litology-kl-2012

Министерство образования и науки Российской Федерации

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Санкт-Петербургский государственный горный университет

В. И. Алексеев

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ

по курсу «ЛИТОЛОГИЯ»

для студентов, обучающихся по направлению «Прикладная геология»,

специальность 130306 – Прикладная геохимия, петрология, минералогия

Санкт-Петербург

2012

ВВЕДЕНИЕ

Литология – наука о составе, строении и происхождении осадочных пород, составляющих верхнюю твердую оболочку Земли – стратисферу. Объектом ее изучения являются осадочные горные породы: их минеральный состав, строение, формы залегания, условия образования и связь с полезными ископаемыми. В современной литологии различают три раздела:

1.Петрография осадочных пород (классификация, описание веще-

ственного состава, строения и форм залегания осадочных пород);

2.Методы изучения осадочных пород (приемы и средства полевого

илабораторного изучения осадочных пород);

3.Общая литология (теория образования осадочных пород). Студентам – будущим специалистам в области прикладной геохимии,

минералогии и петрологии крайне важно знать об осадочных породах все то, что позволяет их диагностировать и изучать особенности вещественного состава и строения. Настоящий конспект лекций посвящен первому разделу литологии – петрографии осадочных породах. В курсе лекций последовательно рассмотрены особенности их вещественного состава и строения, классификация, приведены характеристика главнейших групп и описание их представителей. В конспекте не рассматриваются каустобиолиты, алюминиевые, марганцевые и другие группы редких, но практически важных пород, являющихся предметом курса полезных ископаемых. Конспект предназначен для студентов специальности 130306 «Прикладная геохимия, петрология, минералогия».

Осадочные породы покрывают около 75 % поверхности суши и больше 90 % дна океанов нашей планеты. Они служат источником нефти, газа, угля, воды, алюминия, марганца, строительных материалов и другого сырья. В осадочных толщах геологи ищут и находят продукты разрушения коренных месторождений – россыпи, из которых добывают алмазы, золото, драгоценные камни и множество других ценнейших полезных ископаемых. В осадочных толщах сосредоточено более 90% мировых ресурсов полезных ископаемых. В настоящее время на осадочные породы приходится ¾ стоимости добываемого минерального сырья.

По этой причине минералого-петрографические исследования осадочных пород является неотъемлемой частью геологических работ, связанных с геологической съемкой, поисками и разведкой полезных ископаемых. Задача минералога, петрографа, геохимика состоит в правильной диагностике и всесторонней вещественной характеристике осадочных образований, на основе которой проводятся стратиграфические корреляции, историко-геологические реконструкции и весь комплекс геологоразведочных работ.

История человечества тесно связана с осадочными породами. В каменном веке человек использовал кремневые орудия труда и оружие, соль, минеральные краски, позднее стал добывать из осадочных пород железо, медь,

2

уголь, использовать их в строительстве. Основой развития экономики современного общества стали нефть и газ, добываемые из осадочных толщ.

Знания об осадочных породах накапливались постепенно. Научные сведения о некоторых из них можно встретить уже в трудах Леонардо да Винчи, Николаса Стено и других ученых эпохи Возрождения. В XVII веке в трудах знаменитого немецкого ученого А. Г. Вернера было заложено понятие «формация» применительно к сериям осадочных пород. В числе первых отечественных исследователей был М. В. Ломоносов («О слоях земных», 1763). Первые общие закономерности распространения и чередования морских осадков были установлены в трудах Н. А. Головкинского (1867) и И. Вальтера (1894).

Революционное значение для петрографии осадочных пород имело изобретение поляризационного микроскопа. Заслуга введения в петрографию микроскопического метода принадлежит Г. Сорби (1850), Ф. Циркелю

(1863), Д. И. Мушкетову, А. А. Иностранцеву, А. П. Карпинскому	и
А. В. Гурову (1867–1879).
В начале XX в. литология оформилась как самостоятельная наука,	а

петрография осадочных пород - как один из ее разделов. В это время были изданы классические труды А. Д. Архангельского, А. П. Карпинского, М. Д. Залесского, В. И. Вернадского И. М. Губкина, Д.В. Наливкина, разработаны первые руководства по исследованию осадочных пород (Cayeux, 1916; Швецов, 1922; Наливкин, 1922). Первый учебник по петрографии осадочных пород был издан Л.В. Пустоваловым в 1940 году.

Особенно бурное развитие петрографии осадочных пород началось с 30-х годов XX в., что определялось развитием таких методов исследования как иммерсионный, термический, рентгеноструктурный, химический и спектральный анализ, гравитационная и другие виды сепарации. Затем появились новые физические и физико-химические методы – электронографии, растровой и электронной микроскопии, микрозондовый, инфракрасной спектроскопии и др.

Огромное значение для литологии XX века имели труды русских ученых Н. М. Страхова, Н. Б. Вассоевича, Г. И. Теодоровича, Д. В. Наливкина,

М. С. Швецова,	Л. Б. Рухина,	В. Б. Татарского,	Л. В. Пустовалова,
А. Г. Коссовской,	А. П. Лисицына,	М. В. Кленовой, Ю. П. Казанского,
Н. В. Логвиненко, В. Т. Фролова1.		За рубежом плодотворно работали
Г. Б. Мильнер,	У. Х. Твенхофел,	В. Крумбейн,	Ф. Дж. Петтиджон,

Г. Фухтбауэр, Ф. Шепард, Д. Кюнен, Ж. Милло и др.

Современный этап развития литологии связан с углубленным исследованием осадков Мирового океана и их связей с геоморфологией и тектоникой морского дна, с физическими процессами, происходящими в водной толще.

1 См. работу Н.М. Страхова «Развитие литогенетических идей в России и СССР. Критический обзор. – М.: Наука, 1971 (Тр. ГИН, вып. 228)

3

Весьма своеобразно место литологии в системе наук о Земле. С одной стороны, литология связана с геологическими науками – минералогией, петрологией магматических и метаморфических пород, тектоникой, учением о полезных ископаемых. С другой стороны, ее развитие немыслимо без использования достижений физической географии, климатологии, гидрологии, океанологии, геоморфологии, биогеографии и почвоведения. Учитывая биогенное происхождение многих осадков, литологи вынуждены работать в тесном контакте с биологами, палеонтологами и палеоэкологами.

Современная литология вместе с петрографией осадочных пород создает вещественную и генетическую базу стратиграфии и гидрогеологии, обеспечивает проведение инженерно-геологических изысканий и геологоразведочных работ на важнейшие виды полезных ископаемых. Достаточно сказать, что без петрографических знаний невозможно изучать фильтрационноемкостные свойства пород-коллекторов нефти и газа, оценивать перспективы нефтегазоносности осадочных толщ.

Петрография осадочных пород, как раздел литологии, на современном этапе своего развития нацелена на углубленное и всестороннее изучение минерального вещества с применением новейших физических и химических методов исследования. Начинающим исследователям следует помнить, что ведущая роль в исследовании осадочных пород по-прежнему принадлежит оптико-микроскопическому методу, с применения которого начинается диагностика и любое другое исследование этого вида земного вещества.

4

ОСНОВЫ ПЕТРОГРАФИИ ОСАДОЧНЫХ ПОРОД.

ВЕЩЕСТВЕННЫЙ СОСТАВ ОСАДОЧНЫХ ГОРНЫХ ПОРОД

ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ОСАДОЧНЫХ ПОРОД

Средний состав осадочных пород близок по содержанию основных петрогенных элементов к составу магматических пород (табл. 1). Содержания кремния практически идентичны – 27,74 и 27,55 %. Суммарное содержание железа в магматических породах около 4,5 %, а в осадочных – 3,9 %, т.е. весьма близко; разница в 0,6 % отражает, возможно, его слабое рассеивание в биосфере и гидросфере. При этом в магматических породах преобладает закисное железо (закисный модуль Fe2+O/Fe3+2O3 составляет 1,2-1,3), а в осадочных – окисное (Fe2+O/Fe3+2O3 около 0,6). Это указывает на преобладание окислительных условий и господство в атмосфере и гидросфере кислорода, производимого растениями, по крайней мере, с протерозоя.

Таблица 1

Содержание (%) химических элементов в горных породах [19]

Элементы	Породы
	Магматические		Осадочные
O	47.33		49.95
Si	27.74		27.55
Al	7.85		6.97
Fe	4.5		3.9
Ca	3.47		3.82
К	2.46		2.33
Na	2.46		0.82
Mg	2.24		1.52
H	0.22		0.48
C	0.19		2.01
Прочие	1.54		0.65

Содержания окислов щелочноземельных элементов в магматических и осадочных породах также близки. Более чем двукратное преобладание кальция над магнием в осадочных породах имеет биогенную природу и является результатом связывания извести в скелетах организмов. Содержание щелочей, составляет 4,92 % в магматических породах и только 3,15 % – в осадочных породах. Это явное рассеяние легко объясняется тем, что легко растворимые щелочи не осаждаются, а постоянно пополняют запасы хлоридных и сульфатных соединений океана.

Принципиальным отличием химического состава осадочных пород от большинства магматических является значительное содержание летучих компонентов, главным образом воды и углекислого газа (около 10 %), а также

5

углерода (2,01 %) – основного компонента органического вещества. Они поступают в осадочные породы из атмосферы и гидросферы в составе биогенных минералов и органического вещества, а также образуются в результате гидратации магматических и метаморфических минералов.

Сравнительное рассмотрение химического состава осадочных и магматических пород позволяет их рассматривать как продукты единого круговорота вещества Земли (рис. 1). В определенные периоды геологической истории они могут быть первичными и вторичными по отношению друг к другу. В то же время осадочные породы несут в себе черты экзогенных превращений: растворения, окисления-восстановления, гидратации, гидролиза, карбонатизации и т.д. Интересно, что суммарный объем (атомное количество) кислорода и водорода в составе осадочных пород равен 67,5 % (по А.Е. Ферсману, 1934 г.). С учетом этого стратисфера предстает как специфическая гидратно-кислородная твердая оболочка Земли, промежуточная между силикатной корой и внешними сферами – атмосферой и гидросферой.

МИНЕРАЛЬНЫЙ СОСТАВ ОСАДОЧНЫХ ПОРОД

Список минералов осадочных пород насчитывает несколько сотен видов. Ведущая роль принадлежит минералам, устойчивым в обстановке земной поверхности (табл. 2). Основными составными компонентами этих пород являются следующие:

1.Обломочный материал – продукты механического раздробления ранее существовавших пород. Преимущественно, это минералы магматических и метаморфических пород, сохранившиеся при выветривании этих пород и перешедшие в осадки: кварц, микроклин, альбит, значительная группа акцессорных минералов (магнетит, гранаты, титанит, циркон, монацит, турмалин и др.). Мусковит и биотит в процессе перехода в осадочные породы гидратируются и представлены гидромусковитом и гидробиотитом. Все эти минералы, представляющие собой продукты разрушения древних горных по-

род, называют аллотигенными.

2.Хемогенный материал, являющийся результатом химического осаждения или химических реакций, происходящих в осадках и породах. Минералы, возникающие на месте в осадке или породе (in situ) на разных стадиях образования, изменения или разрушения осадочных пород называют аутигенными. Преимущественно, это глинистые минералы, карбонаты, сульфаты, фосфаты, гидроксиды железа, алюминия, марганца, а также аутигенные кварц, гидрослюды и полевые шпаты. Реже в осадочных породах концентрируются сульфиды, хлориды, фториды, бораты, минералы групп цеолитов и хлоритов.

3.Биогенный материал – минеральные остатки животных и растительных организмов. Важнейшую породообразующую роль играют морские организмы с минеральными раковинами или скелетами – известковыми (фо-

6

раминиферы, водоросли, цианобактерии, кораллы, мшанки, пелециподы, гастроподы, брахиоподы, остракоды, цефалоподы, кокколитофориды), кремнистыми (радиолярии, губки, диатомеи) или фосфорнокислыми (позвоночные и два вида беззамковых брахиопод). Прикрепленные организмы, – кораллы, водоросли, мшанки, губки, моллюски, криноидеи, черви, членистоногие, создают крупные рифовые постройки, в ареалах произрастания бурых и зеленых водорослей формируются горючие сланцы, а в мангровой зоне за счет высшей растительности – угли. Организмы, концентрирующие углерод (фитопланктон и зоопланктон, представители макрофлоры и макрофауны морей)

ипринесенный с суши растительный детрит служат основой будущей нефти

ибитумов.

Рис. 1. Круговорот вещества в процессе образования магматических, осадочных и метаморфических пород.

В последние десятилетия на дне океана обнаружены совсем необычные трубкообразные организмы – вестиминтиферы, жизнедеятельность которых основана на использовании энергии превращения серных соединений. Они окружают "курильщики" – сульфидные конусы в зонах выхода горячих гидротермальных источников.

7

ТИПЫ СТРУКТУР И ТЕКСТУР ОСАДОЧНЫХ ПОРОД.

СТРУКТУРЫ ОСАДОЧНЫХ ПОРОД

Строение осадочных пород отражает особенности породообразующей среды и в значительной мере определяет их физические и полезные свойства. В строении различают структуру и текстуру.

Структура определяется размером, формой, взаимоотношением зерен, степенью кристалличности вещества и сохранностью органических остатков. Структура является микроскопической характеристикой и наблюдается главным образом в шлифах под микроскопом. Только в грубообломочных и крупнозернистых хемогенных породах структурные особенности доступны для визуального изучения.

Для каждой группы пород характерны свои структурные особенности.

Структуры обломочных (терригенных) пород характеризуется следующими

признаками:

1. Размер зерен (табл. 3). Границы гранулометрических фракций (гранула, греч. – зерно) не являются общепринятыми, но существующие классификации достаточно близки, так как учитывают требование естественности границ.

С нижней границей 0,01 мм связан скачок свойств частиц: в более тонких осадках появляется связность, резко изменяются ионообменные и капиллярные свойства. Граница между алевритовой и псаммитовой фракциями 0,1 мм – это нижний предел размера обломков, переносимых во взвешенном состоянии эоловыми и водными потоками и одновременно – предел разрешения глазом зернистости. Естественное обоснование имеет и граница 2 мм: более крупные обломки, литокласты, сложены преимущественно породами, а более мелкие – фрагментами монокристаллов минералов. Граница псаммитовой и псефитовой фракций 10 мм обоснована гидродинамически Л.Б. Рухиным (1969). Верхний предел галек 10 см выделяют без обоснования

ииногда увеличивают его до 20 см.

2.Сортированность. Выражать гранулометрический состав породы с помощью одного только среднего или средневзвешенного диаметра зерен нельзя, так как в этой величине устранены все различия отдельных фракций, составляющих породу. При одном и том же значении среднего диаметра, отклонение от него может быть больше или меньше. Зернистость обломочных пород характеризуется распределением обломков по размеру, называемым сортировкой. Сортировка имеет важное генетическое значение, отражая степень переработки, а значит – дальность переноса обломочного материала

(рис. 2).

Величина отклонений значений размеров зерен от среднего отражает степень однородности обломочного материала, его сортировку и называется

коэффициентом сортировки (S0). Для расчета этого коэффициента можно применять стандартное отклонение гранулометрической выборки:

S0 = (dср+σ)/ dср,

8

где dср – средний размер зерен, σ – стандартное отклонение выборки. Порода считается хорошо сортированной при S0=1,0 1,5, средне сортированной при S0=1,5 2,0 и плохо сортированной при S0>2,0.

	Таблица 3
Структуры обломочных пород
Структура	Размер преобладающих обломков, мм
I. Псефитовая:
Глыбовая	>1000
Валунная	100 – 1000
Галечная (окатанные обломки)	10 – 100
Щебеночная (остроугольные обломки)	10 – 100
Гравийная (окатанные обломки)	2 – 10
Дресвяная (остроугольные обломки)	1 – 10
II. Псаммитовая:
Псаммитовая крупнозернистая	0,5 – 1
Псаммитовая среднезернистая	0,25 – 0,5
Псаммитовая мелкозернистая	0,1 – 0,25
Алевропсаммитовая	0,1 – 1,0 с заметной примесью <0,1
III. Алевритовая:
Псаммоалевритовая	0,01 – 0,1 с заметной примесью >0,1
Алевритовая крупнозернистая	0,05 – 0,1
Алевритовая среднезернистая	0,025 – 0,05
Алевритовая мелкозернистая	0,01 – 0,025
Пелоалевритовая	>0,01 с заметной примесью <0,01
Алевропелитовая	<0,01 с примесью >0,01
Пелитовая крупная	0,005 – 0,01
Пелитовая тонкая	<0,005

Другой способ оценки сортированности основан на построении интегральной (кумулятивной) кривой, которая показывает сумму фракций меньше определенного диаметра (рис 3). Коэффициент сортировки S0 в данном случае определяется как соотношение диаметров частиц, содержащихся в количестве 25% (первая квартиль Q1) и 75% (третья квартиль Q3):

S0 Q3 / Q1 .

Значение S0 может меняться в широком диапазоне – от первых единиц до первых десятков. На основе этой величины П. Траск строил классификацию осадков по степени отсортированности, выделяя хорошо сортированные осадки (S0 = 1,0÷1,58), средне сортированные (S0 =1,58÷2,12) и плохо сортированные (S0 >2,12).

9

Рис. 2. Закономерности изменения обломков в процессе переноса

Минеральные зерна, испытавшие механическую обработку при переносе, в той или иной степени округлены: от зерен со слегка сглаженными углами до зерен с идеальной шарообразной формой. Зерна минералов, не испытавшие механической обработки или обработанные слабо, имеют неправильную угловатую форму (рис. 2). Наблюдения над формой и поверхностью зерен имеют существенное значение для суждения о постседиментационной истории обломочной породы. Исследуя обломки, обязательно отмечают степень их корродированности и регенерированности, а также изменение формы в результате перекристаллизации.

Рис. 3. Изображение результатов гранулометрического анализа в виде гистограммы и кумулятивной кривой [13]

По кумулятивной кривой можно определить медианный размер обломков (Md) и коэффициент асимметрии П. Траска (Ka), который показывает, обломки какой крупности преобладают в породе:

10