Осадочные горные породы

Осадочные горные породы образуются в результате осаждения минеральных веществ в водной или воздушной среде в ходе экзогенных процессов. По способу образования минерального вещества оса­дочные породы делятся на

- обломочные – состоящие из обломков мине­ралов и горных пород;

- органогенные – в основе которых находятся твердые части организмов и продуктов их жизнедеятельности;

- хемогенные – представленные минералами, сформировавшимися химичес­ким путем.

Между этими группами осадочных пород нет четких гра­ниц, поэтому часто встречаются породы смешанного происхождения. Особенно часто это наблюдается среди органогенных и хемогенных (группа хемогенно-органогенные породы).

Задание 1. Изучение диагностических признаков осадочных горных пород.

Главными признаками, определяющими осадочные породы, являются состав осадка, степень диагенеза, цвет, текстура, структура, по­ристость и плотность. Состав осадка зависит от способа его образования: это могут быть обломки горных пород и минералов, органогенное вещество или продукты химических реакций. В соответствии с этим породу относят к обломочной, органогенной, хемогенной или смешанного состава.

Степень диагенеза – признак, который показывает, какие изменения произошли в осадке после его образования в процессе превращения в горную породу. Иногда видимых признаков диагенеза нет: например, встречаются пески, которые, образовавшись миллионы лет назад, не преобразовались в литофицированную породу, а так и остались песками. В таких случая осадок считается горной породой, если он перекрыт более молодыми отложениями. Оставаясь на поверхности, он сохраняет название осадка, даже если окружающие условия изменились, например, морские условия сменились континентальными. Диагенез связан с обезвоживанием (дегидраратацией) осадка, перекристаллизацией, ста­рением коллоидов и др. Образование цемента в обломочных породах – один из мощных факторов диагенеза. Чаще всего цемент бывает глинистый, кремнистый или железистый, состоящий из оксида железа.

Цвет породы не относится к главным диагностическим призна­кам, но часто может способствовать ее определению. Окраска осадочных пород включает все известные цвета и оттенки. Ее появление зависит от многих причин, главными из которых является окраска обломков и минералов, слагающих породу, а также цвет цемента. Так, белыми или светлоокрашенными бывают породы, содержащие карбонаты, сульфаты, галоиды, кремнистое вещество или кварц; железистый цемент придает породе различные оттенки коричневого цвета; зеленый цвет связан с окраской зерен глауконита, хлоритов и т.п.

Текстура осадочных пород – расположение зерен в породе – полнее всего изучается в обнажении, менее полно – в керне буровых скважин и в образцах. Текстура определяет многие физические свойства породы – проницаемость, крепость, раскалываемость и т.д.

Текстуры осадочных и вулканических пород подразделяются на поверхностные, присущие поверхностям напластования и объемные, слагающие весь объем породы.

Для учебных целей важнее изучение именно объемных текстур, которые можно наблюдать в камеральных условиях в отдельно взятых образцах.

В земной коре наиболее часто встречаются слоистые текстуры, когда в породе четко различаются слои;

полосчатые, когда слои различаются и по цвету;

массивные, когда нельзя установить закономерности в положении составных частей;

пятнистые, когда отдельные составные части породы образуют обособления в виде пятен.

На рис. 99 показано типичное залегание осадочных пород.

Рис.99. Типичное залегание

Структура во многом зависит от принадлежности породы к той или иной генетической группе. Так, структуры обломочных пород – обломочные, различаются по форме и размерам обломков – частиц размером более 0,01 мм, прежде существовавших пород.

Тонкообломочные – пелитовые структуры характерны для глинистых или пелитовых пород ( греч. пелёс – глина), состоящих из частиц размером менее 0,01 мм (глина, мергель).

Хемогенные породы часто имеют кристаллические разнозернистые структуры. Кристаллы минералов могут визуально наблюдаться в породе (каменная соль, гипс). При скрытокристаллической структуре – афонитовой кристаллы минералов в породе просматриваются только под микроскопом (мел).

Некоторые породы (кремень) имеют аморфную структуру.

В органогенных породах – либо органогенные структуры, если порода состоит из целых раковин или других остатков скелетов, либо детритусовые (лат. детритус – перетертый), когда остатки организмов оказываются перетертыми или раздробленными.

Пористость является характерным признаком для многих осадочных пород. Она оценивается по размеру пор, их количеству и способу образова­ния.

Плотность. Определение плотности, даже сделанное приблизительно, может облегчить диагностику: например, внешне похожие гипс и ангидрит легко различить по этому признаку; плотность этих минералов соответственно 2400 и 2900 кг/м³.

Слоистость свойственна большинству осадочных пород. Она чрезвычайно разнообразна. Для диагностики осадочных горных пород сло­истость малопригодна, так как тип слоистости практически не связан с составом породы.

Задание 2. Изучение обломочных, горных пород и их классификация.

Обломочные или классические (греч. кластес – обломок) породы образуются из обломков минералов и горных пород; чаще всего они накапливаются как морские осадки. Классификация обломочных пород основана на величине обломков, степени их окатанности и наличии или отсутствии цемента. Определяя внешний вид пород, эти признаки отражают и их происхождение (табл. 11).

Таблица 11

Обломочные горные породы

Группа пород	Размеры обломков, мм	Рыхлые породы	Сцементированные породы
окатанные	Неокатанные	окатанные обломки	неокатанные обломки
Грубооб-ломочные (псефиты)	> 200	валуны	глыбы	Конгломераты: валунные галечные   гравийные	глыбовые брекчии
200–10	галька, галечник	щебень	брекчии
10–2	гравий	дресва
Песчаные (псаммиты)	2–1 1–0,5 0,5–0,25 0,25–0,1	Пески: грубозернистые крупнозернистые среднезернистые мелкозернистые	Песчаники: грубозернистые крупнозернистые среднезернистые мелкозернистые
Алевриты Пелиты*	0,1–0,01 0,01	Алевриты Глины	Алевролиты Аргиллиты

*Пелиты рассматриваются как обломочные породы условно, так
как в их образовании главенствующими процессами являются хими­ческие. Иногда они выделяются в отдельную генетическую группу – глинистые.

Грубообломочные породы или псефиты (греч. псефос – камешек) состоят из обломков, которые по форме и размерам делятся на ока­танные и неокатанные, крупные, средние и мелкие. К окатанным относятся обломки, имеющие округленные или сглаженные ребра – валуны, галечник, гравий; неокатанные обломки всегда остроугольны – глыбы, щебень, дресва. Псефиты с окатанными обломками, скрепленными цементом, называются конгломератами, а состоящие из неокатанных сцементированных обломков – брекчиями. Сцементированные обломочные породы образовались путем цементации рыхлых пород разнообразными химическими веществами. Наиболее прочным является кремнеземистый цемент (вторичный кварц, опал, халцедон), менее прочны железистый (лимонит), карбонатный (кальцит) и малой цементирующей способностью отличается глинистый цемент.

Брекчии представляют собой компактные породы, состоящие из угловатых обломков дресвы или щебня, сцементированных каким-либо цементом. Петрографический состав этих обломков отличается однородностью. Угловатая форма обломков обеспечивает хорошее сцепление их с природными цементами, поэтому брекчии при некоторых видах цементов имеют достаточно высокую прочность и используются как отделочные камни. Брекчии имеют ограниченное распространение.

Конгломераты – сцементированные природным цементом скопления гальки, гравия, мелких валунов и др., отличающиеся от брекчий пестротой петрографического состава, широким диапазоном прочности от 5 до 160 МПа и изменением средней плотности в интервале 1500 … 2900 кг/м3. По сравнению с брекчиями конгломераты отличаются меньшей прочностью, так как окатанный обломочный материал довольно слабо связывается с цементом. Практическое значение этих пород невелико. Слабо сцементированные их разновидности используются для получения балласта, а красивые – как отделочные декоративные камни. Мощные отложения конгломератов известны в Крыму и Средней Азии.

При описании псефитов следует указывать состав, величину и степень окатанности обломков, степень диагенеза, состав и окрас­ку цемента, количественные соотношения (обычно, в процентах по объему) обломков и цемента; если обломки имеют разный состав, то отражаются их количественные соотношения, так же, как и коли­чественные соотношения обломков разных размеров.

Пример описания конгломерата: конгломерат гравийный, плот­но сцементированный, коричневый, пятнистый, с серыми, зеленовато-серыми и темно-серыми пятнами. Обломки имеют размеры в попе­речнике от 5 до 20 мм; преобладает гравий; мелкой округло-упло­щенной гальки, главным образом из песчаников, не более 15 %. Среди обломков, кроме песчаников, встречается кварц и хлоритовые сланцы. Цемент бурый, коричневый, железистопесчанистый, заполняет участки между прилегающими друг к другу гравием и мелкой галькой. Со­держание в породе цемента около 20 %.

В группу псаммитов – песчаных пород ( греч. псаммос – песок) входят породы с размером обломков от 0,1 до 2 мм. Их принято разделять по крупности зерен на

грубозернистые с диаметром частиц от 1 до 2 мм;

крупнозернистые – от 1 до 0,5 мм;

среднезернистые – от 0,5 до 0,25 мм;

мелкозернистые – от 0,25 до 0,1 мм.

Рыхлые разновидности псаммитов называют песками, а сцементированные – песчаниками (см. табл. 9). Пески состоят преимущественно из кварца, наиболее устойчивого к химическому выветриванию минерала. Псаммиты, состоя­щие из зерен одного минерала, называют олигомиктовыми (греч. олигос – немногий, миктос – смешанный), а состоящие из нескольких минералов – полимиктовыми. По минеральному составу различают следующие главные группы песчаных пород.

Чистые кварцевые пески и песчаники (олигомиктовые ) светлой окраски, содержащие в виде примесей полевые шпаты, слюды и др.

Смешанные (полимиктовые) пески, состоящие из смеси минералов, в которой преимущественно находятся полевые шпаты, слюды, амфиболы и др. Среди этих пород наибольшее распространенные имеют аркозовые пески красного или серого цвета, преимущественно кислого полевошпатового состава, с небольшой примесью кварца и других минералов.

Песчаники образуются путем цементации зерен песка при просачивании через них разнообразных минеральных растворов. В зависимости от разновидности цементов различают кремнистые, известковые, железистые, гипсовые, глинистые, фосфоритовые, битуминозные и другие виды песчаников. Их прочность определяется видом природного цемента, характером его сцепления с зернами песка, плотностью породы. Она колеблется в широких пределах от 1 до 150 МПа и выше, а средняя плотность – от 1900 до 2800 кг/м³. Наиболее прочными (100... 150 МПа и более) являются кремнистые песчаники со средней плотностью до 2800 кг/м3. Малой прочностью отличаются глинистые песчаники, легко разрушающиеся при насыщении водой или циклическом замораживании и оттаивании. Известковые песчаники неводостойкие.

В битуминозных песчаниках битум, пропитывающий толщи пород, составляет до 20 % их массы.

Окраска песчаников зависит от цемента: кремнистые и известковые имеют белые и светлые тона, железистые – желтые и красноватые и т. д.

Песчаники широко распространены в Карелии, Украине, и др. Они используются для получения стенового камня, бута, щебня, а также декоративного отделочного материала. Их разновидности, содержащие не менее 97 % кремнезема, идут на изготовление кислотоупорных материалов и сырья, для получения огнеупоров, абразивов и др.

Железистые пески и песчаники обычно представляют собой кварцевые пески и песчаники, зерна которых покрыты коркой бурых железистых минералов; цемент песчаников также железистый, поэтому цвет пород коричневый – от лилово-бурого до ржаво-коричневого.

Магнетитовые и гранатовые пески и песчаники встречаются редко.

Кварц глауконитовые пески и песчаники состоят из зерен кварца (20–40 %) и глауконита (60–80 %) с небольшой примесью слюды и других минералов; в зависимости от количества глауконита пески имеют более или менее выраженную зеленую окраску. При выветривании, которое сопровождается разложением глауконита и образованием оксидов железа, цвет их становится ржаво-бурым.

Аркозовые пески и песчаники образуются при разрушении гранитоидов, поэтому в их состав входят кварц, полевые шпаты и небольшое количество темноцветных минералов, биотита, роговой обманки, пироксена; состав цемента песчаников разнообразен.

Глаувакки – темно-серые, зеленовато-бурые или зеленовато-коричневые, часто плотно сцементированные псаммиты, сложенные главным образом зернами темноцветных минералов – амфиболов, пироксенов и др.

При описании псаммитов следует указывать размеры зерен, минеральный состав и окраску. Степень окатанности зерен для диагностики большого значения не имеет, но если она визуально различима, то приводится в описании. Для сцементированных пород по возможности в описании приводится состав цемента и его осо­бенности. Для полимиктовых пород необходимо определить количест­венные соотношения зерен различных минералов и степень сортировки.

Пример описания песчаника: плотная зеленовато-серая порода, состоящая из зерен кварца размером в поперечнике 0,3–0,5 мм (20 %), глауконита до 3 мм (60 %), придающего зеленый оттенок поро­де, и зеленовато-серого цемента (≈20 %), вскипающего при воз­действии разбавленной соляной кислотой. Порода определяется как песчаник известковистый, полимиктовый (кварц – глауконитовый), среднезернистый.

Наибольшей чистотой и однородностью зерен отличаются морские и эоловые отложения. Морские и речные пески имеют окатанную форму зерен, а ледниковые – угловатую форму, наиболее благоприятную для строительных целей. Вредной примесью песков являются глинистые и пылеватые фракции (0,05...0,005 мм). При оценке качества песка как строительного материала учитывают его минеральный и гранулометрический составы, форму зерен, пористость, коэффициент фильтрации и др. Средняя плотность песков – 1800 кг/м³.

Пески являются главным сырьем для получения керамики, динаса, стекол, бетонов и растворов, кирпича; используются для дорожных покрытий, в абразивном производстве. Распространены повсеместно.

Алевриты (рыхлые) и алевролиты (плотные) породы отличаютщиеся от песчаных содержанием более мелких частиц. Они сложены пылеватыми частицами минералов размером от 0,1 до 0,01 мм. К алевритам относятся лессы (лёсс – светлоокрашенная пористая порода, содержащая кварц, полевые шпаты, до 30 % кальцита и до 50 % глинистых минералов), супеси (алевритовый материал с песком), суглинки (алеври­товый материал с глиной) и некоторые другие породы. Средняя плотность лессов– 1200...1800 кг/м³. Они отличаются просадочностью, легко размокают в воде.

Используются в цементной промышленности как добавка в бетоны, в производстве кирпича, черепицы и др. Распространены в Беларуси, европейской части России, на юге Украины, в Средней Азии, южной Сибири.

Пелиты, или глины (греч. пелес – глины), группа тонкообломочных пород, состоящих более чем наполовину из мельчайших (менее 0,01...0,001 мм) чешуеобразных частиц глинистых минералов, среди которых не менее 25 % имеют размеры менее 0,001 мм. По основным свойствам пелиты отличаются oт обломочных пород, имея малые размеры, частицы пелитов не оседают на дно под действием силы тяжести, а образуют суспензии.

Глины – породы, образующие с водой пластичную массу, тверде­ющую при высыхании, а при обжиге приобретающую твердость камня. В сухом состоянии глины бывают землистые, рыхлые или очень плот­ные. Твердость их равна I, они легко царапаются ногтем, если по­тереть поверхность плотной глины, на ней остается блестящая полоска. Глины липнут к языку и, в отличие от алевролитов, не скри­пят на зубах. Насыщаясь, эта порода разбухает и превращается в пластичную массу, которая при дальнейшем добавлении воды приоб­ретает способность течь. За счет гигроскопичности она способна поглощать до 70 % (по объему) воды, а после полного насыщения во­дой становится водоупорной и не пропускает воду. Чистые глины на­зываются жирными; с примесью, песка – тощими.

В зависимости от содержания в породе песка различают песчанистые глины или глинистые пески; глины с примесью карбоната кальция называются известковыми.

Глины образуются при выветривании полевошпатовых и некоторых других силикатных пород и состоят преимущественно из глинистых минералов типа каолинита, монтмориллонита и гидрослюд с примесью кварца, слюды, вторичного кальцита, опала и др.

Большинство глин являются полиминеральными, однако среди них имеются наиболее ценные мономинеральные: каолинитовые и монтмориллонитовые разновидности.

Главным фактором при применении глин в строительстве и производстве строительных материалов является их минеральный состав. Полиминеральные глины являются сырьем для производства кирпично-черепичных изделий, грубой керамики, глинозема, огнеупоров и т. д.

Каолины – белые глины, сложены в основном каолинитом и сравнительно свободны от примесей оксидов железа. Они представляют собой белые тонкозернистые, жирные на ощупь малопластичные породы, являющиеся продуктами разложения (гидролиза) алюмосиликатов диссоциированной водой, содержащей свободные ионы водорода и растворенную СО₂. Они образуются при выветривании полевошпатовых пород. В коре выветривания каолины содержат примеси зерен кварца, чешуек слюды и других, устойчивых к выветриванию минералов, входящих в состав исходной породы. Наиболее чистые каолины возникают при размыве коры выветривания и переотложения ее продуктов.

Каолины используются в производстве фарфоро-фаянсовых изделий, цемента, шамота.

Месторождения каолинитовых глин находятся в Украине, Сибири, на Урале и др. Каолинитовые глины являются континентальными отложениями и образуются в условиях кислой среды.

Монтмориллонитовые глины появляются при разложении вулканических пеплов в щелочной среде. Среди них выделяются сильно набухающие в воде натровые глины с преобладанием катиона Na над катионами Са, Mg и неразбухающие кальциевые – с преобладанием Са над катионами Na и Mg. К первым относятся бентониты и флоридины, породы белой, серовато-белой, розоватой и другой окраски, характерной особенностью которых является сильное набухание при увлажнении с увеличением объема примерно в 16 раз и более и высокая адсорбционная способность. Большинство этих глин обладает резко выраженной пластичностью. С увеличением в глинах механических примесей пластичность их быстро снижается. Монтмориллонитовые глины применяются в качестве адсорбентов, так как обладают высокой поглотительной способностью. Их месторождения встречаются в Грузии, Крыму, Приднепровье, Закарпатье, Средней Азии.

В описании глин указывают следующие признаки: цвет, степень влажности и кислотности, примеси, часто обуславливающие окраску породы (углистые глины темные, почти черные; битуминозные – темно- коричневые или почти черные, имеющие запах битума во влажном состоянии, оставляющие жирное пятно на бумаге); текстуру (листовая, плойчатая и др.); наличие растительных остатков окаменелостей и др.

Аргиллиты – это плотные, твердые (твердость до 3) породы, образующиеся в результате диагенеза глин, которые при этом утрачивают пластичность и водопоглощаемость.

В коре выветривания пород, содержащих алюмосиликаты – гранитоидов и др., нередко встречаются специфические породы – бокситы. Это плотные породы, окрашенные в красные, реже в серые то­на, состоящие главным образом из оксидов алюминия, часто с при­месью оксидов железа, имеющие обломочную или солитовую структуру. Главными минералами бокситов являются диаспор и гидраргиллит, сырье для производства алюминия.

Задание 3. Описание и определение органогенных и хемогенных горных пород.

Породы этих групп образуются как в водной среде, так и на поверхности суши в результате жизнедеятельности животных и растительных организмов или химических процессов, а часто тех и других процессов вместе. В связи с этим органогенные и хемогенные породы рассматриваются вместе и классифицируются по химическому составу, в соответствии с которым выделяют карбонатные, кремнистые, сернокислые, галоген­ные, фосфатные и углеродистые.

Карбонатные породы

Известняки – образования, состоящие из кальцита, часто с примесью глины и песка. По содержанию глинистых примесей различают глинистые известняки (глины < 20 %), известковистые мергели (> 20 %), мергели (30–50 %) и известковистые глины (глины > 50 %). При увеличении количества песка в известняках их называют песча­нистыми известняками или известковистыми песчаниками.

При определении известняков используются реакции с разбавленной соляной кислотой (10 %), при воздействии которой они бурно вскипают, но при этом на поверхности образца не образуется, в отличие от мерге­лей, грязное пятно.

По структуре среди известняков различают крупно- средне- и мелкозернистые, равномерно- и неравномерно-зернистые, землистые, солитовые, кристаллически-зернистые, детритусовые (лат. детритус – перетертый), афанитовые (греч. афанэс – неясный), плотные и др. Они также весьма различны по текстуре, окраске и другим признакам.

По происхождению известняки разделяются на органогенные и хемогенные. Органогенные известняки бывают как плотными, так и пористы­ми и даже кавернозными. Органогенное происхождение известняков часто легко определяется: во многих случаях они состоят из хорошо различимых раковин моллюсков, члеников морских лилий, раковин, скелетных частей – зоогенные известняки или из скелетных образований водорослей – фитогенные известняки.

В зависимости от того, скелетные образования, каких организмов слагают породу, различают известняки коралловые, фузулиновые, нуммулитовые.

Известняки, которые состоят из почти полностью сохранившихся створок раковин пластинчато-жаберных моллюсков, назы­вают ракушечниками. Чистые известняки белые, но примеси окрашивают их в самые разные цвета.

Биохимические известняки состоят из мельчайших зерен каль­цита, выделенных бактериями, и в них не наблюдается каких-либо признаков органогенной структуры. Эти известняки образуют переходы к известнякам химического происхождения.

Многие известняки имеют смешанный органогенно-хемогенный генезис, например, писчий мел (60–70 % остатки планктонных организмов, а остальная масса – порошкообразный кальций химического происхождения).

Хемогенные известняки встречаются часто. Среди них различают: микрозернистые известняки, состоящие из мельчайших зерен ка­льцита; оолитовые известняки, образованные шаровидными известковы­ми зернами, по форме и размерам напоминающие просяное зерно («икряной камень»); известковые туфы – пористые породы, формирование которых связано с отложением кальцита водами источников, богаты­ми двууглекислой известью. Эти породы часто содержат отпечатки растительных и животных организмов. Хемогенные известняки часто образуют натечные формы, примерами которых служат сталактиты и сталагмиты в известковых пещерах.

Мергели – широко распространенные карбонатные породы, имеющие большое практическое значение как сырье для цементной промышленности. Имеют высокую плотность, раковистый или неровный скол, белые или светлоокрашенные, бурно реагируют с разбавленной соляной кислотой, причем на поверхности породы остается грязное пятно.

Среди известняков и мергелей иногда встречаются кремнистые разновидности. У них большая твердость и не очень интенсивная реакция с разбавленной соляной кислотой.

Доломиты – породы, содержащие не менее 95 % минерала доломита. Чистые доломиты встречаются очень редко, в основном наблюдаются различные переходы от известняков к доломитам. Известковистые доломиты содержат более 50 % доломита, а доломитовые известняки менее 50 %. Макроскопическим способом отличить доломиты от известняков обычно нельзя. Диагностическим признаком является реакция с разбавленной соляной кислотой; доломиты вскипают только будучи растертыми в порошок. Для доломитов характерен (но не обязателен) шершавый, как бы тонкопесчанистый излом.

Кремнистые породы

Породы, состоящие преимущественно из кремнезема, могут иметь как органическое, так и химическое происхождение.

Диатомиты – скопления микроскопических скелетов диатомовых водорослей, состоящих из опала. Диатомиты – белые или светло-желтые породы, мягкие, легкие, рыхлые, часто похожие на писчий мел, но в отличие от последнего не реагируют с соляной кислотой. Диа­томит легко растирается, руками в тончайшую пудру, жадно впитывает влагу и прилипает к языку.

Трепелы – внешне не отличимы от диатомитов, но имеют коллои­дально-химическое происхождение. Они состоят из мельчайших зернышек опала, видимых лишь под микроскопом. Диатомиты и трепелы при­меняются в строительстве, химической (поглотители) и др. отраслях промышленности.

Опоки – пористые породы от серого до черного цвета. Состоят из опала и примеси кремнистых остатков мельчайших организмов (радиолярий, панцирей диатомей и др.). Они твердые и легкие, при ударе раскалываются на мелкие остроугольные обломки с раковистым изломом.

Яшмы – плотные и твердые породы, сложенные скрытокристаллическим кварцем или халцедоном. Часто содержат остатки радиоля­рий. Образуются в результате накопления кремнистого вещества вулканического происхождения (из гидротерм на дне водоемов).

Кремнистые конкреции нередко присутствуют в самых различных осадочных породах. Представляют собой желваки с плотным кремнис­тым ядром и концентрически-зональной текстурой обрастания, если они имеют внутри пустоты, то называются жеодами.