Краткий курс литологии

Чйвые системы, такие суспензии прибли­ жаются к коллоидным растворам. Обра­ зование устойчивых суспензий характер­ но для различных глинистых минералов.

Субколлоидные и коллоидные раство­ ры формируются гидроокислами алюми­ ния, железа и марганца, особенно в при­

сутствии	органических			соединений,				за
счет образования			соответствующих				ме­
таллоорганических			коллоидных комплек­
сов, а также соединениями ванадия, хро­
ма, никеля, кобальта, меди и ряда других
металлов,	существенная			часть		которых
мигрирует, будучи			адсорбированной				раз­
личными	субколлоидиыми				частицами,			в
частности	коллоидами			гидроокислов А1,
Fe и Мп	и	глинистыми			минералами.				Рис. 3.6. Градационная
Н. М. Страхов называет эти металлы эле­									слоистость		турбидитов,
ментами-спутниками.									возникающая		в осадке
Карбонаты кальция и магния, а так­									при	остановке потока за
									счет	одновременного
же кремнезем и соединения фосфора пе­									осаждения па дно облом­
реносятся	главным образом					в	виде		ков	и частиц	различного
истинных ненасыщенных растворов, хотя										размера
иногда такие		растворы		могут		достигать

предела насыщения.

Наконец, хлориды и сульфаты калия, натрия, кальция, магния и некоторых других химических элементов переносятся исключи­ тельно в виде истинных растворов, причем концентрация этих сое­ динений в природных водах далека от насыщения.

Осаждение продуктов выветривания

Выпадение продуктов механического раздробления материнских пород из путей переноса происходит непосредственно под дейст­ вием силы тяжести и реализуется, когда динамическая энергия флюида-носителя (воды и ветра) становится недостаточной для перемещения обломков или частиц данного размера (см. рис. 3.2). Частичное отложение обломочных продуктов начинается еще в зо­ не выветривания. Даже в горах, на склонах, где водные потоки обладают максимальной энергией, можно наблюдать осыпи и скопления обломков пород (делювий); в долинах — конусы выно­ са и отложения обломочного материала временными потоками (пролювий); на всем протяжении течения любой реки в долине ее осадки — аллювий. Однако большая часть массы обломков п об­ ломочных частиц, ежегодно переносимых реками, достигает бас­ сейнов конечного стока, в, которые впадают реки, — озер, морей и океанов. Здесь обломочные продукты механического раздробле­ ния материнских пород разносятся главным образом течениями по

дну бассейна. При этом в общем случае происходит сортировка, дифференциация обломочного материала по размерам частиц: бо­ лее крупные обломки отлагаются ближе к источнику обломочного материала, более мелкие — дальше от него.

М. С. Швецов приводит данные о зависимости скорости погру­ жения сферических частиц плотностью около 2,7 г/см3 в воде от ее температуры (табл. 3.5).

				Т а б л и ц а	3.5
Зависимость скорости погружения сферических частиц
		в воде от ее температуры
	Скорость погружения в воде сферических частиц, сад/с,
Температу­		с плотностью 2,7 г/см3	и диаметром,	мм
ра, °С	мм	0,1 мм	0,001 мм	0,001	мм
1
		1		5,2-10-s
0	6,57	4,9-10-'	5,2-10 -3
5	6,64	5,7-10-'	6,М О -3	6,1-Ю-5
10	6,69	6,5-10-'	7,1-Ю-3	7,1-Ю-5
20	6,74	8,0-10-'	9,2-10 -3	9,2-10 -5

Анализ табл. 3.5 показывает, что скорость погружения мелких частиц (0,01 и 0,001 мм) зависит от температуры воды. При уве­ личении температуры с 0°С до 20°С эта скорость для частиц диа­ метром 0,01 мм возрастает на 77%, так как она контролируется законом Стокса, согласно которому скорость обратно пропорцио­ нальна вязкости воды, уменьшающейся при увеличении темпера­ туры. Скорость погружения частиц размером 1 мм почти не зави­ сит от температуры, так как их погружение происходит по другому закону (см. рис. 3.3).

Необходимо иметь в виду, что по степени дисперсности осадоч­ ного вещества продукты химического выветривания материнских пород делятся на две большие группы: продукты, образующие устойчивые суспензии и коллоидные растворы, и продукты, пере­ носимые в форме истинных, или ионных, растворов.

Осаждение первых происходит главным образом в результате коагуляции, т. е. слипания субколлоидных и коллоидных частиц. Будучи более подвижными, по сравнению с обломочным материа­ лом, субколлоидные и коллоидные частицы способны мигрировать, передвигаться в зоне осадкообразования в течение более продол­ жительного времени.

Осаждение ионно-растворенных веществ происходит в резуль­ тате увеличения их концентрации в природных водах и достижения предела насыщения, после чего из раствора выделяется твердая фаза — осадок. Менее подвижные иоино-раствореииые компоненты: фосфаты, кремнезем, карбонаты кальция и магния, извлекаются из воды в основном в результате биологических процессов или же не­ большого повышения их концентрации, достаточного для химиче­

ского осаждения этих компонентов. Более подвижные: сульфаты и хлориды кальция, натрия, магния и калия — кристаллизуются из природных растворов только в условиях резкого повышения их концентрации (испарение природных растворов).

		Вопросы и упражнения
1. Крупнейшая река Африки Конго			в нижнем течении имеет				ширину русла
2 км и среднюю глубину 25 м. В дождливый сезон расход						воды	в реке в ни­
зовьях составляет до 60 тыс. м3/с, в сухой — около				15 тыс. м3/с. Определите				с
помощью рис. 3.2, какой обломочный материал выносится рекой в Атлантиче­
ский океан в период дождей и какой — в сухой сезон.					Расход		реки Q= /• Л•
где / — ширина реки; h — средняя глубина; и — скорость течения.
2. Средняя глубина р. Сены в нижнем течении — около						15 м. Расход воды
в реке — 500 м^с. Определите с помощью рис. 3.2, при какой ширине реки в
русле будут осаждаться обломки, имеющие размеры				1 мм и более. Расход реки
Q= l-h-v, где I — ширина		реки; h — средняя глубина;			v — скорость течения.
3. Зная, что	скорость морских и океанических			течений		на	глубине 500—
I 000 м может	составлять	от 8—10	до 50—70 см/с		(с.	48),	определите	с

помощью	рис. 3.2, какой		обломочный материал	могут	транспортировать			эти
течения.	При полном испарении воды морского залива, изолированного от моря и
4.
имеющего размеры 10x10 км и среднюю грубину 100 м, осаждаются соли, со­
держащиеся в морской воде. Используя табл. 3.1, определите, какой мощности
слой образуется		за счет	хемогенного осаждения	на дне;	а) кальцита		(СаС03);
б) ангидрита (CaS04); в)			галита (каменной соли)	(NaCl).
А т о м н ы е		веса;	Са — 40,1; Na — 23,0; С — 12,0; S — 32,1; С1 — 35,4;
О — 16,0. П л о т н о с т ь :			СаС03=2,7 г/см3; CaS04=2,3 г/см3; NaCl=2,2 г/см3.
5.	Принимая скорость морских и океанических				течений	равной 5 см/с (ре­
альная скорость может быть в несколько раз больше),					с помощью		табл.	3.5
определите, как далеко могут быть транспортированы течениями частицы разме­
ром 0,01 мм; 0,001 мм, прежде чем они достигнут дна моря на						глубине 1 000 м
(турбулентными		вихрями	течений, замедляющими	погружение		частиц,	следует

пренебречь). Температуру воды принимаем равной 10°С.

Г л а в а 4

ДИФФЕРЕНЦИАЦИЯ ОСАДОЧНОГО ВЕЩЕСТВА В ЗОНЕ ОСАДКООБРАЗОВАНИЯ.

ВЛИЯНИЕ КЛИМАТА НА ОБРАЗОВАНИЕ ОСАДКОВ

Понятие о всеобъемлющей осадочной дифференциации (разде­ лении) вещества в условиях земной поверхности, введенное в ли­ тологию советским ученым Л. В. Пустоваловым (1940), является одним из фундаментальных положений науки об осадочных поро­ дах. Под осадочной дифференциацией он понимал процесс разоб­ щения составных частей изначальных (материнских) пород, проис­ ходящий в зоне осадкообразования, с последующим раздельным (дифференцированным) накоплением этих составных частей в фор­ ме различных осадочных пород. Ом указывал, «что каждая осадоч­

ная порода представляет собой продукт дифференциации вещества

изначальных пород».

Мы, действительно, видим в природе примеры осадочной диф­ ференциации вещества. Несмотря па то что при выветривании ма­ теринских пород образуется и поступает в пути миграции смесь самых различных компонентов: обломочных, коллоидных и ионнорастворенных, — в бассейнах конечного стока происходит накопле­ ние отнюдь не «пестрой смеси» веществ. Наоборот, образуются по­ роды, представляющие собой как бы «концентраты» определенных веществ, выделенные из первоначальной смеси продуктов выветри­ вания в результате процессов своеобразного природного «обога­ щения». Так могут формироваться скопления чистых кварцевых песков, мономииеральиых глин, гидроокислов железа, известняков, гипса, каменной соли и многих других осадочных пород, часто представляющих собой огромные накопления «химически чистых» соединений (минералов): Si02, CaC03, CaS04, NaCl и др.

В зависимости от характера процессов, приводящих к разделе­ нию вещества и образованию тех или иных осадочных пород, Л. В. Пустовалов различал механическую и химическую осадочную дифференциацию. Разделение вещества начинается уже в процессе выветривания.

По мнению Л. В. Пустовалова, продукты механического раз­ дробления пород, образующие обломочные или грубодисперсиые системы, подвергаются механической дифференциации под влия­ нием чисто физических факторов, рассортировывая^ по крупности частиц. Таким образом, ближе к зоне выветривания будут отла­ гаться более крупные обломки, а по мере удаления от нее — более мелкие обломки и частицы (рис. 4.1).

Продукты химического разложения материнских пород, обра­ зующие коллоидно- и иоипо-дисперсиые системы, т. е. коллоидные и истинные растворы, последовательно выпадают из путей мигра­ ции, подчиняясь законам коллоидной химии и теории истинных, или ионных, растворов. Все процессы разделения продуктов химическо­ го выветривания Л. В. Пустовалов объединял под названием хими­ ческой осадочной дифференциации. Он писал: «...появление в ре­ зультате химического разложения (материнских пород. — Р. Б.) солей различной растворимости, обладающих различной способ­ ностью удерживаться в растворе, предрешает их разновременное выпадение в осадок и, следовательно, их разобщение. Исключение из этого не составляют и коллоидальные продукты распада (мате­ ринских пород. — Р. Б.), которые обладают различной способ­ ностью к коагуляции, что обусловливает их неодинаковое поведе­ ние в путях миграции».

Таким образом, в природе реализуются три вида процессов, приводящих к осаждению мигрирующих компонентов, т. е. три eih да дифференциации вещества. Обломочный материал подвергает­ ся механической (чисто гравитационной) дифференциации. Мате­ риал, мигрирующий в форме субколлоидиых и коллоидных раство­ ров, подвергается коллоидной дифференциации. Наконец, вещества,

находящиеся в форме истинных, или ионных, растворов подвержены химической (ионной) дифференциации. Эти три вида процессов воздействуют на продукты выветривания, находящиеся в зоне осад­ кообразования одновременно, взаимно перекрывая друг друга. В зависимости от конкретных условий тот или иной вид осадочной дифференциации может доминировать, приводя к формированию определенных генетических типов пород (песчаники, глины, извест-

Рис. 4.1. Механическая осадочная дифференциация обломочных продуктов раздробления материнских пород (разделение продук­ тов выветривания по размерам частиц):

1 — галька; 2 — гравий; 3 — песок; 4 — алеврит

няки, соли). При наложении различных процессов друг на друга могут возникать породы, сложенные одновременно продуктами обоих процессов. Так образуются песчаные фосфориты, глинистые гипсы и им подобные породы.

Л. В. Пустовалов разработал схему последовательности выпа­ дения в осадок различных компонентов, формирующих основные типы пород (рис. 4.2); ом подчеркивал, что эта схема показывает лишь принципиальную сторону вопроса, ио не исчерпывает его во всех деталях. Она представляет собой лишь первый, рабочий на­ бросок, который должен быть значительно расширен и уточнен последующими работами.

Очевидно, что в приведенной форме схема Л. В. Пустовалова не учитывает ряд важных показателей, существенно влияющих на

извлечение многих соединений из путей миграции. В схеме не учитывалась роль климата в процессе дифференциации осадочного вещества, влияние жизнедеятельности организмов на извлечение иэ воды бассейнов и образование скоплений тех или иных соединений и ряд других факторов.

Однако нельзя забывать, что только рассмотрение осадкообра­ зования как закономерного познаваемого процесса, приводящего к накоплению разделенных в пространстве и во времени продуктов выветривания в форме осадочных пород, позволяет развивать ли­ тологию как науку, базирующуюся на объективных законах приро­ ды. Идея осадочной дифференциации вещества в той или иной форме пронизывает работу каждого литолога.

Рис. 4.2. Схема химической осадочной дифференциации вещества по

Л.В. Пустовалову (1940):

/— окислы; 2 — силикаты; 3 — карбонаты; 4 — серно-кислыс и галоидные соли

Работы многих исследователей позволили раскрыть особенности процесса осадочной дифференциации вещества в конкретных кли­ матических и палеогеографических условиях. Необходимо отме­ тить, что в природе процесс дифференциации вещества в зоне осад­ кообразования неразрывно связан с диалектически противополож­ ным ему процессом интеграции (смешения) вещества. Так, напри­ мер, выветривание различных пород, залегающих в пределах единой водосборной площади, приводит к тому, что различные продукты выветривания, поступая в общую водную артерию, сме­

шиваются. Этот процесс продолжается далее по мере поступления новых порций продуктов выветривания в общее русло из притоков. Интеграция вещества наблюдается и при поступлении всей суммы продуктов выветривания в конечный бассейн стока (озеро, море, океан), уже содержащий различные вещества, принесенные в него другими реками, ветром или иными путями.

В ряде случаев процесс интеграции может явиться причиной осаждения продуктов выветривания на дно бассейна. Например, результатом смешения пресных речных вод, содержащих различ­ ные субколлоидные и коллоидные компоненты, с солеными мор­ скими водами может быть коагуляция этих компонентов, приводя­

щая	к осаждению соединений железа, глинистых минералов и
г. п.

Важную роль в процессах дифференциации осадочного вещест­ ва играют организмы. Следы жизнедеятельности организмов в ви­ де биогенных осадочных пород или характерных минеральных об­ разований обнаруживаются в земной коре в различных толщах вплоть до самых древних, имеющих возраст более 2,5 млрд лет. Обладая способностью извлекать из воды (или атмосферы) и кон­ центрировать различные соединения либо в мягких тканях (клет­ ках), либо в твердых частях скелета или раковины, в местах своего массового развития организмы могут образовывать пласты осадоч­ ных пород, состоящих из биогенных остатков.

Многие простейшие организмы, не имеющие скелетов и раковин (микроскопические водоросли, бактерии), в процессе жизнедеятель­ ности изменяют геохимическую микросреду, способствуя выделе­ нию из растворов кальцита, доломита, гидроокислов железа, мар­ ганца и других соединений.

Наиболее ярко геологическая роль организмов как агентов оса­ дочной дифференциации проявляется в образовании мощных толщ биогенных известняков и кремнистых пород (диатомитов, спонголитов, радиоляритов), формировании пластов ракушпяковых фос­ форитов, состоящих из обломков створок раковин некоторых брахиопод (Obolus), которые строят их, извлекая из морской воды фосфаты, и, наконец, в образовании скоплений остатков наземной растительности, дающих начало торфам и каменным углям.

Организмы извлекают из морской воды и концентрируют мно­ гие редкие элементы, причем интенсивность концентрации может составлять десятки и сотни тысяч раз! (табл. 4.1). При больших масштабах захоронения органических остатков в осадках эта сто­ рона деятельности организмов может приобретать важное значе­ ние как фактор осадочной дифференциации редких и рассеянных элементов.*

* Кроме продуктов выветривания в зоне осадкообразования присутствует ювенильное вещество: продукты эксплозивной деятельности вулканов, различные растворы и газы, поступающие из глубинных зон земной коры, космическая пыль

и т. д.

Рис. 4.3. Типы современного литогенеза (по Н. М. Страхову, 1960):

/ — области гумидиого литогенеза: а — водосборная	часть бассейнов;	б	конечные
водоемы стока; 2 — области аридного литогенеза: / — Северо-Американская, II — Аф­
рикано-Азиатская, III — Южно-Американская, IV —	Южно-Африканская,	V	Австра­

лийская; 3 — области эффузивно-осадочного литогенеза; 4 — области ледового литогенеза; 5 — вулканы и вулканические области; 6 —- горные хребты__________

Т а б л и ц а 4.1

Концентрация некоторыми пелециподами редких элементов, извлекаемых из морской воды (по Ж. Деркур и Ж. Паке)

	Химические	Содержание			Интенсивность концентрации, раз
		и	морской
	элементы
		воде, г/л			Пектиниды	Устрицы	Мидии
	Золото		4- К)"8		2 300	18 700	330
	Кадмий		11	ю -7	2 260 000	318 000	100 000
	Хром		5	10-7	200 000	60 000	320 000
	Медь		3	ю-°	3 000	13 700	3 000
	Железо		1 1.Q-5		291 500	68 200	196 000
	Марганец		2	1Т)—6	55 500	4 000	13 500
	Молибден		1 10-5		90	30	60
	Никель		2	10-G	12 000	4 000	14 000
	Свинец		3	10-8	5 300	3 300	4 000
	Ванадий		2	10-6	4 500	1500	2 500
	Цинк		1 10-5		28 000	110 300	9 100

Вышеизложенное показывает сложность процессов осадкообра­ зования, в которых участвуют продукты выветривания материнских пород * Подвергаясь одновременному воздействию самых разно­ образных факторов, осадочное вещество выпадает из путей мигра­ ции, образуя скопления — осадочные породы, в том числе полез­ ные ископаемые осадочного происхождения.

Существенное влияние па процессы литогенеза, как уже отме­ чалось, оказывает климат. Уже на стадии выветривания материн­ ских пород климатические условия во многом определяют особен­ ности и глубину процессов механического раздробления и химиче­ ского разложения материнских пород, т. е. характер продуктов выветривания.

Процессы осадочной дифференциации, осадконакопления кон­ тролируются физико-химическими условиями, в которых они про­ текают, т. е. среднегодовой температурой, влажностью или коли­ чеством выпадающих атмосферных осадков, величиной испарения.

Перечисленные параметры и есть климат — типичное для дан­ ной области состояние метеорологических условий. Климат, в свою очередь, определяет интенсивность развития биологических процес­ сов, оказывающих как прямое, так и косвенное влияние на вывет­ ривание материнских пород и извлечение различных соединений из природных растворов, т. е. на процесс осадконакопления.

Большую роль в изучении влияния климата на особенности оса­

дочной дифференциации вещества сыграли работы Н. М. Страхо­ ва. Спитая, что именно климат определяет все характерные черты осадкообразования, он выделил три климатических типа литогене­

за: гумидный, аридный и ледовый. Кроме того, в качестве самостоя­

тельного типа литогенеза он рассматривал аклиматический вулка­ ногенно-осадочный литогенез (рис. 4.3).

Гумидный литогенез

Гумидный литогенез господствует на территориях, для которых характерны гумидные, т. е. влажные, климаты. Основным призна­ ком гумидности климата является преобладание среднегодового количества выпадающих атмосферных осадков над среднегодовым испарением воды с той же территории. Избыток атмосферных осад­ ков стекает в бассейны конечного стока в виде рек и ручьев. Важ­ ная черта гумидных климатов — положительная температура, при которой вода может существовать в жидкой форме в летние меся­ цы. Таким образом, к гумидному типу относятся влажные климаты: тропический, субтропический, умеренный и холодный.

Процесс осадконакопления в каждом из этих климатов отли­ чается характерными чертами, однако в целом он сохраняет основ­ ные признаки, позволяющие выделить его в качестве самостоятель­ ного гумидного типа литогенеза. Осадконакопление в условиях гумидных климатов пользуется наибольшим распространением на Земле. Породы, сформировавшиеся в процессе гумидного литогене­ за, слагают основную массу осадочных образований.

Источником вещества, образующего осадочные породы при гумидном литогенезе, являются зоны выветривания в пределах кон­ тинентов, откуда продукты выветривания выносятся в бассейны конечного стока избытком воды, стекающей с континента в виде рек, ручьев и других потоков. Для гумидного литогенеза харак­ терна неполнота (незавершенность) процессов осадочной диффе­ ренциации. Из поступивших в бассейн осадконакопления разнооб­ разных продуктов выветривания осаждаются:

—обломочные компоненты (обломки материнских пород и минералов различного размера);

—субколлоидные и коллоидные компоненты (глинистые ми­ нералы, окислы и гидроокислы алюминия, железа и марганца, соединения ряда микроэлементов, таких как медь, ванадий, хром, никель и др.);

—ионно-растворенные компоненты, геохимически относительно подвижные, извлекаемые из путей миграции организмами или срав­ нительно легко выпадающие в виде твердой фазы из природных растворов (соединения фосфора, кремнезем, карбонаты кальция и магния и некоторые другие).

Наиболее растворимые геохимически очень подвижные соеди­ нения, такие как сульфаты и хлориды кальция, магния, натрия, ка­ лия, а также соединения брома, йода, бора и ряда.других элемен­ тов, в условиях гумидного типа литогенеза не извлекаются, а остаются в растворах и таким образом увеличивают общую соле­ ность гидросферы.

Осадочные породы в условиях гумидного литогенеза образуют-