Осадочные горные породы

Общая характеристика. Осадочные горные породы составляют около 10% массы земной коры и занимают по площади около 75% поверхности Земли. Основная их масса сосредоточена на материках и материковых склонах. Часть осадочных пород расположена на дне океанов.

В общем случае образование осадочных горных пород происходит по следующей схеме: возникновение исходных продуктов путём разрушения материнских пород → перенос вещества водой, ветром, ледниками и др. → осаждение вещества на поверхности суши и в водных бассейнах. В результате образуется рыхлый и пористый насыщенный водой осадок, сложенный разнородными компонентами. Он представляет собой неуравновешенную сложную физико-химическую (и частично биологическую) систему, с течением времени постепенно превращающуюся в осадочную породу. Процесс преобразования осадка в осадочную горную породу носит название литогенеза.

Источником вещества для образования осадочных горных пород являются:

- продукты выветривания магматических, метаморфических и более древних осадочных пород, слагающих земную кору;

- растворённые в природных водах компоненты;

- газы атмосферы;

- продукты, возникающие при жизнедеятельности организмов;

- вулканогенный материал – твёрдые частицы, выброшенные вулканами, горячие водные растворы и газы, выносимые вулканическими извержениями на поверхность Земли и в водные бассейны;

- космический материал. В современных океанических осадках (красная глубоководная глина, ил и др.) и в древних осадочных породах встречается космический материал – мелкие шарики никелистого железа, силикатные шарики, кристаллы магнетита и т.п.;

- органические остатки. В составе осадочных пород, как правило, присутствуют органические остатки (растительного и животного происхождения), синхронные времени образования породы, реже более древние (переотложенные). Некоторые осадочные породы (известняки, угли, диатомиты и др.) целиком сложены органическими остатками.

В осадочных породах часто встречаются минералы первичного происхождения, которые еще не разрушились при химическом выветривании материнских пород. Например, полевые шпаты, слюды, кварц и другие.

Классификация. Среди исследователей нет однозначного мнения в вопросе классификации осадочных горных пород. Это само по себе свидетельствует о том, что процессы образования осадочных пород сложны и многообразны.

В 1998 г. вышла в свет монография «Систематика и классификации осадочных пород и их аналогов», созданная большим авторским коллективом под редакцией В.Н. Шванова. Эта монография рекомендована Подкомиссией по классификации осадочных пород Национального комитета геологов России для геологов Российской Федерации и стран СНГ. В настоящее время это наиболее полное исследование по классификации осадочных пород.

Шванов Валентин Николаевич (1933-1999) – геолог, доктор геолого-минералогических наук, профессор. СПбГУ, зав. кафедрой литологии и морской геологии (1988-1998). Специалист в области общих вопросов литологии, теории диагенеза и низкотемпературного метаморфизма. Один из создателей структурно-вещественной классификации осадочных пород.

Современные исследователи часто используют классификацию осадочных пород по вещественному составу и генезису. Эта классификация включает следующие группы пород: - обломочные или терригенные (включая пирокластические); - глинистые; - глиноземистые; - железистые; - марганцовые; - фосфатные; - кремнистые; - карбонатные; - соли (сульфатные, хлоридные и смешанного состава); - каустобиолиты. По Н.М. Страхову каустобиолиты – горючие ископаемые органические происхождения, представляющие собой продукты преобразования остатков растительных, реже животных организмов под воздействием геологических факторов. К каустобиолитам относятся породы ряда углей (торф, ископаемые угли), горючие сланцы, нефть и газы.

Некоторые исследователи (например, Н.В. Короновский) используют более укрупненную классификацию, которая включает следующие группы осадочных пород: - обломочные породы, возникающие в результате механического разрушения каких-либо пород и накопления образовавшихся обломков; - глинистые породы, являющиеся продуктом преимущественно химического разрушения пород и накопления, возникших при этом глинистых минералов (без перехода этих минералов в раствор); - химические (хемогенные) и органогенные породы, образовавшиеся в результате химических и биологических процессов. К этой классификации часто добавляют полигенные породы, образующиеся из материала различного (смешанного) происхождения. Из смешанных пород наиболее распространены супеси и суглинки. Супеси содержат наряду с песчаными до 20-30% глинистых частиц; в суглинках количество глинистых частиц увеличивается до 40-50%.

Короновский Николай Владимирович (1933) – геолог, тектонист, доктор геолого-минералогических наук, профессор, заведующий кафедрой динамической геологии геологического факультета МГУ.

Строение осадочных пород. Обломочные породы состоят из обломков более древних пород и минералов, т.е. имеют обломочную структуру; глинистые сложены мельчайшими не видимыми вооруженным глазом зернами преимущественно глинистых минералов – пелитовая структура (табл.). Хемогенные породы обладают, как правило, кристаллической структурой – от ясно видимой до скрытокристаллической (табл.). Структура органогенных пород – органогенная. В названии структуры этих пород отражается название организмов, из которых сформировалась порода и степень сохранности остатков этих организмов. Например, структура криноидная биоморфная означает, что порода сформирована криноидеями – класс беспозвоночных животных типа иглокожих (морские ежи и лилии); биоморфная – сохранность остатков хорошая.

Для осадочных пород смешанного генезиса (полигенных) характерна пелитоморфная структура.

Из текстур осадочных пород наиболее часто встречается слоистая текстура. Образование слоистости связано с условиями накопления осадков. Любые перемены этих условий вызывают либо изменение состава отлагающегося материала, либо остановку в его поступлении. В разрезе это приводит к появлению слоев, разделенных поверхностями напластования и часто различающихся составом и строением. Слои представляют собой более или менее плоские тела, горизонтальные размеры которых во много раз превышают их толщину (мощность) (рис.). Мощность слоев варьирует от десятков метров до долей сантиметра. В зависимости от динамики среды осадконакопления слоистость может быть горизонтальной – интенсивного направленного перемещения материала в среде осадконакопления не происходит; косой – при наличии течений – водных или ветровых потоков (рис. 7.8). Для грубообломочных пород характерна массивная (неслоистая) текстура. Среди текстур также выделяют текстуры поверхности слоя – знаки ряби, отпечатки капель дождя и т.п.

Таблица – Структуры обломочных осадочных пород

Структура	Величина обломков, мм			Название породы
				Рыхлые					Сцементированные
				угловатые		окатанные		угловатые			окатанные
Псефитовая (грубообломочная)	>2,0	>100	Глыба		Валун		Глыбовая брекчия			Валунный конгломе-рат
		100-10	Щебень		Галька, галечник		Брекчия			Галечный конгломе-рат
		10-2,0	Дресва		Гравий					Гравийный конгломе-рат, граве- лит
Псаммитовая (песчаная)	0,1-2,0	2,0-0,5	Крупнозернистый песок					Крупнозернистый песчаник
		0,5-0,25	Среднезернистый песок					Среднезернистый песчаник
		0,25-0,1	Мелкозернистый песок					Мелкозернистый песчаник
Алевритовая (пылеватая)	0,01-0,1	0,1-0,05	Крупнозернистый алеврит					Крупнозернистый алевролит
		0,05-0,025	Среднезернистый алеврит					Среднезернистый алевролит
		0,025-0,01	Мелкозернистый алеврит					Мелкозернистый алевролит
Пелитовая	<0,01		Глина					Аргиллит

Существуют другие классификации обломочных пород, в которых размеры обломков несколько иные. Однако качественная градация и порядок чисел, указывающих величины обломков, во всех классификациях примерно одинаковы. Предельным размером, ниже которого обломочные частицы не окатываются и почти всегда имеют угловатую форму, считается размер 0,01-0,05 мм. Поэтому породы пелитовой размерности по степени окатанности не подразделяются.

Таблица – Структуры хемогенных пород

Структура	Размер зерен, мм	Морфологические особенности
Грубозернистая	>1,0	Крупные зерна легко и хорошо видимы не вооруженным взглядом (макроскопически)
Крупнозернистая	1,0 - 0,5	Зерна видны макроскопически
Среднезернистая	0,5 - 0,1	Зерна плохо видны макроскопически, но в шлифе (под микроскопом) имеют вид заметных кристаллов
Мелкозернистая	0,1 - 0,05	Макроскопически зерна не видны, в шлифе (под микроскопом) различимы, порода однородна
Тонкозернистая	0,05 – 0,01	Макроскопически порода однородна, с землистым или раковистым изломом. В шлифе отдельные зерна частью не различимы, даже при сильных увеличениях, так как, перекрываясь, сливаются друг с другом
Пелитоморфная	< 0,01	Макроскопически и микроскопически порода совершенно однородна

Рисунок – Пример горизонтальной слоистости различных осадочных пород в геологическом разрезе

Вещественный состав пород. Состав обломочных пород определяется составом слагающих их обломков материнских пород. Это часто отражается в названии породы. Например, пески и песчаники, образовавшиеся в результате разрушения кислых и средних пород, называются аркозовыми; основных и ультраосновных пород – граувакковыми.

Хемогенные и органогенные породы образуются преимущественно в водных бассейнах. Вещественный состав этих пород определяется химическим составом слагающих их минералов. Среди хемогенных пород наиболее распространены карбонатные, кремнистые, галоидные и сульфатные породы; среди органогенных – карбонатные и кремнистые. Важное практическое значение имеют каустобиолиты.

Цвет осадочных пород. Осадочные породы имеют самые разнообразные цвета и их оттенки, от снежно-белого до чёрного. Иногда цвет является признаком, характерным для определения данной породы. Часто цвет дает важные указания на условия образования породы, так как во многих случаях он обусловлен присутствием определенного минерала. Наличие в породе тех или иных минералов зависит от характера среды отложений. Например, нахождение в породе значительных количеств органических веществ и пирита указывает на восстановительную среду; красных и желтых гидроокисей железа – на окислительную среду и т.д. Однако нельзя забывать, что цвет, это не более, чем указание на возможную среду породообразования. Одна и та же среда – например, окислительная, может наблюдаться в самых различных областях осадкообразования на суше и в море. Кроме того, одна и та же порода в процессе своего образования проходит несколько стадий (разрушение, перенос, отложение, диагенез и т.д.). Любая из этих стадий способна оказать влияние на цвет породы. Так или иначе, отражая состав и генезис породы, ее цвет во многих случаях оказывает существенную помощь при реконструкции палеогеографической обстановки образования породы.

Как отмечалось, цвет осадочных горных пород зависит главным образом от цвета минералов, слагающих породу. Цвет породы также зависит от примесей минерального вещества, рассеянного в породе, и обволакивающего тончайшими корочками зерна составляющих породу минералов.

Белый (светло серый) цвет является естественной окраской большинства минералов, слагающих осадочные горные породы. Все эти минералы (кальцит, арагонит, доломит, фосфаты, каолинит, большая часть других глинистых минералов, соли и др.) – бесцветны или почти не окрашены.

Чёрный (темно-серый) цвет очень редко бывает обусловлен черной окраской зерен слагающих породу минералов. Такая зависимость характерна, например, для магнетитовых песков, угля и некоторых других пород. Обычно же черная окраска зависит от мелкорассеянной примеси черного красящего вещества, чаще всего органических соединений. Реже черная окраска зависит от примеси солей марганца, которые могут образовывать оболочки вокруг зерен. Серый цвет породы говорит о содержании в ней примеси сернистых соединений железа, однако в породах эти соединения обычно не сохраняются. Синевато-серый или синевато-черный оттенок придает породе мелкорассеянный пирит FеS₂. При выветривании такие породы светлеют и приобретают буровато-желтую окраску за счет окисления пирита до гидроокисла железа лимонита – Fe₂O₃*nH₂O.

Фиолетовые цвета или оттенки исключительно редки. Они могут зависеть от примеси марганцевых и фтористых соединений, от смешения примесей красного и синеватого цвета.

Желтый и бурый цвета в большинстве случаев обусловлены присутствием в породе лимонита.

Красный и розовый цвет лишь в редких случаях обусловлен цветом минеральных зерен (например, ортоклаз в аркозах) или обломков красных пород (лавы, обломки яшм и т.д.). Обычно красный или розовый цвет породы обусловлен наличием тонких пленок красного окисного железа, обволакивающих зерна породообразующих минералов. Довольно часто красное окисное железо рассеяно в породе в виде мельчайших агрегатов.

Зелёный цвет в ряде случаев зависит от присутствующих в породе зеленых минералов. Наиболее обычным из этих минералов является глауконит (водный алюмосиликат железа, относящийся к группе гидрослюд), реже – похожие на глауконит минералы группы шамозита, хлорит и железисто-магнезиальные глинистые минералы. В породах складчатых областей (полимиктовые песчаники) сравнительно часто зеленые оттенки обусловлены примесью хлоритов, серпентина, эпидота, обломков зеленоватых пород и крайне редко – оливина, малахита и других соединений меди и хрома.

Синий цвет пород в природе встречается крайне редко. Единственный синий осадочный минерал – вивианит (синяя земля, синяя железная болотная руда) – минерал, водный фосфат железа) – встречается лишь в ничтожных количествах и пород не окрашивает. Синеватый или, скорее, слабо голубоватый оттенок, наблюдаемый в некоторых породах, может зависеть от присутствия воды в порах и, может быть, от водных силикатов железа, мелкорассеянного сернистого железа, сидерита и некоторых глинистых минералов.

Определять цвет породы нужно при дневном свете, так как искусственный свет и влажность изменяют оттенки. Часто порода, в сухом виде обладающая пепельно-розовым цветом, во влажном состоянии неожиданно оказывается ярко красной. Зеленовато-серый цвет породы в сухом состоянии во влажной породе превращается в яркий изумрудно-зеленый и т.д. Поэтому при описании образцов пород следует всегда указывать состояние влажности описываемой породы (хотя бы качественно), или описывать цвет породы, как во влажном, так и в сухом состоянии.

Нередко для уточнения окраски породы приходится прибегать к добавочным обозначениям: зеленовато-серый, лимонно-желтый, коричневато-бурый, кирпично-красный и т.д. При этом основной цвет надо ставить на второе место. Например, «зеленовато-серая глина» значит: глина серого цвета с зеленоватым оттенком. При описании цвета породы следует избегать тройных обозначений, например, синевато-зеленовато-серый. Тройные обозначения не дают ясного представления о цвете породы, так как восприятие таких сложных оттенков чрезвычайно субъективно.

При описании породы приходится встречаться не только со сложными оттенками, но и с прихотливым распределением окраски в породе. Часто на фоне основного цвета выступают тонкие прослои или пятна иного цвета или оттенка – более темного или более светлого. Иногда появляются разводы, подчас сложного рисунка. Лучше всего нюансы цвета удается увидеть во влажной породе. Простой практический прием для этого – окунуть образец породы в воду.

Закономерности локализации и распространенность осадочных пород по разновидностям. Образование и размещение на поверхности Земли осадочных горных пород определяется главным образом климатическими и тектоническими условиями. В областях гумидного климата образуются глиноземистые, железистые, марганцевые породы и различные каустобиолиты. Для аридных областей характерны отложения доломитов, гипса, галита, калийных солей, красноцветных пород. Для нивальных областей – продукты физического выветривания, представленные различными обломочными породами.

Влияние тектонического режима не менее важно. В областях активной тектоники и орогенеза накапливаются мощные толщи осадочных пород. Для них характерна изменчивость состава обломочного и другого материала, изменчивость мощности отложений, наличие пластов вулканогенно-осадочных пород и т.д. На платформах в условиях спокойного тектонического режима залегают небольшие и относительно выдержанные по мощности толщи осадочных пород, часто с пластами обломочного материала однородного однокомпонентного состава.

Распространенность осадочных горных пород по разновидностям имеет следующий вид:

- глинистые - глины, аргиллиты, глинистые сланцы – около 50%;

- песчаные (пески и песчаники) и карбонатные (известняки, доломиты и др.) распределены примерно поровну. В сумме составляют около 45%;

- на остальные разновидности осадочных пород приходится менее 5%.

Полезные ископаемые, связанные с осадочными породами, составляют около 75% от всего добываемого из недр Земли сырья. Это нефть, газ, уголь, различные соли, руды железа, марганца, алюминия, россыпи золота и платины, фосфориты, строительные материалы и др.

Систематика и классификация осадочных пород и их аналогов / В.Н. Шванов, В.Т. Фролов, Э.И. Сергеева и др. СПб. 1998