Методы исследования генезиса отложений

Методы исследования генезиса отложений образуют большую группу, объединяющую совокупность литолого-петрографических, геоморфологических, геохимических и прочих исследований. Большинство из них могут дать информацию не только о генезисе пород, но и о климатических условиях времени их накопления – значит, оказать помощь в решении стратиграфических проблем. Чаще других применение находят литолого-петрографические и геоморфологические группы методов.

Литолого-петрографические методы посвящены изучению вещественного состава, особенностей структур и текстур горных пород.

2. 3. 1. Гранулометрический анализ

Гранулометрический анализ позволяет получить упорядоченную информацию о размере частиц, слагающих осадочную породу. Четвертичные образования в большинстве своем являются продуктами физического разрушения, которые подверглись переотложению экзогенными силами. Гораздо меньший объем среди них занимают хемогенные и органогенные накопления. Для терригенных пород разработано большое количество классификаций, базирующихся на двух принципах разделения частиц по диаметру.

Первый принцип – десятичный: основные подразделения пород по конечному диаметру отличаются в 10 раз.

Второй принцип – генетический: классификации учитывают физические свойства частиц, специфику динамики их осаждения и др.

Во всех систематиках обломки разделяются по размеру на четыре группы: грубообломочные (псефиты), песчаные (псаммиты), алевритовые, глинистые (пелиты). Проводя гранулометрический анализ необходимо учитывать, что осадок может быть сложен либо однородными по диаметру частицами, либо смесью обломков разного размера. В первом случае применима десятичная шкала Л. Б. Рухина (табл. 1); во втором – двухмерная шкала Н. М. Сибирцева (табл. 2), основанная на процентном содержании алевритовых и глинистых частиц. Практической основой такого разделения служат полевые и лабораторные гранулометрические анализы. Среди полевых шире всего используются визуальный и ситовой.

2. 3. 2. Петрографический и минералогический анализы

Петрографический и минералогический анализы играют первостепенную роль в литолого-петрографическом изучении пород. Породообразующие и акцессорные минералы осадочных пород делятся на две группы: аллотигенную и аутигенную. Аллотигенные минералы принесены динамическими агентами издали, из районов разрушения горных пород. Аутиненные минералы возникают в составе осадка при его накоплении и диагенезе. Следовательно, изучение минерального и петрографического состава помогает выявлять: области денудации и сноса горных пород; динамику процессов денудации; перспективность региона на наличие полезных ископаемых, а также непосредственно разведывать месторождения.

Кроме того, петрографические и минералогические методы необходимы при проведении палеогеографических реконструкций и стратиграфическом расчленении отложений.

Таблица 1

Гранулометрическая классификация обломочных и глинистых пород однородного по размеру состава(по Л. Б. Рухину, 1953 г.)

Диаметр частиц, мм	Группы пород	Название обломков	Название рыхлых пород*
Сложенных окатанными обломками	Сложенных угловатыми обломками
> 1 000	Грубообломочные	Глыбы	Глыбовые валунники	Скопление глыб
1000–500 500–250 250–100	Валуны: крупные средние мелкие	Валунники: крупные средние мелкие	Скопление глыб: крупных средних мелких
100–50 50–25 25–10	Галька: крупная средняя мелкая	Галечник: крупный средний мелкий	Щебень: крупный средний мелкий
10–5 5–2 2–1	Гравийные зерна: крупные средние мелкие	Гравий:   крупнозернистый среднезернистый мелкозернистый (песок грубозернистый)	Дресва:   крупнозернистая среднезернистая мелкозернистая (песок грубозернистый)
1–0,5 0,5–0,25 0,25–0,1	Песчаные	Песчаные зерна: крупные средние мелкие	Пески: крупнозернистые среднезернистые мелкозернистые
0,1–0,05 0,05–0,005 0,005–0,001	Алеврито- вые	Алевритовые частицы крупные средние мелкие**	Алевриты: крупнозернистые (тонкозернистые пески) среднезернистые мелкозернистые
<0,001	Глинистые	Глинистые частицы**	Глины

* Для сцементированных пород приняты следующие названия: грубообломочных, сложенных угловатыми частицами – брекчии; окатанными – конгломераты; пескам соответствуют песчаники, алевритам – алевролиты, глинам – аргиллиты.

** На практике к алевритам обычно относят обломки диаметром от 0,1 до 0,01 мм; к глинистым частицам – менее 0,01 мм.

Таблица 2

Сопоставление классификаций рыхлых пород смешанного состава[19]

Содержание частиц размером 0, 01 мм, %	По Н. М. Сибирцеву	По Л. Б. Рухину
До 5	Песок	Песок
5–10	Песок глинистый	Песок глинистый
10–20	Супесь грубая	Алевриты грубозернистые (тонкозернистые пески)
20–30	Супесь тонкая	Алевриты крупнозернистые
30–40	Суглинок грубый	Алевриты мелкозернистые
40–50	Суглинок тонкий	Алевриты тонкозернистые
50–60	Глина грубая	Глина песчанистая
60–75	Глина тонкая	Глина алевритистая
75 и более	Глина типичная	Глина типичная

Рассматриваемые методы опираются на признание того, что минеральный и петрографический состав обломочных пород зависит от следующих факторов.

1. От климата, определяющего характер и активность процессов выветривания, а значит, и вещественный состав продуктов выветривания.

2. От величины денудационного среза, обуславливающей, в первую очередь, вертикальную и горизонтальную зональность продуктов разрушения.

3. От динамики агентов, транспортирующих и избирательно сортирующих обломки.

4. От миграционных свойств пород и минералов, подвергшихся транспортировке.

При анализе миграционных свойств используются понятия абразионной прочности (способности обломков противостоять разрушению при транспортировке) и миграционной способности (максимального расстояния транспортировки обломков). Установлено, что миграционная способность минералов тем выше, чем большей абразионной прочностью они обладают. Наоборот, миграционная способность тем ниже, чем больший у минералов удельный вес. Следовательно, максимальной миграционной способностью обладают самые прочные и, одновременно, самые легкие минералы и породы. По миграционной способности их можно разделить на пять групп – от весьма высокой до низкой. Так, весьма высокой миграционной способностью среди минералов отличаются кварц и кислые плагиоклазы, а в числе горных пород – халцедоны, яшмы, кварциты. В группах низкой миграционной способности соответственно значатся гипс, доломит и кальцит, а также мергели, известняки и мраморы.

Примером использования минералого-петрографических анализов может служить метод изучения руководящих валунов, являющихся, по сути, аллотигенными. Метод разработан для областей покровных оледенений, и позволяет не только выявлять области ледниковой экзарации и сноса, но и восстанавливать направление движения ледниковых потоков.

Для всей четвертичной толщи доказано, что вниз по разрезу последовательно возрастает содержание пород, отличающихся высокой миграционной способностью. Так, в отложениях нижнего плейстоцена на их долю приходится 50–60% от всех обломков, а в породах верхнего плейстоцена – лишь 25–35% [19]. Указанная закономерность объясняется тем, что на протяжении квартера ледниками, реками и другими силами многократно переотлагались одни и те же поверхностные накопления.

2. 3. 3. Изучение формы обломков и окраски пород

Изучение формы обломков позволяет получать информацию об агенте, их транспортировавшем, и о дальности переноса. Определение формы ведется только для крупных обломков и песков – очевидно, что они бывают угловатыми и окатанными. Степень окатанности может весьма сильно различаться – она зависит от динамических характеристик агента, дальности переноса, изначальной формы и миграционной способности обломков. Сильнее всего окатывает обломки текучая вода, причем форма возникающих галек определяется не только силой, но и самим характером движения воды. Так, при колебательном (возвратно-поступательном) волновом перемещении в зонах морских и озерных пляжей образуется дисковидная галька. При поступательном движении руслового потока галька приобретает форму трехосного эллипсоида. Перенесенные ледником обломки обретают утюгообразные очертания, а подвергшиеся ветровой корразии камни – трехгранных пирамид.

Скорость истирания обломков также различается, в зависимости от их состава, массы и первоначальных размеров. Быстрее и сильнее всего окатываются крупные обломки мягких пород: доказано, что максимальная активность истирания пород любого состава наблюдается на первых 60–100 км пути, а после 200 км переноса форма почти не меняется [19]. Вместе с тем, для существенного изменения очертаний песчинок требуется либо транспортировка не менее чем на 700 км, либо многократное их переотложение.

Исследование окраски пород помогает определять их вещественный состав и условия образования. В зависимости от времени и причины возникновения, выделяют три типа окраски: первичный, сингенетический, вторичный.

Первичная (унаследованная) окраска определяется цветом породообразующих обломков. Породы приобретают ее или в результате господства физического выветривания, или при очень быстром накоплении и захоронении осадка. Белая окраска песков Беларуси свидетельствует о преобладании кварца, желтоватая – об участии ортоклаза, зеленоватая – глауконита.

Сингенетическая окраска всегда заполняет весь слой и зависит от трех факторов: от цвета породообразующих обломков, от их размера, а также от цвета цементирующего вещества. Характерно, что по мере уменьшения диаметра обломков тональность пород темнеет. Очевидно, что изучение сингенетической окраски помогает восстанавливать палеогеографические условия времени осадконакопления: красно-желтый и красный цвет возникает при седиментации породы в жарком влажном и переменно-влажном климате; ржаво-бурый до черного – в условиях жарких пустынь; оттенки желтого цвета свойственны застойно-водным аккумуляциям.

Вторичная окраска возникает после формирования осадка под воздействием различных гипергенных процессов. Поскольку эти процессы гораздо больше зависят от климата и времени, чем от состава пород, то вторичная окраска может распространяться на разную глубину, никак не согласуясь со слоистостью отложений. Темно-серый и черный цвет обусловлен пропиткой пород битумом, или же растворами, содержащими сернистое железо или соли марганца.

2. 3. 4. Исследование текстур четвертичных отложений

Исследование текстур четвертичных отложений позволяет восстанавливать условия осадконакопления. Под текстурой понимают совокупность признаков строения горных пород, обусловленных ориентировкой, относительным расположением и распределением составных частей осадочной породы. В зависимости от времени и причины формирования, текстуры разделяют на три группы:

· первичные текстуры возникают в процессе осадконакопления, и отражают особенности динамики аккумулирующего геологического агента – например, образование горизонтальной слоистости в стоячей воде;

· вторичные текстуры сингенетичны (одновременны) осадконакоплению, но формируются процессами, не связанными с деятельностью главного агента седиментации – возникновение ледяных жил одновременно с накоплением делювия;

· эпигенетические текстуры связаны с процессами постседиментационного преобразования осадка – образование трещин усыхания на поверхности такыра.

Среди вторичных и эпигенетических текстур наиболее распространены те, которые связаны с процессами мерзлотными и гравитационными.

Наибольшее внимание следует уделять изучению первичных текстур, которые проявляются в слоистости горных пород. Различают слоистость внешнюю и внутреннюю.

Внешняя слоистость, или собственно слоистость, выражена слоями. Слои отличаются друг от друга составом, цветом и др. Каждый слой возникает при изменении географических условий аккумуляции (например, при переходе речного русла в состояние старицы, слой руслового аллювия перекроется слоем озерных отложений). Границы между слоями называют слоевыми швами – они бывают четкими (резкими) и нечеткими (постепенными). В зависимости от толщины слоев, слоистость разделяют на массивную (>50 см), крупнослоистую (50–10 см), среднеслоистую (10–2 см), тонкослоистую (2–0,2 см), микрослоистую (доли миллиметра).

Внутренняя слоистость иначе называется слойчатостью. Наблюдается она внутри слоев и представлена слойками. Слойки образуются при кратковременных пульсациях транспортирующего агента, но в неизменной фациальной обстановке (например, в русле реки накапливается слой руслового аллювия, в котором заметна косая слойчатость). Ритмичность пульсаций ведет к тому, что слойки в разрезе многократно повторяются, и группируются в серии. Границы между сериями слойков называются серийными швами.

Выделяют четыре главных типа внутренней слоистости: косая, косоволнистая, волнистая, горизонтальная. Каждый тип делится на подтипы, виды и разновидности. Кроме того, существует и пятый тип – массивный, связанный с накоплениями, лишенными внутренней слоистости.

Косая слоистость образуется при самых высоких скоростях перемещения обломков (рис. 1).

В ней слойки лежат под значительным углом к серийным швам, границы слойков ровные, а направление падения совпадает с направлением движения потока. Для русловых отложений наиболее характерен диагональный подтип косой слоистости: границы серий ровные, наклон слойков одинаков (а). Дельтовым осадкам свойственен флексурообразный подтип: границы серий также ровные, но слойки изогнуты в виде буквы S (б). В эоловых отложениях бывает выражен перекрестный (клиновидный) подтип: серийные швы часто срезают друг друга, а рисунок слойков самый разный (г). Делювиальные накопления отличаются весьма сложной черепитчато-линзовидной слоистостью: чередование слоев смытых пород со слоями погребенных почв; границы слоев параллельны поверхности склона; маломощные и очень короткие косослоистые серии; быстрая смена ориентировки серийных швов.

Косоволнистый тип формируется при умеренных скоростях. Серийные швы здесь уже не ровные, а изогнутые. Кроме того, могут изгибаться и сами слойки – чем ниже скорость, тем сильнее изгиб и меньше угол их наклона.

Волнистая слоистость характерна для малых скоростей. Границы слойков и серийных швов здесь изгибаются и могут залегать почти горизонтально.

Горизонтальная слоистость возникает в спокойных условиях осадконакопления (ложе океана, глубоководная часть озера, болото).

Наконец, необходимо остановиться на отложениях, в составе которых внутренняя слоистость может отсутствовать. К числу таких накоплений нередко относятся моренные, обвально-осыпные, и практически всегда – лессы. По мнению Н. Б. Вассоевича, их текстуру следует называть слоеватой. Такое определение представляется не слишком удачным – гораздо лучше по отношению к неслоистым осадкам использовать термин “массивная текстура” [16].

Помимо изучения слоистости, необходимо уделять внимание исследованию ориентировки длинных осей крупных обломков. Гальки морских и озерных пляжей вытянуты длинными осями параллельно берегу. Речная галька в области стрежня ориентирована по направлению течения, а близ берега – под углом. Гальки донной морены вытянуты по направлению движения ледника.

2. 4. Геоморфологические методы

Геоморфологические методы, используемые в четвертичной геологии, по-своему универсальны – они позволяют решать обе важнейших задачи: производить стратиграфическое расчленение поверхностных отложений и выявлять их генезис. Столь широкий спектр их возможностей объясняется теснейшей связью, существующей между геологическими и геоморфологическими процессами. Иными словами, определенные процессы разрушения и накопления горных пород ведут к образованию конкретных типов и форм рельефа.

Именно на такую взаимосвязь опираются методы определения генезиса отложений.(или морфогенетической диагностики).Например, экзарационная деятельность мощного горного ледника, спускающегося по речной долине, приведет к возникновению троговой долины, обладающей закономерными особенностями строения. При таянии этого ледника у его края на дне долины накопятся неотсортированные конечно-моренные отложения, представленные в рельефе асимметричными валами конечно-моренных гряд, ориентированных поперек долины. Таким образом, условия распространения слабоизмененных аккумулятивных форм рельефа, а так же их морфологические особенности являются четкими индикаторами генезиса отложений, слагающих эти формы.

Использование методов изучения морфологии геологических тел обусловлено необходимостью правильной диагностики форм рельефа с целью выявления состава и генезиса слагающих их отложений. Для решения этой задачи анализируется геометрия, морфометрия и морфография рельефа – формам и элементам рельефа дается количественная характеристика (высота, длина, ширина, уклон поверхности и проч.). Такие исследования проводятся инструментально: либо в полевых условиях, либо в камеральных – путем замеров по топокартам, аэро- и космическим снимкам.

Методы определения относительного возраста отложений используются в стратиграфии квартера, и базируются на установлении относительного возраста форм рельефа. Среди них выделяют ряд частных методов. Метод возрастных рубежей позволяет довольно точно устанавливать возраст аккумулятивной формы. Для этого необходимо знать возраст прилегающих к ней форм, идентичных по генезису, но возникших раньше и позже изучаемой. Например, вторая надпойменная терраса всегда будет моложе третьей, но старше первой. Метод наложенных форм отличается меньшей точностью. Суть его также чисто стратиграфическая: для выявления относительного возраста наложенной формы надо знать возраст погребенной под нею формы (и наоборот): из двух моренных горизонтов более древним окажется подстилающий. Метод аналогий обладает еще меньшей точностью. Если на территориях, сходных геоморфологически, геологически и географически, представлены идентичные формы рельефа, сложенные такими же горными породами, и в той же степени денудированными, то возраст этих форм совпадает. Примерно тем же уровнем точности обладает и метод анализа степени денудированности – чем раньше возникла какая-либо форма рельефа, тем дольше на нее воздействовали процессы денудации. Следовательно, из нескольких генетически аналогичных форм рельефа, находящихся в одинаковых природных (климатических) условиях, самой древней будет та, которая сильнее всего изменена денудацией – для более старых положительных форм свойственны уплощенные вершины, выположенные склоны и большая мощность делювиального шлейфа у подножья.

Кроме перечисленных, в исследовании четвертичных отложений применяются методы археологические, палеокриологические, геофизические и геохимические, а также целый ряд других, анализу которых посвящена специальная литература.

Контрольные вопросы

§ От каких факторов зависит вещественный состав четвертичных пород?

§ Какие существуют взаимосвязи между вещественным составом, окраской и текстурой пород?

§ Какие выделяются типы окраски и текстур, и о чем свидетельствуют эти характеристики?

§ В чем состоит специфика применения геоморфологических методов при исследовании четвертичных пород?

ИСТОРИЯ НАУКИ