Основы геологии. Учебное пособие. Плякин А.М.. Основы геологии
 Скачать 7.69 Mb.
|
|
Рис. 15. Пляжевые отложения на острове Каса в Атлантическом океане. Гвинея. Фото автора Осадки глубоководных зон называются пелагическими. Состоят они из терригенных тонкозернистых осадков, осаждающихся из атмосферной и кос- мической пыли, вулканического пепла и тонких частиц, приносимых морской водой во взвешенном состоянии, из органических остатков, образовавшихся при осаждении планктона: известковистых илов, состоящих из остатков фора- минифер, радиолярий, глобигерин, диатомовых водорослей. Первые образуют- 75 ся до глубины 4500 м – глубже они растворяются, диатомовые кремнистые во- доросли распространены до глубины 1-6 км в полярных областях, радиолярие- вые кремнистые накапливаются на глубинах до 8000 м. На глубинах более 6-8 км накапливаются красные океанические илы, состоящие из ушных костей ки- тов, зубов акул, вулканического материала и космической пыли. В прибрежной части моря образуются осадки, которые являются наиболее благоприятными вместилищами горючих жидких и газообразных полезных ис- копаемых: нефти, конденсата, газа. Это высокопористые обломочные горные по- роды, преимущественно песчаники и карбонатные породы, среди которых выделяются весьма перспективные на нефть и газ рифовые образования. Рифы представляют собой органогенную постройку, растущую со дна морей и при- ближающуюся к поверхности моря (океана). Образуются они на глубинах 5-50 м на каменистом дне при нормальной (средней) солёности воды. Обрывистые берега являются участками накопления грубообломочного материала, плоские берега – участками накопления органогенного и хемогенно- го материала. Своеобразными частями морских бассейнов являются лагуны – заливы моря, отделённые от открытой части моря подводными препятствиями – барье- рами, препятствующими свободному обмену водой между лагуной и морем. В зависимости от количества впадающих в лагуну рек они могут быть опреснён- ными (при большом поступлении пресных вод из рек) или засолонёнными (при малом поступлении в лагуну речных пресных вод). Каждый из названных типов лагуны отличается своеобразием формирующихся в них осадков – фаций. 2.2.3. Озера и болота Геологическая работа озёр и болот очень близка по своей сути к работе морей, но отличается, главным образом, масштабами и некоторыми принципи- альными чертами. Крупные озёра производят почти неотличимую от морей геологическую деятельность, особенно солёные озёра. Отличие заключается в меньших размерах этих замкнутых водных бассейнов и, соответственно – в меньшей интенсивности их работы. Сказывается также отсутствие в озёрах, как и в закрытых морях, приливов и отливов. Источниками питания озёр являются атмосфера (её осадки), реки и подземные воды. По сравнению с морями резко повышена роль подземных вод как источников питания озёр. Разрушительная работа озёр называется озёрной абразией. Она проявля- ется значительно слабее, чем в морях. При транспортировке ослаблена роль 76 сглаживания острых краёв обломков и сортировки обломочного материала, а также роль органогенного осадконакопления. Обломочные отложения озёр представлены галькой, гравием, песками, алевритами, глинами и илами. Орга- ногенный материал состоит из скоплений раковин и органических илов. В бес- сточных озёрах образуются хемогенные осадки, в том числе разные по составу соли и железные руды. Озёра, если в них впадает много полноводных рек, при- носящих обломочный материал, быстро заносятся этим материалом, зарастают и могут превращаться в болота. Болота представляют собой участки поверхности Земли с избыточным увлажнением почвы и развитием своеобразной болотной растительности с об- разованием торфов, которые со временем превращаются в бурый уголь. В ре- зультате метаморфизма, под действием высоких температур и давлений без доступа воздуха торф и бурый уголь превращаются в каменный уголь. Кроме торфов, в болотах накапливается тонкий обломочный материал, приносимый ветром и реками. 2.2.4. Подземные воды Являясь составной частью гидросферы, подземные воды производят, в отличие от поверхностных вод, очень своеобразную геологическую работу. Они располагаются в промежутках между составными частями горных пород, заполняя поры, трещины и другие пустоты в них, в связи с чем не обладают свободной энергией и не имеют в большинстве случаев открытой свободной поверхности. Главным образом подземные воды просачиваются по порам, тре- щинам и пустотам горных пород и только на отдельных участках могут сво- бодно перемещаться, например, в подземных пещерах, перенося некоторую часть обломочного материала. Изучением подземных вод занимается специаль- ная наука, которая называется гидрогеологией. Подземные воды являются важным источником питьевого и технического водоснабжения. Часто они содержат в растворённом состоянии различные соли, разные химические элементы и в этом случае называются минеральными (Ес- сентуки, Нарзан, Нафтуся, Ухтинская и др.). Существуют также термальные воды – нагретые в земной коре до разных температур. Такие воды используют- ся в качестве источников тепла для обогревания производственных и жилых помещений, теплиц и других сооружений. Воды могут находиться в жидком, твёрдом и парообразном состоянии. Твёрдая вода представляет собой лёд. В парообразном состоянии находятся во- 77 дяные пары, заполняющие поры, трещины и другие пустоты в горных породах. Жидкая вода может находиться в горных породах и минералах в разных видах: 1) гигроскопическая вода сплошной плёнкой или в виде мелких капелек покрывает стенки разных пустот в горных породах. Эта вода не может переме- щаться под действием силы тяжести, а выделяется из породы нагреванием до температуры более 100 0 С, в результате чего вода переходит в парообразное со- стояние и уходит по пустотам и трещинам; 2) плёночная вода образует сплошную плёнку толщиной в несколько мо- лекул на поверхности зёрен и перемещается от участков с большей толщиной плёнки к участкам с меньшей толщиной плёнки вплоть до выравнивания тол- щины слоя воды; 3) капиллярная вода заполняет трещины и пустоты в горных породах и удерживается в них благодаря силам поверхностного натяжения. Особенность этого типа вод состоит в том, что их перемещение происходит в любом направ- лении и не зависит от силы тяжести воды; 4) гравитационная вода передвигается по пустотам и трещинам горных пород под действием собственной силы тяжести. В отличие от других типов вод гравитационная образует зеркало или уровень. В составе минералов различают следующие типы воды: 1) конституционную, которая входит в состав кристаллической решётки минералов в виде разобщен- ных ионов Н и ОН. Выделить её возможно в результате гидролиза – полного химического разложения минералов; 2) кристаллизационную, которая, в отли- чие от конституционной, освобождается в результате простого нагревания ми- нералов. Происходит дегидратация, приводящая также к разрушению минерала и превращению его в новый, безводный минерал. Например, нагревание гипса приводит к превращению его в ангидрит; 3) гидратную воду, которая располагает- ся в свободном пространстве кристаллической решётки минерала, её выделение приводит не к разрушению минерала, а только к изменению некоторых физиче- ских свойств, не нарушая его структуры. Образуются подземные воды в разных условиях разными способами. Раз- личают четыре главных способа образования подземных вод и соответственно четыре главных их типа: 1. Вадозные или инфильтрационные воды образуются в результате дли- тельного просачивания атмосферных осадков, а также речных или озёрных вод сквозь толщу проницаемых горных пород и их накопле- ния на водоупорных горизонтах. 78 2. Конденсационные воды распространены в пустынях и полупустынях. Источником воды для них является водяной пар атмосферы, который конденсируется на поверхности Земли в результате суточных колеба- ний температуры, затем просачивается уже жидкая вода до водоупор- ного горизонта, образуя небольшие залежи. Примерами могут служить оазисы в пустынях. 3. Реликтовые или остаточные воды являются результатом захоронения поверхностных вод накапливающимися в них обломочными осадками. Чаще всего это бывают занесённые эоловыми отложениями озёра, бо- лота или старицы рек. 4. Ювенильные или девственные воды являются продуктом остывающей в земных недрах магмы, выделяющей большое количество водяных паров, которые по мере продвижения к поверхности остывают и кон- денсируются в трещинах и пустотах горных пород. 5. Смешанные воды образуются в результате смешивания подземных вод разного происхождения. Например, при смешивании в пластах горных пород вадозных и конденсационных вод образуются смешанные ва- дозно-конденсационные воды, при смешивании вадозных и реликто- вых образуются вадозно-реликтовые и т.д. Залегают подземные воды на разных уровнях от поверхности Земли, и по этому признаку различают почвенные воды, верховодку и грунтовые воды. Почвенные воды заполняют пустоты в почвах, залегают непосредственно на поверхности Земли или вблизи неё, подвергаясь воздействию климатических особенностей. Верховодка залегает несколько глубже, но также близко от по- верхности, в зоне аэрации (зоне свободного проникновения воздуха), питаются они за счёт атмосферных осадков. Грунтовые воды залегают ниже зоны аэра- ции, заполняя поры, трещины и пустоты в горных породах. Пласты или слои горных пород, насыщенные водой, называются водоносными горизонтами. Ес- ли водоносный горизонт располагается между двумя водоупорными горизон- тами, воды такого горизонта называют межпластовыми, а трещинные воды заполняют трещины в трещиноватых породах. В зависимости от температуры подземных вод среди них выделяют: Обычные воды – с температурой, соответствующей среднегодовой тем- пературе воздуха области; такие воды называют ещё изотермическими. Горячие воды имеют температуру, превышающую среднегодовую темпера- туру воздуха, часто она бывает выше 20 0 С; такие воды называют термальными. Холодные воды с температурой ниже среднегодовой температуры в этом районе, их называют также гипотермическими. 79 По химическому составу среди вод выделяют четыре типа: 1. Пресные воды с содержанием в растворённом состоянии менее 1 г/л солей. 2. Солоноватые воды содержат от 1 до 10 г/л растворённых солей. 3. Солёные воды с содержанием растворённых солей от 10 до 50 г/л. 4. Рассолы или рапа с содержанием более 50 г/л растворённых солей. На нефтяных и газовых месторождениях нефть и газ залегают совместно с подземными водами. При этом самое высокое положение в разрезе занимает газ. Ниже газа располагается нефть, а вода занимает самое низкое положение. Соответственно пласты называются газонасыщенными, нефтенасыщенными или водонасыщенными (или газоносными, нефтеносными и водоносными). В связи со способностью к естественной сепарации газ и нефть скапливаются, как правило, в ловушках – структурных и неструктурных. Структурные представ- ляют собой выгнутые изгибы слоёв, т.е. положительные структуры; неструк- турные связаны с трещиноватыми и кавернозными карбонатными породами рифогенной формации. Выделяются пять типов подземных вод на нефтяных и газовых месторождениях: 1. Нижняя краевая или контурная вода, которая залегает в пониженных частях пласта, подпирая вышерасположенную нефтегазовую залежь. 2. Подошвенная вода залегает в нижней, подошвенной части нефтегазо- вого пласта в пределах всей структуры. 3. Промежуточная вода приурочена к водоносным пластам, находящим- ся между двумя или несколькими нефтегазовыми пластами. 4. Верхняя вода образует самостоятельный пласт, залегающий выше нефтегазового пласта. 5. Нижняя вода также образует самостоятельный пласт, залегающий ни- же нефтегазового пласта. Наличие или отсутствие газов и жидкостей в горных породах зависит не только от самого факта их присутствия в данном районе, но и от некоторых особенностей внутреннего строения горных пород. Для того чтобы порода вмещала жидкость или газ, необходимо, чтобы она обладала определёнными ёмкостными свойствами, т.е. чтобы в ней было место для жидкости или газа. Кроме того, она должна ещё и пропускать через себя жидкость или газ, т.е. что- бы она обладала и фильтрационными свойствами. Эти две особенности внут- реннего строения горных пород называются коллекторскими свойствами, к которым относятся пористость и проницаемость горных пород. 80 Пористость горных пород выражает способность пород впитывать, вмещать в себя жидкости или газы. Она определяется отношением объема всех пор в породе к общему объему породы, выраженному в процентах: % 100 Vп Vпор P = Пористость бывает первичная (диагенетическая), когда поры образуются в процессе образования горной породы, и вторичная, если она образуется в уже сформированной горной породе в результате выветривания, выщелачивания и тектонических движений. Открытую пористость представляет объём только тех пор, которые связа- ны друг с другом, сообщаются между собой. Коэффициент открытой пористо- сти определяется отношением суммарного объема открытых пор к общему объему горной породы. Эффективная пористость определяет поры, из которых можно извлечь нефть или газ при разработке месторождения. Она определяется как отношение объёма пор, через которые возможно движение жидкостей или газов при определённых температурах и давлениях. Пористость обломочных горных пород находится в зависимости прежде всего от формы обломков и степени сортировки обломочного материала. Об- ломки, составляющие горную породу, по форме могут быть окатанными, полу- окатанными или угловатыми (неокатанными). Если обломки окатаны, то при одинаковом размере обломков пористость будет максимальной независимо от размера обломков. Но так как в природе при любой степени сортировки прак- тически зёрна всё-таки различаются по размерам, то в более крупнозернистых горных породах пористость будет ниже, чем в менее крупнозернистых. Углова- тые, т.е. неокатанные обломки, имеют в горной породе более плотную упаков- ку, в связи с чем пористость у них ниже, чем у окатанных. Более чётко пористость связана со степенью сортировки обломочного ма- териала. Чем выше степень сортировки обломков в горной породе, тем выше пористость, так как при неоднородных по размерам обломках более мелкие из них могут заполнять пространство между более крупными, уменьшая ёмкость горной породы, т.е. её пористость. Проницаемость характеризует способность горной породы пропускать через себя жидкости или газы. За единицу проницаемости принят дарси – про- ницаемость пористой породы, при которой через поперечное сечение образца площадью 1 см 2 и длиной 1 см при перепаде давления 0,1 Мпа за 1 сек прохо- дит 1 см 3 жидкости. Проницаемость может быть выражена скоростью, с кото- рой флюиды – жидкости и газы, проходят сквозь породу в направлении 81 гидравлического градиента. Проницаемость является главной характеристикой горных пород при оценке и добыче нефти и газа. Проницаемость горных пород определяется не только объемом пустого пространства в породе, но и формой, размерами пор и трещин, а также характе- ром соединения их между собой. Чем крупнее поры и чем лучше они соедине- ны между собой, тем выше проницаемость горной породы. Пористость и проницаемость имеют друг с другом очень сложную зависимость. Хорошо от- сортированные пески имеют пористость 15-20%, а проницаемость их очень вы- сока; у глин пористость достигает 50-60%, а проницаемость равна почти 0. Проницаемость нефтеносных песчаников изменяется от 0,05 до 3 Д, трещино- ватых известняков – 0,005 – 0,02 Д. По степени проницаемости горные породы разделяют на три группы: 1) проницаемые: пески, гравий, галечники и др.; 2) полупроницаемые: супеси, лёсс, торф и др.; 3) непроницаемые: глины, сланцы, нетрещиноватые магмати- ческие породы и др. Проницаемые и полупроницаемые горные породы отно- сятся к породам-коллекторам, а непроницаемые – к породам-водоупорам. Изучение подземных вод на нефтяных и газовых месторождениях имеет большое теоретическое и практическое значение, так как их состав может ука- зывать на наличие или отсутствие нефтяных залежей. В нефтегазоносных рай- онах подземные воды характеризуются повышенным содержанием брома, йода, сероводорода, часто повышенным содержанием карбонатов. Геологическая деятельность подземных вод заключается в разрушении, транспортировке продуктов разрушения и отложении перемещенного материала. Разрушительная работа осуществляется преимущественно химическим способом, в результате растворения минералов и горных пород продвигающи- мися по порам и трещинам подземными водами. Растворение и выщелачивание минералов с выносом элементов в растворённом состоянии и образованием по- лостей в горных породах называется карстовым процессом. Растворимость по- вышается с увеличением температуры и давления. Наиболее легкораствори- мыми минералами являются галит, сильвин, карналлит, гипс, ангидрит, кальцит и др. В результате карстовых процессов образуются наземные и подземные формы мезо- и микрорельефа. К наземным формам относятся карстовые ворон- ки, поноры, карстовые долины. Размеры карстовых воронок в диаметре дости- гают сотен метров, в районе станции Карсты (Республика Коми), недалеко от г. Ухты, многочисленные карстовые воронки имеют диаметр от 1-2 м до 20-30, а иногда, в долине р. Тобыси, превышают 300 м. 82 Подземные формы рельефа представлены макроформами – пещерами (рис. 16) и микроформами, преимущественно натёчными, образующимися при испарении воды и осаждении минерального вещества в твёрдом состоянии. Это сталактиты, растущие сверху вниз, и сталагмиты, нарастающие снизу вверх. Соединяясь, сталактиты и сталагмиты могут образовывать столбы, занавеси и другие, более причудливые формы. Рис. 16. Карстовая пещера в устье р. Чути. Фото автора Ограниченность пространства перемещения подземных вод порами и трещинами ограничивает и возможность переноса обломочного материала. При широко развитой системе пещер появляется и механический перенос обломоч- ного материала, но он весьма ограничен и объемами, и расстояниями. На поверхности Земли подземные воды отлагают известковистые и крем- нистые туфы, поваренную соль, минералы железа и марганца и другие минера- лы. Кремнистые туфы образуются при деятельности гейзеров и называются ещё гейзеритами. При отложении минерального вещества подземными водами в пористых горных породах образуются конгломераты, брекчии, песчаники. При этом оса- ждающиеся из подземных вод вещества цементируют обломочный материал и превращают рыхлую горную породу в сцементированную. 83 Подземные воды играют огромную роль в образовании оползней и обва- лов. Оползни образуются при размывании нижележащего слоя глин и насыще- нии его водой. Обводнённые глины играют роль смазки, по которой и происходит движение пород вышележащих слоёв относительно нижележащих слоёв. В зависимости от угла наклона слоёв или крутизны склона речной доли- ны оползни различаются по расстоянию перемещения сдвинутого слоя или его части. Из-за обводнения некоторых участков часто происходят и обвалы. Большие оползни наблюдаются по берегам таких крупных рек России, как Волга, Дон и многие другие. Известны они и в долинах более мелких рек, в том числе и в Республике Коми (рр. Ижма, Седью, Ухта и многие др.). 2.3. Осадочные горные породы. Условия их образования и залегания Осадочные горные породы образуются в результате геологической дея- тельности экзогенных геологических процессов и выпадения твёрдых осадков разного состава. В зависимости от способа выпадения осадков выделяются три главных типа осадочных горных пород: 1. Обломочные или терригенные горные породы. Их называют также ме- ханогенными, так как они являются продуктами механического раз- рушения материнских горных пород. Осадок для таких горных пород выпадает в виде обломков разных размеров и формы в результате дея- тельности выветривания, ветра, рек, озёр, ледников, иногда – подзем- ных вод. 2. Хемогенные выпадают из раствора химическим путём, в результате деятельности химического выветривания, подземных вод, морей, в меньшей степени – озёр и рек. 3. Органогенные или биогенные образуются в виде накоплений продук- тов жизнедеятельности организмов или остатков их скелетов главным образом в морях и на поверхности Земли. Существуют также смешанные горные породы, образованные из разных типов вышеперечисленного вещества (обломков, нерастворимого осадка и ор- ганического вещества в разных соотношениях). Среди них выделяют обломоч- но-хемогенные, органогенно-обломочные, хемогенно-органогенные и другие, в зависимости от соотношения составных частей этих горных пород. 84 2.3.1. Условия формирования осадочных горных пород В образовании осадочных горных пород условно выделяется несколько стадий. Они могут происходить последовательно, сменяя друг друга, или па- раллельно, часто практически одновременно, перекрывая одна другую. Для лучшего понимания процесса породообразования мы рассматриваем эти стадии обособленно. Первой стадией в этом ряду является разрушительная. Процесс разру- шения горных пород в зависимости от того, какими силами производится раз- рушение исходных горных пород, имеет различные названия. Так, разрушение пород речными водами и ветром называется эрозией, соответственно речной или ветровой; разрушение морем и ледником – морской или ледниковой абра- зией и т.д. Различия в разрушительной работе разных экзогенных геологиче- ских процессов заключаются не только в терминологии, но и в самой сути разрушительного процесса. Ветер, физическое выветривание, река, море, лед- ник производят эту работу механическим способом, путём превращения моно- литной массивной горной породы в обломки разных размеров. При этом море и реки в значительной мере разрушают горные породы химическим способом, в результате растворения минералов водными растворами. Физической или ме- ханической разрушительной силой выступают массы воздуха, воды или льда, во много раз увеличивающиеся за счёт массы переносимого ими обломочного материала. Обломки, кроме прямого воздействия своей массой, разрушают также твёрдостью, которая передаётся на грани минерала или острые края об- ломка породы, режущие поверхность горных пород, по которым сами переме- щаются. Особенно интенсивна «режущая» разрушительная работа обломков при движении ледников, «выпахивающих» ими огромные троговые долины. Химическое выветривание, подземные воды, в значительной степени мо- ря, в некоторых случаях реки производят разрушительную работу химическим способом. В зависимости от состава вод, производящих растворяющую дея- тельность, и химической активности самих минералов находится раствори- мость разных минералов. Растворы, образующиеся в результате разрушительной работы, могут быть истинными или коллоидными. В виде кол- лоидов чаще других переносятся железо, алюминий, кремний. Разрушительная работа может осуществляться и биогенным (органоген- ным) способом. Такой вид деятельности также довольно разнообразен: разру- шение может производиться как животными, так и растениями физическим (при росте корней растений или при проделывании в породах ходов червями, 85 мышами, кротами и др. животными) или химическим (путём усвоения корнями растений некоторых химических элементов из горных пород вместе с влагой и т.д.) способами. Таким образом, первая стадия осадочного породообразования заключает- ся в образовании исходного материала для будущих осадочных горных пород, будь то обломки, нерастворимый осадок при химическом взаимодействии раз- ных веществ или остатки организмов и продукты их жизнедеятельности. Вторая стадия осадочного породообразования заключается в транспор- тировке, переносе образованного осадка к месту его накопления. Способ транспортировки соответствует способу образования переносимого материала: обломки переносятся механическим способом в виде обломков, но могут изме- нить первоначальные размеры и форму; растворённые вещества переносятся в виде растворов, т.е. химическим способом. При физическом выветривании, ра- боте рек, морей, озёр, ветра и ледников перенос происходит преимущественно физическим способом, в виде разного размера и формы обломков. При этом ве- тер, реки, моря и озёра могут транспортировать обломки как во взвешенном со- стоянии, так и волоком по дну водоёма или поверхности земли. В процессе переноса обломочного материала волоком выполняются очень важные виды геологической работы, которые закладывают основы строения будущей горной породы. К этим видам работы относятся, в первую очередь, окатывание и сор- тировка обломков. Окатывание заключается в сглаживании острых углов – рё- бер обломков в результате трения их друг о друга, о дно и берега бассейна. В процессе окатывания обломки приобретают характерные формы: окатанную, полуокатанную или остаются неокатанными – остроугольными. Форма облом- ков осадочной горной породы имеет очень большое значение для восстановле- ния условий образования этой горной породы: хорошо окатанные обломки образуются в результате длительной транспортировки, в прибрежных условиях моря с его бесконечными приливно-отливными и волновыми перемещениями этих обломков, а также в руслах рек, особенно в их приустьевых частях; морен- ные отложения сложены остроугольными обломками разных размеров. Сортировка обломков в процессе их транспортировки может произво- диться по размерам обломков и по удельным весам минералов. Размер перено- симых обломков зависит от массы транспортирующего источника – воды, воздуха и его скорости. Чем больше масса воды в реке, море и чем выше ско- рость перемещения этой массы, тем более крупные обломки и на большие рас- стояния они могут быть перенесены. То же самое относится и к обломкам минералов разных удельных весов: более тяжёлые перемещаются на более ко- 86 роткие расстояния, чем более лёгкие, т.е. с меньшим удельным весом. Резуль- татом продолжительной деятельности экзогенных геологических процессов в морях вблизи берегов является накопление более крупных обломков и более тяжёлых минералов (галька, россыпные концентрации золота, платины и др.), а в более глубоководных частях бассейнов осаждаются мелкие глинистые части- цы. Образуется характерная зональность в распределении обломочного мате- риала, ориентированная параллельно береговой линии. Волнения моря постоянно нарушают эту зональность, но общая закономерность сохраняется. В реках постоянные изменения течения и колебания уровня воды, связанные с атмосферными осадками, создают сложную картину в распределении обломоч- ного материала, но часто общую закономерность их распределения установить возможно. Изменения направления течения рек и скоростей течения приводят к образованию косой слоистости, являющейся одной из наиболее характерных черт аллювиальных отложений. Ледники транспортируют обломочный материал в «законсервированном» виде, внутри толщи льда, поэтому моренные отложения не отсортированы и не окатаны. Часть отложений, связанных с деятельностью ледника, подвергается и окатыванию, и сортировке, хотя и не до очень высокой степени – это относится к флювиогляциальным отложениям, в транспортировке которых принимают участие так называемые талые воды, образованные при таянии ледника. Третья стадия в осадочном породообразовании – аккумулятивная или на- копительная, которую называют седиментогенезом. Она заключается в накоп- лении осадков разного типа на участках прекращения транспортировки, т.е. в тех случаях, когда на пути переноса возникают непреодолимые для дальнейшей транспортировки препятствия. Для обломочного материала таким непреодоли- мым препятствием могут быть повороты русла реки, углубления в дне реки или моря, крупные обломки (валуны) на пути перемещения обломков и т.д. Для хи- мических растворов непреодолимым препятствием является резко изменяю- щийся состав горных пород русла или дна бассейна в направлении течения, т.е. геохимический барьер, на котором растворы вступают в реакцию, результатом которой является образование и выпадение нерастворимого осадка. Осадконакопление может происходить в водной среде: в реке, озере или море, и в таком случае образованные осадки называются субаквальными. Если же они накапливаются в воздушной среде, на поверхности Земли, то их назы- вают субаэральными. В результате стадии осадконакопления (аккумуляции) образуется «полу- фабрикат» горной породы – осадок, который имеет довольно сложный состав. 87 Он представляет собой комплекс самого разнородного материала: обломки гор- ных пород, воду, растворённое вещество разного состава, нерастворимый осадок, остатки животных и растений, органические и неорганические кислоты. Чтобы этот осадок превратился в осадочную горную породу, его надо упорядочить, он должен пройти ещё одну обязательную стадию, которая называется диагенезом. Диагенез – это процесс преобразования осадка в осадочную горную поро- ду. Осадок представляет собой сложную неравновесную физико-химическую систему. Составные части осадка могут взаимодействовать друг с другом и с ок- ружающей средой, и это взаимодействие как раз и составляет суть самого про- цесса диагенеза. Взаимодействие составных частей осадка происходит до установления полного химического и физического равновесия в этой системе. В физическом отношении все составные части (прежде всего обломки пород и ми- нералы) занимают наиболее устойчивое положение относительно друг друга, а сам осадок уплотняется под действием массы вышележащих осадков с выдавли- ванием излишков воды; в химическом отношении они вступают во все возмож- ные для данных термодинамических условий реакции между всеми составными частями осадка до установления химического равновесия, т.е. покоя. Вторая, за- вершающая стадия диагенеза, заключается в переходе части химических элемен- тов из осадка в наддонную часть бассейна, взамен чего часть химических элементов из бассейна переходит в формирующуюся горную породу с образова- нием так называемых диагенетических минералов. Эти минералы, как правило, образуют в породе линзы, конкреции, стяжения. Одновременно формирующаяся равновесная система приходит в полное физико-химическое равновесие и с ок- ружающей средой. В результате завершения всех перечисленных процессов пре- образования осадка создаётся равновесная физико-химическая система – горная порода, которая в сложившихся условиях весьма устойчива и не способна реаги- ровать на окружающую среду, так как находится с ней в полном равновесии. В аэральных условиях стадия диагенеза проявляется весьма слабо. Стадия диагенеза сменяется уже стадией преобразования горной породы. Такая стадия носит название катагенеза. Катагенез – это первая стадия преобразования осадочной горной породы под действием внешних условий. Её можно определить как совокупность про- цессов, преобразующих осадочную горную породу в период её существования до начала метаморфизма или выветривания. Катагенез происходит в результате наступления нового неравновесного состояния между горной породой и окру- жающей её средой. Главной причиной катагенеза является перемещение горной породы в условия более высоких или низких температур и давлений. В этих но- 88 вых условиях горная порода должна измениться таким образом, чтобы соответ- ствовать изменившимся условиям. Наряду с температурой и давлением, в ката- генетических процессах принимают активное участие подземные воды. Процессы катагенеза происходят очень медленно, продолжаются очень долго, что приводит к весьма существенным изменениям: дальнейшему уплотнению горной породы и сближению частиц породы друг с другом, в результате чего уменьшается пористость горных пород; отжимающиеся воды растворяют неко- торые минералы в горной породе и переносят растворённое вещество в преде- лах этого же пласта горной породы; под действием температуры и давления, а также химически активных подземных вод происходит перекристаллизация горной породы с увеличением размера кристаллов и образованием новой гене- тической группы минералов – катагенетических. Различают два типа катагенеза: прогрессивный и регрессивный. Прогрессивный происходит при погружении осадочных горных пород в область с повышенными температурой и давлением. При дальнейшем погруже- нии катагенез может смениться метаморфизмом. Регрессивный происходит при воздымании участков земной коры с понижением температуры и давления. Дальнейшее поднятие приводит к выходу блока горных пород на дневную по- верхность и сменяется процессами выветривания. Изучение катагенетических изменений горных пород имеет большое зна- чение при изучении геологии нефтяных и газовых месторождений, так как при катагенетических процессах изменяется пористость и проницаемость горных пород, что влечёт за собой изменение ёмкостных и фильтрационных свойств горных пород. 2.3.2. Условия залегания осадочных горных пород Осадочные горные породы залегают в виде слоёв или пластов. Слой – это геологическое тело (рис. 17, 19), сложенное однородной гор- ной породой, ограниченное двумя примерно параллельными поверхностями, имеющее определённую толщину (мощность) и занимающее значительные площади. Название слою даётся по названию слагающей его горной породы, например, слой глины, песка, известняка и т.д. Слой может быть простым по составу (слой глины) или сложным (слой глины с прослоями песка и др.). Слои можно называть и пластами, хотя чаще на практике под пластами понимают геологические тела, сложенные полезными ископаемыми, например, пласт уг- ля, нефтеносный пласт, золотоносный пласт и др. 89 Рис. 17. Тонкое переслаивание осадочных горных пород доманиковой свиты по р. Доманик. Фото Д.Темнова В слое или пласте выделяют две поверхности напластования, ограничи- вающие его от других слоёв или пластов. Нижнюю поверхность напластования называют подошвой, верхнюю – кровлей. Толщину слоя называют в геологии мощностью (рис. 18), а так как не всегда удаётся определить (замерить) толщи- ну слоя, мощность разделяют на истинную (т.е. собственно толщину) и види- мую. Можно истинную мощность определить как расстояние по нормали между подошвой и кровлей слоя, а видимую – как любое расстояние между по- дошвой и кровлей. Другими словами, истинная мощность может быть у каждо- го слоя только одна, а видимых – сколько угодно, в зависимости от условий залегания и обнажения этого слоя. Рис. 18. Мощность слоя: Рис. 19. Параллельное несогласие h–истинная h 1 –вертикальная h 2 –горизонтальная α–угол наклона слоя 90 Видимая мощность – это толщина слоя, которую мы видим в данном кон- кретном случае, например, при крутозалегающем слое она будет меньше, чем при пологом. Её мы можем замерить по поверхности Земли при крутом залега- нии слоя, по керну буровой скважины при тех же условиях. Она может быть вертикальной (измеренной по вертикали, часто по керну скважин), горизон- тальной (измеренной по горизонтали, чаще всего по поверхности Земли) или наклонной (например, по склону оврага или наклонной поверхности горы). Мощность может быть постоянной или выдержанной, если она не изменяется (или мало изменяется) на значительном протяжении пласта; она может быть невыдержанной или изменчивой, если на небольших расстояниях изменяется в значительных пределах. В таких случаях различают раздувы – резкое увеличе- ние мощности слоя на небольших расстояниях на фоне какой-то постоянной величины; и пережимы, когда мощность резко уменьшается по сравнению с соседними участками. Постепенное изменение мощности до полного исчезно- вения слоя называется выклиниванием слоя. Каждый слой или пласт отли- чается определённым положением в пространстве. Для определения это- го положения используется горный компас, с помощью которого опре- деляются главные элементы ориен- тировки слоя или пласта в пространстве (рис. 20). К таким элементам относятся направление простирания слоя (простирание), направление его падения (падение) и угол наклона слоя (пласта) отно- сительно горизонтальной поверхно- сти (угол падения). Простирание слоя – это линия пересечения кровли или подошвы слоя с горизонтальной плоскостью или поверхностью Земли. Положе- ние этой линии в пространстве оп- ределяется азимутом простирания и измеряется углом в пределах от 0 0 до 360 0 от северного меридиана до Рис. 20. Полевой замер элементов залегания слоя. Фото автора 91 этой линии. Так как слой протягивается в обе противоположные стороны, ази- мут простирания может измеряться в двух противоположных направлениях, разница между которыми в любом случае должна составить 180 0 . Например, слой имеет азимут простирания СВ – 40 0 или ЮЗ – (40+180) 220 0 Падение слоя – это направление наклона подошвы или кровли слоя отно- сительно горизонтальной плоскости. Падение определяется направлением па- дения – азимутом и углом наклона (падения). Угол падения слоя – это угол между кровлей или подошвой и горизонтальной плоскостью. Азимут падения в отличие от азимута простирания имеет только одно направление, а в противо- положную сторону он не падает, а воздымается. Поэтому, измерив азимут па- дения, можно всегда расчётным путём определить азимут простирания, прибавив к азимуту падения или отняв от него 90 0 При образовании осадочных горных пород в большинстве случаев слои этих пород имеют горизонтальное или очень близкое к нему положение (зале- гание). В дальнейшем, при действии эндогенных геологических процессов, первоначальное положение этого слоя (слоёв) может заметно измениться. В природных условиях слои осадочных горных пород могут залегать один отно- сительно другого согласно или несогласно. Согласное залегание слоёв горных пород заключается в том, что один слой залегает на другом с одинаковыми для обоих элементами и без временно- го перерыва между ними. Однако далеко не всегда осадконакопление происхо- дит непрерывно. Перерывы в осадконакоплении приводят к формированию несогласных форм залегания слоёв относительно друг друга. Различают стратиграфические и тектонические несогласия в залегании слоёв горных пород. В этой части книги мы рассмотрим только стратиграфиче- ские несогласия. О тектонических несогласиях речь пойдёт во второй части этой книги. Стратиграфические несогласия бывают параллельными и угловыми (рис. 19, 21, 22). Параллельное несогласие – это несогласие во время перерыва в осадконакоплении между нижним и перекрывающим его слоями горных по- род. При таком несогласии оба слоя имеют одинаковые элементы залегания. Обычно перерывы, приводящие к формированию параллельного несогласия, непродолжительны по времени, или формирование пород обоих слоёв проис- ходит в тектонически спокойном районе. За время перерыва (их называют континентальными перерывами) нижележащий слой не успевает изменить своих условий залегания. 92 Угловое несогласие называют также структурным. Оно формируется в течение длительного периода перерыва, за время которого нижний комплекс горных пород успевает испытать сильное воздействие эндогенных и экзоген- ных геологических процессов: породы этого комплекса успевают смяться в складки, разорваться тектоническими нарушениями, образовать горные соору- жения, принять в свой состав магматические комплексы и, наконец, разрушить- ся до образования относительно ровной поверхности. Таким образом, после нового наступления периода осадконакопления осадки будут накапливаться на неровной, часто размытой поверхности и формироваться из продуктов активно- го разрушительного процесса. Рис. 22. Локальное угловое несогласие между толщами метаморфических горных пород. Южный Урал. Фото автора Рис.21. Типы углового несогласия (в разрезе) 93 Различают согласное и несогласное залегание пластов горных пород на осно- ве применения специальных методов исследования. Наиболее эффективны в этом отношении и наиболее часто применяемы литологический и палеонтологический методы определения несогласного залегания слоёв осадочных горных пород. Литологический метод заключается в том, что после перерыва осадкона- копление возобновляется в результате очередной трансгрессии моря, т.е. постепен- ного или более быстрого затопления суши и последовательного углубления морского бассейна. Как уже отмечалось при рассмотрении геологической дея- тельности моря, трансгрессивный цикл осадконакопления начинается с отло- жения более грубозернистого материала (гальки, гравия, крупнозернистого песка), а затем, по мере развития трансгрессии, эти осадки сменяются всё более и более мелкозернистыми. Следовательно, нижнюю (базальную) часть вновь образованных после перерыва осадков должны слагать более грубозернистые осадки. Часто они представлены базальными конгломератами или гравелитами, особенно в случае длительного перерыва и формирования углового несогласия. При параллельном несогласии грубозернистая часть нового комплекса (после- перерывного) бывает выражена менее ясно. Но во многих случаях на поверхно- сти несогласия, разделяющей два несогласно залегающих относительно друг друга комплекса горных пород, бывают довольно хорошо выражены некоторые следы перерыва: следы приливно-отливных движений воды, следы капель дож- дя, ходы ползающих животных. При угловом несогласии часто легко распозна- ётся такая особенность залегания между несогласными комплексами горных пород, как горизонтальное залегание верхней толщи на дислоцированных слоях нижележащей толщи. Иногда в естественных обнажениях можно установить угловое несогласие по резкому различию в углах падения слоёв нижнего и верхнего комплексов горных пород. Палеонтологический метод даёт хорошие надёжные результаты в распо- знавании перерывов в осадконакоплении по комплексам органических остат- ков. Анализ органических остатков позволяет с полной уверенностью говорить об отсутствии какого-либо горизонта пород, возраст которых определяется по этим остаткам. При параллельном несогласии под верхним комплексом пород залегают всегда одновозрастные более древние горные породы, а при угловом несогласии под ним залегает толща разновозрастных горных пород, смятых в складки или образующих моноклинальную структуру. 94 2.3.3. Понятие о фациях и их типах Фация в переводе с латинского ( Facies) обозначает лицо, облик, вид. Понятие о фациях применяется в разных разделах геологии: выделяют фации метаморфизма, фации осадочных горных пород и т.д. Мы рассмотрим в этой части учебного пособия вопрос о фациях осадочных горных пород, поня- тие о которых было впервые введено швейцарским учёным-геологом А. Гресли (1838-41 гг.). По его определению, фация – это различные петрографические виды любых отложений и связанные с ними изменения фауны. Э. Ог в 1914 г. рассматривал фации как совокупность литологических и палеонтологических особенностей слоя в конкретном месте. Развивая основные положения учения о фациях, большой вклад в их изучение внёс русский учёный – геолог, академик А.А. Борисяк, давший детальную характеристику морским, континентальным и лагунным фациям (1925 г.). В дальнейшем изучением и классификацией фаций осадков и осадочных горных пород занимались Ю.А. Жемчужников (1943 г.), В.И. Марченко (1962 г. и др.), Д.В. Наливкин (1955 г.), Л.Б. Рухин (1953-61 гг.) и многие другие. Последовательно понятие фации, кроме литологического и палеонтологического содержания, было дополнено и географическим содержа- нием (образовавшиеся на определённом участке земной поверхности), а также и условиями образования (или физико-географической средой). В применении к горным породам фация обозначает особенности литологического состава ка- кого-либо стратиграфического подразделения вместе с включёнными в него ор- ганическими остатками, характеризуя, таким образом, особенности условий образования этого стратиграфического подразделения. Понятие фация можно определить, во-первых, как комплекс горных по- род (или осадков), возникших при определённых физико-географических усло- виях (рельефе, химическом режиме, климате, динамике среды, органическом мире и прочее); фацию можно понимать также как определённую физико- географическую обстановку, которая приводила ранее и приводит теперь к фор- мированию совершенно определённого комплекса горных пород (осадков), отличающегося от сформированных при других физико-географических обста- новках. Краткое определение фации можно выразить таким образом: фация – это обстановка осадконакопления, овеществлённая в осадке или горной породе (Геологический словарь, 1973 г.). Среди существующих фаций осадочных горных пород выделяют три главные группы фаций: континентальные, образованные на континентах; мор- ские, образованные в морских и океанических условиях; лагунные, образован- ные в лагунных условиях. 95 Континентальные фации включают горные породы, образованные на по- верхности суши: в озёрах, долинах рек, районах действия ледников и т. д. Общей их особенностью является бедность органическими остатками или их полное от- сутствие, резкая изменчивость литологического состава. Как и осадочные горные породы, континентальные фации могут быть представлены обломочными, хемо- генными или органогенными (например, болотные отложения, обогащённые или сложенные растительными остатками) отложениями. Континентальная группа фаций подразделяется на целый ряд типов, ха- рактеризующих конкретные условия их образования. В этом смысле можно го- ворить о фациях элювиальных, делювиальных, речных, озёрных, болотных, морских, моренных, флювиогляциальных, выветривания и других. Каждый из перечисленных типов фаций может быть подразделён на ещё более мелкие разновидности. Так, среди речных фаций выделяются русловые, пойменные, старичные и другие. В свою очередь, среди этих разновидностей можно выделить ещё и микрофации, такие как микрофации пристрежневой части русла с характерным для неё наиболее грубозернистым материалом; мик- рофации прирусловой отмели с более мелкозернистым и отсортированным ма- териалом, часто характеризующимся косой слоистостью диагонального типа; другие микрофации (косовая и другие). Конечным и самым конкретным типом фаций является микрофация, выделенная по литологическому составу горных пород, их текстурно-структурным признакам и органическим остаткам. Анало- гично производится дробная классификация и других типов континентальных фаций. Морские фации связаны с геологической деятельностью морских или океанических бассейнов, где образуются наиболее чёткие и яркие особенности осадка, несущего в себе черты морских обстановок осадконакопления. Это по- зволяет использовать как бы «законсервированную» или зашифрованную в са- мих горных породах (или осадках) информацию об условиях их образования. Типы морских фаций выделяются прежде всего по принципу глубинно- сти их образования, ибо этот фактор определяет в значительной мере условия жизни организмов и их участие в накапливаемом осадке. Учитываются также условия освещённости, близость области сноса обломочного материала, тепло- вой и солевой режимы и связанная с ними возможность хемогенного осадкона- копления и др. Среди морских фаций выделяют две главные группы: неритовые – мел- ководные, и пелагические – глубоководные. Эти группы подразделяются более дробно. Так, например, среди неритовых можно выделить прибрежные фации, 96 формирующиеся на глубинах до 20 м (обломочные, часто грубообломочные фации), и шельфовые фации или мелководные, сформированные на глубинах от 20 до 200-500 м, в которых резко возрастает роль органогенного материала и хемогенных осадков. Пелагические фации разделяют на батиальные и абиссальные, которые также имеют более дробные подразделения на конкретные фации или микро- фации, определяемые особенностями окраски, химического или минерального состава, включённых в них органических остатков и т. д. Лагунные фации отличаются значительным своеобразием состава и усло- вий формирования. Лагуна представляет собой мелководный естественный во- доём, отделённый от открытого морского бассейна полосой береговых валов или другими препятствиями, затрудняющими водообмен между лагуной и мо- рем. Лагунами иногда называют водоёмы, образованные внутри кольцевых ко- ралловых островов – атоллов. Такие лагуны имеют соответственно округлую форму в плане. По солёности различают лагуны двух типов: опреснённые и за- солонённые. Соответственно и фации этих лагун называют опреснёнными и за- солонёнными. Опреснённая лагуна при затруднённом водообмене с морским бассейном имеет большое количество впадающих в неё рек, которые постоянно приносят пресную воду и огромное количество обломочного материала. Поэтому фации таких лагун характеризуются преобладанием обломочного материала и боль- шим количеством и разнообразием органических остатков морского и конти- нентального типов. Засолонённая лагуна при плохом водообмене с морским бассейном не имеет вовсе или, по крайней мере, не имеет значительного количества впадаю- щих в неё рек. В связи с этим происходит интенсивное испарение воды из лагу- ны и её постоянное засолонение. Фации таких лагун представлены преимущественно хемогенными осадками: известняками, доломитами, солями, гипсами и ангидритами, а также другими осадками. В их составе весьма незна- чительна роль обломочного материала и органических остатков, вплоть до пол- ного отсутствия. К лагунным фациям в качестве промежуточных (переходных) между морскими и речными относят также фации дельт и эстуариев. По своим осо- бенностям они ближе прибрежно-морским фациям с присущими им преоблада- нием обломочного материала, бедностью органическими остатками. Отличаются они и формами залегания осадков, часто образующих разнона- правленные косослоистые серии и слойки. 97 Главная роль в изучении фаций осадочных горных пород заключается в возможности анализа физико-географических условий их образования по ха- рактерным особенностям состава и строения, на чём основан метод фациаль- ного анализа. Результатом фациального анализа может быть восстановление древней береговой линии, типа бассейна осадконакопления, его глубины, солё- ности воды, освещённости, климатических особенностей и т.д. В результате фациальных исследований составляются фациальные, литолого-фациальные или палеофациальные карты на любой интересующий исследователя отрезок геологического времени, например, на начало или конец франского времени. На этих картах показываются все особенности фациальных обстановок, состав образованных к этому времени осадков, линии одинаковых мощностей этих осадков – изопахиты, направления сноса обломочного материала, направления течений, расположение береговой линии моря и другие сведения, необходимые в каждом конкретном случае. Фациальные карты разного содержания чрезвы- чайно важны при планировании и проведении поисковых работ на разные по- лезные ископаемые, например, на нефть и газ, россыпные месторождения и др. Наука, занимающаяся изучением фаций осадочных горных пород, назы- вается учением о фациях. |