Литология Лекция 9 Литогенез Литогенез процесс

Литология Лекция 9 Литогенез

Литогенез – процесс образования и преобразования осадочных пород n n n диагенез – совокупность процессов преобразования рыхлых осадков в осадочные породы в верхней зоне земной коры; катагенез (эпигенез) – стадия химикоминералогического преобразования осадочных пород при погружении их в более глубокие горизонты литосферы; метагенез – стадия глубокой переработки осадочных пород в условиях повышающихся давления и температуры и предшествующая метаморфизму. 1

Схема образования и преобразования осадочных пород 2

Исходный материал для формирования осадочных пород Осадочные горные породы могут формироваться из различных продуктов, среди которых основными являются: • Обломочная часть – продукт механического раздробления горных пород различного генезиса. • Хемогенная часть – продукты химических реакций, происходящих главным образом в водной, реже в воздушной среде. • Биогенная часть – остатки животных и растительных организмов, в виде минеральных скелетных остатков или не полностью разложившихся органических тканей. • Вулканогенная часть – продукты вулканической деятельности – вулканический пепел, вулканические бомбы. • Коллоидный материал – тонкодисперсные частицы величиной от 1 до 10 мкм, образующиеся при тончайшем раздроблении обломочного материала или вследствие агрегации молекулярнодисперсных частиц. • Космическая часть – в основном космическая пыль, метеоритная пыль. 3

Осадочная дифференциация вещества При разрушении материнских пород, переносе и отложении осадочного материала происходит разделение (дифференциация) вещества, в результате которой формируются осадки определенного состава. Дифференциация происходит по крупности, плотности, химическому составу. Понятие об осадочной дифференциации ввел в литологию Л. В. Пустовалов в 1940 г. Главные внешние факторы осадочной дифференциации: 1) рельеф поверхности суши и дна водных бассейнов в зоне транспортировки, 2) климат, 3) среда переноса (вода, ледники, ветер), 4) режим движения среды переноса (замедление, ускорение, пульсация скорости), 5) количество областей питания осадочным материалом и расстояние от них до места седиментации, 6) соленость и температура вод бассейна осадконакопления и количественные соотношения компонентов, 7) окислительно-восстановительный потенциал среды, 8) жизнедеятельность организмов. 4

5 На ход процесса осадочной дифференциации влияют физико-химические свойства осадочного материала: 1) степень дисперсности, 2) плотность, 3) механическая устойчивость, 4) химическая активность, 5) растворимость, 6) количество (концентрация) осадочного материала на путях переноса.

Четыре типа осадочной дифференциации: механическая, химическая, физико-химическая, биогенная n n Механическая дифференциация осадочного материала проявляется в сортировке обломочных частиц по величине, плотности и форме зерен. В результате такой сортировки мы видим, что горные области окаймляются полосами грубообломочного материала, по мере удаления от источника сноса размерность частиц уменьшается. Химическая дифференциация вещества заключается в последовательном осаждении соединений из водных растворов в соответствии с их растворимостью. 6

8

n n Выделение растворенных веществ в твердую фазу происходит под влиянием внешних факторов (температура, давление, газовый режим, щелочнокислотные и окислительно-восстановительные свойства среды), эффективность которых определяется тектоникой и климатом. Л. В. Пустовалов отметил порядок отложения химических соединений в осадок от места сноса: Окислы Fe→ Mn → Si. O 2 → Силикаты Fe→ Соли закиси Fe→ Ca. CO 3 →Ca. Mg(CO 3)2 → Ca. SO 4 → Na. Cl → KCl→ Mg. Cl 2(Mg. SO 4) В результате химической дифференциации вещества в природе локально обособлены определенные химические типы осадочных пород – карбонатные, кремнистые, фосфатные, железистые, галлоидные. n Продукты осадочной дифференциации, соседние по расположению в схеме, обычно встречаются совместно. Например, гипсы часто переслаиваются с доломитами и каменной солью, но никогда не ассоциируют с бурыми железняками и фосфоритами. 7

Кроме механической и химической дифференциации выделяют: физико-химическую – дифференциацию коллоидного материала; и хемобиогенную – осаждение и дифференциацию вещества благодаря жизнедеятельности организмов. Физико-химическая дифференциация - укрупнение молекул вследствие коагуляции коллоидных растворов и явление сорбции. Хемобиогенная или биогенная дифференциация - избирательное превращение растворенных и газообразных компонентов в минеральные скелетные образования или органические ткани в результате жизнедеятельности организмов. 9

10 После отмирания животных или растений их остатки (раковины и др. ) переходят в осадок, распределясь по дну под влиянием факторов механической дифференциации. Благодаря биогенной дифференциации накапливаются органогенные известняки большой мощности, создаются рифовые постройки, органическое вещество – материал для образования каустобиолитов нефтяного и угольного ряда. С участием организмов накапливаются опал, фосфаты и другие полезные ископаемые. Процесс дифференциации в отложении вещества связан с противоположным процессом – его интеграцией: осадочный материал, поступающий в зону осадконакопления с разных источников, смешивается. В результате одновременного осаждения обломочного, хемогенного, биогенного вещества образуются породы смешанного (гибридного) состава.

Диагенез (эпигенез)– стадия превращения осадка в породу n n n n n Диагенез – это совокупность процессов, превращающих 11 неравновесную систему – осадок в равновесную - горную породу. механическое уплотнение, потеря жидкой фазы, преобразование коллоидов, химические реакции между компонентами осадка, что выражается в уменьшении его объема и цементации. В осадках идут процессы окисления, затем в результате накопления толщ идут восстановительные реакции. Индикаторы окислительной обстановки: аутигенные минералы глауконит, гидроокислы железа, марганца, фосфатные минералы. В восстановительной обстановке идет образование сульфидов, силикатов железа, кальцита, доломита, сидерита. Иногда выделяют ранний – окислительный и поздний – восстановительный этапы диагенеза. При диагенезе происходит обособление коллоидных систем, одновременно с образованием диагенетических минералов происходит их перераспределение в осадке – растворение в одних частях, отложение в других. В результате образуются конкреции (глинистые, кальцитовые, сидеритовые, фосфатные, марказитовые), а также пятна, линзы, прослои, обогащенные теми или иными минералами.

Вторичные изменения осадочных пород Эпигенез Это изменения, которые происходят с осадочной породой после диагенеза. Изменения происходят под влиянием термобарических и геохимических факторов, а их направленность в значительной мере определяется характером и интенсивностью тектонических движений. При погружении осадочных пород стадия эпигенеза сменяется стадией метагенеза (глубокого преобразования), а затем метаморфизмом. После завершения стадии метагенеза осадочная порода перестает существовать. Тектонические движения, приводящие к выводу пород на поверхность, способствуют их изменению и разрушению в стадию гипергенеза (или выветривания). 12

Эпигенез – это вторичные минералогические и структурные 13 изменения осадочных горных пород в совокупности с изменениями содержащихся в них флюидов. Эпигенез наступает после завершения диагенеза при увеличении глубины погружения до начала метаморфизма. Термин эпигенез применяется к осадочной породе в целом. Процессы изменения составных частей породы (рассеянного органического вещества, пустотного пространства) называются катагенезом. Основные факторы эпигенеза: 1. Давление вышележащих толщ. 2. Повышение температуры, связанное с погружением породы. 3. Напряжения, возникающие при горообразовательных процессах. 4. Подземные воды, циркулирующие в осадочных породах и содержащие растворенные минеральные вещества, и газообразные вещества. Температуры процесса изменяются от 30 -50 °С до 200 °С. Давления изменяются от 100 -200 атм до 2000 атм.

14 Катагенетические (эпигенетические) преобразования пород сводятся к следующим основным процессам: 1) 2) 3) 4) 5) уплотнение, отжатие воды (обезвоживание); растворение неустойчивых соединений, минеральное новообразование, перекристаллизация.

Метагенез n n n 15 Переход от катагенеза к метагенезу знаменуется определенным изменением состава, строения и свойств породы. В этом процессе появляются глинистые сланцы, кварциты, слюдистый цемент, широко развивается хлорит, угли преобразуются в полуантрацит и антрацит, а пористость пород понижается до нулевых значений. Температура в зоне метагенеза составляет 200 -300°С, давление более 2 -3 тыс. кгс/см 2. Глубинное положение зоны метагенеза зависит от температуры недр. При большом геотермическом градиенте глубина 5 -7 км, а при низком – гораздо глубже. При метагенезе породы сильно уплотняются, их пористость становится минимальной. Перемещение флюидов становится возможным только по трещинам.

n n За счет изменения глин образуется серицит. Происходит хлоритизация биотита, развивается альбитизация плагиоклазов, продолжается регенерация кварцевых зерен. Изменение минерального состава сопровождается перестройкой их структуры. В целом наблюдается укрупнение размеров зерен. Упорядочение ориентировки, дальнейшее развитие структур растворения обломочных зерен и их регенерация. Минеральные зерна стремятся принять призматическую и таблитчатую форму с ориентировкой большей грани перпендикулярно направлению давления. В шлифах наблюдается листоватая, таблитчатая, волокнистая ориентированная, мозаичная структуры, нередко с зубчатыми, шиповидными окончаниями минеральных зерен. 16

Вторичные изменения осадочных пород 17 в зоне гипергенеза n n n Объем зоны гипергенеза определяется глубиной проникновения грунтовых вод. Наиболее характерны для осадочных пород процессы окисления, восстановления, гидратации, гидролиза, растворения и катионного обмена. Окисление – потеря электронов атомами или ионами окисляющегося вещества. В условиях зоны гипергенеза в больших масштабах происходит окисление органических веществ – каменных углей, нефти, рассеянного органического вещества. В результате реакции происходит выделение углекислоты со значительным количеством тепла С+О 2 – СО 2. При полном окислении органического вещества окраска пород осветляется.

18 n n n Окисление в породе закисных соединений железа сопровождается изменением окраски от серой, черной или зеленовато-бурой до желтой, оранжевой, кирпично-красной или бурой. Процесс окисления пирита развивается ступенчато: 2 Fe. S 2+7 O 2+H 2 O → 2 Fe. SO 4+2 H 2 SO 4 12 Fe. SO 4+3 O 2+6 H 2 O → 4 Fe(OH)3+4 Fe 2(SO 4)3. Кроме закисных соединений железа (марказит, сидерит, шамозит), окисляются карбонаты марганца (родохрозит), сульфиды никеля, меди и др

n n n Восстановление проявляется в потере кислорода восстанавливающимися веществами. В зоне гипергенеза восстановительная обстановка возникает при застойном режиме грунтовых вод вследствие жизнедеятельности бактерий или разложения органического вещества. А также при окислении просачивающейся к поверхности нефти. Энергичными восстановителями являются углерод и водород. При восстановительных реакциях в зоне гипергенеза могут образовываться пирит, марказит и другие минералы. 19

Растворение n n n Для большинства минералов растворимость с повышением температуры повышается, однако для каменной соли при изменении температуры воды от 0 до 100° она остается постоянной (36 -40 г на 100 г воды), а у кальцита даже понижается. В кислых водах (р. Н<7) энергично растворяются карбонаты (кальцит, доломит), полевые шпаты, плагиоклазы. Особенно способствует растворению присутствие углекислоты (образуется при окислении органического вещества): n Сa. CO 3+CO 2+H 2 O → Ca(HCO 3)2 Процессы растворения в зоне гипергенеза сопровождаются выносом вещества из породы, образованием пор (например, при выносе цемента из песчаников), каверн, карстовых воронок, пещер. Понижается прочность породы, вместе с тем возрастает емкость пород для нефти, газа, воды. 20

Катионный обмен n n – изменение состава минералов без изменения 21 их структуры, связанное с замещением одних, непрочно удерживающихся в кристаллической решетке катионов другими. В процессе такого замещения одни катионы поглощаются твердой фазой, а другие наоборот выделяются в раствор. Следствием этого является, например, накопление калия в осадке и вынос натрия в океан. В осадочных образованиях это явление характерно для глинистых минералов, в которых обменные катионы располагаются в межслоевом пространстве. Наибольшей способностью к катионному обмену обладают минералы группы монтморелонита.

22 В конечном итоге процессы гипергенеза приводят к уничтожению осадочной породы. Продукты гипергеннных реакций являются исходным материалом для образования новых осадков.