Классификация и характеристика осадочных горных пород. Осадочные породы

Осадки и образующиеся при их диагенезе осадочные породы накапливаются в понижениях рельефа (на дне океанов и морей, озёр, в речных длинах, межгорных депрессиях и пр.) и, как правило, первоначально обладают горизонтальным залеганием. Образуемые ими уплощенные геологические тела называют слоями. Слой – это уплощенное геологическое тело относительно однородное по составу и строению, ограниченное приблизительно параллельными поверхностями раздела.

Верхняя граница слоя называется кровлей, нижняя - подошвой.

Примечание. Помимо термина «слой», часто употребляется термин «пласт», имеющий аналогичное значение, но обычно применяемый для полезных ископаемых, например угля, известняка и др.

Расстояние между кровлей и подошвой слоя определяет мощность данного слоя. Различают два вида мощности: истинную мощность - кратчайшее расстояние между кровлей и подошвой пласта (по перпендикуляру) и видимую мощность - любое другое (не кратчайшее) расстояние между подошвой и кровлей.

Чередование слоёв определяет слоистое строение толщ осадочных пород.

Группы слоёв, обладающие некоторой общностью признаков, отличающих их от смежных по разрезу слоёв (или групп слоёв) объединяют в пачки . Такая общность может быть связана с особенностью строения (повторяющееся на некоторой мощности разреза переслаивание двух или более разновидностей пород), отличием в литологическом составе (обогащённость минеральными компонентами, ожелезнение и пр.) или другими признаками, визуально выделяющими группу слоёв из общей мощности толщи.

Форма слоистости отражает характер движения среды, в которой происходит накопление осадка. Выделяют четыре основных типа слоистости: параллельную (горизонтальную), волнистую, косую, линзовидную.

Параллельная слоистость, когда поверхности наслоения параллельны, свидетельствует об относительной неподвижной среде, в которой накапливался осадок. Такие условия возникают в озёрах или морских бассейнах ниже уровня действия волн и течений.

Волнистая слоистость имеет волнисто-изогнутые поверхности наслоения. Она формируется при движениях, имеющих периодическую смену в одном направлении, например при отливах, приливах, прибрежных волнениях в мелководных зонах моря.

Линзовидная слоистость образуется при быстром и изменчивом движении водной или воздушной среды, например в речных потоках или приливно-отливной полосе моря. Она характеризуется разнообразием форм и изменчивостью мощности отдельных слоёв. Часто происходит выклинивание слоя, что приводит к его разобщению на отдельные части или линзы. Генетически тесно связана с волнистой.

Косой слоистостью называют слоистость с прямолинейными и криволинейными поверхностями наслоения и с различными углами мелкой слоистости внутри слоя. Она образуется при движении среды в одном направлении, например реки, потока, морского течения или движения воздуха. В речных потоках косая слоистость имеет общий наклон в сторону движения воды. Дельтовая разновидность косой слоистости более крупная и отличается плавным причленением косых слоёчков к подошве слоя, а у кровли косые слоёчки исчезают, и появляется более грубый материал. Косая слоистость морских отложений характеризуется также более крупными размерами и сравнительно небольшим наклоном. На мелководье образуется очень тонкая, переплетающаяся косая слоистость, ориентированная в различных направлениях.

Виды слоистости (слойчастости)

I - волнистая (и линзовидная), II - горизонтальная, III - косая

Особенности строения поверхностей наслоения помогают выяснить происхождение и условия залегания осадочных толщь. К числу таких особенностей относятся: ископаемые знаки ряби, первичные трещины усыхания, следы жизнедеятельности организмов, отпечатки дождевых капель, кристаллов льда и др.

Первичное и нарушенное залегание слоёв

Большая часть осадков образуется в морских или континентальных водоёмах или на прибрежных равнинах. Залегание осадков при этом практически горизонтальное (угол наклона не более 1 o). Такое залегание называют первичным . Первичное залегание с более крутым залеганием пород, достигающем 3-4 o , а иногда 10 o может возникнуть на склонах наземных и подводных возвышенностей, каньонов, уступов. Первичное залегание осадочных пород сохраняется сравнительно редко и нарушается последующими тектоническими движениями, что приводит к их наклонному залеганию, образованию складчатых и разрывных нарушений.

Пласты осадочных пород могут иметь согласное и несогласное залегание по отношению друг к другу. В случае согласного залегания каждый вышележащий слой, без каких либо следов перерыва в накоплении осадков налегает на нижележащие породы. Несогласное залегание образуется тогда, когда между вышележащим и подстилающим слоями отмечается перерыв в осадконакоплении и стратиграфическая последовательность нарушена. Несогласное залегание может быть параллельным , когда пласты, несмотря на перерыв в отложении осадка, сохраняют параллельное залегание и угловым , когда одна толща лежит с перерывом по отношению к другой под определённым углом. Например, когда на смятом в складки пласте известняка горизонтально залегает слой песчаника. Выявление стратиграфических несогласий является одной из наиболее важных задач геологического картирования и проводится с использованием следующих признаков:

1. характерное строение поверхности несогласия, имеющей неровности, вымоины, уступы;
2. угловое несогласие между слоями разного возраста;
3. резкий возрастной разрыв между фауной в выше- и нижележащих слоёв;
4. резкое различие в степени метаморфизма двух соприкасающихся слоёв;
5. присутствие базального конгломерата в основании несогласно залегающей серии пород;
6. резкий переход от морских к континентальным отложениям и наоборот;
7. следы выветривания на поверхности несогласия.

Пликативные дислокации слоёв горных пород

В результате действия пластических деформаций горных пород возникает нарушенное залегание слоёв земной коры без видимого разрыва их сплошности. Такие формы нарушений называют пликативными дислокациями. К ним относится образование моноклиналей, складок и флексур.

Моноклинальное залегание образуется тогда, когда горизонтально залегающие породы в результате тектонических движений приобрели наклон под одним углом на значительном пространстве. Моноклиналь это наиболее простая форма пликативных дислокаций, широко проявлена в чехлах молодых и древних платформ. Существуют слабонаклонные (до 15 o), пологие (16-30 o), крутые (30-75 o), поставленные на голову (80-90 o) моноклинали.

Складчатые деформации или складки - это волнообразные изгибы пластов без разрыва сплошности пород. Этот тип дислокаций проявлен наиболее широко. Во всех типах складок различают несколько основных элементов.

Часть складки в месте перегиба слоёв называется замком, сводом или ядром . Крылья - боковые части складок, примыкающие к своду. Угол складки - угол, образованный линиями, являющимися продолжением крыльев складки. Осевая поверхность складки - воображаемая плоскость, проходящая через точки перегиба слоёв и делящая угол складки пополам. Осевая линия (ось складки) - линия пересечения осевой поверхности с горизонтальной плоскостью или с поверхностью рельефа. Осевая линия характеризует ориентировку складки в плане и определяется азимутом простирания. Шарнир складки - линия пересечения осевой поверхности складки с поверхностью одного из слоёв, составляющих складку. Он характеризует строение складки вдоль осевой поверхности (по вертикали) и определяется азимутом и углом погружения или воздымания. Размеры складок характеризуются длиной, шириной, высотой. Длина складки - это расстояние вдоль осевой линии между смежными перегибами шарнира. Ширина складки - расстояние между осевыми линиями двух соседних антиклиналей или синклиналей. Высотой складки называется расстояние по вертикали между замком антиклинали и замком смежной с ней синклинали.

Складки, пласты которых выгнуты кверху, называются антиклиналями. У этих складок в ядре на дневной поверхности обнажаются более древние породы, а на крыльях - более молодые и они наклонены от ядра. Складки, пласты которых прогнуты книзу, называются синклиналями. У них в ядре обнажаются более молодые породы, и крылья наклонены к ядру. Это две основные формы складок.

В зависимости от положения осевой поверхности в пространстве выделяют следующие разновидности складок.

Прямые складки - осевая поверхность вертикальна, а крылья падают в разные стороны под одинаковыми углами.

Наклонные складки - осевая поверхность наклонена к горизонту, а крылья падают в разные стороны под разными углами.

Опрокинутые складки - осевая поверхность круто наклонена, а крылья падают (наклонены) в одну сторону под разными углами. В этих складках различают нормальное и опрокинутое крылья.

Лежачие складки - осевая поверхность параллельна горизонтальной поверхности. Крылья наклонены в одну сторону под одним углом.

Классификация складок по положению осевой плоскости

Форма складок зависит также от соотношения крыльев и замка. В зависимости от этого складки могут быть острыми , когда крылья образуют острый угол (до 90 o), тупыми , с углом более 90 o , изоклинальными , с параллельным расположением крыльев и тупым замком, веерообразными , с пережимом крыльев, сундучными с пологим широким замком.

В продольном сечении складки бывают линейными , у которых длина превышает ширину более чем в три раза, брахиформными , с отношением длины к ширине меньше трёх и куполовидными , с примерно одинаковыми размерами длины и ширины складки.

Шарнир складки по простиранию часто испытывает погружение или воздымание и представляет не прямую, а волнистую линию. Это явление называется ундуляцией . В этом случае наблюдается замыкание складки, когда одно крыло вдоль оси постепенно переходит в другое. В антиклинальных складках такое замыкание называется периклинальным , а в синклинальных - центриклинальным .

Разновидностями антиклинальных складок являются диапировые складки и соляные купола . Их образование связано с присутствием в ядрах этих складок пластичных пород (глин, солей, гипса), которые, под действием огромного давления вышележащих пород, выжимаются и внедряются в эти породы, образуя пологий свод и крутые боковые поверхности.

Наиболее широко развитыми разновидностями диапировых складок являются соляные купола и глиняные диапиры. В соляных куполах различают ядро, сложенное пластичными породами и более хрупкие вмещающие породы. Ядро носит черты активного протыкания, а вмещающие породы пассивно приспосабливаются к движению ядра. Очень часто соль в ядре имеет форму цилиндрического столба, образуя «соляной шток». При внедрении соляных масс свод купола подвергается растяжению и в нём, могут возникнуть многочисленные трещины и разломы. С соляными куполами часто связаны промышленные скопления нефти и газа. Формирование диапировых складок, по данным Ю.А.Косыгина, а также американских исследователей Бартона, Нельтона и других, происходит лишь там, где мощность пластичных пород составляет не менее 120 м, а глубина их залегания превышает 300 м. Пластичные породы, будучи вовлечены в процесс сжатия, в месте с окружающими их хрупкими породами выжимаются из крыльев в ядра антиклиналей. При благоприятных условиях они могут прорвать перекрывающие породы и образовать диапировые складки.

(по Бенцу)

Складки часто собраны в группы и образуют параллельные, кулисообразные, четковидные, пучкообразные сообщества. Сложные линейно-складчатые структуры образуют синклинории и антиклинории. Антиклинории – это крупные, сложнопостроенные антиклинальные структуры, протяженностью сотни и даже тысячи километров. Они включают множество более мелких антиклинальных и синклинальных складок. Примером является мегантиклинорий Большого Кавказа. Синклинории – это такие же крупные, сложнопостроенные, но в целом синклинальные структуры, осложненные синклинальными и антиклинальными складками более низких порядков. Сочетание антиклинориев и синклинориев образует горные хребты и горные системы, такие как Альпы, Кавказ, Тянь-Шань и др.

Разновидностью крупных складок являются флексуры , которые представляют собой коленообразные или ступенчатые перегибы слоёв или пластов. В области перегиба мощности слагающих флексуру пластов несколько уменьшаются и часто возникают разрывы. Части флексуры, расположенные по обе стороны от перегиба называются крыльями. Выделяется смыкающее крыло, оставшееся на месте и нижнее - опущенное крыло. Вертикальная амплитуда смещения может составлять десятки, и даже сотни метров. Флексуры обычно ограничивают крупные платформенные структуры, такие как синеклизы, краевые прогибы и др.

Разрывные нарушения (дизъюнктивные дислокации)

Тектонические движения иногда приводят к разрыву сплошности пластов горных пород и образованию разрывных нарушений или дизъюнктивных дислокаций . Различают нарушения без существенного смещения по ним и нарушения со смещениями. Нарушения без смещения – это трещины. Они различаются по ширине (от миллиметров до нескольких метров), по протяжённости (от первых сантиметров до десятков километров), по глубине, форме (прямолинейные, дугообразные и др.) и т.д. Кроме трещин тектонического происхождения существуют трещины экзогенного (нетектоничекого) происхождения – трещины усыхания, оползней, обвалов, расширения пород, отслаивания и др.

Дизюнктивное нарушение; a-b - вертикальное смещение

К нарушениям со смещением относятся сбросы, взбросы, сдвиги и надвиги. Элементами тектонических нарушений являются: сместитель, крылья, угол наклона сместителя амплитуды смещения.

Сместитель – это плоскость, по которой происходит смещение. Угол наклона сместителя может варьировать от нескольких градусов до 80-90 o . Крылья – толщи пород, расположенные по обе стороны сместителя. При наклонном положении сместителя крыло, которое располагается над ним, называется висячим крылом, а расположенное под ним – лежачим. Амплитуда смещения – величина относительного перемещения пластов. Различают амплитуду смещения по сместителю, вертикальную, горизонтальную, стратиграфическую.

Одной из наиболее характерных форм разрывных нарушений является сброс . Это нарушение, у которого сместитель наклонён в сторону опущенного крыла (независимо от того, является оно висячим или лежачим). Если же сместитель наклонен в сторону приподнятых пород и уходит под них, то такое нарушение называется взброс . В отличие от описанных типов нарушений сдвигом называется разрывное нарушение, у которого перемещение происходит преимущественно в горизонтальном направлении, а сместитель расположен вертикально. Часто (или почти всегда) сбросы и сдвиги проявляются совместно и называются сбросо-сдвигами и сдвиго-сбросами.

Надвигом называется дислокация с разрывом пластов и надвиганием одного крыла на другое по относительно пологой или горизонтальной плоскости. Это нарушение взбросового типа, возникающее обычно вместе со складчатостью. Выделяют крутые (более45 o), пологие (менее45 o) и горизонтальные надвиги. Эти структуры широко проявлены в складчатых областях. Надвиг с большим горизонтальным перемещением называется шарьяжем , у которого висячее крыло может перемещаться на многие километры и даже на десятки километров.

Сбросовые нарушения часто проявляются в виде систем сбросов и взбросов. При этом образуются своеобразные структуры.

Грабен – опущенный участок земной коры ограниченный параллельными сбросами значительной протяжённости.
Горст – приподнятый участок земной коры, заключенный между параллельными разломами.

Несколько параллельных ступенчато расположенных грабенов образуют сложный грабен. Это относится к структурам Великих африканских озёр (Танганьика, Альберта, Рудольфа), рифту Красного моря, рифту озера Байкал, Рейнскому грабену и др.

Наиболее крупные надвиги и шарьяжи, характеризующиеся перемещениями пород на десятки километров по пологим, горизонтальным и волнистым поверхностям называются покровами . В покровах выделяются перемещённые массы висячего крыла, называемые аллохтоном , и оставшееся на месте лежачее крыло, называемое автохтоном . Покровы развиваются в областях со сложным покровно-складчатым строением. Они широко распространены в Альпах, Апеннинах, Гималаях, Карпатах, центральном и юго-восточном Кавказе, на западных склонах Урала, Верхоянье, Алтае и других областях.

В эту стадию осадочные породы претерпевают существенные преобразования, сопровождаемые изменением химико-минералогического состава, строения и физических свойств. Основными факторами преобразования пород являются температура, давление, вода, растворенные в ней соли и газообразные компо­ненты, рН, Еh и радиоактивное излучение. Направленность и ин­тенсивность преобразований в значительной степени определяются составом и физическими свойствами пород. В процессе катагенеза происходит уплот­нение пород, их обезвоживание, растворение неустойчивых сое­динений, а также перекристаллизация и образование новых минералов.

Метагенез

На этой стадии происходит максимальное уплотнение осадочных пород, меняется их минеральный состав, структура . Преобразование пород происходит под влиянием тех же факторов, что и при катагенезе, но температура более высокая (200-300 °С), выше минерализация и газонасыщенность вод, иные значения Еh и рН.

Изменение структуры пород проявляется в укрупнении размера зерен, в упорядочении их ориентировки, перекристаллизации с исчезновением фаунистических остатков. Завершается стадия метагенеза переходом оса­дочных пород в метаморфические горные породы .

Условия залегания осадочных горных пород

Большинство осадочных пород залегает в виде горизонтальных пластов , или слоев.

Классификация осадочных горных пород

В формировании осадочных горных пород участвуют различные геологические факторы: разрушение и переотложение продуктов разрушения ранее существовавших пород, механическое и химическое выпадение осадка из воды, жизнедеятельность организмов. Случается, что в образовании той или иной породы принимает участие сразу несколько факторов. При этом некоторые породы могут формироваться различным путем. Так, известняки, могут быть химического, биогенного или обломочного происхождения. Это обстоятельство вызывает существенные трудности при систематизации осадочных пород. Единой схемы их классификации пока не существует.

Различные классификации осадочных пород были предложены Ж.Лаппараном (1923 г.), В. П. Батуриным (1932 г.), М. С. Швецовым (1934 г.) Л. В. Пустоваловым (1940 г.), В. И. Лучицким (1948 г.), Г. И. Теодоровичем (1948 г.), В. М. Страховым (1960 г.), и другими исследова­телями.

Однако для простоты изучения применяется сравнительно простая классификация, в основе которой лежит генезис (условия образования) осадочных пород. Согласно ей породы этого класса подразделяются на обломочные , хемогенные , органогенные и смешанные .

Осадочные горные породы подразделяются на:

терригенные горные породы, например песчаник , брекчия , алевролит и др.

хемогенные горные породы, например боксит , латерит , каменная соль , доломит и др.

биогенные горные породы, например коралловые известняки , диатомиты , торф , каменный уголь и др.

вуланогенно-осадочные горные породы, например вулканический туф и др.

http://en.wikipedia.org/wiki/Sedimentary_rock

Виды осадочных горных пород

Подавляющему большинству осадочных пород присуща слоистость: многие осадочные породы представляют собой осадки, отлагавшиеся слоями в течение длительного времени. Отдельные слои отличаются друг от друга составом минеральных зерен, их величиной, окраской, плотностью сложения.

В зависимости от условий накопления пластов, различают слоистость горизонтальную, характерную для морских отложений; косую, характерную для речных отложений; диагональную и перекрестную, характерную для эоловых образований (рис. 1). Однако существуют и такие осадочные породы, в которых слоистость не наблюдается (например, в химических и органогенных отложениях).

Рис. 1. Типы слоистости осадочных горных пород:

а – горизонтальная, б – косая, в-диагональная, г – перекрестная

Количество пород осадочного происхождения достаточно велико. По условиям образования их разделяют на три группы:

1) обломочные (кластические), образовавшиеся благодаря механическому разрушению ранее существовавших пород;

2) химические, образовавшиеся в результате выпадения осадков из растворов;

3) органогенные, возникшие как следствие жизнедеятельности организмов.

Многие породы двух последних групп имеют общее происхождение и иногда их называют биохимическими.

Структуру осадочных пород различают по размерам, форме и составу слагающих их частиц.

По размерам различают следующие структуры: крупнообломочная, диаметр частиц, слагающих породу, составляет более 2,0 мм; псаммитовая (песчаная), диаметр частиц 2,0–0,05 мм; алевритовая (пылеватая), диаметр частиц от 0,05 до 0,005 мм; пелитовая (глинистая), диаметр частиц менее 0,005 мм. В случае скопления более или менее одинаковых частиц, структура носит название равномерно-зернистой, в противном случае – разнозернистой. По форме частиц породы бывают с окатанной и неокатанной структурой.

Для химических пород характерны оолитовая (зерна имеют форму шариков), игольчатая, волокнистая, листоватая и зернистая структуры. Породы органического происхождения, состоящие из хорошо сохранившихся раковин или растений, имеют биоморфную структуру.

Текстура осадочных пород чаще всего пористая и компактная (непористая).

Если осадочные породы представляют собой скопление отдельных, не соединенных друг с другом частиц, они называются сыпучими. Когда отдельные более крупные частицы скрепляет тонкозернистый материал, называемый цементом, породы получают название сцементированных и характеризуются компактной текстурой. Цементирование пород может происходить одновременно с их образованием, а также и после, в результате выпадения различных солей из циркулирующих по порам растворов. По составу различают глинистый, битумный, известковый, железистый, кремнистый и другие цементы. Характер цемента в значительной мере обусловливает плотность и прочность сцементированных пород. Самыми слабыми считаются породы на глинистом цементе, а породы же с кремнистым цементом отличаются наибольшей прочностью. Ниже приводится краткое описание наиболее распространенных осадочных горных пород.

Обломочные горные породы

Они состоят из обломков различных пород и минералов. По величине обломков выделяют:

1) крупнообломочные породы (псефиты), состоящие в основном из обломков диаметром более 2,0 мм;

2) среднеобломочные (псаммиты), состоящие из обломков диаметром от 2,0 до 0,05 мм;

3) мелкообломочные (алевриты), состоящие из обломков диаметром от 0,05 до 0,005 мм;

4) глинистые породы (пелиты), состоящие в основном из частиц диаметром менее 0,005 мм.

Имеется несколько классификаций обломочных пород, в которых размеры указанных выше обломков, относимых к тому или иному виду пород, несколько колеблются.

Крупнообломочные породы. К ним относят породы, состоящие из обломков размером от 2,0 мм до нескольких метров в поперечнике. В зависимости от структуры и текстуры выделяются следующие разновидности пород.

Глыбы – угловатые обломки размером свыше 200 мм, щебень – угловатые обломки размером от 200 до 40 мм и дресва – от 40 до 2,0 мм. Если же обломки указанных размеров окатанны, то их соответственно называют валунами, галькой и гравием.

Сцементированные щебень и дресва называются брекчией, а сцементированные галька и гравий – конгломератом.

Все крупнообломочные породы широко используются в качестве строительных материалов. Необходимо помнить, что названия «валуны», «щебень», «галька» и т.д. не говорят о свойствах пород, а лишь о размерах их обломков, а поэтому в строительстве их следует называть «галька песчаника», «щебень гранита» и т.п.

Среднеобломочные породы. К ним относят широко распространенные в природе пески и песчаники. Пески представляют собой рыхлые скопления обломков размером от 2,0 до 0,05 мм, а песчаники – сцементированные между собой обломки той же величины. В зависимости от величины обломков выделяют следующие фракции, мм: гру-бая (2,0–1,0), крупная (1,0–0,5), средняя (0,5–0,25), мелкая (0,25–0,10) и тонкая (0,10–0,05). По составу обломков пески и песчаники чаще бывают кварцевыми, иногда с примесями полевых шпатов, слюд, глауконита и других минералов.

Крупно- и среднеобломочные породы обычно редко состоят из одной фракции и поэтому для определения их названия в инженерной геологии пользуются классификацией ГОСТ 25100–82, приведенной в табл. 2.

Для установления наименования грунта по табл. 2 необходимо последовательно суммировать проценты содержания частиц исследуемого грунта: сначала – крупнее 200 мм, затем – крупнее 10 мм, далее – крупнее 2,0 мм и т.д. Наименование грунта принимается по первому удовлетворяющему показателю в порядке расположения наименований в таблице.

Мелкообломочные, или пылеватые породы представлены лессами, лессовидными суглинками, супесями, суглинками.

Лесс – порода, состоящая главным образом из частиц кварца размером 0,05–0,01 мм, с примесьюглинистых частиц (диаметром менее 0,005 мм) и кальцита. Лесс обладает большой пористостью (на долю пустот приходится 40 – 50% объема породы), в сухом состоянии порода прочна и выдерживает без изменения значительные нагрузки. При увлажнении лесс очень быстро теряет связь между составляющими его частицами и уплотняется. Явление уменьшения объема породы при увлажнении называют просадочностью. Уменьшение мощности лесса при увлажнении может достигать 10%, что обычно вызывает разрушение возведенных на нем сооружений.

Мощные толщи лесса (100 м и более) имеются в Северном Китае. Лесс широко распространен также и в СССР (на территории Украины, республик Средней Азии и в ряде районов Сибири).

Лессовидные суглинки отличаются от лессов тем, что в них помимо крупнопылеватьгх частиц (диаметром 0,05–0,01 мм) содержится значительное количество частиц более мелких. Состав же их близок к лессу и они обладают просадочностью.

Супеси – породы, содержащие до 10% глинистых (диаметром менее 0,005 мм) частиц, разделяются на легкие (3,0–6,6%) и тяжелые (6,0–10,0%).

Суглинки – породы, содержащие от 10 до 30% глинистых частиц, подразделяются на легкие (10–15%), средние (15–20%) и тяжелые (20–30%) разновидности.

Сцементированные супеси и суглинки называются алевролитами. Эти породы в воде не размокают.

Глинистые породы. К ним относят глины, которые весьма широко распространены на поверхности Земли. Эти породы состоят как из механически образовавшихся при разрушении других пород тончайших обломков, так и из частиц, возникших в результате химического разложения коренных пород. Типичными минералами глин являются каолинит, иллит и монтмориллонит. Содержание глинистых частиц в этих породах превышает 30%. Плотные, сцементированные кремнеземом глины называются аргиллитами. Они раскалываются на слои и не размокают.

Для определения супесей, суглинков и глин в полевых условиях применяют довольно простой способ. Комочек породы размельчают, слегка смачивают водой и скатывают в шарик, который затем сдавливают пальцами. Если при этом шарик рассылается, то породу относят к супеси; если не рассыпается, но по краям лепешки образуются трещины – к суглинку; типичная глина расплющивается в лепешку без образования трещин по краям.

Химические и органогенные породы

Они в подавляющем большинстве своем образуются в водных бассейнах. Первые – путем выпадения осадков из растворов в результате различных реакций; вторые – в результате накапливания отмирающих организмов, поглощавших из растворов некоторые соли для создания своего тела и скелета. Все эти осадки в результате последующего перерождения (диагенеза) превращаются в горные породы химического и органического происхождения. Многие из этих пород связаны друг с другом рядом переходов, что затрудняет установление принадлежности породы и поэтому ее зачастую называют биохимической.

Классификация химических и органогенных пород обычно производится по их химическому составу. Среди них выделяют карбонатные, кремнистые, железистые, галоидные, – сульфатные и другие породы. Особо выделяются горючие породы или каустобиолиты.

Карбонатные породы являются наиболее распространенными из рассматриваемой группы. Представлены они чаще всего известняками и мергелями.

Известняк – широко распространенная мономинеральная порода, состоящая из кальцита; она легко определяется по бурной реакции с соляной кислотой. Цвет известняков обычно белый или светло-желтый, но за счет примесей может быть изменен вплоть до черного. Известняки бывают органогенного и химического происхождения. Если удается определить, из остатков каких организмов состоит известняк, то по ним ему дается более точное название, напримерфузулиновый, коралловый и др. Если организмы не определены и порода состоит из целых и битых раковин, то она называется ракушечник.

Разновидностью органогенного известняка является мел, состоящий главным образом из мельчайших раковин фораменифер, их обломков, порошковидного кальцита и скелетов простейших морских водорослей. Мел – белая землистая порода, широко используется в народном хозяйстве.

Известняки химического происхождения встречаются в виде:

а) плотных известняков с тонкокристаллической массой;

б) оолитовых известняков, состоящих из мелких шариков скорлуповатого или радиально-лучистого строения, соединенных карбонатным цементом;

в) известковистого туфа, который состоит из мелкокристаллического кальцита. Эта пористая масса образуется из растворенного в подземной воде углекислого кальция, выпадающего в осадок. Известковистый туф называют также травертином;

г) натечных образований кальцита, образующихся из подземных вод. Наиболее характерными из них являются пещерные образования – сталактиты и сталагмиты.

Доломит состоит из минерала того же названия. Внешне он похож на известняк, но отличается от него слабой реакцией с соляной кислотой, буроватым цветом и большей твердостью. Образуется он путем химического изменения известковых осадков. Доломит применяется в качестве флюса, огнеупора, а также в строительном деле.

Мергель – порода смешанного состава, состоящая на 50–75% из кальцита и на 25–50% из глинистых частиц. Внешне мергель мало отличим от известняка: характерным его признаком является реакция с соляной кислотой, после которой на поверхности мергеля остается серое пятно, образование которого связано с концентрацией глинистых частиц на месте реакции. Порода широко применяется для производства цемента.

Кремнистые породы встречаются как химического, так и органогенного происхождения. Среди них наиболее известны диатомит, трепел и опока.

Диатомит – белая, легкая, пористая порода, пачкает руки, легко растирается в порошок, липнет к языку. Состоит из мельчайших опаловых скорлупок диатомовых водорослей. Применяется как фильтрующий материал, служит сырьем для получения жидкого стекла.

Трепел – внешне трудно отличим от диатомита, хотя состоит он не из органических остатков, а из мельчайших зерен опала, с незначительной примесью скорлупок диатомовых водорослей. Цвет трепела от белого до темно-серого. Характерным его признаком является низкая удельная масса и способность жадно впитывать влагу (прилипает к языку).

Опока – твердая порода белого, серого или черного цвета, часто обладающая характерным раковистым изломом. Наиболее твердые ее разновидности при ударе раскалываются с характерным звенящим звуком. Опока состоит из зернышек опала и остатков кремниевых скелетов, сцементированных кремнистым веществом.

Железистые породы образуются в результате разрушения (выветривания) магматических и метаморфических пород, содержащих иногда 2–3% железа. Железо может накапливаться на месте выветривания или переноситься в растворенном виде в моря и озера, где и осаждается.

Наиболее распространенными железистыми породами являются лимониты, представляющие собой гидроксид железа с песчаным или глинистым материалом. По внешнему виду это чаще всего бобовые или оолитовые образования, иногда натечные формы. Цвет – от желтого до бурого различных оттенков.

Сидериты – образуют сплошные зернистые массы, служат ценной рудой на железо. Состоят из одноименного минерала.

Другие породы

Галоидные и сернокислые породы образуются химическим путем. Сюда относятся каменная соль, гипс, ангидрит и другие мономинеральные породы, состоящие из породообразующего минерала и различных, главным образом механических, примесей.

Фосфатные породы. К ним относятся песчаники и глины, обогащенные кальциевыми солями фосфорной кислоты с содержанием их до 40%. Встречаются они в виде конкреционных или желваковистых разностей или пластовых залежей.

Фосфориты образуются путем выпадения химического осадка в морских условиях. Цвет их серый, темно-серый, черный. Они используются для удобрений и получения фосфора.

Каустобиолиты. Под этим названием объединяется большая группа органогенных пород и минералов. Они бывают твердыми (торф, бурый уголь, каменный уголь, антрацит, горючие сланцы, асфальт, озокерит, янтарь), жидкими (нефть) и газообразными (горючие газы). Каустобиолиты имеют большое народнохозяйственное значение.

Строительные свойства осадочных горных пород. Осадочные породы широко применяются в строительстве. Крупнообломочныс и песчаные породы используют в дорожном строительстве, а также как наполнители бетонов. Песчаники служат хорошими основаниями для сооружений; глины используют для производства кирпича; известняки – для получения извести и т.д.

Осадочные породы определяются как геологические тела, образовавшиеся и существуюшие в термодинамических условиях верхней части литосферы путем преобразования скоплений продуктов выветривания, жизнедеятельности организмов, материала вулканических извержений, заимствованного из атмосферы, биосферы, космоса.

В определении понятия «осадочная порода» вкладывается представление об источнике осадочного материала, способах его происхождения, условиях накопления и ьытия.

Как правило, осадки, из которых образуются осадочные породы, представляют собой рыхлый материал, накапливающийся на поверхности Земли и водных бассейнах (океаны, озера, моря) зона осадкообразования включает в себя гидросферу Земли, нижнюю часть атмосферы и верхнюю часть литосферы. Но осадки это лишь исходный материал для образования осадочных толщ.

Породообразование процесс длительный состоящий из нескольких этапов. Общая упрощенная схема образования осадочных пород приведена ниже.

Исходные продукты возникают в процессе выветривания кристаллических и других пород, поступают в сферу осадконакопления при вулканических извержениях, в результате техногенеза. Продукты выветривания под действием биологических, атмосферных агентов и водные компоненты образуют грубодисперсные (обломочные) системы, взвеси, суспензии, коллоидные, истинные растворы и вовлекаются в перемещение – транспортировку. Перемещение исходного вещества по поверхности Земли происходит под действием воды, ветра, льда, гравитации, живых организмов, а в последнее время и человека. Транспортировка завершается осаждением переносимого материала с образованием осадка. Стадия переноса и осаждения вещества называется стадией седиментогенеза, или просто седиментогенезом.

Седиментогенез это сложное явление. Оно включает механическую, химическую дифференциацию и интеграцию продуктов выветривания в процессе переноса и осаждения, образование и разрушение коллоидных и ионных систем. Источником вещества при образовании осадка могут быть продукты эксплозивной и экструзивной вулканической деятельности, подводного и надводного вулканизма, соединения, элементы, попадающие на поверхность и в приповерхностную зону при хозяйственной деятельности человека (техногенез), а также из космоса.

Накопившиеся осадки обычно еще не являются горной породой. Рыхлый иногда полужидкий осадок в стадию диагенеза превращается в уплотненную структурированную осадочную породу. Диагенез включает значительную группу процессов преобразования осадочного материала, сочетание и содержание которых зависит от условий осадконакопления, параметров и типа обстановки седиментации. Основные процессы диагенеза: уплотнение породы, удаление воды, старение коллоидов, разложение неустойчивых минералов, синтезирование новых, перераспределение вещества в процессе породообразования.

Седиментогенез и диагенез по Н. М. Страхову составляют содержание литогенез. Литогенез определяется совместным действием таких факторов, как климат, рельеф, геотектонический режим территории, космический, техногенный факторы, и протеканием в разнообразных природных обстановках. Действие этих факторов определяет тип литогенеза.

Н. М. Страхов на 1-ое место ставит климатический фактор и выделяет нивальный, аридный, гумидный типы литогенеза. Четвертый тип литогенеза, эффузивно-осадочный, выделен Н. М. Страховым по источнику вещества для образования породы. Им же в 1976 г. обосновано обособление океанического типа литогенеза.

По завершению стадии литогенеза сформированная осадочная порода подвергается последующим преобразованиям, составляющим содержание стадий катагенеза и метагенеза.

Относительно наименований и содержания этих стадий в литературе нет однозначного мнения. Катагенез большинством литологов понимается как стадия существования сформированной горной породы после завершения диагенеза, но до начала метаморфизма. Это совокупность физико-химических процессов, протекающих в условиях низких температур и давлений обычно при участии водной составляющей покрова. В стадии катагенеза в цементе пристутствуют глины, отмечается высокая пористость, сохраняются первичные структуры и текстуры.

Метагенез по Н. М. Страхову, Н. Б. Вассоевичу объединяет совокупность процессов начального метаморфизма в нижней части стратисферы с перекристаллизацией минеральных составляющих и со значительным увеличением степени литификации пород. Стадия характеризуется массовым растворением обломочных зерен , полевых шпатов, обломков горных пород, гидрослюдизацией и хлоритизацией глинистого вещества, перекристаллизацией пелитоморфных и зернистых карбонатов и т.п. Заметно уменьшается пористость до 3-5%. Появляются конформные, регенерационные структуры в перекристаллизованных известняках.

Вещественно-генетические составляющие осадочных пород

Осадочные породы состоят из разных по минеральному составу и происхождению составных частей – компонентов. Это отражает множественность источников осадконакопления и полистадийность породообразования. По М. С. Швецову порода – это сложное единство разнородных и образовавшихся в разное время составных частей. К ним относятся реликтовые (обломочные) минералы, неизменные обломки материнской породы, продукты разложения первичных минералов (из группы глин, слюд и др.), экзогенные новообразования, возникшие за счет осаждения соединений из истинных и коллоидных растворов, продукты диагенеза (фосфориты, сульфиды металлов, карбонатные стяжения и пр.), катагенеза (окислы, самородные элементы, сульфиды), метагенеза (кварц, гидрослюда и пр.). В составе осадочных пород выделяются терригенные, хемогенные, вулканогенные, космогенные, и биогенные вещественно-генетические составляющие. Они главным образом объединяются в 2 большие группы – аллотигенные и аутигенные компоненты.

К аллотигенным компонентам относятся материал, привнесенный из других областей, поставляемый в бассейн осадконакопления источником питания. После переноса путем волочения или в виде механической взвеси в результате осаждения переходит в осадок. Это, в основном, обломочный или терригенный материал, а также вулканогенные, или пирокластические, космогенные компоненты. Аллотигенный материал поступает с суши и частично – за счет продуктов перемыва осадков дна бассейна. Известно более 200 аллотигенных минералов и значительное число обломков разных пород. Аллотигенными обычно являются наиболее устойчивые к гипергенному воздействию минералы: кварц, ставролит, полевые шпаты, дистен, силлиманит, циркон, а также обломки горных пород и др. В зависимости от степени механической обработки аллотигенные минералы присутствуют в породе в виде окатанных до почти сферических, угловато-окатанных (со сглаженными углами) и неокатанных обломков. Форма и степень окатанности, а также размеры и состав зерен, их сортированность по размерам и составу – важный источник информации об области сноса, ее близости, удаленности, ландшафтно-климатических особенностях, вещественном составе материнских пород. К группе аллотигенных компонентов относится вулканогенный, или пирокластический, материал: частицы пепла, обломки лавы и другие продукты вулканических извержений, а также частицы космической пыли, в частности глобули никелистого железа, присутствующие в глубоководных океанических осадках.

Аутигенные компоненты возникают на месте в осадках или в породе на разных стадиях образования, изменения, или разрушения осадочных пород. Отражают физико-химические условия осадконакопления. В осадочных образованиях описано свыше 200 аутигенных минералов: сульфаты, соли, хлориты, глауконит, гидроксиды и оксиды железа, марганца, алюминия и др.; минералы кремнезема, глин, фосфаты, карбонаты, сульфиды железа, свинца, цинка, меди, самородные элементы и др.

Аутигенная природа минералов определяется по ряду признаков:

• -идиоморфности кристаллов в порах и пустотах;
• гипидоморфной структуре зерен и малым размерам в случае их присутствия в основной массе хемогенных и в цементе обломочных пород;
• сферолитовому, оолитовому строению;
• наличию коллоидных и метаколлоидных структур;
• выполнению и выстиланию пор и пустот;
• перемежаемости с другими аутигенными минералами;
• замещению обломочных зерен.

В зависимости от того, с какой стадией образования, либо изменения породы, связаны аутигенные минералы, они подразделяются на ряд групп: седиментационные, элювиальные, диагенетические, катагенетические и метагенетические.

Седиментационные аутигенные минералы слагают кальцитовые, фосфатные раковинки и другие скелетные части различных организмов образуют пласты гипса, ангидрита, солей, кремнистых, карбонатных пород, фосфоритов, оксидов и гидроксидов железа, марганца.

Наиболее значим в отношении аутигенного минералообразования формированием рудных скоплений химический элювий, включающий новообразования кор выветривания, в частности латеритных, с гидратами окислов марганца, железа, алюминия, карбонатов, кремневого вещества, глинистых минералов – смектитов, гидрослюд, хлоритов, солей. Аутигенная минерализация представляет собой результат физико-химических процессов, лежащих в основе взаимодействия выветривающей породы с газами атмосферы, просачивающимися дождевыми водами, капиллярного поднятия жидкости (инсоляция).

В эту же группу В. Т. Фролов относит продукты гальмиролиза – шамозиты, цеолиты, смектиты, фосфориты и др. и биоэллювий почв – гидрослюд, каолина, окислов железа, сидериты, карбонаты.

Диагенетические минералы образуются в стадии диагенеза, т.е. в период уплотнения осадка и превращения его в породу. Это разнообразные карбонаты, сульфиды, дисульфиды, фосфаты, хлориты, углефицированная растительная органика. Образуют конкреции, стяжения различной формы и размеров, цемент осадочных пород.

Катагенетические и метагенетические аутигенные минералы образуются в течение всего времени существования и изменения осадочных пород в литосфере, до превращения их в породы метаморфические. Неоднозначность трактовки терминов катагенез и метагенез не позволяет рассмотреть эти группы аутигенных минеральных новообразований более подробно. Тем не менее, у них есть существенные отличия.

Минералы катагенетической группы возникают в условиях более интенсивной динамики вод, нежели это характерно для области преобразований стадии метагенеза. Поэтому к катагенетическим можно отнести большую группу минералов, связанных с действием гидрогенного фактора, с различными видами движения вод. Это оксиды, гидрооксиды железа, марганца, ванадия, карбонаты разного состава, силикаты, в первую очередь сам кремнезем, сульфиды и дисульфиды железа, свинца, цинка, меди и других металлов, силикаты группы глин.

Для метагенетической группы наиболее характерны барит, силикаты, слюды, хлориты, кварц, смешаннослойные и другие минералы, испытавшие обезвоживание и некоторую перестройку кристаллической структуры.

Аутигенные минералы служат индикатором физико-химических условий среды минералообразования. Известно, что эти условия определяются такими показателями как окислительно-восстановительный потенциал Eh, величина кислотности-щелочности pH, соленость, температура, давление. Так гидраты окислов железа устойчивы при pH < 2,3-3. Опал SiO 2 , выпадает из кислых, слабокислых и нейтральных растворов, в щелочной среде он растворим. Карбонаты кальция и магния (кальцит, доломит) осаждаются из щелочных растворов при pH > 7,4. Сидерит образуется при pH = 7-7,2. Минералы группы каолинита образуются в кислой среде, монтмориллонит – в щелочной. Гидрослюдистые компоненты глин возникают и устойчивы в слабощелочной и щелочной средах.

Минералы элементов с переменной валентностью – железа, марганца, такие как оксиды, гидроксиды, карбонаты, силикаты, сульфиды: гётит, гидрогётит, манганит, псиломелан, анкерит и др., являются показателями окислительно-восстановительных условиях при положительных значениях Eh. Сидерит указывает на слабо восстановительные условия, а сульфиды различных металлов, в первую очередь наиболее распространенные в осадочных породах пирит и марказит, характеризуют резко восстановительную обстановку и отрицательные значения Eh.

Показателями солености воды, вернее концентрации растворов, являются карбонаты, сульфаты, хлориды. В интервале солености 4-15% осаждаются карбонаты кальция и магния с последующим образованием известняка и доломита. Вода с соленостью более 12-15% является источником сульфатов – гипса, ангидрита. Из рассолов с соленостью 25-27% высаживается галит, а при концентрации 30-32% — калийно-магнезиальные соли.

Относительно аутигенных минералов применимо понятие парагенетические ассоциации, объединяющие минералы, образованные генетически единым процессом. Примером такой ассоциации может служить ряд последовательного осаждения минеральных образований в соленосных лагунах: гипс, затем совместное осаждение каменой соли, гипса, полигалита.

К числу аутигенных образований осадочных пород часто органические остатки, в том числе растительные, скопления которых могут сформировать осадочную породу. К породообразующим организмам принадлежат:

1. организмы с кремневой раковиной, или скелетом (радиолярии, губки, диатомеи). Например: радиолярии слагают породы, состоящие из морских одноклеточных микроорганизмов с опаловым скелетом;
2. организмы с известковой раковиной или скелетом (фораминиферы, губки, кораллы, мшанки и др.), сине-зеленые, зеленые, багряные водоросли.

Первичный и вторичный минеральный состав осадочных пород

Комплекс минералов, образованных при конкретных условиях литогенеза, характерный для осадочной породы определенного происхождения, является первичным . Вещества, участвующие в формировании первичного состава породы, поступают в осадок при седиментации с перераспределением в составе осадка в стадию диагенеза.

Преобразования горной породы по завершению литогенеза (стадии катагенеза, метагенеза, гипергенеза) с изменением ее минерального, химического состава, текстуры, структуры называются наложенными или вторичными . Они происходят в результате смены давления, температуры, кислотности-щелочности, окислительно-восстановительного потенциала, условий залегания, соотношения с водной составляющей и идут с привносом, выносом, либо перераспределением вещества, проявленными в различной степени. Возникшие при этом минералы и минеральные ассоциации называются вторичными. Эти вопросы рассмотрены на примере отложений различного возраста, различных климатических зон, тектонических структур. Процессы вторичного изменения осадочных пород (образования минералов), идущие с привносом-выносом вещества, называются эпигенетическими или эпигенезом . Термин в такой трактовке применяется в учении о полезных ископаемых. Его использование в литологии для обозначения стадии литогенеза не рекомендуется.

Структуры и текстуры осадочных пород

Характерными признаками любой породы, в том числе осадочной, являются не только вещественный минеральный состав, но и особенности строения, обусловленные формой, размером слагающих ее частиц, их взаимоотношениями в объеме породы.

Текстуры и структуры – важнейшие характеристики осадочных пород. Дословный перевод с латинского: структура (structura) – строение, устройство, расположение; текстура (textura) – ткань, соединение, связь.

Под структурой понимают особенности строения осадочной породы, определяемые формой, размерами и взаимоотношением слагающих ее частиц. Структура породы зависит от морфологических особенностей отдельных составных частей и характера их сочетания.

Текстура – это сложение, обуславливаемой ориентировкой, относительным расположением компонентов породы, а также способом выполнения пространства. По Л. Б. Рухину текстура отражает размещение составных частей и их взаимное расположение. Наиболее характерные текстурные признаки – слоистость, ориентировка частиц и органических остатков, либо хаотичность, беспорядочность, изотропность.

Структуры и текстуры изучаются на макроуровне (штуф, обнажение, слой, пласт, пачка, толща) и микроуровне (в шлифах с помощью микроскопа). Результаты этих наблюдений дополняют друг друга.

Структура наиболее отчетливо устанавливается по размеру зерен, слагающих породу, и является характерным признаком для пород конкретного состава и происхождения. Их подразделение, номенклатура не являются однозначными.

Структуры пород обломочных делятся на:

• грубообломочную (крупнообломочная или псефитовая), с диаметром зерен более 2 мм;
• песчаную (псаммитовая), с диамтером зерен 2-0,1 мм;
• алевритовую (структура мелкообломочных пород), с диаметром зерен меньше 0,1 мм;
• пелитовую;
• смешанные.

Среди пород химического происхождения, хемогенных, по основному структурному признаку – величине зерен, выделяют:

• грубокристаллическую, более 1 мм;
• крупнокристаллическую, 1-0,5 мм;
• среднекристаллическую (0,5-0,25 мм);
• мелкокристаллическую (0,25-0,1 мм);
• тонкокристаллическую (0,1-0,01 мм);
• микрокристаллическую (<0,01 мм).

Иногда выделяют структуру пелитоморфную, размер зерен менее 0,05 мм.

Структура биогенных пород, сложенных хорошо сохранившими свою форму органическими остатками (состоят из целых раковин и скелетов организмов), называют биоморфными (цельнораковинными). Если же остатки организмов находятся в породе в виде окатанных, полуокатаных обломоков, то их структура будет именоваться детриусовой (органогенно-детритовой), или биокластовой . Среди органогенно-детритовых структур по размеру обломков выделяют:

• грубообломочные (ракушечниковые), диаметр обломков > 1 мм;
• крупнообломочные, 1-0,5 мм;
• среднеобломочные, 0,5-0,25 мм;
• мелкообломочные, 0,25-0,05 мм;
• тонкообломочные (шламовые), < 0,05 мм.

При изучении в шлифах, в породах, образованных при отложении вещества из растворов, можно наблюдать колломорфные структуры, обязанные наличию в их составе минеральных агрегатов криволинейных, прихотливо изогнутых, большей частью сферических очертаний. Выделяется оолитовая структура, обусловленная сложением породы округлыми, почти сферическими образованиями с центральным ядром концентрически-зонального строения небольших размеров, порядка 0,5 мм в диаметре. Более крупные разновидности оолитов (до 2-10 мм) называются пизолитами. Слои – концентры отражают периодичность отложения вещества. В результате роста кристаллов при раскристаллизации и перекристаллизации может возникнуть вторичное радиально-лучистое строение, оолит превратится в прозрачный сферолит. В сферолитах игольчатые, волокнистые кристаллы радиально расходятся от центра. Не исключается первичность, изначальность радиально-лучистой структуры сферолитов. Взаимоотношения радиально-лучистого и концентрически-зонального скорлуповатого строения сферолитов могут быть различными. Часто отмечается раскристаллизация зонального концентра с радиально ориентированными кристаллами при отсутствии таковой в других слойках оолита.

Разновидностью колломорфной структуры является ооидная (бобовая), отличающаяся присутствием в тонкодисперсной массе округлых, похожих на оолиты, но менее правильной формы, большей частью без центрального ядра минеральных агрегатов с волнистыми «размытыми» границами концентрических слоев.

Учитывая особенности строения, размеры зерен, агрегатов, помимо оолитовой, сферолитовой, ооидной структур выделяются различные виды обломочных структур, например пелитовая, пластинчатая, радиально-лучистая и др.

При изучении структурных особенностей обычно определяется структура породы в целом и структура цемента, если он присутствует в породе. Характеристика структуры по размеру, форме зерен дополняется выявленными при изучении шлифов особенностями строения цемента. При этом учитывается его состав, количество, способ цементации, соотношение с обломочной частью породы, степень кристалличности, характер распределения в породе, сортировка и взаимоотношение с обломками.

Породы, прошедшие стадию метагенеза, приобретают конформно-регенерационную, мозаичную, шиповидную и зубчатую структуры. Конформно-регенерационная структура выражается во взаимной приспособленности зерен друг к другу одновременно с их регенерацией.

Мозаичная или гранобластовая структура возникает в результате уплотнения породы, соприкосновения зерен с одновременной частичной перекристаллизацией их краевых частей. Шиповидные и зубчатые структуры образуются при перекристаллизации и частичном растворении зерна под действием стресса (тектонического сжатия).

Элементы структуры и текстуры связаны между собой и зачастую затруднительно провести границу между структурными и текстурными признаками. Так форма и размер песчаных зерен – элемент структуры, а их взаимное определенным образом расположение в породе – признак текстуры.

Текстуры формируются одновременно с накоплением осадка, либо в процессе литификации и последующих преобразований породы. Поэтому правомочно разделение текстур на 2 большие группы – первичных и вторичных текстур. Вторичные текстуры возникают позднее в результате взаимодействия различных процессов, действующих при диагенезе, метагенезе и выветривании.

Сложение осадочной породы (текстура) фиксируется в особенностях внутреннего строения пласта – внутрипластовые текстуры и на поверхности напластования – текстуры поверхности наслоения .

Существенное значение в формировании текстурного облика породы могут играть живые организмы. В связи с этим текстуры подразделяются на биогенные и абиогенные .

Абиогенные текстуры в группе внутрипластовых текстур включают массивную (неслоистую) и слоистые текстуры.

Слоистость – это неоднородность осадочных пород в разрезе по вертикали при однородном сложении по горизонтали. Она может выражаться сменой минерального состава, сменой структуры (песок – гравий), или его текстуры. В последнем случае массивный песчаник сменяется слоистым.

Причины возникновения слоистости – изменение параметров процесса осадконакопления. Эти параметры зависят:

1. от механизма образования осадка: в условиях течения, волнения, неподвижной среды, за счет осаждения, выпадения в осадок из растворов, в результате роста живых организмов, например, образование рифа и др.;
2. от тектонических условий: поднятия и опускания вызывают изменения в характере сноса осадочного материала;
3. от периодических изменений климата – количества осадков, наличия растительного покрова, наличия временных потоков, усиления, либо ослабления деятельности микроорганизмов;
4. от уплотнения осадков под давлением вышележащих толщ.

При характеристике слоистости используют понятие об элементах слоистости осадочных толщ. Слоистые текстуры по характеру взаимоотношения слойков и слоев, по форме и по их отношению к горизонту или серийным границам делятся на 3 основных типа.

Таблица 1 — Элементы слоистости толщ осадочных пород

Горизонтальная слоистость – чередование слойков и слоев, параллельных плоскости наслоения. Характерна для морских, флишевых толщ, озерных накоплений, но встречается и в горном аллювии.

Волнистая слоистость – чередование серии слойков, имеющих криволинейную выпукло-вогнутую форму. Типичны для осадков прибрежной зоны моря, эоловых, речных отложений.

Косая слоистость – серии косых слойков расположены внутри одного пласта или слоя косо, под определенным углом. Виды косой слоистости многообразны и зависят от типа осадков, способов образования и условий отложения.

Различают косую слоистость с параллельными и перекрестными сериями, однонаправленную и разнонаправленную. Своеобразную слоистость имеют эоловые осадки, представляющие собой сочетание косой и волнистой слоистости. Разновидностью косой слоистости является диагональная косоволнистая слоистость прибрежно-морского типа.

Текстурно-структурные признаки пород, и в первую очередь, слоистость, используют для выявления характерных черт обстановки осадконакопления в совокупности со множеством других прямых и косвенных показателей. Тем, не менее, целенаправленное изучение текстур осадочных образований в последние десятилетия значительно расширило возможности их генетической интерпретации. В частности, накоплен материал по сравнительной характеристике однотипных видов слоистости в породах разного происхождения. Так эоловая косая слойчастость по сравнению с речной отмечается меньшим постоянством углов падения из-за изменчивости направлений и силы ветра.

Закономерности изменения слоистости русловых отложений выявлены и показаны многими исследователями. Гравийно-песчаные осадки, накопившиеся в стрежневой зоне русел равнинных рек, могут быть неслоистыми, с неправильной горизонтальной слоистостью, иметь крупную косую однонаправленную слоистость. Правильная однонаправленная косая слоистость с однообразным наклонением косых слойков вниз по течению характерная для основной части руслового аллювия. Четкую горизонтальную слоистость имеют осадки озер в пустынях и в прибрежных зонах моря аридных областей. Учитывая факторы зависимости текстурно-структурного облика породы от способа отложения осадочного материала и обстановки осадконакопления, тем не менее, можно наметить доминирование конкретных видов слоистости для осадков определенного типа: косая слоистость типична для потоковых, русловых накоплений; для гравийно-песчаных осадков полосы активного морского прибоя характерна перекрестная косая слойчатость разносторонне наклоненная под разными углами; разновидности горизонтальной и волнистой – для озерных, пойменных, подводнодельтовых, удаленных от берега морских осадков. Более подробная характеристика текстур и структур дана при описании осадочных пород.

К категории внутрипластовых текстур и поверхностей напластования относятся сланцеватая, комковатая, чешуйчатая, ячеистая, сгустковатая и другие текстуры, текстуры оползания, ориентированных обломков, сутуростилолитовая, конус в конус или фунтиковая. Сланцеватая текстура, как правило, образуется при метагенезе осадочных пород и является вторичной. Сутуростилолитовая текстура типична для катагенеза и метагенеза. Текстуры оползания – следствие подводно-оползневой деформации. Подводно-оползневые процессы в настоящее время рассматриваются как породообразующие, приводящие к образованию песчано-илистых отложений с четкой градационной дифференциацией материала по размеру зерен.

Поверхности напластования элементов осадочной толщи осложняются наличием знаков ряби, образованных действием волн, течений, ветра, струй стекания. На плоскостях напластования могут наблюдаться следы трещин усыхания, капель, жизнедеятельности позвоночных животных, ракообразных, ползающих, роющих, сверлящих организмов, отпечатки и различные остатки растений и животных.

Формы отдельности различны: плитчатая, столбчатая, кубовидная, ромбовидная, оскольчатая. Шаровая и др.

По природе напряжений, разрядка которых вызывает раскалывание, отдельность бывает экзогенной и эндогенной.

Происхождение осадочных пород. Любая находящаяся на зем­ной поверхности порода подвергается выветриванию, т. е. разру­шительному воздействию воды, колебаний температур и т. д. В результате даже самые массивные, прочные магматические поро­ды постепенно разрушаются, образуя обломки разных размеров и распадаясь до мельчайших частиц.

Продукты разрушения переносятся ветром, водой и на опре­деленном этапе переноса отлагаются, образуя рыхлые скопления или осадки. Накопление происходит на дне рек, морей, океанов и на поверхности суши. Из рыхлых скоплений (осадков) с тече­нием времени формируются (уплотняются, приобретают структу­ру и т. д.) различные осадочные породы.

Осадочные породы слагают самые верхние слои земной коры, покрывая своеобразным чехлом породы магматического и мета­морфического происхождения. Несмотря на то что осадочные породы составляют всего 5 % земной коры, земная поверхность на 75 % своей площади покрыта именно этими породами, в свя­зи с чем строительство и производится в основном на осадочных породах. Инженерная геология этим породам уделяет наибольшее внимание.

Мощность толщ осадочных пород колеблется в широких пре­делах - в одних местах она очень мала, в других исчисляется ки­лометрами.

Инженерно-геологические свойства осадочных горных пород находятся в непосредственной зависимости от особенностей их состава, строения и состояния, равно как и другие горные поро­ды, что нами неоднократно подчеркивалось выше. Наряду с этим надо отметить, что строение, состав и состояние породы форми­руются в зависимости от ее генезиса. Таким образом, инженер­но-геологические свойства осадочных горных пород складывают­ся в процессе литогенеза.

Под литогенезом принято понимать совокупность геологиче­ских процессов, определяющих современный состав, строение, состояние и свойства осадочных горных пород.

Процессы литогенеза достаточно условно подразделяют на ряд стадий:

гипергенез - выветривание - разрушение кристаллических и других пород, образование новых минералов, обломков пород, об­ломков минералов, коллоидных и истинных растворов;

седиментогенез - перенос и отложение материала - образо­вание осадка;

диагенез - превращение осадка в осадочную породу;

катагенез - начальные изменения осадочной породы;

метагенез - глубокие изменения осадочной породы - обра­зование метаморфизованных осадочных пород.

Последние две стадии иногда объединяются под одним поня­тием - эпигенез. Осаждение вещества, его диагенетические и постдиагенетические преобразования протекают по-разному, в за­висимости от физико-химических условий среды, температуры, давления, длительности и интенсивности процесса, например скоростей течения воды, движения воздуха, льда и т. п.

Особенности осадочных пород. Осадочные породы в силу спе­цифических условий образования приобретают ряд особенностей, которые существенно отличают их от магматических и метамор­фических пород. Это проявляется в минеральном и химическом составе, структурах, слоистости, пористости, зависимости состава и свойств пород от климата, в содержании органических остатков.

Минеральный и химический состав. В образовании осадочных пород, кроме минералов, из которых формировался рыхлый оса­док (кварц, полевые шпаты и др.), принимают участие минера­лы, возникающие в данной породе в процессе ее существования (кальцит, каолинит и др.). Во многих случаях они играют суще­ственную роль. Осадочные породы разнообразны по химическому составу. Это могут быть алюмосиликаты, карбонаты, оксиды, су­льфаты и др.

Структура осадочных пород разнообразна. Почти каждый тип породы имеет свою, присущую только ему структуру. Для рыхлых пород характерны обломочные структуры, для сцементирован­ных - брекчиевидные и т. д.

Пористость типична для всех осадочных пород, за исключе­нием некоторых плотных химических осадков. Поры бывают мелкие, крупные и в виде каверн. Общая пористость может быть велика, например суглинки - 40-50%, пески - 35-40% и т. д. В порах могут располагаться вода, газ, органический материал.

Слоистость. Осадочные породы залегают в виде слоев (рис. 21), которые образуются в процессе периодического накоп­ления осадков в водной и воздушной среде. В составе слоя может быть микрослоистость, отражающая осадконакопление в различ­ные времена года. Микрослоистость характерна для озерных и речных отложений. В слое горной породы могут быть также тон­кие слои других пород. Их называютпрослоями. Например, в слое песка может быть тонкий прослой глины.

При резком различии слоев по составу, например, слой песка лежит на слое известняка; более или менее постоянной мощно­сти и сравнительно большой занимаемой площади слои называ­ют пластами. В таких случаях слои (пласты) обычно ограничены с двух сторон четко выраженными поверхностями, которые на­зываютплоскостями (поверхностями)напластования, причем вер­хнюю плоскость называют -кровлей , нижнюю -ложе , а рассто­яние между ними -мощностью слоя (пласта). Наибольшей мощностью пластов обладают морские отложения (до сотен и да­же тысяч метров). Континентальные образования четвертичной системы, залегающие непосредственно под слоем почвы, имеют, как правило, относительно небольшую мощность (10-50 м).

Комплекс слое», объединенных сходством состава или возрас­та, или один слой, но значительной мощности, нередко называ­ют толщей. Примером могут служить толщи лессовых пород, мощность которых может достигать десятков метров.

Слои образуются в процессе накопления осадков в морях, озерах, долинах рек и т. д. Это обусловливает образование слоев различной формы как по размеру в плане, так и по очертаниям по вертикали. Наиболее обычным является нормальный слой (рис. 22), для которого характерна сравнительно большая мощ­ность и протяженность, параллельность кровли подошве. Для континентальных отложений характерны такжелинзы - слои, за­нимающие малые площади с выклиниванием мощности к краям слоя, ивыклинивающиеся слои, мощности которых уменьшаются в одну сторону.

Важное практическое значение для инженерной геологии представляет сочетание слоев. При согласном залегании слои ле­жат параллельно друг другу (рис. 23, 24), чахце всего горизонта­льно. Такое залегание слоев характерно равнинам. В других слу­чаях за счет тектонических движений земной коры возникает несогласное залегание слоев (см. рис. 23, 24). Одна группа слоев при этом залегает непараллельно другой группе.

Климатические условия влияют на состав и свойства осадоч­ных пород: в пустынях образуются породы обломочного характе­ра, в замкнутых бассейнах накапливаются отложения солей и т. д. Окраска пород зависит от климатических условий: породы тропиков и субтропиков обладают красноватой окраской, холод­ному климату свойственны серые тона.

Органические остатки наблюдаются в большинстве осадочных пород. Это остатки растений или скелетных частей, раковин ор­ганизмов в виде окаменелостей.

Классификация осадочных пород. Осадочные породы принято подразделять на три основные группы: 1) обломочные, 2) хими­ческого происхождения (хемогенные); 3) органогенные, возник­шие в результате жизнедеятельности организмов. Это деление не­сколько условно, так как многие породы имеют смешанное происхождение, например, отдельные известняки содержат в своем составе материал органогенного, химического и обломоч­ного характера.

Обломочные породы. Породы обломочного происхождения со­стоят из продуктов механического разрушения магматических и метаморфических пород, а также ранее образовавшихся осадоч­ных пород (песчаников, известняков и др.).

В табл. 6 приведена основная классификация обломочных по­род. В ее основе: размеры обломков - грубые, песчаные, пылева­тые, глинистые; внешние очертания обломков (угловатые или ока­танные) и наличие структурных связей между обломками (рыхлые скопления или сцементированные между собой обломки).

Следует отметить, что глинистые частицы к обломкам отнесе­ны условно, так как их происхождение больше связано с хими­ческими процессами и меньше с механическим разрушением.

Окатанность возникает в процессе переноса обломков водой. В природе чаще всего встречаются скопления, состоящие из об­ломков разного размера. Название обломочной породе при этом дается по обломкам, которые в породе занимают более 50%.

К обломочным породам в виде самостоятельной группы отно­сят пирокластические породы, которые формируются из твердых вулканических продуктов (пепла, песка). Оседая на поверхность земли, песок и пепел образуют сцементированные накопления (пепел, туфы и др.).

Грубообломочные породы. В их состав входят угловатые (глыбы, щебень, дресва) и окатанные (валуны, галька, гравий) обломки различных горных пород. Наибольшее количество приходится на горные районы, морские побережья, речные долины, районы ледниковых отложений.

Песчаные породы - рыхлые накопления, состоящие из облом­ков минералов песчаного размера (2-0,05 мм). Таких частиц в породе должно быть не менее 50 %. По крупности частиц пески подразделяют на крупные (2-0,5 мм), средние (0,5-0,25 мм), мелкие (0,25-1 мм) и пылеватые (менее 0,1 мм). В песках пре­обладают минералы, наиболее устойчивые к выветриванию (кварц, слюды и др.).

Мономинеральные пески, например кварцевые, встречаются редко. «Вредными» в строительном отношении примесями являются оксиды железа, гипс, слюды, глинистые частицы. Проис­хождение песков - речное, ветровое, морское и т. д.

Глинистые породы. Глинистые частицы являются основными составными частями супесей, суглинков и глин. Каждая из этих пород в зависимости от количественного взаимоотношения пы­леватых и глинистых частиц имеет свои разновидности. Так, су­песь бывает легкая крупная, легкая пылеватая, тяжелая пылева­тая; суглинки - легкие, легкие пылеватые, тяжелые, тяжелые пылеватые; глины - опесчаненные, жирные.

Глинистые породы составляют около 50 % общего объема оса­дочных пород и чаще всего являются основаниями различных зданий и сооружений.

Инженерно-геологическая характеристика осадочных горных пород без жестких связей . Обломочные, глинистые, некоторые представители хемогенных и органогенных пород достаточно условно можно объединить в группу пород без жестких связей* что полностью характеризует «взаимоотношения» слагающих их эле­ментов. Эта группа объединяет большой и разнообразный круг по­род - от высокодисперсных глин до грубообломочных пород. Группа описываемых пород подразделяется на три крупные под­группы: первая объединяет глинистые и пылеватые, или связные, вторая - обломочные несцементированные, или несвязные, тре­тья - биогенные. В подгруппу связных входят глинистые и лессо­вые породы, для которых характерно значительное содержание глинистых и пылеватых частиц. Отдельно рассматриваются поро­ды, имеющие жесткие связи, - это сцементированные породы ти­па песчаников или аргиллитов.

Глинистые частицы формируются, в основном, в процессе хи­мического выветривания. Наличие этих частиц в породах в зна­чительном количестве обусловливает проявление нового характе­ра связей между всеми элементами (частицами). В данном случае говорить только о минералах нельзя, так как частицы могут быть представлены как отдельными минералами, так и их агрегатами, обломками минералов, пород и т. д. Это коллоидные связи, кото­рые являются следствием действия сил молекулярного и электро­статического притяжения как непосредственно между самими ча­стицами, так и между частицами и молекулами воды, содержащейся в породе. При непосредственном взаимодействии между частицами устанавливаются достаточно прочные связи, обусловливающие вполне высокую прочность породы в целом. В том случае, когда минеральные частицы окружены оболочками воды, взаимодействие может осуществляться лишь через эти обо­лочки, и, естественно, что связи между частицами (они называ­ются водноколлоидными) оказываются менее прочными. При та­ких связях частицы под влиянием внешних усилий могут перемещаться без нарушения сплошности всей массы породы, а это означает, что порода обладает способностью к значительным пластическим деформациям. Такие породы, которые могут при определенной степени влажности (увлажнения) переходить в пла­стичное состояние, с инженерно-строительной точки зрения должны быть выделены в отдельную общность грунтов, которая именуется связными или пластичными.

К связным относят различные глины, суглинки, супеси, лессы и лессовидные породы. Все они формируются преимущественно под влиянием процессов выветривания и денудации (хотя име­ются и морские глины различных генетических типов), когда на­ряду с агентами физического выветривания активно действуют агенты химического выветривания.

Благодаря этому изменяется не только минеральный состав пород, но и степень йх дисперсности. Химические реакции, про­текающие в природе, приводят к возникновению и накоплению глинистых частиц (размером менее 0,001мм), коллоидных частиц (размером менее 0,025 мм). Агенты химического выветривания являются основным фактором, обусловливающим особенности состава пород, входящих в связные.

Связные породы обладают целым рядом свойств, значительно отличающих их от других грунтов. К числу наиболее характерных особенностей следовало бы отнести изменение их свойств в за­висимости от влажности. Так, с ростом влажности прочность резко снижается, в сухом же состоянии эти породы способны выдерживать без разрушения весьма значительные нагрузки.

При большом содержании воды порода вообще способна пе­рейти в текучее состояние. Связные грунты при определенной влажности проявляют пластичность и липкость, они набухают при увлажнении и дают усадку при высыхании. Пористость обычно высокая, однако, несмотря на это, водопроницаемость незначительна, так как пористость породы сформирована преи­мущественно замкнутыми микропорами.

Связные породы, в свою очередь, подразделяют на глини­стые, лессовые и алевритовые.

К глинистым относят породы, у которых содержание глини­стых частиц превышает 3 %. Эти грунты обладают хорошо выра­женными пластическими свойствами и способностью к набуханию в воде. Во влажном состоянии они практически водонепроницаемы.

По петрографическому составу глинистые грунты можно раз­делить на глины, суглинки и супеси.

К глинам обыкновенно относят породы, у которых содержа­ние глинистых частиц превышает 30 %. Встречаются глины, обладающие высокой дисперсностью, у них количество глинистых частиц может достигать 60 % и более. Как правило, в глинах со­держится много коллоидов. Среди глин преобладают полиминеральные. Описанные выше особенности связных или глинистых грунтов выражены у глин особенно ярко.

Супеси содержат от 3 до 10 % глинистых частиц, вследствие чего по своим инженерно-геологическим свойствам они занима­ют как бы промежуточное положение между глинистыми и пес­чаными грунтами.

Глинистые грунты могут формироваться под воздействием различных природных процессов. В соответствии с этим при их подразделении в инженерно-геологических целях выделяют не только петрографические, но и генетические типы.

Каждый тип характеризуется присущими ему особенностями состава, структуры и текстуры глинистых толщ. Выделяют элю­виальные, делювиальные, пролювиальные, аллювиальные, флю- виогляциальные, озерные, озерно-болотные, морские, моренные, эоловые супеси, суглинки и глины (кроме, пожалуй, эоловых глин). Глинистые породы являются одним из наиболее широко распространенных типов грунтов. Они встречаются среди отло­жений различного возраста, начиная с кембрия и кончая совре­менными, по сути еще формирующимися образованиями. По мнению Л.Б. Рухина, глинистые породы составляют не менее 60 % общего объема осадочных пород. Эти породы часто вовле­каются в сферу интересов инженеров-строителей и в связи с этим необходимо достаточно серьезное к ним отношение, с уче­том того, что состав глинистых грунтов, структурно-текстурные особенности, а также строение слагаемых ими толщ определяют­ся генезисом. Кроме того, ощутимое влияние на свойства глини­стых грунтов оказывают их возраст и условия залегания.

Пески имеют чрезвычайно широкое распространение. Соглас­но данным Л.Б. Рухина, площадь, которая занята в СНГ песка­ми, равняется примерно2млн км 2 , из которых чуть меньше тре­ти (600 тыс. км 2) приходится на территорию Европейской части СНГ. Массивы песков Средней Азии и Казахстана имеют пло­щадь около 1 млн км 2 . Интенсивное использование песков в строительной практике в различных целях предопределяет необ­ходимость тщательного их изучения. Песчаные породы открыва­ют в нашем описании распространенную группу несвязных грун­тов, не имеющих или почти не имеющих аналогичных глинистым грунтам связей между частицами и реализующие свои прочностные и деформационные характеристики за счет других особенностей своего внутреннего строения.

Состав, строение и свойства песков определяются, как и у всех пород, их генезисом. Установлено, что разные генетические типы песков имеют различное распространение: в Европейской части СНГ, включая страны Балтии, 51 % площади занимают аллювиальные пески, 24 % -водноледниковые, 11,3 % - эоло­вые, 3,6 % -аллювиальные, 5-6%-морские, 1,6 %-озерные, 1,5% - остальные типы.

Крупнообломочные породы представляют собой преимуществен­но обломки пород размером более 2 мм. Обломки эти несцемен- тированы и аналогичны во взаимодействии друг с другом песча­ным грунтам, т. е. в них отсутствуют связи, характерные для глинистых грунтов и грунтов с жесткими кристаллизационными связями. Обломки пород, в основном определяющие свойства и поведение грунтов под сооружениями, могут иметь различный петрографический состав и различную форму, степень обработан- ности, что, с одной стороны, определяется составом пород, а с другой (и это главное) - генезисом крупнообломочных пород (рис. 25).

■ Инженерно-геологическая характеристика осадочных пород с жесткими связями. Обломочные сцементированные породы. Рыхлые обломочные породы в природных условиях могут подвергаться це­ментации за счет веществ, выделяющихся из циркулирующих в них водных растворов; в поры может вноситься («вмываться») пы­леватый и глинистый материал. Кроме того, в них могут выпадать из растворов в осадок гипс, кальцит, кремнекислота, гидроксиды железа и другие соединения. Появление этих веществ в толще не­сцементированных обломочных грунтов приводит не только к уве­личению плотности последних, но и вызывает образование проч-