u_lectures

Федеральное агентство по образованию Федеральное государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования «Сибирский федеральный университет»

УТВЕРЖДАЮ

Декан ____________ факультета

_____________/____________/ «_____» _____________200__ г.

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ ПО КУРСУ ЛИТОЛОГИЯ

Дисциплина Литология и историческая геология

(наименование дисциплины в соответствии с ФГОС ВПО и учебным планом)

Укрупненная группа 130000 «Геология, разведка и разработка полезных ископаемых»

(номер и наименование укрупненной группы)

Направление 130300 «Прикладная геология»,

Специальность 130304 «Геология нефти и газа»

(номер и наименование направления, специальности)

Факультет Горно-геологический

Кафедра Геологии, минералогии и петрографии

Красноярск

2007

2

4

Введение

Настоящий курс лекций представляет собой обзор современной информации по основным вопросам литологии согласно утвержденной программе. Обобщены сведения об условиях и стадиях образования осадочных пород с учетом последних исследований отечественных и зарубежных геологов. Дана краткая характеристика основных типов осадочных горных пород и их ассоциаций. Рассмотрены основные закономерности строения осадочных комплексов и эволюция осадочного породообразования в истории Земли. Изложены основы литолого-фациального анализа, дана характеристика основных групп фаций. Кратко рассмотрены нефтегазоносные формации и нефтегазоносные комплексы.

При составлении курса лекций по литологии использовались отечественные и зарубежные учебные и фундаментальные издания. Все они указаны в списке литературы и могут быть использованы студентами для углубленного самостоятельного изучения.

Тема 1. Литология – наука об осадочных породах. Введение в дисциплину и структура науки (ауд. 1 час, в т.ч. лекций 1 час)

Литология – наука о современных осадках и осадочных горных породах. Название ее происходит от греческих слов: «литос» - камень, «логос» - учение. Она обособилась от общей петрографии в начале 20 века. По определению Л.Б.Рухина,

литология – это наука, изучающая осадочные горные породы, их сочетания, вместе с приуроченными к ним полезными ископаемыми, как закономерно взаимосвязанные, возникающие и развивающиеся геологические образования. Сравнивая понятия -

литология и петрография, применительно к осадочным породам следует понимать, что петрография осадочных пород является одним из главных разделов литологии. Петрография изучает породы, их состав, структуры и текстуры. Литология же является многоступенчатой наукой изучающей вещественный состав, структуры, текстуры осадочных пород, осадочные фации и, наконец, формации. В настоящее время от литологии отделилась и получила быстрое развитие наука «Седиментология», изучающая обстановки современного осадконакопления в разнообразных физико-географических условиях. Данные этой науки позволяют реконструировать обстановки осадконакопления в прошлые эпохи. В настоящее время в литологии выделяют три раздела: 1) петрографию осадочных пород, 2) методы исследования осадочных пород, 3) теоретическую литологию. В первом разделе рассматриваются вопросы классификации, состава, строения и генезиса конкретных пород. Второй раздел охватывает методы полевых и лабораторных исследований горных пород. Третий – общая литология, посвящается вопросам теории породообразования, выявлению закономерностей осадочного процесса, в том числе образованию нефтегазоносных толщ в осадочных бассейнах.

Основные задачи, которые решает литологии: Совершенствование методов изучения осадков и осадочных пород; изучение минерального состава, структур, текстур и основных типов осадочных пород; исследование обломочных минералов осадочных горных пород для корреляции немых осадочных толщ и для палеогеографических реконструкций.; определение условий образования и изменения осадочных пород по аутигенным минералам; выяснение условий образования, определение обстановки или фации отложений (фациальный анализ); изучение современных осадков.

Методы исследования. Изучение осадочных пород начинается в полевых условиях. Изучается состав, строение, расположение отдельных слоев, условия образования, делается описание разреза и отбираются образцы для лабораторных исследований. В лаборатории проводится определение вещественного состава,

5

микроструктур, палеонтологических остатков, физических и других свойств горных пород. Основной метод изучения осадочных горных пород в лаборатории – кристаллооптический анализ в тонких срезах (шлифах), иммерсионный анализ. Широко применяются химические методы – валовый химический анализ, определение отдельных элементов, анализ кислотных и водных вытяжек, спектральный анализ. Для диагностики глинистых и аутигенных минералов используют методы хроматического анализа (окрашивание порошков и шлифов различными реактивами). Обломочные породы изучают методами гранулометрического анализа (разделение на фракции при помощи сит или отмучиванием в воде). Глины, руды железа, алюминия, карбонатные породы изучают с помощью термического и рентгеноструктурного анализа. В настоящее время применяются электронномикроскопический, электронно-графический, метод структурного анализа и микрорентгеноспектральный (точечный метод).

История возникновения и развития науки. Интерес к предмету исследования литологии появился с появлением разумной жизни и связан с первыми рудознатцами, первыми умельцами, строителями. В историческом плане мы можем выделить три этапа развития науки.

1-й этап. Этап накопления фактического материала и первых научных трудов, обобщающих знания о камне. Одна из первых работ по литологии известна с 17 века была посвящена золотым пескам Франции (Реомюр). Первым серьезным научным трудом у нас в России непосредственно касающимся литологии явилась монография «О слоях земных» М.В. Ломоносова. В этой монографии М.В.Ломоносов рассматривает и объясняет происхождение угля и нефти. Продолжателем идей Ломоносова был русский минералог В.М. Севергин. Большой вклад в русскую геологию, в том числе и литологию, внес крупнейший русский геолог первой половины XIX века Д.И. Соколов. Основной метод изучения – визуальное описание.

2-й этап развития литологии связан с изобретением поляризационного микроскопа. На этом этапе большой вклад в развитие науки внесли Г. Сорби, Ф. Циркель, Розенбуш, Д.И. Мушкетов, А.А.Иностранцев, А.П. Карпинский и многие другие ученые. Изобретен термический анализ французским физиком-химиком Ле Шателье (1855). Ж.Туле применил для разделения минералов осадочных пород по удельному весу тяжелые жидкости. Особенно широко изучались осадочные породы и условия их образования в России в виду очень широкого их распространения на нашей территории.

3-й этап развития и собственно становления литологии, как самостоятельной науки и её развития. Этот этап очень тесно связан с развитием России в период 19171991 г.г. Период индустриализации страны, потребовал и способствовал быстрому накоплению нового фактического материала, а также способствовал развитию новых методов полевого и лабораторного исследования на основе новейших достижений науки и техники. Одними из основоположников литологии являются А.Д.Архангельский, А.П.Карпинский, которые обратили внимание на связь осадконакопления с геотектоническими движениями. А.П.Карпинский заложил основы палеогеографии – науки о географии древних времен. Залесский, Губкин И.М. разработали основы учения о нефти. Вернадский В.И. и Ферсман А.Е. положили начало теории образования некоторых осадочных пород. Особенно бурное развитие литологии началось с 30-х годов 20 века. С этого времени начал применяться иммерсионный метод определения минералов. Одновременно совершенствуются методы химического, термического, ренгеноструктурного анализа, электромагнитной и электростатической сепарации. Развиваются электронная микроскопия, электронография, микрорентгеноспектральный методы. На этом этапе появляются крупные теоретические обобщения.

6

Среди ученых, советских геологов внесших большой вклад в развитие и становление литологии нужно отметить С.Ф. Малявкина, пропагандиста литологии и организатора литологических исследований в СССР; В.П. Батурина инициатора минералогического исследования осадочных пород, исследователя нефтеносных свит Апшерона, М.С. Швецова, создавшего первый учебник по петрографии осадочных пород, что способствовало развитию науки, Д.В. Наливкина, развившего учение о фациях, Н.С. Шатского, заложившего основы формационного анализа осадочных пород, И.М. Губкина, создавшего основы советской нефтяной геологии, Ю.А. Жемчужникова, П.И. Степанова, заложивших основы угольной геологии, ученых-теоретиков,

Л.В. Ботвинкиной, Ю.А. Казанского, Ю.А. Карагодина, И.А. Вылцана и многих др. Зарубежные ученые-литологи: Г.Мильнер, П.Босвел, К.Эдельман, Ц.Твенхофелл,

Ф.Петтиджон, Ф.Шепард, Р.Фолк, Данхэм и др.

Связь с другими науками. Литология тесно связана с общегеологическими дисциплинами - стратиграфией, палеонтологией, геотектоникой, общей геологией, кристаллографией, минералогией, петрографией магматических и метаморфических пород, геохимией, учением о нефти. Она использует данные этих наук и вместе с этим решает вопросы необходимые для них. Литология близка к учению о месторождениях полезных ископаемых в осадочных породах, к исторической геологии, инженерной геологии, грунтоведению, гидрогеологии.

Литология тесно связана с естественно-историческими науками: биологическими (экологией, биологией, почвоведением); географическими (климатологией, гидрологией, океанографией); физико-математическими (термодинамикой, физической химией, математическими науками).

Практическое значение литологии. Экономической основой самостоятельности литологии как науки и её практическим значением являются полезные ископаемые связанные с осадочными породами и обязанные своим происхождением литогенезу. В настоящее время около 80 % минерального сырья извлекается из месторождений осадочного генезиса. Это топливо и сырье для химической промышленности: нефть, газ, уголь, торф, горючие сланцы. Рудные полезные ископаемые осадочного генезиса - основа черной и цветной металлургии: железо, марганец, алюминий, медь, свинец. Нерудные полезные ископаемые: минеральные соли, стройматериалы, поделочные материалы, декоративные камни. С рыхлыми осадочными породами связаны крупные россыпные месторождения золота, платины, олова, титана и др. металлов, а также месторождения драгоценных камней: гранатов, алмазов, рубинов и др. Некоторые осадочные породы являются сорбентами урана, золота и целого ряда других элементов.

Знание литологии необходимо для инженерной геологии при строительстве зданий и сооружений.

Некоторые породы осадочного происхождения используются в пищевой промышленности.

В осадочных породах заключены огромные массы подземных вод. Их состав и характер циркуляции зависят от химического состава и строения осадочных пород.

Многие осадочные разрезы и образования представляют собой уникальные геологические памятники, которые охраняются тем государством, где они располагаются, и представляют собой природные геологические заповедники.

7

Тема 2. Общие сведения об осадочных породах. Стадии образования и преобразования осадочных пород (Ауд. 4 часа, в т.ч. лекций 4 часа.).

Под осадочной горной породой понимается геологическое тело, состоящее из минеральных или органических образований, а так же тех и других совместно, сформировавшееся из осадка, отложившегося на поверхности суши или на дне водоема и существующее в термобарических условиях, характерных для верхних частей литосферы.

Под осадком понимается продукт, отложившийся в результате физических, химических, биологических процессов, еще не превращенный дальнейшими процессами в горную породу и лежащий на поверхности в зоне современного осадконакопления.

Осадочные породы составляют лишь незначительную часть не только всей массы горных пород, но даже самой верхней части литосферы, до глубины 16 км (по данным Кларка – всего 5%). На поверхности они широко распространены, покрывая около 75 % суши, тогда как магматические и метаморфические породы составляют 25 %. Мощность осадочной оболочки колеблется от долей метра до 15-20 км.

Осадочные породы являются продуктом разрушения любых других пород, жизнедеятельности организмов и выпадения из воздушной или водной среды материалов любого происхождения: во всех случаях при поверхностном температуре и давлении. Под влиянием колебаний температур, под действием ветра, воды, морского прибоя, ледников,

идр. экзогенных процессов происходит разрушение образовавшихся ранее горных пород

иперенос их в пониженные участки земной поверхности (моря, океаны, реки, озера), образуются осадки (пески, сапропели, глины, песчаные и известковые илы). Затем при дальнейшем их преобразовании в зоне литогенеза образуются осадочные горные породы (песчаники, известняки, аргиллиты и др.). Основным источником, дающим материал для образования осадочных пород, являются ранее существовавшие породы, прежде всего, магматические, которые на заре истории Земли были почти единственным их исходным материалом, но с ростом покрова осадочных пород все более вытеснялись последними. Средний химический состав магматических и осадочных пород сходен.

Всоставе осадочных пород выделяют минеральную часть, органические остатки, вулканический материал.

Минералы осадочных пород. Минеральный состав магматических и осадочных пород резко различен. Магматические породы сложены силикатными и алюмосиликатными минералами, образовавшимися в глубоких горизонтах земной коры и неустойчивыми на ее поверхности. Эти минералы содержатся в осадочных породах в небольших количествах или полностью отсутствуют в них - оливин, роговая обманка, альбит, анортит, биотит, магнетит, титано-магнетит, ильменит. Магматические минералы устойчивые в зоне осадкообразования – кварц, светлые слюды, натриево-калиевые и кислые плагиоклазы составляют основную часть обломочных осадочных пород. В качестве акцессорных минералов в осадочных породах могут присутствовать амфиболы, пироксены, гранаты, циркон, турмалин, монацит, дистен, ставролит, эпидот, топаз, рутил, лейкоксен, шпинель, флюорит, сульфиды. Эти минералы называют реликтовыми, аллохтонными, обломочными или терригенными, т.е. поступившими в осадочный бассейн с суши. Минералы собственно осадочного происхождения относятся к группе аутигенных, т.е.образовавшихся на месте в процессе осадконакопления. Это минералы глинистых пород и пород биогенного и химического происхождения. В отличие от минералов магматических пород, минералы осадочных пород представлены более простыми соединениями – окислы, гидроокислы, соли. Они включают группу кремнезема, карбонаты, глинистые минералы, железистые, фосфатное вещество, гидроокислы алюминия, сульфаты, хлориты.

8

2.1. Стадии образования и преобразования осадочных пород

Процесс образования и преобразования осадочных пород носит название литогенеза. В цикле процессов образования осадочных пород выделяется ряд стадий (по Н.М.Страхову): гипергенез – возникновение исходных продуктов для образования осадочных пород (продукты механического разрушения, химического разложения более древних пород, жизнедеятельности организмов, вулканической деятельности); седиментогенез – перенос и осаждение вещества; диагенез – совокупность процессов преобразования рыхлых осадков в осадочные породы в верхней зоне земной коры; эпигенез (катагенез) – стадия химико-минералогического 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.

Формирование некоторых пород иногда может происходить, минуя отдельные этапы. Например, при образовании углей может отсутствовать этап переноса осадочного материала, при образовании остаточных латеритных бокситов – этапы переноса и накопления осадка и т.д. Продолжительность каждого этапа литогенеза в широких пределах – от долей суток до десятков и даже сотен тысяч лет, а образование осадочной породы может длиться в целом многие сотни тысяч лет.

Осадочные горные породы могут формироваться из различных продуктов, среди которых основными являются:

1)обломочная часть – продукт механического раздробления горных пород различного генезиса

2)хемогенная часть – продукты химических реакций, происходящих главным образом в водной, реже в воздушной среде.

3)Биогенная часть – остатки животных и растительных организмов, в виде минеральных скелетных остатков или не полностью разложившихся органических тканей.

4)Вулканогенная часть – продукты вулканической деятельности – вулканический пепел, вулканические бомбы

5)Коллоидный материал – тонкодисперсные частицы величиной от 1 до 10 мкм (10-6 – 10-4 мм), образующиеся при тончайшем раздроблении обломочного материала или вследствие агрегации молекулярно-дисперсных частиц

6)Космическая часть – в основном космическая пыль, метеоритная

пыль.

Значительный объем в осадочных породах часто составляют пустоты различного

размера, заполненные жидкостями или газами.

Роль отдельных составных частей на протяжении геологической истории Земли не оставалась постоянной. В наиболее древние геологические эпохи главнейшими являлись обломочная, вулканогенная и видимо хемогенная часть. Позднее в фанерозое, значение вулканогенной части понизилось, но существенно возросла роль органогенной.

2.2. Источники и механизмы образования осадочного материала

Образование исходного продукта для осадочной породы происходит при гипергенезе благодаря процессам выветривания, а также при вулканической деятельности.

Физическое и химическое выветривание приводит к образованию твердого обломочного продукта, истинных растворов и коллоидных систем. Минералы пород, подвергающиеся выветриванию, обладают разной устойчивостью, что приводит к

9

накоплению устойчивых и уменьшению (вплоть до полного исчезновения) неустойчивых минералов.

Коры выветривания. В результате процессов химического и физического выветривания на месте залегания материнских пород возникает кора выветривания, состоящая из новообразованных и унаследованных от материнских пород минералов. Часть вещества, перешедшего в раствор выносится, за пределы зоны выветривания. Формированию кор выветривания способствует теплый (жаркий) и влажный климат с большим количеством метеорных осадков, а также равнинный характер рельефа и условия статического тектонического режима территории.

Выветривание приводит к образованию месторождений полезных ископаемых – золота, платиноидов, алмазов, алюминия, железа, марганца, никеля, кобальта и обогащение сульфидных месторождений цветных металлов.

Вулканический источник осадочного материала. В результате вулканической деятельности на поверхность Земли поступает твердый, жидкий и газообразный материал. Твердая фаза представляет собой частицы от долей мм до 1 м и более. Крупные фрагменты – вулканические бомбы разносятся на небольшие расстояния от кратеров вулканов. Мелкие частицы – вулканический пепел (мельче 1-2мм) при извержениях наземных вулканов разносятся на десятки и сотни километров. Термальные воды несут массу растворенных веществ, часть которых при выносе на поверхность переходит в осадок. При взаимодействии вулканических газов (СО2, СО, SO3, SO2, N2, H2, Cl2, F2, Ar) с горными породами, осадками и растворенными веществами возникает новый осадочный материал.

2.2.2 Стадия седиментогенеза

Выветрелый материал в виде обломков, коллоидных частиц и истинных растворов переносится из области выветривания и отлагается с образованием осадка. Процессы переноса и отложения осадочного материала неразрывно связаны и называются седиментогенезом. Преобладающая часть продуктов выветривания выносится из зоны выветривания и отлагается вдали от зоны выветривания, от места разрушения материнских пород. Основными агентами переноса являются текучие воды, движущийся лед, ветер. Значение этих агентов различно для разных климатических зон. Во всех случаях большую роль играет сила тяжести, которая определяет перемещение ледников, речных потоков и регламентирует дальность переноса.

Местами накопления осадка являются водные бассейны и поверхность суши, при этом преобладают водные бассейны. Общий облик осадка и его физико-химические признаки определяются с одной стороны качеством и количеством поступающего осадочного вещества, с другой – физико-географической обстановкой и свойствами среды, в которой происходит седиментогенез. Например, при обильном поступлении осадочного материала м стабильной остановке может образоваться мощный, однородный слой песка, а периодическое изменение обстановок приведет к формированию тонкого переслаивания осадочных образований, различных по составу и строению (например, песчано-алевритовые слоистые толщи).

В водной среде отложения осадочного материала в значительной мере определяется размером и плотностью частиц. Крупные частицы, при прочих равных свойства, имеют значительно большую скорость осаждения, чем мелкие и накапливаются ближе к области сноса. Частицы с большей плотностью быстрее осаждаются. Определенное влияние на скорость осаждения оказывает вязкость водной среды, возрастающая с понижением температуры, повышением солености и концентрации

10

коллоидных частиц. Скорость осаждения песчаных и алевритовых частиц шарообразной формы описывается формулой Стокса:

v = 2 r2(γ1-γ2) g 9 μ

r – радиус частиц, γ1 – плотность частиц, γ2 – плотность воды, μ – вязкость воды, g – ускорение свободного падения. При отклонении от шарообразной формы частиц (эллипсоидальной, пластинчатой, призматической и др.) скорость осаждения понижается.

Коллоидный материал осаждается при коагуляции, происходящей при взаимодействии частиц с противоположными зарядами, повышении концентрации коллоидных систем, под влиянием радиоактивного облучения, ренгеновских лучей, и вследствие изменения свойств среды. В спокойной гидродинамической обстановке коллоидный материал переходит в осадок поблизости от места образования, в подвижной среде он может быть унесен на значительные расстояния.

Растворенные и газообразные вещества, прежде чем перейти в осадок, под влиянием жизнедеятельности организмов и физико-химических факторов выделяются в твердую фазу.

Скорость накопления осадков в водной среде колеблется в очень широких пределах – от долей мм до нескольких десятков сантиметров в год. Минимальные скорости осадконакопления в современную эпоху наблюдаются в центральных частях океанов и составляют 0,006-0,008 мм в год.

Высокие скорости накопления осадков характерны для дельт крупных рек и бассейнов с высокой минерализацией (до 20 см в год и более).

Осаждение частиц переносимых атмосферой происходит при уменьшении скорости ветра.

Накопление материала, переносимого ледниками и льдами, происходит на суше (в виде морен, флювиогляциальных и других отложений), в прибрежных частях морей часть обломков рассеивается в осадках открытых морей и океанов. Ледниковые отложения характеризуются очень низкой отсортированностью и окатанностью обломочного материала. Они в основном состоят из неокатанных валунов, щебня, дресвы или их смесей, которые цементируются песчаным, алевритовым и глинистым материалом.

Меньше всего в состоянии переноса находится материал, переносимый под действием собственной силы тяжести – при обвалах, осыпях, мутьевых потоках.

2.2.3. 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, регламентирующие течение осадочной дифференциации, являются: 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. На ход процесса осадочной дифференциации влияют физико-химические свойства осадочного материала: 1) степень дисперсности, 2)