Краткий курс литологии

Рис. 14.3. Карта изменения литологии пород изучаемого горизонта:

J — отсутствие отложений; 2 — песчано-глинистые отложения с прослоями каменного угля; 3 — хорошо отсортированные олигомиктовые песчаники с обломками створок тол­ стостенных раковин устриц; 4 — известняки биоморфно-детритовые, пелециподово-фо- рамнниферовые с водорослевыми образованиями; 5 ~ известняки микрокристаллические с прпмесыо целых раковинок фораминифер; 6 — места расположения разрезов (скважин)

5

о 6

Рис. 14.4, Карта фаций изучаемого горизонта:

1 — область отсутствия отложе^шй; 2 — фации равнины гумидного климата: 3 — при­ брежные фации; 4 —- мелководные фации; 5 — умеренно глубоководные фации; 6 — места расположения разрезов (скважин)

V э та п. Составляется палеогеографическая карта, па которой и соответствии с распространением фаций определенного типа вы­ деляются области суши и моря, устанавливается линия берега мор­ ского бассейна, обозначается характер рельефа суши, глубины мо­ ря (рис. 14.5). Наиболее сложным при построении палеогеографи­ ческой карты является решение вопроса о природе тех областей, где отсутствуют отложения изучаемого горизонта..

Эти области могут быть областями конседиментационной дену­ дации, т. е. областями выветривания, первичного отсутствия от­ ложений. Однако в ряде случаев они могут оказаться областями, последующего, более позднего размыва отложений. Для решения данного вопроса анализируются распределение и характер фаций,

4.Изложите содержание I этапа фациального анализа.

5.Какие геологические документы составляются в результате исследований, проведенных на II этапе фациального анализа?

6.Изложите содержание карты фаций. Что на ней изображается?

Г л а в а 15

ОБЩИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ И ИСТОРИЯ ЭВОЛЮЦИИ ОСАДКООБРАЗОВАНИЯ

Общие закономерности образования осадков, периодический характер осадочного процесса, история эволюции осадкообразова­ ния как отражение эволюции внешних геосфер Земли привлекают большое внимание исследователей. В работах В. И. Вернадского, Л. В. Пустовалова, Н. М. Страхова, А. П. Виноградова, А. Б. Ронова, В. Е. Хаима, П. П. Тимофеева, В. Н. Холодова, И. В. Хворовой и многих других неоднократно рассматривались различные аспекты процесса образования осадков и осадочных пород на Земле. Важ­ нейшие философские проблемы развития биосферы и геологиче­ ской роли живого вещества обсуждаются в работах виднейшего философа современности, геолога и геохимика В. И. Вернадского (1863—1945).

Л.В. Пустоваловым (1902—1970) была разработана теория осадочной дифференциации вещества, выражающая сущность про­ цесса образования осадков (см. гл. 4). Л. В. Пустовалов, А. П. Ви­ ноградов, А. Б. Ронов и другие исследователи показали, что про­ цесс осадкообразования на Земле носит периодический характер.

Л.В. Пустовалов связывал периодическое преобладание в раз­ резах тех или иных типов пород, т. е. их периодическое накопление,

огеотектоническими циклами, считая, что процесс горообразова­

мочного материала, выносимого из области интенсивно размываю­ щихся горных сооружений. По мере денудации и пеиепленизации горного сооружения поток обломочного материала закономерно сменяется поступлением в бассейны осадконакопления продуктов химического разложения материнских пород, что вызывает после­ довательное накопление в бассейнах продуктов химической осадоч­ ной дифференциации вплоть до эвапоритов. Цикл повторяется посзе нового этапа горообразования.

А. П. Виноградов и А. Б. Ронов, обработав и обобщив данные по литологии и геохимии осадочного чехла Русской платформы, по­ казали, что обломочные породы в разрезах платформы образуют по два максимума в начале и в конце герципского и альпийского геотектонических циклов. Карбонатные породы образуют максиму­ мы в середине этих циклов. Такая периодичность определяется тес­ ной связью между осадконакоплением и тектогенезом.

Периодическое повторение в разрезах осадочного чехла тех или иных типов пород (песчаников, известняков, доломитов, эвапори-

тов и др.) не означает простой механической повторяемости оса­ дочного процесса. Такая цикличность реализуется на фоне необра­ тимой эволюции всех условий седимеитогенеза, связанной с раз­ витием во времени земной коры, гидросферы и атмосферы Земли, что, в свою очередь, отражается в изменении характера типов по­ род, «повторяющихся» в разрезах осадочного чехла.

Это многократно и убедительно показано в работах А. П. Ви­ ноградова, А. Б. Ронова, В. Е. Хайна, П. П. Тимофеева, В. Н. Холо­ дова, И. В. Хворовой и других исследователей. Так, А. П. Виногра­ дов и А. Б. Ронов установили, что в пределах Русской платформы от докембрия до четвертичного времени в составе глинистых пород закономерно уменьшается содержание калия и повышается содер­ жание натрия. Еще более наглядной является эволюция состава карбонатных пород, отражающая постепенный переход от широко­ го образования доломитов или известняков, богатых доломитовым материалом (в докембрии и палеозое), к накоплению известняков и постепенному исчезновению из мезозойских и кайнозойских раз­ резов хемогенных доломитов (рис. 15.1). Одним из ярких примеров эволюции характера осадкообразования во времени является от­ сутствие в отложениях фанерозоя джеспилитов, осаждавшихся з архейских и протерозойских морях и замена их оолитовыми желез­ ными рудами.

Рис. 15.1. Эволюция состава карбонатных пород. Русской платформы (по А. П. Виноградову и

А. Б. Ронову)

Одним из первых исследователей, сделавших попытку рассмот­ реть в комплексе ход изменения среды осадкообразования в тече­ ние геологической истории Земли, был Н. М. Страхов, который указывал, что эволюция осадочного породообразования неразрыв­ но связана с развитием гидросферы и атмосферы, поэтому необхо­ димо рассматривать развитие гидро- и атмосферы Земли как сре­ ды, в которой развертываются процессы осадкообразования. В геологической истории Земли Н. М. Страхов выделил четыре этапа

каменных документов, представления о нем базируются на общих физико-химических сведениях и данных планетологии по атмосфе­ рам других планет, в частности атмосферы Венеры.

В процессе дегазации мантии Земли из нее выделялись пары Н20 и летучие компоненты, такие как НС1, HP, В(ОН)3, С02, NH3, СН4 и т. и. При конденсации паров воды началось формирование гидросферы. Летучие газы сформировали атмосферу Земли. Пер­ воначально массы гидро- и атмосферы были, по-видимому, неболь­ шими, а в процессе геологического разития происходило их увели­ чение.

Химический состав «первозданного океана» был резко отлич­ ным от современного. Гидросфера представляла собой более или менее концентрированный раствор НС1, HF, H3B03, Si02 с pH, близким к 1—2. В воде были растворены также H2S, СН4, NH3, С02 и другие газы. Атмосфера, находившаяся в равновесии с этой своеобразной гидросферой, состояла в основном из С02, паров НС1, HF и других летучих компонентов (NFI3, NH4C1, СН4 и т. п.) и не содержала кислорода.

Процесс развития гидросферы в течение азойского периода со­ стоял в нейтрализации водорода сильных кислот, прежде всего при взаимодействии кислотной атмосферы с силикатными породами литосферы, а также с карбонатами, формировавшимися при вывет­ ривании пород под действием С02 атмосферы. В результате вода первичного океана все больше приобретала характер воды бескарбонатного хлоридпого типа. Карбонаты под воздействием сильных кислот разрушались, выделяя в атмосферу С02.

Эволюция атмосферы состояла, по-видимому, в том, что кис­ лород, возникавший при фотодиссоциации воды и С02, окис­ лял NH3 до свободного азота и воды. Окислялись также СН4, H2S и др. Происходила медленная трансформация атмосферы в сторо­ ну накопления в ней азота.

Господствующим типом литогенеза был вулканогенно-осадоч­ ный. Накапливались массы рыхлого пеплового материала и неко­ торое количество продуктов химического разложения (выветрива­ ния) материнских пород. Несомненно, отлагались кремнезем, хло­ риды, Al, Fe, Мп, а также их фториды. Среди осадков отсутствова­ ли карбонатные накопления, а также сульфаты Са и Mg.

А р х е о з о й с к и й эт а п — от 4,75 до 3,0 млрд лет. Его нача­ ло в значительной мере условно, конец, по мнению Н. М. Страхо­

зиронанпы.х гнейсов и амфиболитов Кольского полуострова и При­ днепровья, имеющих минимальный возраст 3,0—3,4 млрд лет. Эти

Рис. 15.2. Развитие гидросферы, атмосферы и осадочного породообразоваиия в истории Земли (по И. М. Страхову):

знрованные в морях, 2 — седимеитационно-днагенстические морские доломиты. 3 — лагун­

ломочные образования.

В течение археозойского этапа происходило, очевидно, расчле­ нение земной коры на геосинклинальиые и платформенные участки. Рельеф типа лунного кратерного стал сменяться рельефом земно­ го типа. Основные изменения в гидросфере состояли в продолжаю­ щемся массовом поступлении в нее карбонатов как продуктов хи­ мического выветривания пород материковых участков под воздей­ ствием С02 атмосферы наряду с терригениым материалом, поступавшим в результате денудации приподнятых участков суши. Как только в океанах в результате массового поступления с суши Na, К, Са, Mg, Fe, Мп и других карбонатов исчезли последние следы сильных кислот, появилась возможность накопления карбо­ натных солей. Большое количество их было растворено в воде, содержавшей много СОг- В целом воды гидросферы из чисто хлоридных преобразовались в хлоридно-карбонатные.

Важнейшим событием этого этапа явилось, по-видимому, появ­ ление в гидросфере органической жизни в виде бактерий или бактериоподобиых автотрофных организмов, метаболизм которых под­ держивался за счет хемосинтеза органических соединений.

В атмосфере продолжалось дальнейшее накопление азота и С02. Свободного кислорода в заметных количествах еще не было.

В связи с появлением платформенных (континентальных) ядер уже в археозойском этапе, по мнению Н. М. Страхова, произошла дифференциация литогенеза на гумидиын, аридный, ледовый и вулканогенно-осадочный типы. Важной особенностью процесса осадкообразования стало зарождение и развитие карбонатной се­ диментации. Основным типом карбонатных пород были доломиты, осаждавшиеся чисто химическим путем. Продолжалось усиленное хемогеппое накопление кремнезема, железа и марганца в откры­ тых частях морей и океанов в виде джеспилитов, в которые железо поступало в закисной форме (сидерит, лептохлориты). По мере повышения pH вод океанов возникла возможность формирования глинистых минералов (гидрослюды, монтмориллониты). Скопления

органического вещества среди археозойских осадков отсутствовали из-за незначительного развития органической жизни. В связи со слабой дифференцированностью типов литогенеза не накаплива­ лись эвапориты (отсутствовали четко выраженные аридные обла­ сти). Н. М. Страхов подчеркивает, что в связи с тем, что осадконакопление происходило в условиях бескислородной атмосферы, аутигениое минералообразование у поливалентных элементов было одностадийным и осуществлялось в закисной форме уже в седимеитогенезе.

П р о т е р о з о й с к и й этап — от 3,0 до 0,5 млрд лет — уже достаточно документирован осадочными породами, изучение кото­ рых позволяет воссоздать картину развития гидро- и атмосферы и

процессами метаморфизма.

Земная кора уже обладала обширной сиалической оболочкой, в пределах которой четко дифференцировались платформенные и геосинклинальные области. Увеличение объема литосферы привело к тому, что более древние слагающие ее осадочные породы начали подвергаться метаморфизму, возвращая законсервированные в них в составе различных осадочных минералов воду и СОг. Таким об­ разом, в процессы литогенеза во все большей степени начинают вовлекаться не ювенильные, а метаморфогенные, вновь возвра­ щенные в гидро- и атмосферу компоненты.

Увеличиваются размеры континентов: в южном полушарии формируется Гондванская платформа (часть Южной Америки, большая часть Африки, Индостан, большая часть Австралии). В северном полушарии возникают крупные ядра Северо-Американ­ ской, Русской, Сибирской, Китайской платформ с обширными гео­ синклиналями между ними.

Все отчетливее проявляется дифференциация типов литогенеза. Возникают отложения ледового литогенеза (гуронское оледенение Северной Америки, рифейское — Экваториальной Африки). Вулка­ ногенно-осадочный литогенез теряет главенствующее значение, ста­ новится подчиненным по сравнению с гумидным, аридным и ледо­ вым типами литогенеза.

Важнейшим событием, с которого начался протерозойский этап, явилось возникновение фотосинтеза, т. е. разделение органическо­ го мира на животных и растения. Это событие фиксируется наход­ ками следов сине-зеленых водорослей в доломитах свиты Булавайо (Зимбабве), возраст которых около 2,7 млрд лет. Возникновение фотосинтеза привело к созданию источника свободного кислорода, постоянно и во все больших количествах поступавшего в атмосферу по мере роста массы фотосинтезирующих организмов. Бескисло­ родная в течение азойского и археозойского этапов атмосфера с началом протерозоя становится кислородосодержащей в тем боль­ шей степени, чем ближе мы подходим к концу рифея-венда. К кон­

цу этапа она состоит из азота, кислорода и С02, только соотноше­ ние свободного 0 2 и С02, по-видимому, еще сдвинуто в сторону существенно большего, чем сейчас, содержания С02 и значительно меньшего, чем сейчас, содержания 0 2. С точки зрения развития жизни критическим уровнем содержания свободного кислорода в атмосфере является точка Пастера (содержание кислорода — око­ ло 0,2%). При достижении точки Пастера организмы могут пере­ ходить от анаэробного способа использования энергии процессов ферментативного брожения к энергетически гораздо более выгод­ ному (в 30—50 раз) окислению при дыхании. По данным Л. Беркнера и Л. Маршалла, точка Пастера была достигнута в конце вен­ да, т. е. около 600 млн лет назад, что привело в начале следующе­ го этапа к бурному развитию самых различных дышащих организ­ мов.

Всвязи с появлением в атмосфере свободного кислорода и сни­ жением содержания С02 воды океанов приобретают окислитель­ ную характеристику и приближаются к нейтральным по pH. Сера

исероводород окисляются кислородом до сульфатов. В результате гидросфера из хлоридно-карбонатиой переходит в хлоридно-кар- бонатно-сульфатную с повышенным Eh и pH, близким к 7,0 (см. рис. 15.2).

Вусловиях повышающихся Eh и pH подвижность многих эле­ ментов, особенно Al, Fe, Мп, тяжелых металлов Си, Ni, Со и дру­ гих, резко сократилась. Эти компоненты стали все меньше мигри­ ровать в виде растворов и все больше — в виде коллоидных и суб­ коллоидных систем. В кислородной среде Al, Fe, Мп и ряд других мигрировали и осаждались в форме гидроокислов. Таким образом, возникла двухстадийная форма аутигенного мииералообразования: осаждение в виде осадков и дальнейший переход в процессах диа­ генеза в закисные формы (сидерит, пирит и т. п.).

Воткрытых центральных частях водоемов продолжается накоп­ ление джеспилитов, но из чисто закисных форм осадочный процесс переходит на закисно-окисные формы железа. К концу рифея объемы джеспилитонакопления сильно сокращаются, на смену джеспилитам приходят прибрежные оолитовые железные руды. Рудный процесс смещается к берегу, что связано с уменьшением геохимической подвижности железа. То же можно сказать относи­ тельно А1 и Мп. Среди осадков прибрежной зоны появляются глау­ конит и фосфориты. Изменяется характер доломитообразования. Во вторую половину протерозойского этапа массовое гумидное хемогенное доломитообразование как бы вымирает, сохраняясь лишь

варидном литогенезе. Доломиты начинают вытесняться известня­ ками, которые тоже осаждаются хемогениым путем. Однако уже в протерозое и рифее начинают возникать водорослевые образова­ ния — строматолиты, связанные с жизнедеятельностью разнооб­

разных колониальных сине-зеленых водорослей.

Возросшая биомасса в морях к концу протерозоя привела к то­ му, что органическое вещество становится непременным компонен­ том осадочных пород. В отдельных случаях возникают даже ло­