Седиментогенез та осадові гірські породи

Осадові гірські породи формують верхню частину літосфери. Вони широко розповсюджені на континентах і дні Світового океану. Їх утворення та накопичення в широкому часовому діапазоні від раннього протерозою (3,5 млрд. років тому) до сучасного періоду відбувалося завдяки процесам седиментогенезу (грецьк. седимент – осадок, ґенеза – утворення), що відбувалися і відбуваються нині. Товщина шару осадових порід досягає десятків кілометрів.

Роль екзогенних процесів у седиментогенезі є провідною, оскільки джерелом їх енергії є сонячне випромінювання.

Седиментогенез – це процеси взаємодії поверхневих геосфер Землі – атмосфери, гідросфери та літосфери за участю живих рослинних організмів (біосфери), що приводить до формування мінерально-органогенних утворень на суші та у водному середовищі (океанах, морях, річках, озерах, болотах). Енергетичною основою їх є сонячне випромінювання.

Принципова схема утворення осадових гірських порід включає таку послідовність основних процесів породоутворення: седиментація або седиментогенез (накопичення осадів) – катагенез (зміна осадових гірських порід, що супроводжується ущільненням та перекристалізацією осадової речовини) – метагенез (більш глибокі зміни речовини гірських порід на глибині) – гіпергенез (зміни порід під впливом вивітрювання в приповерхневій частині земної кори).

Залежно від характеру нагромадження осадові гірські породи поділяються на уламкові (теригенні), хімічні (хемогенні), та біологічні (біогенні).

Джерелом речовини осадових порід є:

– продукти вивітрювання (руйнування) магматичних, метаморфічних і древніших осадових порід;

– компоненти водних розчинів;

– продукти життєдіяльності організмів (органічна речовина, гази тощо);

– продукти вулканічних вивержень (тверді частки, гарячі розчини, гази);

– космічний матеріал (кульки заліза, нікелю, силікатів, уламки різних розмірів, космічний пил);

– продукти життєдіяльності людини (для відкладів четвертинного періоду).

Різні екзогенні процеси, що супроводжуються осадконагромад-женням, взаємопов’язані між собою. Для них існують як загальні риси, так і суттєві розбіжності. Загальним є те, що кожен із процесів, сприяючи руйнуванню гірських порід, зумовлює утворення осадків. Проте спрямованість, час дії та масштаби їх є різними. Особливо яскраво ці відмінності прослідковуються за екзогенними геологічними процесами суші й моря. Якщо на суші широко розвинуті процеси ерозії та денудації, що обумовлюють зниження рівня земної поверхні, то на дні Світового океану переважають седиментаційні процеси, які призводять до заповнення западин осадками.

Масштаби континентального осадконагромадження різко обмежені за площею і приурочені головним чином до понижень у рельєфі – міжгір’їв, озер, долин річок, боліт тощо. Розповсюдження різних за складом та умовами утворення континентальних відкладів залежить від кліматичних умов. Для областей зі спекотним арідним кліматом характерними є еолові й сольові відклади; для рівнин з вологим гумідним кліматом – алювіальні, делювіальні, елювіальні, озерно-болотяні відклади; для областей материкового зледеніння – моренні, флювіогляціальні, озерно-льодовикові відклади.

В океанах, що за площею перевищують сушу майже у два рази, осадконагромадження відбувається майже повсюдно. У мілководних зонах переважають теригенні відклади, які характеризуються значною товщиною осадків, різноманітністю їх складу і великою кількістю фауни. У глибоководних зонах розвинуті тонкі глинисті мули та відклади раковин планктону. Морські відклади, як і континентальні, також залежать від кліматичних умов. Так, для теплих морів з нормальною солоністю характерними є коралові мули та рифи, для холодних морських вод – відклади діатомових мулів і т. ін.

Тривалість екзогенних геологічних процесів може бути встановлена за товщиною осадових шарів, часом існування водних басейнів, глибиною ерозійного зрізу та ін. Найдовшим є морське осадконагромадження. За мільйони років на дні морів накопичуються осадки товщиною у сотні й тисячі метрів.

За довгу геологічну історію дії екзогенних процесів на Землі неодноразово змінювалися положення континентів та океанів, кліматичні умови, обновлювалися флора й фауна. Тому кожний з геологічних етапів вносить свої особливості у формування осадових товщ та їх розповсюдження.

Формування осадових порід відбувається у декілька етапів.Осадки, переходячи у викопний стан, змінюються, ущільнюються і поступово перетворюються в осадові породи. Цьому сприяють процеси діагенезу.

Діагенез (грецьк. – переродження) – сукупність геологічних процесів перетворення пухкого осадка в осадову породу. Зміни відбуваються під покровом молодших за віком відкладів в умовах температури і тисків верхньої зони земної кори. Характер діагенетичних перетворень залежить від Еh середовища (окислювального чи відновлювального), в якому знаходиться осадок.

Стадії діагенезу осадку: 1) ущільнення; 2) дегідратація (витіснення води); 3) розчинення та вилуження; 4) перекристалізація.

Ущільнення відбувається під дією ваги залягаючих вище покладів. Унаслідок цього піски перетворюються у пісковики, мули – у глину, а скупчення раковин – у вапняк. У результаті ущільнення осадку відбувається його дегідратація. З нього віджимається вода. Втрата води часто супроводжується винесенням легкорозчинних сполук. Розчинення зазнають вуглекислі та сірчанокислі солі кальцію (гіпс, арагоніт, кальцит), іноді сполуки кремнію (опал) та ін. Винесення з мінеральної маси осадку окремих сполук має назву вилуження. Вилуження спричиняє утворення в породі дрібних порожнин, або каверн. Кавернозність спостерігається у карбонатних породах, доломітах, вапняках. Згодом порожнини заповнюються іншою мінеральною речовиною. Так у породі з’являються включення піриту, халькопіриту або інших мінералів. У тих частинах осадка, де утворюються підвищені концентрації різних хімічних елементів, відбуваються процеси перекристалізації мінеральної речовини з утворенням кременистих, залізистих або фосфоритових конкрецій.

Характер хімічних перетворень осадів визначається умовами середовища його знаходження. Середовище може бути окислювальним або відновлювальним. За наявності вільного кисню закисні сполуки заліза та марганцю переходять в окисні сполуки. Так, сидерит [Fе СО₃], окислюючись, переходить у лимоніт – Fе₂О₃^.Н₂О. У присутності органічної речовини в осаді утворюється відновлювальне середовище. Бактерії, розкладаючи органічну речовину та вуглеводні, сприяють виділенню з них вуглекислоти та сірководню. Хімічні реакції СО₂ та Н₂S з мінералами призводять до утворення карбонатних сполук і сульфідів (доломіт, сидеріт, пірит).

Фації. Осадові породи, що утворились у різних фізико-хімічних умовах відрізняються за своїм хімічним і мінеральним складом, зовнішнім виглядом та іншими особливостями. Група осадових порід, що утворилася в однакових умовах осадконакопичення й характеризується певними рисами, має назву фація (лат. – лице, вид). За фізико-географічними умовами утворення виділяються морські, континентальні та лагунні фації.

Морські фації залежно від глибини нагромадження осадків поділяють на прибережні, мілководні, помірно-глибоководні та глибоководні.

Прибережні фації складені крупно- і середньоуламковими осадами (породами), серед яких наявні раковини молюсків, характерних для літоральної зони існування.

Мілководні (до 100 м) та помірно-глибоководні (глибше 100 м) фації є дуже різноманітними за складом і фауною. Вони представлені пісками, галечниками, глинами, а також форамініферовими, кораловими, брахіоподовими вапняками і крейдою. Хемогенні відклади представлені бокситами, рудами заліза, марганцю, фосфоритами.

Глибоководні й дуже глибоководні фації представлені синіми, червоними, зеленими глинами, глауконітовими пісками, вулканогенно-осадовими відкладами, червоною глибоководною глиною, вапняками, діатомітами.

Лагунні фації, що формуються у відокремлених морських мілководних басейнах, представлені хемогенними породами (вапняки, доломіти, солі, гіпс), а також теригенними відкладами, що є близькими за складом до морських осадків, але з наявністю глауконіту, фосфориту, вугленосних порід. Серед них трапляється фауна мшанок, ракоподібних риб.

Континентальні фації поділяються на наземні й відклади континентальних водоймищ.

До наземних фацій належать:

а) фації кори вивітрювання, що складаються з каолінових глин, латеритів та інших продуктів вивітрювання;

б) еолові (піщані) фації або фації пустель, представлені пісками, що характеризуються великим розповсюдженням і малою товщиною;

в) льодовикові (моренні, флювіогляціальні) фації складені з несортованого уламкового матеріалу, гравію, пісків, стрічкастих глин без наявності органогенного матеріалу;

г) передгірські фації, що представлені відкладами осипів та тимчасових гірських потоків: брилами, щебінкою, валунами, галечниками, пісками, глинами і характеризуються відсутністю органічних решток.

Фації континентальних водоймищ включають:

а) річкові фації, приурочені до древніх захованих і сучасних річкових долин, які складаються з алювіальних та делювіальних відкладів;

б) фації озер і боліт, що характеризуються лінзовидною формою залягання й невеликою товщою.

Прісноводні фації складені пісками, гравієм, алевритами, глинами, які вміщують органічні рештки. Відклади солоних озер представлені перешаруванням кам’яної солі, сильвініту, гіпсу та інших солей за відсутності органічного матеріалу. Для боліт є характерними відклади торфу та залізних руд.

Формації – комплекс осадових гірських порід різного петро-графічного складу, що утворилися у неоднакових фізико-географічних умовах, але за однакового тектонічного режиму рухів земної кори. Найрозповсюдженішими є соленості, червоноколірні та вугленосні формації.

Соленості (галогенні) формації представлені різними за складом хемогенними породами (доломіт, гіпс, ангідрит, кам’яна і калійна солі та ін.), серед яких можуть бути піски й глини. Товщина соленосних шарів вимірюється десятками і сотнями метрів. Формації червоноколірних порід утворені відкладами річок, їхніх дельт, озерними й прибережно-морськими осадками.

Вугленосні формації характеризуються присутністю серед пісковиків, глин, вапняків шарів та лінз вугілля. Товщина вугленосних формацій – до сотень і тисяч метрів.

Класифікацій осадових порід існує багато.Найпростіша з них ґрунтується на їх складі та генезисі (походженні). Згідно з нею, осадові породи поділяються на уламкові (теригенні), органогенні, хемогенні й пірокластичні.

1. Уламкові, або теригенні, породи залежно від величини уламків поділяються на грубоуламкові – діаметр уламків більший за 1 мм, піщані – 0,05 – 1 мм, пилуваті – 0,005 – 0,05 мм та глинисті – не більше ніж 0,005 мм. Уламки у породі можуть бути як відокремленими один від одного, так і зцементованими різним цементом (карбонатним, фосфатним тощо).

Грубоуламкові породи (псефіти) представлені валунами, галькою, гравієм, конгломератами та брекчією.

Валуни – обкатані уламки твердих гірських порід діаметром від 100 до 1000 мм і більше. Зустрічаються у районах діяльності льодовиків, на берегах морів, у долинах гірських річок.

Щебінь – необкатані уламки твердих порід розміром з 10 – 100 мм.

Галька – обкатані уламки твердих гірських порід і мінералів від 10 до 100 мм у поперечнику. Відклади гальки є найпоширенішими серед прибережних морських осадків.

Гравій – обкатані уламки мінералів і гірських порід діаметром від 1 до 10 мм. Валуни, щебінь, галька, гравій використовуються у будівництві як бутовий камінь та для приготування бетону. Зцементовані гравійно-галечникові (обкатані) породи мають назву конгломератів. Вони широко представлені серед древніх морських відкладів. Зцементовані необкатані породи називаються брекчією.

Піщані породи включають піски та пісковики. Піски – пухкі породи, що складаються з уламків твердих мінералів, переважно кварца. Вони, залежно від домішок, бувають глинистими, карбонатними, слюдистими, глауконітовими, залізистими тощо. Якщо піски складаються виключно з кварцу, їх називають кварцевими. Колір пісків – білий, жовтий, бурий, червоний та ін. За структурою піски можуть бути дрібно-, середньо-, крупно- й різнозернистими. Текстура їх переважно є шаруватою. Піски широко використовуються для виробництва скла, цегли та інших будівельних матеріалів. Зцементовані піски називаються пісковиками. За мінеральним складом цемента пісковики бувають кварцевими, глинисти-ми, карбонатними, гіпсовими, залізистими, кремнистими тощо. Колір, структура і форма залягання у них є такими ж, як у пісків. Пісковики використовуються у будівництві як бутовий камінь, для виготовлення щебінки та ін.

Пилуваті породи (алеврити) складаються з найдрібніших зерен кварцу, польового шпату, слюди, глауконіту. Щільну, зцементовану породу, яка на 50% складається з часток розміром 0,01 – 0,1 мм, називають алевролітом. Часто серед алевролітів зустрічаються піщані алевроліти, що складаються з рівної кількості алевритових уламкових часток розміром 0,05 – 0,1 мм і піщаних часток розміром 0,1 – 0,15 мм. Колір алевролітів звичайно зеленкувато-сірий, червонуватий, бурий. Цементом для них слугує глиниста речовина, карбонати, оксиди заліза та кремнію. Застосовуються у будівництві.

Глинисті породи становлять до 50 – 60% об’єму осадових порід. Типовий їх представник – глини, що складаються з каолініту та інших глинистих матеріалів. Мінеральні (окисли заліза, алюмінію, міді та ін.) й рослинні домішки забарвлюють глини у жовтий, бурий, червоний, зелений, темно-сірий, червоний і білий кольори.

У вологому стані глини є пластичними. При випалюванні вони спікаються в кам’янисту масу. Застосовуються для виробництва фарфору, керамічних виробів, будівельної та вогнетривкої (температура плавлення до 1700^о С) цегли.

2. Органогенні породи утворюються у водоймищах та на узбережжях. Представлені головним чином різними вапняками, крейдою і кременистими породами, які складаються з мушлей або уламків скелетів найпростіших організмів. До органогенних звичайно відносять і горючі породи – каустобіоліти (торф, викопне вугілля, горючі сланці, іноді – нафту), хоча у їх утворенні величезну роль відіграють хімічні процеси.

При вивчені органогенних порід слід мати на увазі, що формування багатьох з них так або інакше пов’язане з хімічними процесами і тому породи з чіткими ознаками хімічного та органічного походження правильніше відносити до біохімічних порід.

Вапняки – щільні або пористі породи світло-сірого кольору, іноді забарвлені домішками у світло-жовтий, сірий, темно-сірий та інші кольори. Залежно від організмів, мушлі яких утворюють вапняки, останні поділяються на коралові, форамініферові тощо. Залягають у вигляді шарів та лінз. Застосовуються у металургії, для виробництва вапна та цементу як будівельний матеріал.

Крейда – біла землиста пориста порода. Складається із вапняних решток морських водоростей – коколітофорид та дрібних черепашок форамініфер. У складі крейди іноді трапляються великі мушлі молюсків, морських їжаків та інших організмів. Крейда використовується для виготовлення вапна, цементу, зубної пасти й ін.

Мергель – порода, що складається з дрібнозернистого кальциту та глинистого матеріалу. За зовнішнім виглядом – м’яка, іноді тверда кременеподібна порода, забарвлена у білий, жовтувато-сірий або зеленкувато-сірий кольори. Застосовується у виробництві цементу.

Діатоміт – порода, що складається з мікроскопічних дрібних діатомових водоростей. Колір – білий. Через дуже високу пористість порода є настільки легкою, що плаває у воді. Застосовується як наповнювач полірувального матеріалу.

3. Хемогенні породи – утворюються у водоймищах при хімічному висадженні мінеральних речовин зі справжніх та суспензійних розчинів. Серед них солі, фосфорити, боксити, доломіти, мергелі, яшми.

Солі – відклади солоних озер або лагун, що знаходяться в умовах спекотного клімату. Інколи утворення їх пов’язане з розвантаженням по розломах у море гарячих хлоридно-натрієвих розчинів. До солей належать кам’яна сіль, або галіт – NaCl, сільвін – KCl, сільвініт (суміш галіту 25 – 85% та сільвіну 10 – 60%), гіпс – Ca[SO₄]^.2H₂O, ангідрит – CaSO₄ й ін. Залягають вони у вигляді шарів, лінз, штоків. Структура – кристалічно-зерниста. Використовуються у харчовій, хімічній та інших видах промисловості.

Фосфорити – піщано-глинисті або глинисто-карбонатні породи, що зцементовані фосфатним цементом. Склад їх зернистий, конкреційний, однорідний. У складі фосфоритів зустрічаються зуби акул, які вміщують до 65% фосфату кальцію. Забарвлення сіре, буре або чорне. Залягають у пластовій формі. Використовуються для виробництва сільськогосподарських добрив.

Боксити – руда на алюміній. Утворюються у корах вивітрювання кристалічних польовошпатових порід. Мають білий, сірий, червоний, бурий колір. Перевідкладені боксити мають озерне та морське походження. Вони бувають як пухкими, так і щільними (з оолітовою структурою). Використовуються для виробництва алюмінію.

Доломіт – CaМg(СО₃)₂ – утворюється у морських галогенних басейнах, найчастіше – шляхом метасоматичного заміщення вапняків, а іноді й унаслідок гідротермальних процесів. Має білий, сірий, зеленкуватий або червонуватий колір залежно від домішок. Розчиняється у НСl. Участі організмів в утворенні доломіту не встановлено. Застосовується у будівництві, металургії (для виготовлення вогнетривкої цегли і металічного магнію), у хімічній та інших галузях промисловості й у сільському господарстві.

Яшма – осадова кремнієва порода, строката і плямиста, що складена дрібнокристалічним кварцем з домішками халцедону. Забарвлена за рахунок окислів заліза та марганцю у різні відтінки червоного та жовтого кольорів. Яшми мають хімічне, вулканогенно-осадове й біохімічне походження. Завдяки високій твердості (7), міцності та гарному забарвленню використовується для коштовних дрібних виробів у ювелірній справі.

4. Пірокластичні (вулканогенно-осадові) породи. Генетично пов’язані з магматичними процесами, але за умовами утворення та зовнішнім виглядом належать до осадових. Продукти вулканічних вивержень, що викидаються в атмосферу, падаючи на землю, стають звичайними уламками. Їх перетворення в породу у водних басейнах мало чим відрізняється від утворення інших осадових порід.

Пірокластичні породи класифікують за величиною уламків: вулканічний попіл – з розмірами частинок до 1 мм, вулканічний пісок – від 1 до 2 мм, лапілі – від 2 до 10 мм, вулканічні бомби – більше ніж 30 мм. Цей матеріал у процесі діагенезу перетворюється у гірські породи – туфи, а якщо уламки крупніші – у туфобрекчії та туфоконгломерати. Нерідко вулканогенний матеріал змішується у потоках води з осадовим і за значної кількості останнього утворюються різні туффіти.

Туфи – загальна назва зцементованих пористих осадових і вулканогенно-осадових порід. Виділяють вапнякові туфи, вулканічні туфи та гейзерити. В Україні вони є в Криму, в Карпатах і на Поділлі. Використовують у будівництві.

Туфобрекчія – ущільнена гірська порода, що складається з різних за розміром кутастих, рідше – слабкообкатаних уламків ефузивних гірських порід, зцементованих вулканічним попелом. Туфобрекчії утворюють потужні шари, які входять до складу вулканогенних товщ. Використовуються як будівельний матеріал.

Туфіт – вулканогенно-осадова гірська порода, яка складається з вулканогенного матеріалу, викинутого при виверженні вулкану (шлаків, попелу, пемзи, уламків порід) і змішаного з ним осадового матеріалу. Може містити обкатані уламки інтрузивних гірських порід. Уміст пірокластичного матеріалу понад 50%. Цемент може бути карбонатним або глинистим. Використовується як будівельний матеріал.