдельные стороны процесса осадко- и породообразования или весь осадочный процесс в це­ лом. В этих работах освещены проблемы палеогеографического анализа на основании изучения обломочных минералов (В. А.

Батурин и др.), периодичность осадконакопления и дифферен­ циация вещества в процессе переноса и отложения (Н. М. Стра­ хов, Л. В. Пустовалов и др.), проблемы генезиса флиша — мор­ ских ритмичных осадков (Н. Б. Вассоевич, И. В. Хворова и др.), периодичность — цикличность осадконакопления в угленосных толщах (Ю. А. Жемчуж'ников и др.), изменение осадочных,по­ род в стратисфере (Л. Б. Рухин, В. Д. Шутов, А. Г. Коссовокая, А. В. Копиелович и др.), закономерности современного осадко­ накопления (Н. М. Страхов и др.).

Для выяснения связи между осадконакоплениам и режимом геотектонических движений большое значение имели исследова­ ния В. В. Белоусова, А. Б. Ронова и В. Е. Хаина и др.

В 1952 г. была проведена широкая дискуссия о состоянии науки об осадочных породах, во время которой были обсужде­ ны результаты работ советских ученых за четверть века и на­ мечены задачи на будущее. Основной задачей будущего призна­ но создание общей теории осадочного процесса и формирования полезных ископаемых осадочного генезиса.

В конце шестидесятых годов советскими учеными опублико­ ван ряд методических руководств и справочников: руководство по изучению осадочных пород под редакцией Н. М. Страхова, по изучению глин под редакцией М. Ф. Викуловой, справочник по осадочным породам под редакцией Л. Б. Рухина и В. Б. Та­ тарского и др.

В 1960 г. вышла в свет монография Н. М. Страхова «Осно­ вы теории литогенеза», удостоенная Ленинской премии в 1961 г.

В этой монографии автор рассматривает типы литогенеза (об­ разования пород) и освещает общие закономерности осадкооб­ разования.

За границей осадочная петрография в последний период ус­ пешно развивалась во Франции, Англии и особенно в США.

Крупные достижения осадочной петрографии связаны главным образом с развитием нефтяной промышленности.

Выдающимися учеными в этой области за границей являются Г. Мильнер, П. Босвелл, К. Эдельман, В. Твенхофел, Ф. Петтиджон, Ф. Шипард и др.

Г. Мильнер занимался изучением обломочных минералов, ми­ нералов россыпей и разработкой методики иммерсионного ана­ лиза. Ему же принадлежит один из первых учебников по петро­ графии осадочных пород. П. Босвелл много сделал для изуче­ ния минералов осадочных пород и является автором первой сводки по минералогии осадочных пород. К. Эдельман изучал современные осадки Голландии и на основании состава обло­ мочных минералов определял источники сноса (палеогеографи­ ческие реконструкции по обломочным минералам). В. Твенхофел с сотрудниками является автором фундаментальной моногра­ фии, посвященной условиям образования осадков и осадочных пород. Эта монография, насыщенная фактическим материалом по осадочным образованиям Америки и других частей Земного шара, представляет интерес и в настоящее время (русский пере­ вод 1936 г.). Работы Ф. Шипарда посвящены геологии моря, исследованию современных морских осадков и процессов осадконакопления. В работах Корренса также рассматриваются со­ временные морские осадки (Атлантика, Северное море) и различные вопросы минералогии осадочных пород. Ф. Петтиджону принадлежат наиболее обстоятельные учебники петрогра­ фии осадочных пород на английском языке и серия исследова­ ний, посвященных различным осадочным породам Америки.

Кюнен занимался исследованием флишевых отложений и раз­ работал новую гипотезу образования флиша (в результате дея­ тельности так называемых мутьевых потоков).

Петрография осадочных пород призвана все­ сторонне изучать осадочные породы, их химический и,минерало­ гический состав, строение и сложение, органические остатки и т. п. и на основании этого решать вопрос об их генезисе. Важ­ нейшей задачей петрографии является также изучение состава и происхождения полезных ископаемых осадочного генезиса.

Чтобы уяснить, какие конкретно проблемы разрешает оса­ дочная петрография и какими методами, коротко остановимся яа характеристике ее основных направлений.

Терригенно-минералогическое направление. Терригенно-минералогические исследования ставят своей задачей изучение об­ ломочных минералов осадков и пород с целью использования полученных данных для корреляции немых осадочных толщ, а также для.палеогеографических реконструкций. Например, сравнивая минералы исследуемой толщи с минералами возмож­ ных источников сноса, определяют, откуда они принесены — устанавливают питающую провинцию. Изучая состав и содержа­ ние минералов в породах по ряду разрезов немык осадочных толщ, сопоставляют отдельные горизонты различных разрезов по одинаковым или сходным комплексам минералов.

Аутигенно-минералогическое направление. При изучении оса­ дочных пород особое внимание следует уделять минералам, обра­ зовавшимся в осадке или породе на месте ее залегания, а также изменению структур и текстур при процессах метаморфизации пород. Аутигенные минералы являются показателями физико-химических условий и термодинамического режима сре­ ды образования и изменения осадочных пород. На основании изучения состава и характера сообществ аутитенных минералов можно определить условия образования и изменения осадочных пород.

Геохимическое направление. Геохимическое направление ста­ вит перед собой задачу выяснения условий накопления и пере­ мещения химических элементов и их комплексов в различных осадках и породах в связи с физико-химическими и геологиче­ скими обстановками. Основным методом этого направления яв­ ляется химический анализ осадочных пород на массовом мате­ риале и на обширных пространствах. В настоящее время для решения ряда геохимических проблем широко привлекается из­ учение изотопного состава элементов осадочных пород.

Фациальио-формационное направление. Сущность этих иссле­ дований заключается га следующем: на основании детального изучения осадочных пород восстанавливаются условия их ооразования (фациальный анализ). Наряду с этим в самих толщах выделяют определенные генетически связанные между собой сообщества пород — формации — и прослеживают их размеще­ ние в разрезах и на площади. Формации возникают при опреде­ ленном геотектоническом режиме, и их характер и размещение помогают выяснять геологическую историю региона.

Изучение современных осадков. Современные осадки — это тот материал, из которого со временем образуются осадочные породы. Как происходит образование осадков, мы наблюдаем непосредственно и во многих случаях можем детально исследо­ вать среду осадконакопления. Знание условий образованияосадков в настоящее время помогает геологам определять усло­ вия образования осадочных пород (древних осадков при анало­ гичном составе и строении). Этот принцип лежит в основе сравнительно-литологического метода. Изучение современных осадков сыграет большую роль в дальнейшем развитии петро­ графии осадочных пород и геологии вообще.

Осадочные породы представляют собой геоло-.

гические тела и минеральные агрегаты одновременно. Это обстоятельство определяет связь петрографии с науками геологи­ ческими (стратиграфией, палеонтологией, геологией, геотекто­ никой и др.) и науками минералого-геохимического цикла (кри­ сталлографией, минералогией, петрографией кристаллических пород, геохимией и др.), а также физико-химическими и физи­ ко-математическими. Образование осадков происходит на суше г в реках, озерах, морях и океанах. Физико-географические географией, климатологией, гидрологией, океанологией и др. По­ этому, естественно, существует тесная связь петрографии осадочных пород с перечисленными выше науками. И, наконец, сама осадочная петрография с ее объектами и методами представ­ ляет интерес для ряда геологических (гидрогеология, учение о полезных ископаемых и др.) и технических (учение о строитель­ ных материалах, механика грунтов, горное дело и др.) наук и некоторых отраслей промышленности (керамическая, угольная и др.).

Рис. 1. Связь петрографии осадочных пород с д р у г и м и нау­ Положение петрографии осадочных пород среди других наук показано на схеме (рис. 1).

Изучение осадочных пород начинается в поле и завершается в лаборатории. В поле исследователь обращает внимание на условия залегания, сложение и строение пород, со­ став и условия захоронения органических остатков и т. п.

В лаборатории всеми доступными петрографии методами производится определение вещественного состава, строения, физиче­ ских и других свойств горных пород. Методика лабораторных исследований в наше время сложна и многообразна.

Основным методом изучения осадочных пород в лаборатории является кристаллооптический анализ в шлифах (тонких срезах) и в зернах в иммерсии (в жидкостях). Параллельно с кристал­ лооптический анализом породы исследуются различными хими­ ческими методами: валовой химический анализ, определение содержания отдельных элементов, рациональный анализ — ана­ лиз кислотных и водных вытяжек и т. п. Содержание редких и ма­ лых элементов определяется с помощью спектрального ана­ лиза.

Для диагностики глинистых и карбонатных минералов при­ меняются методы хроматического анализа (окрашивание поро­ шков и шлифов различными реактивами). При изучении обло­ мочных пород широко используют методы гранулометрического анализа (рассеивание на фракции различного размера при по­ мощи сит или отмучиванием в воде).

При изучении тонкодисперсных пород, таких, как глины, ру­ ды железа, алюминия, карбонатные породы, применяются тер­ мический и рентгеноструктурный анализы — получение термограмм или кривых нагревания и рентгенограмм —дебаеграмм минералов. При нагревании минералов вследствие выделения воды, диссоциации, полиморфных превращений и т. д. происхо­ дит или поглощение, или выделение тепла. Эти реакции 'регист­ рируются на кривой нагревания. Каждый минерал имеет свою характерную кривую. При рентгеновском методе порошок ве­ щества облучается рентгеновскими лучами в специальной ка­ мере. Отраженные от плоских сеток пространственной решетки кристаллов лучи фиксируются на фотопленке. Так получается дебаеграмма, имеющая для каждого минерала свои характерные черты, определяемые строением пространственной решетки ми­ нерала.

В последнее время получил широкое развитие метод элек­ тронно-микроскопического исследования, а также электроннографический метод структурного анализа. Последний использу­ ет явление диффракции электронов от плоских сеток простран­ ственной решетки кристаллов и отличается от рентгеновского метода тем, что в нем вместо рентгеновских лучей применяется поток электронов.

Практическое значение петрографии Изучение осадочных пород имеет большое прак­ тическое значение. Многие осадочные породы представляют со­ бой ценные полезные ископаемые. Это уголь, нефть, руды алюминия, железа, марганца, редких, цветных и благородных ме­ таллов (россыпи), гипс, ангидрит, каменная и калийная соль, фосфориты, цементные мергели, мел, известняки, пески, песча­ ники, глины и др.

Без определения вещественного состава невозможно устано­ вить их качество, а без знаний условий их образования невоз­ можно правильно направить поиски и разведки полезных иско­ паемых.

Петрография осадочных пород находит широкое применение в нефтяной геологии для расчленения и сопоставления разрезов немых осадочных толщ методами минералого-петрографической корреляции.

Осадочные породы являются основанием, на котором возво­ дятся различные инженерные сооружения: заводы, фабрики, мо­ сты, дороги, плотины и т. п. При возведении инженерных соору­ жений необходимо предварительное исследование оснований, определение физико-механических и несущих свойств.

Многие осадочные породы применяются как строительные материалы непосредственно без какой-либо обработки, из дру­ гих пород изготовляются различные строительные материалы.

В осадочных породах заключены огромные массы подзем­ ных вод. Качество подземных вод и условия их циркуляции за­ висят от состава, пористости, трещиноватости и других свойств осадочных пород.

Таким образом, в строительном и дорожном деле, гидрогео­ логии и ряде отраслей промышленности требуется знание оса­ дочных пород и методов их исследования.

На осадочных породах развивается почва. Состав и свойства почв в значительной степени зависят от состава и свойства оса­ дочных пород. Следовательно, осадочная петрография пред­ ставляет интерес для почвоведов и агрономов.

Часть пер вал

У С Л О В И Я О Б Р А З О В А Н И Я, СОСТАВ,

СТРОЕНИЕ И КЛАССИФИКАЦИЯ

ОСАДОЧНЫХ ПОРОД

Осадочной породой называют геологическое те­ ло, возникшее из продуктов физического и химического разру­ шения литосферы или в результате химического осаждения и жизнедеятельности организмов, или того и другого одновре­ менно.

Образование осадков, из которых возникают осадочные по­ роды, происходит на поверхности земли и в водных бассейнах в результате различных геологических,процессов. По своей сущ­ ности эти процессы являются процессами физико-механически­ ми, физико-химическими, химическими и органическими и регу­ лируются динамикой и физико-химическими условиями среды осадконакопления (состав и концентрация растворов, кислот­ ность и щелочность, окислительно-восстановительный потенциал и т. п.).

В самом общем виде процесс образования осадочных пород можно представить в виде следующей схемы: возникновение исходных продуктов путем разрушения материнских пород и другими способами (выбросы вулканов и т. д.), перенос оса­ дочного материала с частичным осаждением его на путях пере­ носа, осаждение осадочного вещества в водных бассейнах — возникновение и преобразование осадков и переход их в оса­ дочные породы.

Осадочные породы, попадая на большие глубины, в толщу осадочных пород земной коры (в результате длительного опу­ скания), в условиях повышенного давления и повышенной тем­ пературы подвергаются различным изменениям. Выходя на по­ верхность земли (при поднятии), эти породы выветриваются.

Таким образом, возникновение и изменение осадочных пород представляет собой ряд последовательных закономерных про­ цессов, происходящих в различных термодинамических и физи­ ко-химических условиях, которые накладывают отпечаток на их строение и минералогический состав. В настоящее время про­ цессы образования и изменения осадочных пород принято раз­ делять на ряд стадий и этапов.

I Первая стадия — возникновение исходных продуктов для Образования осадочных пород. Так как подавляющая масса этих продуктов возникает благодаря процессам выветривания или гипергенеза, ее называют стадией гипергенеза.

Вторая стадия — перенос и осаждение вещества; ее называ­ ют стадией седиментогенеза (образования осадков).

Третья стадия — преобразование осадков, возникновение осадочных пород, именуется диагенезом.

В конечном результате образуются осадочные породы, по­ этому указанные выше стадии называют стадиями литогенеза (Страхов, 1960).

Условия образования осадков определяются климатом, рель­ ефом и геотектоническим режимом территории. Из этих трех факторов, пожалуй, наибольшее значение имеет климат. Это обстоятельство послужило основанием для выделения типов ли­ тогенеза по климатическому принципу (Страхов, 1960). Выде­ ляются следующие типы литогенеза: нивальный *, или ледовый, гумидный, или литогенез умеренно-влажной и влажной субтро­ пической и тропической зон, и аридный, или пустынный.

Нивальный тип литогенеза наиболее простой. Преобладают процессы физического выветривания и, следовательно, скопле­ ние их продуктов — различных обломочных пород, ледниковых образований. Диагенез осадков проявляется в уплотнении.

Гумидный тип литогенеза значительно сложнее. Здесь широ­ ко развиты как процессы физического и химического выветри­ вания, так и биологические. В результате образуются различные типы пород: обломочные, углистые, глиноземистые, железистые, марганцевые, фосфатные, кремнистые, карбонатные. Процессы диагенеза осадков сложны и многообразны.

Территории с гумидным климатом в настоящее время зани­ мают большую часть поверхности земли. Есть основание предпо­ лагать, что в прошлые геологические эпохи они имели еще большее распространение. Следовательно, гумидный тип лито­ генеза был и остается господствующим, а осадочные породы — продукты этого типа литогенеза — являются наиболее распрост­ раненными и наиболее изученными.

Аридный тип литогенеза. В аридных зонах Земли преобла­ дает физическое выветривание. Процессы осадконакопления и диагенеза сложны и многообразны. Огромная масса осадоч­ ного вещества поступает сюда из гумидных зон, что сильно усложняет процессы осадконакопления и диагенеза в их преН и в а л ь н ы й климат — климат полярных и высокогорных областей, где вся вода связана в лед и господствуют отрицательные температуры. Г у м и д ­ н ы й — климат в л а ж н ы х зон с положительными температурами большую часть года или весь год, с превышением количества осадков над испарением. А р и д ­ н ы й — климат пустынь и полупустынь с дефицитом влаги (испарение превы­ делах. Здесь образуются различные обломочные породы, доло­ миты, сульфатные, хлоридные и другие соли, а также ряд пород, характерных для гумидных зон: карбонатные, кремнистые, фос­ фатные и др. Н. М. Страховым (1960) выделяется еще один — четвертый тип литогенеза по источнику вещества — эффузивноосадочный. Он связан с областями современной и прошлой вулканической деятельности.

Первые три типа литогенеза являются зональными, четвер­ тый — азональный.

Вулканы поставляют большое количество материала — ис­ ходных продуктов для образования осадочных пород. Можно утверждать, что большинство осадочных пород содержат в не­ больших количествах вулканогенный материал и не только в областях вулканической деятельности, но и на расстоянии ты­ сячи и нескольких тысяч километров от вулканов.

Большое количество вулканогенного вещества вносится в водные бассейны в виде растворов. Отдавая должное этому ис­ точнику осадочного вещества, выделяя специальный тип литоге­ неза, необходимо учитывать следующее. Эффузивная деятель­ ность поставляет материал в осадки, формирующиеся в опреде­ ленных климатических условиях, накладывается на основной тип литогенеза (нивальный, гумидный, аридный) — и это поступление вещества не уничтожает признаков гумидности или аридности, а только несколько усложняет геохимию и минералогию пород.

Эффузивно-осадочный процесс как бы просвечивается через призму основного типа литогенеза, характерного для данной местности. Поэтому требуется более детальное изучение и разде­ ление эффузионно-осадочных формаций и переходных типов пород между осадочными и вулканогенными. Эффузионные породы изучаются петрографией кристаллических пород.

Четвертая стадия — изменение осадочных пород в страти­ сфере. Она получила название стадии катагенеза. В стадии ка­ тагенеза происходит уплотнение пород, изменение их минерало­ гического состава и отчасти структуры.

Пятая стадия — стадия глубоких структурно-минералогиче­ ских изменений пород в нижней части стратисферы (в геосин­ клиналях), носит название метагенеза.

Дальнейшая история осадочных горных пород развивается по одному из двух вариантов: опускание на большие глубины и горообразование, т. е. переход в метаморфические породы или поднятие с выходом пластов на поверхность земли — затем вы­ ветривание и разрушение.

Учение о стадиях осадко- и породообразования в настоящее время представляет собой один из наиболее важных разделов петрографии осадочных пород. К изложению этого раздела мы и переходим.

Гуава первая

СТАДИИ ОБРАЗОВАНИЯ ОСАДОЧНЫХ

материнских пород на поверхности Земли под воздействием воздуха, воды, льда, изменения температур и других физиче­ ских и химических явлений, а также жизнедеятельности орга­ низмов.

В зависимости от того, какие факторы воздействия являются главными, различают физическое и химическое выветривание.

ляется изменение температуры, раздробляющая деятельность во­ ды, льда и ветра.

Благодаря неодинаковым тепловым свойствам минералов су­ точные изменения температуры приводят к неравномерному рас­ ширению и сжатию их, в результате чего в породах появляются мельчайшие трещины. Трещины увеличиваются вследствие по­ падания в них воды и ее замерзания (морозное выветривание).

Испарение воды и отложение в трещинах солей вызывают ана­ логичное действие.

Большую разрушительную работу производят текучая вода, волнение. Важным фактором разрушения является снег и лед.

Движущийся лед (ледник) выскабливает и сглаживает свое ло­ же, механически раздробляя горные породы. Значительную механическую работу производит ветер (явления развевания и корразии).

Физическое выветривание приводит к образованию обломков пород и минералов различной величины — от крупных глыб диа­ метром в несколько метров до тонких частиц размером менее 0,005 мм.

ческого выветривания является вода. Благодаря явлению дис­ социации вода всегда содержит некоторое количество ионов H обладает кислотными или щелочными свойствами. Мерой кис­ лотности или щелочности является величина рН. Величина рН представляет собой логарифмический показатель концентрации водородных ионов, взятый с обратным знаком: рН = — I g H.

Величина рН возрастает с уменьшением концентрации водород­ ных ионов и уменьшается с возрастанием концентрации водородных ионов. При р Н > 7 реакция растворов щелочная, р Н < 7 — кислая и при рН = 7 — нейтральная. Наиболее кислые воды наблюдаются в болотах и торфяниках и некоторых тер­ мальных источниках. Морские воды обычно имеют слабощелоч­ ную реакцию. Воды соленых озер и грунтовые воды засоленных почв характеризуются резко щелочной реакцией. Величина рН определяет химическую активность вод.

Д е й с т в и е воды на минералы происходит тремя путями: рас­ творение, гидратация (вытеснение ионами H оснований из сили­ катов и других минералов), гидролиз — полный распад мине­ ралов.

Вторым важным фактором химического выветривания яв­ ляется кислород воздуха и кислород, растворенный в воде.

Воздействие кислорода на минералы называют окислением.

Процессу окисления особенно подвержены минералы, содер­ жащие элементы с несколькими степенями валентностей: железо, марганец, сера и др. Окисление происходит энергично в раство­ рах и при высокой дисперсности вещества. Наиболее энергично окисляется органическое вещество и сульфиды.

Степень окисленности или восстановленности соединений или среды (растворов) оценивается величиной окислительно-восста­ новительного потенциала — Eh. Величина Eh измеряется в милливольтах. При положительных значениях Eh (до +500 мв) среда окислительная, при отрицательных (до —250 мв)—вос­ становительная.

Изменение величины Eh в природных водах регулируется газовым режимом (наличие кислорода, сероводорода и др.) и жизнедеятельностью организмов.

Третьим важным агентом выветривания является свободная углекислота. Свободная углекислота, соединяясь с водой, обра­ зует угольную кислоту. Благодаря диссоциации угольной кисло­ углекислоты в воздухе равно 0,03%, в воде ее содержится в десятки и сотни раз больше, чем в воздухе. Присутствие угле­ кислоты снижает значение рН. Кислые воды энергично раство­ ряют карбонаты и вытесняют основания у силикатов.

Источником углекислоты является жизнедеятельность орга­ низмов, разложение органических остатков и карбонатов и вул­ каническая деятельность. Особенно много углекислоты в болот­ ных водах и торфяниках.

И, наконец, большое значение для процессов химического вы­ ветривания имеет наличие в природных водах различных кислот:

гуминовой, серной и др. Присутствие кислот значительно увели­ чивает интенсивность процессов химического выветривания.

Химическое выветривание приводит к изменению минералоь глубинных зон земли, возникших в условиях высокого давления и высокой температуры, и превращению их в минералы, устойчивые на земной поверхности. В большинстве случаев при химическом выветривании происходит изменение более сложных соединений и возникновение более простых (вынос катионов, изменение решетки), окисление и гидратация (переход закисных соединений в окисные, безводных в водные), а также полный распад — гидролиз минералов. При процессах химического вы­ ветривания большое количество вещества переходит в коллоид­ ные и истинные растворы.

Устойчивость минералов при выветривании. Способность ми­ нералов противостоять внешним воздействиям зависит от их со­ става и свойств. Можно различать механическую и химическую устойчивость. Механическая и химическая устойчивость минера­ лов взаимно связаны и влияют друг на друга.

Механическая устойчивость зависит от твердости, спайности и других физических свойств и от степени выветрелости или разложенности минералов.

Относительная твердость минералов определяется сравнени­ ем с эталонами (шкала Маоса). Абсолютная твердость изме­ ряется при помощи специальных приборов — склерометров. Так как механическая устойчивость минералов зависит не только от твердости, но и от других свойств, определение ее с наибольшим приближением к истине можно производить путем шлифования (определение снашиваемости по Розивалю). Образец минерала шлифуется на шлифовальном круге в определенных стандартных условиях. Степень снашиваемости определяется отношением уменьшения объема образца к затраченной на это работе {табл.1).

Соотношение между относительной, абсолютной твердостью Кальцит Флюорит Химическая устойчивостиминералов зависит от состава, стро­ ения (конституции) р степени- дисперсности материала, а также от характера среды и времени пребывания минералов в этой среде.

Фактор дисперсности играет большую роль. Так, например, полевые шпаты, устойчивые по отношению к воде и соляной кис­ лоте (практически нерастворимы), измельченные в порошок (ди­ аметр частиц < 0,002 мм), заметно растворяются в воде и почти полностью растворяются в соляной кислоте.

Одним из показателей химической устойчивости минералов служит их растворимость в воде (табл. 2).

Некоторые сведения о растворимости минералов в воде Барит Корунд Полевой шпат..

Кварц При повышении давления и температуры растворимость ми­ нералов в воде, как правило, возрастает.

Еще в большей степени, чем в воде, минералы растворяются в кислотах. Природные воды часто содержат растворы различ­ ных кислот: угольной, серной, гуминовой и др. И хотя эти раство­ ры обычно имеют слабую концентрацию, наличие их является важным фактором разложения минералов.

Прямым показателем устойчивости минералов является спо­ собность нх выветриваться (или противостоять выветриванию).

Сведения такого рода можно получить, изучая свежие — невыветрелые породы и продукты их выветривания (табл. 3 и 4).

По данным табл. 3 и 4 видно, что устойчивыми минералами Изменение минералогического состава диабаза и амфиболита Гидроокислы железа и Выветрелая роговая Неизвестные минера­ Алланит Ортит Биотит Титанит Хлорит Калиевые полевые шпаты Относительная устойчивость минералов при выветривании (и переносе) Очень неустойчивые Основные плагиоклазы Марказит являются кварц, калиевые полевые шпаты, циркон, лимонит (во­ о б щ е гидроокислы железа), количество которых в продуктах вы­ ветривания остается таким же, как в свежей породе, или заметно увеличивается. Неустойчивыми минералами являются плагиокла­ зы, пироксены, амфиболы, биотит, количество которых в продук­ тах выветривания резко снижается.

В табл. 5 делается попытка дать оценку относительной устой­ чивости наиболее распространенных породообразующих и акцес­ сорных минералов при выветривании (и переносе) на основании данных о механической устойчивости, растворимости и способ­ ности противостоять выветриванию.

Способность минералов по-разному противостоять внешним воздействиям приводит к тому, что в процессе выветривания про­ исходит концентрация устойчивых минералов и уменьшение со­ держания (вплоть до полного исчезновения) неустойчивых мине­ ралов в продуктах выветривания.

При переносе и отложении продуктов выветривания эти про­ цессы проявляются значительно слабее.

Описанные явления имеют большое значение для правильно­ го понимания того, почему в одних осадочных породах накапли­ ваются устойчивые минералы, в других — неустойчивые, для ре­ конструкции палеоклиматических и палеогеотектонических ус­ ловий.

Характер выветривания в различных климатических зонах.

Ареной выветривания является поверхность суши. В зависимости от климата, рельефа и гидрогеологических условий местности преобладает тот или иной тип выветривания.

В странах с резким континентальным климатом, в полупусты­ нях и пустынях, а также в полярных и высокогорных областях преобладает физическое выветривание.

Во влажных тропиках и субтропиках, влажной экваториаль­ ной и умеренно-влажной зонах, особенно при равнинном релье­ фе и наличии богатой растительности, преобладают процессы химического выветривания.

Выветривание в областях с гумидным климат о м. Избыточное увлажнение, положительные и высокие темпе­ ратуры и интенсивная деятельность организмов определяют ха­ рактер и направление выветривания в гумидных зонах. Здесь происходит как физическое, так и химическое выветривание, од­ нако преобладает последнее. Обычно выветривание (за редким исключением) начинается в щелочных условиях среды и по мере формирования профиля выветривания переходит в кислую фазу.

Воздействие воды, содержащей углекислоту, приводит к выносу оснований, гидратации и растворению. Очередность и интенсив­ ность выноса определяются растворимостью соединений и свой­ ствами химических элементов.

Наибольшей подвижностью обладают галоиды и сера. З а ними по степени подвижности следуют щелочные и щелочно-земельные металлы. Слабо подвижными являются железо, алюми­ Миграционные ряды элементов по Полынову и Перельману вижные) вижные При выветривании кислых магматических пород, главными компонентами которых являются полевые шпаты и слюды, обра­ зуются гидрослюды и каолинит. Этот процесс проходит несколь­ ко стадий:

В высоких широтах этот процесс заканчивается образовани­ ем гидрослюды, в умеренно-влажной зоне средних широт процесс начинается в щелочных условиях и заканчивается в кислых усло­ виях среды образованием каолинита.

В странах с влажным тропическим и субтропическим клима­ том происходит дальнейшее разложение каолинита с образова­ нием свободных окислов и гидроокислов алюминия, железа и кремния (процесс латеритизации):

При выветривании основных и ультраосновных магматиче­ ских пород образуются монтмориллонит-нонтронитовые продук­ ты выветривания, иногда с опалом и карбонатами. В странах с тропическим и субтропическим климатом в верхних горизонтах коры выветривания появляется горизонт охр — накопление полу­ торных окислов алюминия и железа (иногда и титана).

Железосодержащие минералы (магнетит и др.) 'при выветри­ вании окисляются и гидратизируются, переходят в окислы и гид­ роокислы железа (процесс лимонитизации).

Сульфиды железа и других металлов переходят сначала в сульфаты, затем благодаря гидролизу и взаимодействию с карбонатами — в гидроокислы железа и водные карбонаты. К про­ цессам химического выветривания относятся также карбонатизация и декарбонатизация, окремнение и десилификация.

Минералы, легко растворимые в воде, в гумидной зоне не на­ капливаются, растворяются и выносятся подземными и поверхно­ стными водами.

В процессах химического выветривания принимают участие организмы, поэтому часто говорят о биохимическом выветри­ вании.

т о м. Дефицит влаги и высокие температуры воздуха (при нали­ чии значительных колебаний температуры в течение суток) опре­ деляют характер выветривания в аридных странах. Здесь преоб­ ладают процессы физического выветривания (растрескивание, десквамация и т. п.), эоловые процессы (ветровая коррозия).

В результате выветривания происходит образование обломоч­ ного материала.

Химическое выветривание в аридных странах не имеет суще­ ственного значения и отличается рядом специфических особенно­ стей. Одна из основных черт химического выветривания в арид­ ной зоне — образование и накопление легко растворимых минералов—сульфатов железа и тяжелых металлов, сульфатов щелочных и щелочно-земельных металлов и алюминия и др.

В результате происходит засоление почв карбонатами, сульфа­ тами и хлоридами. Выветривание силикатных пород приводит к образованию гидрослюд, монтмориллонита и окислов железа.

Недостаток влаги не способствует возникновению коры вы­ ветривания заметной мощности и значительному выносу вещест­ ва в виде растворов.

к л и м а т о м. Отсутствие воды в жидкой фазе и отрицательные температуры на протяжении почти всего года определяют в по­ лярных и высокогорных областях также преобладание процессов физического выветривания (морозное выветривание) и образо­ вание обломочного материала. Химическое выветривание не име­ ет существенного значения. Если оно и проявляется, то ограничи­ вается процессами окисления и гидрослюдизации, а также обра­ зованием легко растворимых солей — сульфатов железа и тяже­ лых металлов подобно аридной зоне. Это, на первый взгляд, па­ радоксальное явление, объясняется той же причиной — дефици­ том влаги.

Кора выветривания. В результате химического выветривания на месте залегания материнских пород возникает кора выветри­ вания.

В процессе выветривания происходит дифференциация веще­ ства: на месте выветривания остаются так называемые остаточ­ ные продукты, преобразованные в условиях поверхности земли минералы, а вещества, перешедшие в раствор, выносятся за пре­ делы зоны выветривания подземными и поверхностными водами.

При размывании коры выветривания поверхностными водами из остаточных продуктов возникают обломочные частицы, кото­ рые присоединяются на путях переноса к обломочному материа­ лу, образовавшемуся при физическом выветривании.

Образование коры выветривания помимо климата и ланд­ шафта определяется характером тектонических движений. В об­ ластях устойчивого опускания происходит накопление осадков и кора выветривания не образуется. При быстром темпе подня­ тий и высоком расчлененном рельефе, благодаря энергичному смыву (денудации), образование коры выветривания также не­ возможно. Таким образом, для того чтобы развивалось химиче­ ское выветривание и образовалась мощная кора выветривания, необходим определенный режим тектонических движений: мед­ ленное поднятие или стабильное положение территории.

Процессы выветривания развиваются постепенно и проходят ряд стадий, или этапов.

Стадийность выветривания обусловливает зональность коры выветривания. Изучение современной и древней коры выветри­ вания показало наличие хорошо выраженной зональности.

Так, например, на гранитах Урала обычно наблюдается следу­ ющее строение коры выветривания (снизу вверх): 1) щебенистодресвяная, 2) гидрослюдистая и каолинитовая зоны (кора вывет­ ривания мезозойского возраста).

На ультраосновных породах Южного Урала установлено иное строение коры выветривания (снизу вверх): 1) зона слабо разложенных пород, 2) зона гидрослюд и гидрохлоритов, 3) зо­ на каолинитов и монтмориллонитов и 4) зона охр (кора выветри­ вания мезозойского возраста).

На кристаллических породах Индии наблюдается следующий профиль выветривания (снизу вверх): 1) неизмененные кристал­ лические породы, 2) каолинизированные кристаллические поро­ ды, 3) кремнисто-каолинитовая зона, 4) пятнистая зона, сложен­ ная гидраргилдитом и гидроокислами железа, 5) поверхностная зона, сложенная красной глиной, состоящей из гидроокислов же­ леза (современная кора выветривания).

Таким образом, в процессе выветривания образуются: обло­ мочный материал, новые устойчивые в условиях поверхности зем­ ли минералы, коллоидные и истинные растворы. Все они являют­ ся исходным веществом, из которого впоследствии возникают осадочные породы.

В процессе выветривания начинается дифференциация веще­ ства — отделение обломочного материала и остаточных продук­ тов от растворов.

Продукты выветривания представляют собой ценные полез­ ные ископаемые. В результате физического выветривания (и переноса) возникают россыпные месторождения благородных металлов, драгоценных камней, редких и радиоактивных эле­ ментов.

В результате химического выветривания образуются место­ рождения первичного каолина, бокситы, руды никеля, кобальта, марганца и некоторых редких и благородных металлов.

Стадия гипергенеза или выветривания может быть подразде­ лена в соответствии со стадийностью самого процесса на четыре самостоятельных этапа:

1) преобладание механического выветривания с образованием щебенисто-дресвянистых продуктов при наличии незначительно­ го химического разложения в щелочных условиях среды;

2) химическое разложение в щелочных условиях среды с об­ разованием гидрослюд й гидрохлоритов;

3) химическое разложение в щелочных и кислых условиях среды с накоплением различных глинистых минералов группы каолинита, группы монтмориллонита и др.;

4) химическое разложение — гидролиз силикатов с образо­ ванием охр, бурых железняков и латеритов.

Вслед за выветриванием и параллельно с ним происходит перенос и осаждение вещества — образование осад­ ков. На путях переноса и в бассейнах седиментации к продуктам выветривания присоединяется вулканогенный материал и про­ дукты жизнедеятельности организмов.

Осаждение вещества, за исключением коры выветривания, не­ возможно без переноса, и перенос завершается осаждением. Та­ ким образом, перенос и осаждение являются последовательными процессами — двумя сторонами одного и того же явления — осадкообразования. Осаждение вещества начинается иа путях переноса (образование делювия на склонах, аллювия в речных долинах, дельтовых отложений в устьях рек) и завершается в бассейнах седиментации. Это второй этап дифференциации ве­ щества — отделение части обломочного материала от растворов.

Характер процессов осадкообразования, их направление и ин­ тенсивность регулируются климатом и ландшафтом. В связи с этим целесообразно рассматривать условия осадкообразования по климатическим зонам.

Осадкообразование в областях с гумидным климатом. П е р е ­ ным агентом переноса и осаждения обломочного материала в об­ ластях с гумидным климатом являются текучие воды, второсте­ пенными — ветер, сила тяжести и организмы.

Причина отложения обломков — уменьшение скорости транс­ портирующей среды — водного или воздушного потока. Сначала откладываются обломки, переносимые волочением, затем взве­ шенные насосы.

Перенос и отложение дождевыми и талыми водами. Перенос обломочного материала дождевыми и талыми водами происхо­ дит на склонах гор и возвышенностей. Перенос осуществляется обычно на небольшое расстояние, поэтому частицы слабо оката­ ны и плохо отсортированы. Перемещение обломков происходит многократно по мере возникновения потоков, материал находится то на воздухе, то в воде. В результате образуются делювиаль­ ные (склоновые) и пролювиальные (у подножия склонов) осад­ ки. В странах с равнинным рельефом делювий и пролювий пред­ ставляют песчано-глинистые* и глинистые отложения с нор­ мальной и диагональной слоистостью, с линзами более грубого материала.

В местностях с расчлененным рельефом временные потоки отлагают гравийно-галечниковые и песчано-глинистые серии осадков с диагональной слоистостью. В разрезе чередуются ко­ сые однонаправленные и горизонтальные серии слоев. Косые круто наклоненные серии грубого материала отлагаются во вре­ мя действия водного потока, горизонтальные серии, сложенные тонким материалом, являются осадками временных водоемов.

В горах проливные дожди или быстрое таяние снега приво­ дит нередко к образованию бурных потоков, состоящих из воды, грязи и камней — муров, или селей. Сели стремительно вырыва­ ются из ущелий, снося все на своем пути и отлагая материал на предгорных равнинах. Отложения грязевых потоков отличаются от других осадков почти полным отсутствием сортировки обло­ мочного материала. Количество материала, перемещенного и осажденного дождевыми и талыми водами, огромно; оно, веро­ ятно, превышает количество материала, переносимого реками. О масштабах этого явления можно судить хотя бы по широкому распространению делювиальных и пролювиальных отложений.

Перенос и осаждение обломочного материала речными вода­ ми. Речные воды переносят обломочный материал во взвешенном состоянии, волочением по дну, а также в растворенном виде. Со­ отношение растворенного вещества и материала, переносимого волочением и во взвешенном состоянии, для равнинных рек рав­ но 100 : 4 :53, для горных рек — 100 : 86 : 622.

О количестве осадков, переносимых реками, некоторое пред­ ставление дает табл. 7.

Скорость течения в реках изменяется в широких пределах.

Для равнинных рек максимальная скорость течения составляет 1,5—1,6 м/сек, для горных — до 5—8 м/сек. Характер движения воды — турбулентный. При такой скорости течения равнинные реки могут волочением по дну перемещать мелкую гальку разме­ ром до 50 мм, горные реки — крупную гальку и валуны (табл. 8).

* См. ниже. Глава пятая. Обломочные и глинистые породы.

Транспортирующая деятельность некоторых рек Минимальные скорости течения, необходи­ мые для начала движения частиц однород­ При минимальной скорости течения, необходимой для пере­ мещения обломков, переносятся единичные частицы с повышен­ ных участков дна в пониженные, в результате чего поверхность дна становится более или менее ровной. Когда скорость течения воды увеличивается в два — два с половиной раза, начинается массовое перемещение частиц, на дне потока возникают гряды.

В равнинных реках гряды имеют длину 20—30 м и высоту 0,3— 1,0 м, в горных реках они достигают 100—140 м при высоте 2— 4 м. Форма гряд асимметричная, склон, обращенный против те­ чения, пологий, по течению — крутой. Благодаря перемещению гряд по течению реки возникает характерная для аллювиальных отложений диагональная слоистость руслового типа (рис. 2 ).

В результате перекатывания обломочных частиц по дну они приобретают округлую форму. Степень окатанности зависит от дальности переноса и свойств самих обломков. Исследование пес­ ков нижних течений крупных рек (Миссисипи, Днепр и др.) пока­ зывает, что, как правило, частицы песка хорошо окатаны. Сор­ тировка обломочного материала в реках осуществляется недостаточно хорошо. Это связано с большими изменениями скорости течения. Наиболее отсортированы песчаные осадки русла и при­ русловых отмелей, значительно хуже — осадки прирусловых ва­ лов и плохо — осадки поймы. Перенос и отложение материала реками происходят в пределах русла в межень и по всей залива­ емой долине — в половодье. Осадки равнинных рек сложены главным образом глинистыми, алевритовыми и песчаными отло­ жениями; в реках горных областей широко распространены галечниковые и валунные отложения.

В процессе перемещения обломочного материала в реках от истоков к устью происходит уменьшение крупности частиц вле­ комых насосов и их отложение: песчаных осадков в русле и по Рис. 2. Образование к о с о с л о и с т ы х песчаных серий в речном р у с л е :

его периферии, глинистых и песчано-глинистых на пойме, илов, обогащенных органическим веществом, и торфа в болотах и озе­ рах поймы. Однако большая часть наносов откладывается в устьях рек, образуя обширные дельты. Благоприятными условия­ ми для образования дельт является мелководность морского бас­ сейна. В дельтах осаждается наиболее тонкий песчано-глинистый материал, частично коллоиды и иногда накапливается органиче­ ское вещество (заболоченные дельты). В дельтах различают над­ водную часть, сложенную русловыми, пойменными, озерными и болотными отложениями, и подводную часть, сложенную песчано-глинистыми осадками, по простиранию переходящими в ла­ гунные и морские.

Исследование взвешенных наносов и аллювиальных осадков таких крупных водных артерий, как Волга, Днепр, Миссисипи и др., показало, что при длительном переносе и на большие рас­ стояния (1500—2000 км) изменение минералогического состава от истоков к устью не происходит. Отбор устойчивых минералов и исчезновение из осадков неустойчивых при переносе и отложе­ нии требуют большого промежутка времени и других благопри­ ятных условий. Вероятно, в большинстве случаев, когда такой отбор имеет место, он является результатом не одного, а двухтрех последовательных циклов эрозии или результатом глубокого химического выветривания на территории суши, откуда принесен обломочный материал.

Перенос и осаждение обломочного материала в водных бас­ сейнах. В морские и озерные бассейны поступают с суши растворенные в воде вещества и часть обломочного материала, не осев­ шего на путях переноса. Значительная масса обломочного мате­ риала попадает в водоемы в результате размывания (абразии) берегов. Главными агентами перекоса в водных бассейнах явля­ ются течения и волнения.

Течения возникают в результате самых разнообразных при­ чин: ветра, вызывающего постоянные и периодические течения (так называемые дрейфовые), различия в плотности воды (кон­ векционные), различия уровней в соседних бассейнах (сточные), благодаря приливам и отливам (приливные и отливные течения) и т. п. Течения вовлекают в кругооборот почти всю толщу воды шельфа до глубины 200—250 м и иногда большую — до глубины 1000—2000 м. Скорость морских течений изменяется в широких пределах — от 0,01 до 2—3 м/сек и даже несколько больше, т. е.

она соизмерима со скоростью течений равнинных и некоторых горных рек.

Ареной действий течений практически является почти вся ак­ ватория водных бассейнов, но наиболее интенсивные действия их наблюдаются в периферической части бассейнов (область бере­ говых и циркулярных течений). Центральные части многих бас­ сейнов лишены течений (халистатические зоны). Существуют так называемые транзитные течения, пересекающие огромные водные бассейны. Примером такого течения является Гольфстрим, пере­ секающий Атлантический океан от берегов Флориды до Нор­ вегии.

Морские течения переносят огромное количество обломочного и другого материала. Об истинных размерах этого переноса мы не имеем пока правильного представления. Работа морских те­ чений сочетается с деятельностью волн.

Причиной возникновения волн являются ветры. Ветровая волна проникает на глубину, соизмеримую с длиной волны, и пе­ риодически взмучивает донный осадок, оставляя на его поверх­ ности знаки ряби. Глубина зоны взмучивания зависит от разме­ ров бассейна: так, для океана она равна 200 м, в Черном море — всего 40 м, в озере Балхаш — от 0 до 3 м. Помимо ветровой волны, в морях и океанах возникают гигантские волны в ре­ зультате землетрясений. Эти волны проникают на большие глу­ б и н ы — порядка 1000 м и более (волны цунами). Ареной действия волн является главным образом прибрежная зона литорали и сублиторали. Ветровая волна, воздействуя на осадок, сортирует материал по крупности, формирует текстуру осадка и осуществляет перенос обломочного материала. Подходя к бе­ регу под косым углом, она выбрасывает на пляж обломочные частицы, которые смываются обратным током воды. И все повторяется вновь и вновь. Таким образом осадки перемещаются вдоль берега на десятки километров (продольное перемещение).

Волна, подходящая к берегу под прямым углом, выбрасывает обломочные частицы на пляж, способствуя формированию пляжевых накоплений (поперечное перемещение наносов).

Материал, поступающий с суши, перерабатывается морем — происходит механическая обработка частиц, их окатывание, сор­ тировка по размеру и удельному весу, разнос по площади бассей­ на и отложение. Разнос и отложение материала регулируются гидродинамикой бассейна. Обычно основная масса обломочного материала захороняется на периферии вблизи берега. Грубообломочный материал захороняется на пляже и у берега, песчаный и алевритовый — в области мелководья и только глинистые час­ тицы достигают центральной части бассейна. Распределение материала зависит также от рельефа местности: при равнинном рельефе отложение грубообломочного материала не происходит и уже на пляже накапливаются пески, а в мелководной обла­ сти — глины.

Благодаря деятельности волн на пляже происходит обогаще­ ние осадков тяжелыми минералами. Таким путем образуются россыпные месторождения титана, циркония, редких земель, ра­ диоактивных элементов и др. Слоистость осадков диагональная, пляжевого типа.

На мелководье благодаря деятельности волн образуются пес­ чаные осадки с диагональной слоистостью знаков ряби. Измен­ чивость морских течений и их периодичность являются причиной образования песчаных и алевритовых осадков с диагональной слоистостью прибрежно-морского типа.

В процессе разноса и отложения обломочного материала в водных бассейнах осуществляется разделение его по размеру час­ тиц и удельному весу и дальнейшее отделение обломочных час­ тиц от глинистых и растворенных веществ. Это третий этап оса­ дочной дифференциации вещества.

Наряду с этим наблюдаются и другие явления — отложение только с частичной — несовершенной сортировкой. В последнее время уделяется большое внимание мутьевым потокам, или турбидным течениям. Причиной образования мутьевых потоков яв­ ляется оползание осадков на крутом континентальном склоне в результате землетрясений, волн цунами и даже сильных штор­ мов.

Оползающий осадок взмучивается и в виде своеобразного «грязевого» потока устремляется вниз по склону. Плотность по­ тока может быть весьма значительной. У основания склона ско­ рость движения потока постепенно замедляется, начинается осаждение обломочного материала. Сначала осаждается грубый, затем все более тонкий материал. Отложения мутьевых потоков характеризуются горизонтальной слоистостью и сортировкой ма­ териала в каждом слое — от более грубого (с наличием мелко­ го) внизу до более тонкого вверху (ритмичная слоистость — graded bedding). Однако эта сортировка является весьма несовершенной. Мутьевые потоки зарегистрированы в Атлантике, Средиземном море и в других местах. Скорость потоков достига­ ет 100 км/ч. Осадки потоков покрывают десятки и сотни квадрат­ ных километров.

Осаждение вещества происходит не только в текучей, но и в спокойной воде под влиянием силы тяжести. Скорость осаждения зависит от размера, удельного веса и формы частиц. Частицы песка и алеврита осаждаются согласно правилу Стокса:

где V — скорость осаждения частиц;

d \ — удельный вес частиц;

d — удельный вес воды;

|я — вязкость воды;

g — ускорение силы тяжести;

г — радиус частиц.

Правило Стокса исходит из предположения, что частицы имеют правильную шарообразную форму. Так как в природе часто встречаются частицы иной формы, например в виде ли­ сточков и чешуек (слюды), призматических и пластинчатых зе­ рен (карбонаты, пироксены и другие материалы), правило Сток­ са не может считаться универсальным.

Листоватые и пластинчатые частицы осаждаются очень мед­ ленно, более крупные частицы (крупный песок, гравий, галь­ ка) —• со скоростью, пропорциональной корню квадратному из радиуса частиц:

где все обозначения те же, что и в предыдущей формуле.

Скорость осаждения частиц в воде, помимо размера частиц, зависит от удельного веса.

При осаждении крупных частиц с малым или средним удель­ ным весом (например, кварца с удельным весом 2,65) будут осаждаться и частицы менее крупные, но более тяжелые (грана­ та, магнетита, ильменита и других минералов; табл. 9 и 10).

Осаждение обломочных частиц в воздухе происходит значи­ тельно быстрее, чем в воде. Так, например, скорость осаждения в воздухе-песчаных частиц в 30—50 раз больше, чем в воде. По мере уменьшения размера частиц эта разница несколько сглажи­ вается. Из-за небольшой плотности воздуха удельный вес частиц оказывает ничтожное влияние на скорость осаждения.

Плотность воздуха, пресной и морской воды различна. Час­ тицы песка одинакового объема теряют в своем весе больше все­ го в морской воде, меньше в пресной и еще меньше в воздухе.

При отложении обломочных частиц из воздуха разница в разТаблица Р а з м е р частиц мерах зерен тяжелых и легких минералов должна быть незначи­ тельной, в пресной воде более значительной и наибольшей в со­ леной воде. Используя это явление, Л. Б. Рухин предложил ме­ Время, необходимое для погруже­ (медианного) размера зерен ния частиц на глубину 10 см виде коллоидов и истинных растворов. В виде коллоидов перено­ сятся глинистые минералы, кремнезем, органическое вещество, соединения железа, марганца, фосфора и ряда малых элементов (ванадия, хрома, никеля, кобальта и др.). Многие малые элемен­ ты адсорбируются другими коллоидными частицами — мицелами глинистых минералов, гуминовых соединений, железа и мар­ ганца. В виде истинных растворов переносятся все легко раство­ римые соли — хлориды, сульфаты, карбонаты щелочных и щелочно-земельных металлов (в виде бикарбонатов) *, частично крем­ незем, органическое вещество, соединения железа, марганца, фос­ фора и некоторых малых элементов.

* В водах г о р н ы х рек карбонаты, железо и органическое вещество пере­ носятся в основном в виде механической взвеси.

Значительная часть коллоидов, принесенных Б бассейны се-диментации, осаждается вблизи устьев рек и в прибрежной зоне, некоторая часть попадает в срединные области бассейнов, где осаждается совместно с глинистым веществом.

Значение коллоидов для осадконакопления и минералообразования трудно переоценить, поэтому рассмотрим свойства кол­ лоидов более подробно.

Коллоидные частицы имеют размер от 1 до 100 ммк. Коллои­ ды обладают такими свойствами: 1) не проходят через животные перепонки, т. е. не подвержены диализу; 2) обнаруживают явле­ ния диффузии гораздо слабее, чем истинные растворы: 3) обна­ руживают эффект Тиндаля (опалисценция при косом освеще­ нии) ; 4) проходят через обычные фильтры и не проходят через ультрафильтры (фильтровальная бумага, пропитанная коллодием); 5) коллоидные частицы менее подвержены дейст­ вию силы тяжести, медленно оседают на дно, но все же кон­ центрация их у дна выше, чем в поверхностном слое жидкости;

6) обладают очень большой поверхностью и вследствие этого повышенной адсорбционной способностью; 7) в растворе несут электрический заряд. Появление его связано с различной адсорб­ ционной способностью коллоидных частиц по отношению к ионам истинных растворов. Например, коллоиды окислов железа, алюминия, хрома, титана, циркония, церия имеют положитель­ ный заряд. Коллоиды кремнезема, гумусовые и глинистые коллоиды, а также сурьмы, свинца, ртути, кадмия, двуокиси мар­ ганца, олова, золота и ряд других имеют отрицательный заряд.

Коллоидные растворы могут быть в состоянии золей (наибо­ лее дисперсное состояние) и гелей (студней) после коагуляции.

Коагуляция вызывается следующими причинами.

1. Действие электролитов. При приливании к золю электроли­ та заряды коллоидных частиц нейтрализуются катионами или анионами раствора. В результате происходит свертывание (коа­ гуляция) — увеличение размеров частиц ультрамикронов с обра­ зованием осадка или геля.

2. Действие коллоидов противоположного знака. При столк­ новении в растворе частиц положительного и отрицательного знаков заряда происходит нейтрализация зарядов и коагуляция.

3. Увеличение концентрации коллоидных частиц благодаря уменьшению количества дисперсной среды (растворителя).

4. Под влиянием излучения у-лучей, рентгеновских и т. п.

5. Коагуляция происходит также в капиллярах. Раствор, под­ нимающийся по капиллярам, обычно заряжает стенки каппиляров отрицательным зарядом (водный раствор), вследствие этого положительные коллоиды свертываются.

Процесс, обратный коагуляции, называется пептизацией. Кол­ ваются обратимыми; коллоиды, не обладающие этим свойст­ вом,— необратимыми. Большинство неорганических коллоидов необратимы.

Одной из главных причин осаждения коллоидов является вы­ сокая концентрация солей.

Коагуляция коллоидов в массовых масштабах наблюдается в Прибрежной области моря. Однако это не значит, что все коагу­ лировавшие частицы здесь же и осядут на дно. Осаждение их возможно при соответствующем гидродинамическом режиме (от­ сутствие течений и сильных волнений). Если в прибрежной обла­ сти моря наблюдается повышенная активность вод, коллоидные частицы выносятся в более глубоководную зону моря совместно с другими терригенными частицами и только там происходит их осаждение.

Следует учитывать также общую концентрацию коллоидов и наличие так называемых защитных коллоидов. При очень высо­ кой концентрации коллоидов в прибрежной области моря может коагулировать только часть, другая же часть вместе с водой по­ падает во внутренние области морского бассейна. Известно, что коллоиды окислов железа в присутствии гумусовых соединений приобретают повышенную устойчивость. Последние являются «защитными» коллоидами — стабилизаторами по отношению к первым. Благодаря защитной роли гуминовых соединений колло­ иды гидроокислов железа не осаждаются в реках, частично осаждаются в прибрежной области моря и в большом количестве проникают в центральные части морских бассейнов.

Большое значение имеет действие коллоидов противополож­ ного знака заряда. Это явление имеет место на путях переноса, но главным образом в тех местах, куда сгружается осадочный материал — в озерных и морских бассейнах. Таким путем, веро­ ятно, происходит взаимное осаждение кремнезема (—) и гидро­ окислов железа ( + ) в некоторых современных осадках и древ­ них осадочных породах (железные руды протерозоя, керченские железные руды третичного возраста), золей алюминия ( + ) и глинистых частиц (—) в некоторых бокситах, коллоидов алюми­ ния ( + ) и кремнезема (—) при образовании глинистых минера­ лов и др.

Осаждение из истинных или ионных растворов (размер час­ тиц менее 1 ммк) зависит от следующих факторов.

1. Концентрации вещества в водном растворе; осаждение про­ исходит при насыщении или пересыщении раствора данным ве­ ществом.

2. Давления и температуры.

3. Реакции среды и ее окислительно-восстановительного по­ тенциала.

Последнее в свою очередь связано с составом и концентра­ цией солей и растворенных в воде газов.

4. Состава растворенных в воде солей.

Осаждение из истинных растворов в областях с гумидным климатом имеет большое значение для накопления карбонатов, фосфатов, соединений железа, марганца и др. Легко раствори­ мые соли — хлориды, сульфаты — при этом остаются в растворе.

Одновременно с осаждением обломочного материала в вод­ ных бассейнах,происходит хемогенная и биогенная седиментация, в процессе которой в одних случаях осуществляется дифферен - г циация вещества по химическим свойствам (четвертый этап), в других — смешение осадочного материала.

О смешении свидетельствуют средние содержания (кларки) фосфора, марганца, железа и алюминия в морских осадках.

Обычно от берега в глубь бассейна песчаные осадки сменяются алевритовыми, последние — глинистыми. От песков к глинам наблюдается увеличение концентрации железа, марганца и алю­ миния. Причины осаждения каждого компонента в отдельности разные и вместе с тем имеется одна общая — одновременность осаждения обломочного материала, хемогенной и биогенной сад­ ки вещества и разнос его по площади бассейна, регулируемый размером частиц и гидродинамикой водоема.

Проявление дифференциации вещества демонстрируют руд* ные концентрации. Образование рудных концентраций алюми­ ния и железа происходит в прибрежной области моря и в лагу­ нах путем осаждения из истинных растворов и коллоидов.

Рудные концентрации марганца возникают в более удаленно.^ области шельфа благодаря хемогенной и биохемогенной садки.

Осаждение фосфора происходит еще д а л ь ш е — в глубоководной области шельфа, на границе с континентальным склоном. Крем­ незем накапливается в глубоководной области шельфа, на кон­ тинентальном склоне и в глубоководных впадинах. Главной при­ чиной осаждения фосфора и кремнезема является деятельность организмов и хемогенная садка. Таким же путем возникают кон­ центрации карбонатов в пределах всей мелководной области моря.

с т и о р г а н и з м о в. Роль организмов как агента переноса трудно оценить правильно. Укажем только на некоторые стороны этого явления.

• Грубообломочный материал (валуны, камни) очень часто пе­ реносится с корнями деревьев. Такое явление наблюдается в нас­ тоящее время и, возможно, имело место в геологическом прош­ лом. Валуны горных пород в угольных пластах, вероятно, имеют такое происхождение. Гравийный и песчаный материал перено­ сится птицами (в зобу). Сведения о накоплении гравия и песчи­ нок чуждого данной местности состава в областях птичьих база­ ров севера неоднократно публиковались в литературе. Мелкие песчаные и алевритовые частицы переносятся различными простейшимй" (аглютинированные раковины фораминифер) и бес­ позвоночными.

Велика роль организмов в процессе осаждения вещества. Ор­ ганизмы являются аккумуляторами различных веществ: карбо­ натов, кремнезема, фосфора, углерода и др. Они обладают специфической особенностью извлекать из растворов и концент­ рировать в своем теле, скелете или раковине вещества, присутст­ вующие в растворах в небольшом количестве, далеком от насыщения. Так, например, кремневые организмы (губки, ра­ диолярии, диатомеи) извлекают из морской воды кремнезем, среднее содержание которого в морской воде 0,5—0,3 мг/л, т. е.

далеко от насыщения. Таким путем образуются кремнистые осадки и породы: диатомовый ил в современных морях и иногда в озерах суши, радиоляриевый ил и др.

Организмы с карбонатным скелетом или раковиной извлека­ ют карбонат кальция из морской воды в высоких широтах, где наблюдается значительное недосыщение растворов карбоната­ ми. Новейшие исследования советских геологов показали, что а осадках полярного бассейна довольно часто встречаются из­ вестковые раковины фораминифер. Естественно, что в условиях высокой концентрации растворов процесс извлечения вещества организмами происходит значительно интенсивнее. Примером этого является массовое развитие организмов с карбонатным скелетом и обилие крупных форм в мелких и теплых морях, где концентрация карбоната кальция достигает насыщения и пере­ сыщения. В результате происходит образование известкового ила, ракушечников, коралловых рифов и т. п.

Деятельность организмов в одних случаях происходит па­ раллельно с хемогенной садкой, накладывается на нее и уси­ ливает процесс осадконакопления, в других случаях организмы являются единственной причиной осаждения вещества.

Мягкие тела организмов (простейшие, беспозвоночные) яв­ ляются концентраторами фосфора. После гибели организмов, они разлагаются и фосфор переходит в раствор, насыщая при­ донные слои морских вод и иловые растворы. Из этих раство­ ров осаждаются фосфориты. Позвоночные (морские и назем­ ные) концентрируют в своем скелете фосфорнокислый кальций и таким образом непосредственно осаждают фосфор.

Среди других организмов особенно важную роль играет на­ земная и водная растительность, концентрирующая углерод.

Обширные заболоченные леса в долинах рек и на приморских равнинах дают начало торфу и ископаемым углям, фитопланк­ тон морей и лагун — начало битумам и нефти.

Перемещение и отложение вещества в значительных мас­ штабах происходит благодаря деятельности человека: разработ­ ке месторождений полезных ископаемых, проведению каналов и туннелей, строительства дорог, водохранилищ и т. п.

ным агентом переноса и осаждения в областях с аридным кли­ матом является ветер и второстепенным — вода и сила тяжести.

Ветры возникают благодаря неравномерному нагреванию воз­ духа. Скорость ветров изменяется в довольно широких преде­ лах: от 0,5 при штиле до 30 м1сек и более во время урагана.

Пустыни и полупустыни характеризуются большой аэродинами­ ческой активностью, это центры бурь и ураганов.

Ветры могут переносить (табл. 11) во взвешенном состоя­ нии тонкие частицы алеврита; песчаные частицы, гравий и мел­ кую гальку — частично во взвешенном состоянии, но главным образом перекатыванием.

Ветер перемещает огромные массы обломочного материала в аридных областях и выносит тонкую пыль (алеврит) за их пределы. В процессе переноса обломочные частицы окатывай т с я и сортируются по размеру. Эоловые пески являются наибо­ л е е отсортированными. Бесчисленные столкновения песчинок между собой и о поверхность скал приводят > полировке их поверхности. Характерные эоловые формы рельефа — барханы м дюны, песчаные гряды и бугры. Первые типичны для пустынь, дюны — для морских и речных побережий.

Барханы имеют форму полумесяца, пологий наветренный !•(5—12°) и крутой подветренный (30—35°) склон. Высота бар­ ханов несколько метров, грядовые барханы достигают в высоту несколько десятков метров. Под воздействием ветра дюны и барханы перемещаются в пространстве, в результате чего обра­ зуются песчаные осадки с диагональной слоистостью эолового типа (рис. 3). Частые изменения направления ветра обусловли­ вают изменение наклона косых серий.

В областях с засушливым климатом общее количество осадков невелико и выпадают они редко и в виде кратковременных ливней. В результате у подножий гор и возвышенностей возни­ кают веерообразные конусы выноса обломочного материала. Эти конусы иногда сливаются вместе, образуя оплошные ленты зна­ чительной протяженности. Отложения конусов выноса представ­ лены обломками горных пород и минералов, не окатанными и почти не сортированными. Остатки воды образуют в пониже­ ниях временные водоемы, которые довольно быстро высыхают, оставляя глинистые такыры с трещинами усыхания.

/ — колебательные движения, 2 — поступательные движе­ ния, 3 — колебательно-поступательные движения На склонах гор и возвышенностей происходит перемещение и накопление обломков, образовавшихся благодаря механиче­ скому выветриванию. Этот процесс проходит настолько интен­ сивно, что часто останцы коренных пород возвышенностей почти полностью погребаются под собственными обломками.

Перенос и осаждение растворенных веществ.

Основная масса растворенного вещества поступает в аридные области из гумидных, расположенных по соседству (по гори­ зонтали) или над ними (по вертикали — горные сооружения), через реки и подток вод из морских и океанических бассейнов в заливы и лагуны аридной зоны. Небольшая часть вещества поступает в результате химического выветривания в пределах самой аридной зоны. Массы воды концентрируются в континен­ тальных озерах и лагунах, связанных с морем (в настоящем или прошлом). Преобладание испарения над количеством выпа­ дающих осадков создает идеальные условия для выпаривания воды и химического осаждения вещества.

Существует определенная закономерность в расположении озер, обусловленная климатом: содовые озера с невысокой ми­ нерализацией воды располагаются на периферии аридной зоны, сульфатные озера с более высокой минерализацией в полупу­ стынях и хлоридные озера с высокой минерализацией вод — в центральных частях аридных зон (в пустынях).

На начальных этапах осолонения в озерах происходит осаж­ дение карбонатов — сначала кальцита, затем доломита. В хлоридных озерах осаждение кальцита продолжается до солености 18% и доломита не образуется. В содовых озерах примерно с этого этапа (соленость 18—20%) осаждается сода. При более Высоком осолонении (в сульфатных озерах начиная с солености 4—6%) осаждаются сульфаты — гипс, глауберит, мирабилит, /тенардит. И заканчивается хемогенная садка осаждением галита (соленость более 24% в хлоридных озерах и более 30% в суль­ фатных). Калийные соли в континентальных озерах не обра­ зуются.

В лагунах, связанных с морем, в начальные стадии осолонея и я осаждается кальцит, затем доломит (соленость до 15%).

При более высоком осолонении (15—27%) осаждается гипс с лримесью карбонатов.

,, При солености выше 27% отлагаются хлориды, сульфаты и комплексные соединения в такой последовательности: галит с Ангидритом; галит, полигалит, астраханит, кизерит; галит, сильин, каинит, мирабилит; галит, карналлит, полигалит, каинит;

агалит, бишофит, каинит, кизерит.

J- Компоненты, выделившиеся из ионных или истинных раство­ ров одновременно, образуют парагенетические ряды совместно­ го осаждения минералов. Например, карбонаты и гипс; галит и 'Цигидрит; галит, полигалит, астраханит и кизерит и др.

Благодаря периодическим изменениям солености и темпераФуры, а также изменениям уровня воды и приноса терригенного материала в соленосных отложениях озер и лагун аридной зоны йаблюдается сезонная и многолетняя ритмичность — чередова­ ние слоев различного состава.

Г, В процессе химического осаждения в водоемах аридной зоны вещество дифференцируется по химическим свойствам (пятый Фгап осадочной дифференциации вещества).

{' Осадкообразование в областях с нивальным климатом. П еЛ>енос и отложение обломочного материала.

Тлавный агент переноса в нивальной зоне — лед (ледники и пла­ вающие льды), второстепенные — сила тяжести (перемещение и Накопление обломков на склонах) и вода по периферии ледмйков.

В настоящее время ледники покрывают около 10% поверхно­ сти суши. Большая часть этой поверхности приходится на мате­ риковые ледники полярных стран (Гренландия, Антарктида) и только небольшая — на горные ледники гумидных и аридных областей. В эпохи оледенений более значительная часть поверх­ ности суши была покрыта ледниковым покровом.

Сведения о деятельности ледников относятся главным обра­ зом к современным горным ледникам. Скорость их движения от 1 до 10 м/сут и только в некоторых случаях достигает 20 м/сут и более. Ледник может перемещать материал на своей поверхности, вмерзшим в тело льда, по ложу ледника и перед фронтом льда. Материал, перемещенный ледником, имеет самые различные размеры: от тонких глинистых частичек до глыб ог­ ромного размера и веса. Он подвергается некоторой обработке и отлагается при таянии и отступании ледника в виде различ­ ных моренных образований: конечные, донные, срединные, боко­ вые, поверхностные и другие морены. Морены представляют собой смесь глины и песка с гравием и валунами. Характерной чертой морен является отсутствие сортировки материала.

С деятельностью ледника связаны и такие образования, как озы, друмлины, флювиогляциальные пески и ленточные глины.

Всё они представляют собой более отсортированный обломоч­ ный материал (валуны, и галька, гравий, песок, глина), обра­ зовавшийся в результате деятельности подледниковых или приледниковых вод.

Некоторые альпийские ледники выносят в год более 6000 м обломочного материала. Материковые ледники прошлого пере­ мещали и отлагали неизмеримо большие массы обломочного материала. О масштабах этой работы мы можем судить по ши­ рокому распространению валунных глин и суглинков на терри­ тории СССР, Канады и других стран.

Значительную роль в переносе и отложении обломочного ма­ териала играет плавающий лед. Для литолога особый интерес представляет припайный лед, образующийся на границе с сушей и в полосе мелководья, а также донный лед, часто возникающий в полярных морях. Припайный лед достигает толщины 2—3 м.

При замерзании воды в лед вмерзают осадки литорали — валу­ ны, галька, гравий и песок. Припайный лед неоднократно взла­ мывается приливно-отливными течениями и сильными шторма­ ми. Оторванный от берега, он уносится течениями, растаивает в летний период, отлагая на морское дно вмерзшие в него осадки.

Материал, отложенный в этом случае, хорошо окатан, так как какое-то время находился в волноприбойной зоне.

Помимо припайного льда большое значение имеет глетчер­ ный лед. В Антарктике и Арктике глетчерный лед, сползая с суши в море, дает начало айсбергам. Айсберги на своей поверх­ ности и в толще льда могут нести большое количество обломоч­ ного материала, вплоть до крупных валунов и глыб. Переместив­ шись в низкие широты (айсберги достигают широты Сицилии, а в южном полушарии 33° ю. ш.), они растаивают и отлагают принесенный ими материал на морское дно. Этот материал обычно не окатан или плохо окатан.

В полярных и высокогорных странах помимо переноса и от­ ложения обломочного материала льдом происходит перемещение и накопление продуктов морозного выветривания на склонах.

Так образуются каменные россыпи (каменные моря).

Таким образом в условиях,нивального климата осаждается в основном несортированный или частично сортированный обломочный материал.

Осадочная дифференциация вещества. При переносе и отло­ жении осадочного вещества осуществляется его разделение по размеру частиц, удельному весу, химическим свойствам и хими­ ческому сродству.

Впервые учение об осадочной дифференциации вещества ввел в науку Л. Б. Пустовалов, выделивший два типа дифференциа­ ции: механическую и химическую.

Механическая дифференциация проявляется в сортировке об­ ломочных частиц по размеру и удельному весу. В результате такой сортировки горные области окаймляются полосой грубообломочных осадков, далее от источников сноса располагаются пески и еще дальше глинистые осадки. Аналогичная картина наблюдается в водных бассейнах по мере движения от берега к центру.

Химическая дифференциация вещества в водных бассейнах заключается в последовательном осаждении соединений из вод­ ных растворов согласно их растворимости (от трудно к легко растворимым). Так окислы алюминия, железа и марганца яв­ ляются трудно растворимыми и осаждаются вблизи берега.

Вдали от берега осаждаются фосфаты, силикаты железа и кар­ бонаты. Завершается дифференциация осаждением легко рас­ творимых солей в заливах и лагунах.

t В настоящее время наши знания о процессах дифференциа­ ции и ее значении для осадкообразования значительно расшири­ лись, выделяются различные типы дифференциации вещества.

1. Механическая — рассортировка обломочного материала по размеру частиц и удельному весу (последняя дает мономине­ ральные осадки — минералогическая дифференциация).

2. Физико-химическая — рассортировка коллоидного мате­ риала.

3. Хемобиогенная — осаждение и рассортировка вещества "благодаря жизнедеятельности организмов.

4. Химическая — осаждение и разделение >вещества истинных растворов.

В различных обстановках обычно проявляются все типы диф­ ференциации (в водных бассейнах), но в определенный период времени в данном месте преобладает один какой-либо тип диф­ ференциации, определяя этим характер осадков (рис. 4).

Ведущими началами процесса дифференциации служат кли­ мат, ландшафт и тектонический режим территории.

Дифференциация начинается на суше в коре выветривания (I этап — отделение растворенных веществ от остаточных про­ дуктов выветривания), продолжается на путях переноса (II этап — образование делювия, пролювия, аллювия, дельтовых осадков, т. е. дальнейшее отделение обломочного материала от растворенных веществ) и завершается в бассейнах седимента­ ции, где происходит рассортировка обломочного материала — отделение валунов, гальки, песка и алеврита друг от друга и Рис. 4. Схема, и л л ю с т р и р у ю щ а я процесс осадочной дифференциации / — хемогенная дифференциация, 2 — хемобиогенная, 3 — механическая и физикохимическая от глинистых и растворенных веществ — и разделение трудно растворимых соединений железа, марганца, алюминия и др.

—III и IV этапы осадочной дифференциации. V этап — осажде­ ние и разделение легко растворимых солей осуществляется только в заливах, лагунах и озерах аридной зоны (в солеродных бассейнах).

Наряду с дифференциацией происходит смещение осадочного материала разного состава и различной размерности, поступа­ ющего из разных источников сноса благодаря изменению дина­ мики среды, а также в результате одновременного осаждения обломочного, хемогенного и биогенного вещества в бассейнах седиментации. Образование осадков постоянно происходит под знаком борьбы этих двух противоположных тенденций.

В результате дифференциации образуются осадки чистой ли­ нии, при смещении — гибридные.

В заключение необходимо отметить некоторые характерные черты седиментогенеза в различных структурных зонах. Во-пер­ вых, неодинакова скорость осадконакопления: в геосинклина­ лях она больше, чем на платформах (табл. 12—14). Во-вторых, заметные различия имеются в характере осадков: в геосинкли­ налях наблюдается обилие вулканогенных и терригенных, в том числе грубообломочных и полимиктовых осадков слабой разлоТ а б л и ц а Средние скорости накопления осадков в гео­ Средние скорости накопления осадков на платформах (по Хаину, Ронову, 1956, 1958 г.) Скорости накопления осадков в современных водоемах Женности, в то время как на платформах накапливаются пре­ имущественно сортированные отложения мономинерального со­ става и нет или мало вулканогенного материала.

Стадия седиментогенеза разделяется на два этапа: склоновоДолинный и бассейновый. В ископаемом состоянии мы чаще встречаем отложения второго этапа.

Диагенезом называют изменения, происходящие в осадке (диагенез* — означает перерождение). По своей сущ­ ности процессы диагенеза являются процессами физико-химиче­ скими, химическими и органическими. В стадии диагенеза происходит уплотнение осадка и уменьшение его влажности, старение коллоидов, образование новых минералов из иловых растворов, разложение одних минералов и возникновение дру­ гих, перераспределение вещества в осадке — его перемещение и концентрация. Диагенез представляет собой уравновешивание сложной многокомпонентной системы осадка в новых физикохимических условиях среды. В результате диагенеза из осадка образуется осадочная порода.

Наиболее распространенными минералами стадии диагенеза являются сульфиды (пирит, марказит и др.), окислы и гидро­ окислы (опал, халцедон, кварц, гидроокислы железа и марган­ ц а ), сульфаты (барит, целестин и др.), карбонаты (кальцит, доломит, минералы изоморфного ряда, сидерит — магнезит),фос­ фаты (даллит, курскит, коллофанит и др.), силикаты (глауко­ нит, лептохлориты, каолинит, гидрослюды, монтмориллонит, цео­ литы— филлипсит, гейландит и др.). Они обычно характеризу­ ются очень малыми размерами зерен, часто это пелитоморфные и микрозернистые образования, сферолиты и оолиты, мельчай­ шие зерна неправильной формы и агрегаты, образуют цемент, конкреции и конкреционные образования.

Физико-химические условия среды осадка заметно отлича­ ются от условий, существующих в водном бассейне, и изменя­ ются с глубиной (табл.15).

Из данных таблицы видно, что в иловых растворах наблю­ дается повышенная и высокая концентрация ряда компонентов.

Для осадка характерно также и накопление большого коли­ чества органического вещества, служащего пищей для бактерий и обусловливающего их интенсивное размножение. Особенно большое количество бактерий содержится в поверхностном (до глубины 1—3 см) слое осадка (в 1 г осадка в пересчете на сухой вес содержится 20 000 бактерий в песках, 80 000 в алевритах и более 400 000 в глинистых илах, по Бушинскому). По мере углу­ бления в ил количество бактерий резко уменьшается (табл. 16).

Благодаря жизнедеятельности бактерий и разложению оргаДиагенез в нашем понимании соответствует раннему диагенезу или диагенезу осадка Ш в е ц о в а. Сингенез П у с т о в а л о в а отвечает частью седиментогенезу, частью диагенезу в нашем п о н и м а н и и. Термин сингенез следует п р и ­ менять для обозначения времени образования минерала или времени п р о х о ж ­ дения процесса. С и н г е н е т и ч е с к и й — з н а ч и т одновременный чему-то — образо­ в а н и ю осадка или породы и т. п.

нического вещества на некото­ ются сероводород, углекислота Ef доемов по мере погружения и за происходит взаимодействие иловых растворов с обломоч­ ными зернами и ранее отло­ женными аутигенными мине­ ралами. В щелочных условиях среды, при" р Н > 8 — 9, они ко­ ординируют зерна кварца и, полевого шпата, происходит дальнейшее разложение поле­ вых шпатов и слюд с образо­ мита, магнезита в окислитель­ сидерит в восстановительной или нейтральной среде. Желе­ цветные слюды в слабоокисли­ тельной и нейтральной среде постепенно превращаются в глауконит. В кислых условиях среды происходит разъедание И растворение карбонатов, фо­ лов, а полевые шпаты и слю­ Количество бактерий на 1 г донного осадка бухты Сан-Диего (Ю. Калифорния) (по Зобеллу и Андерсону, 1936 г.) Глубина от поверхности сульфидов и др.), а также синтез некоторых глинистых минера­ лов и цеолитов путем взаимодействия коллоидов БЮг и АЬОз и адсорбции ими различных катионов.

Взаимодействие среды и находящихся в ней минералов призодит к уравновешиванию сложной многокомпонентной физикохимической системы путем преобразования старых и синтеза новых минералов.

Как происходит диагенез и какие минералы образуются, зависит от состава минералов, состава и концентрации раство­ ров, количества органического вещества и продуктов его разло­ жения.

Д и а г е н е з в о с а д к а х различных климатических зон. При диа­ генезе терригенных, существенно глинистых морских осадков гумидной з о н ы ранние этапы характеризуются щелоч­ ными и окислительными условиями среды (в толще осадка 10—15 и до 40 см). Осаждаются железо-марганцевые конкре­ ции, глауконит, фосфаты и цеолиты.

По мере погружения осадка и перекрывания его новыми пор­ циями условия резко изменяются: поглощение кислорода орга­ низмами вызывает восстановление гидроокислов железа и мар­ ганца, а также сульфатов. Среда в осадке из окислительной становится восстановительной, Eh понижается, а рН, после не­ которого понижения вначале, снова повышается. Находящиеся в осадке карбонаты, фосфаты, кремнезем и другие постепенно растворяются. Разложение органического вещества поставляет углекислоту, сероводород, аммиак, метан и другие газы, растет восстановленность среды. В результате изменяется состав ило­ вых вод и между наддонной водой и иловым раствором уста­ навливаются медленные диффузные токи.

Ряд веществ в иловом растворе достигает стадии насыщения и выпадает в осадок (сульфиды железа, карбонаты железа и д р. ). Таким путем возникают аутигенные минералы стадии диагенеза на ее раннем этапе; распределены они по осадку более или менее равномерно.

В водоемах гумидной зоны с аномальным газовым режи­ м о м — сероводородным заражением придонных вод и с разде­ лом между восстановительной и окислительной средами значи­ тельно выше поверхности осадка—-первый этап окислительного минералообразования, видимо, отсутствует.

В песчаных, песчано-алевритовых, песчано-гравийных осадках благодаря хорошей аэрации и окислению органического веще­ ства или его изначальному отсутствию при седиментогенезе и раннем диагенезе восстановительная обстановка не возникает и могут сохраняться окисные минералы.

На позднем этапе диагенеза в терригенных, существенно гли­ нистых осадках водоемов гумидной зоны, вследствие изменения Eh и рН и неравномерной концентрации иловых растворов в разных частях осадка, происходит перераспределение диагенетических минералов — растворение их в одних местах и отло­ жение в других; образуются сгущения диагенетических минера­ лов — конкреции (и конкреционные прослои) и зацементиро­ ванные участки осадка. Конкреции обычно приурочены к границе между осадками разного состава (песчаными и глинистыми) и к плоскостям напластования, т. е. к путям дегазации.

Материал конкреций во многих случаях первоначально пред­ ставлял коллоидное вещество. На позднем этапе диагенеза од­ новременно с процессами уплотнения осадка и отжима поровых вод, уменьшения влажности осадка и его коллоидов, конкреции уменьшаются в объеме и растрескиваются, а трещины заполня­ ются различными минералами: халцедоном, кварцем, каолини­ том, баритом и др. Таким путем образуются конкреции септарии.

В состав конкреций входит большинство минералов, образу­ ющихся при диагенезе. Широким распространением пользуются железо-марганцевые конкреции, сульфидные (пиритовые и марказитовые), карбонатные (кальцитовые, доломитовые, анкеритовые, брейнеритовые, сидероплезитовые, сидеритовые), сульфат­ ные, фосфатные конкреции, состоящие из окислов кремния и др.

Конкреции из сульфидов железа и сидерита образуются в условиях нейтральной (сидерит) и восстановительной обстановок при кислой, нейтральной и слабощелочной реакции среды.