Вулканогенный материал в осадочных породах
Вулканогенный (пирокластический) материал извергается на земную поверхность во время вулканических взрывов. В его состав могут входить обломки вулканического стекла, кристаллов различных минералов и эффузивных пород.
Рис. 109. Форма пирокластических обломков вулканического стекла (размер в мм). |
Обломки вулканического стекла (вулканический пепел) обычно имеют небольшие размеры — от 0,01 до 1 мм и характеризуются остроугольными причудливо изогнутыми формами — рогульчаты-ми, серповидными, клинообразными и т. п. (рис. 109). В более крупных обломках стекла может наблюдаться пузырчатая или флюидаль-ная текстура. Вулканические стекла в условиях земной поверхности легко подвергаются раскристалли-зации и замещению более стойкими минералами. При разложении кислых стекол образуются кварц и полевые шпаты, при разложении основных— хлорит, цеолиты и глинистые минералы группы монтмориллонита.
Кристаллы различных минералов (кварца, полевых шпатов, пи-роксенов, амфиболов) характеризуются оскольчатой остроугольной формой, иногда сохраняют идиоморфные очертания. В результате оплавления они имеют также характерные «бухтообразные» углубления.
Обломки эффузивов обычно округлой, овально-вытянутой или веретенообразной формы. Размеры их различны — от мельчайших частиц до крупных глыб диаметром в несколько метров.
Вулканический материал может присутствовать в том или ином количестве в виде примеси в осадочных породах. При значительном его содержании возникают вулканогенно-осадочные породы.
Помимо пирокластического материала при извержении вулканов выделяются растворы и газы, изменяющие минеральный состав осадочных пород. В ряде случаев такие поступления вулканогенного материала являются причиной возникновения месторождений полезных ископаемых.
Глава IV СТРУКТУРЫ И ТЕКСТУРЫ ОСАДОЧНЫХ ГОРНЫХ ПОРОД
Структура осадочной породы определяется размером и формой ее минеральных компонентов, текстура — их взаимным расположе-
>нием и ориентировкой в пространстве. Структура и текстура характеризуют строение породы.
Изучение особенностей строения осадочных пород имеет большое значение при решении вопросов стратиграфии, тектоники, палеогеографии. Не меньшую роль играет изучение структур и текстур при геологической интерпретации данных геофизических ис--следований, а также в грунтоведении и гидрогеологии, так как ■физико-механические свойства осадочных пород зависят не только от состава, но также от их строения.
СТРУКТУРЫ
В настоящее время отсутствует единая классификация структур осадочных пород. В связи с этим представляется наиболее удобным рассмотреть отдельно структуры обломочных, глинистых, химических и биохимических пород.
Структуры обломочных пород
Для того чтобы охарактеризовать структуру обломочной породы, необходимо определить размеры и форму обломочных зерен, строение цементирующего материала и взаимное отношение обломков и цемента.
Размерзерен. При петрографическом изучении обломочных пород чаще всего используется десятичная классификация структур, принцип построения которой заключается в том, что конечные
Таблица 13 Структуры обломочных пород | |
Диаметр •обломочных зерен, мм | Структура |
>1 1-0,1 0,1—0,01 <0,01 | Псефитовая (грубо-обломочная) Псаммитовая (песчаная) Алевритовая Пелитовая |
размеры, характеризующие ее основные подразделения, превосходят друг друга в 10 раз (табл. 13). Многие исследователи, основываясь на изменении гидродинамических, минеральных и иных свойств обломочных частиц, за верхний и нижний пределы псаммитовой структуры принимают 2 и 0.05 мм. Определенный структурный тип устанавливается для породы в том случае, когда содержание в ней какой-либо фракции (песчаноп, алевритовой и др.) превышает 50% общего количества обломочных компонентов. В случае неоднородного гранулометрического состава возможны структуры переходного типа (например алевропсам-митовая).
Величина зерен оказывает заметное влияние на прочность обломочных пород. Как правило, породы, состоящие из более мелки зерен, имеют большую прочность и устойчивость к выветриванию, чем породы такого же минерального состава, но более крупнозернистой структуры. Среди обломочных сцементированных
пород наиболее устойчивы и прочны равномерно-среднезернистые и мелкозернистые песчаники, а также алевролиты. Песчаники грубо- и крупнозернистой структуры и грубообломочные породы выветриваются и разрушаются значительно легче. Зависимость прочности пород от их гранулометрического состава показана на примере верхнеюрско-нижнемеловых песчаников долины верхнего Амура (табл. 14). Таблица 14 Изменение прочности пород н зависимости от их гранулометрического состава (по Н. С. Красиловой) |
Прочность пород, кГ/см* | |||
Структурный тип песчаников | о >> о S а 1в «к V О о н га о о га о | 2 ок к CJ 3 А о к оз 3 Я К о к «о о н га о о га о | II |
Гравелистые песчаники Мелкозернистые песчаники | 500 1100 | 400 800 | 250 750 |
С? о
оо
I г
Рис. ПО. Форма обломочных зерен:
а — оскольчатая; 6 — угловатая, в — полуокатаиная, г—
Следует отметить, что, несмотря на явную связь, прямой математической зависимости между гранулометрическим составом породы и ее инженерно-геологическими свойствами не существует вследствие разнообразия факторов, определяющих эти свойства.
Форма зерен. Характеризуя форму зерен в обломочных породах, необходимо уделить особое внимание степени окатанности обломочных частиц, которая зависит от первоначальной формы минеральных выделений (в материнской породе), размеров зерен, а также от расстояния и характера транспортировки обломочного-материала. Обломки больших размеров окатываются быстрее, чем мелкие, зерна мельче 0,1 мм практически не окатываются совсем. Обычно выделяют зерна оскольчатой, угловатой, полуокатанной и окатанной формы (рис. ПО). Кроме степени окатанности необходимо отметить степень сферичности обломочных зерен — их изо-метричность, удлиненность или уплощенность.
Форма обломочных зерен изменяется также в процессе эпигенеза в результате их частичного растворения или, наоборот, регенерации, а иногда также и деформации под воздействием давления вышележащих толщ и ряда других факторов. Общая тенденция эпигенетических структурных изменений выражается обычно в максимальном сближении обломочных зерен, что приводит к уплотнению породы и уменьшению ее пористости. Подобные структуры образуются в результате частичного растворения минераль-
ных зерен, а иногда и их пластической деформации, сопровождающейся изменением строения кристаллической решетки.
В познании вторичных эпигенетических структур большую роль сыграли работы А. В. Копелиовича, в которых эти структуры были впервые описаны наиболее детально *. Основными из них являются следующие структуры:
Рис. 111. Инкорпорационно-конформиая структура. Увел. 35, николи +.
Конформная — обломочные зерна изменяют свои первоначальные очертания таким образом, что форма каждого зерна приспосабливается к форме соседних, к нему примыкающих (в неизмененных осадочных породах обломочные зерна обычно соприкасаются в отдельных точках).
Инкорпорационная — обломки, сохранившие свою первоначальную форму, частично внедряются в другие обломки, которые меняют очертания соответственно внедрившейся в них части (рис. 111).
Микростилолитовая — характеризуется взаимным проникновением обломочных зерен по сложной зубчатой сутурной границе.
Регенерационная — возникает в том случае, когда обломочные зерна разрастаются за счет аутигенных каемок того же минерала.
* А. В. Копелиович. Эпигенез древних толщ юго-запада Русской платформы. М., «Наука», 1965.
Первоначальная форма обломочных зерен выявляется под микроскопом по зоне пылеватых включений, которые скапливались на поверхности зерен.
Коррозионная — характеризуется тем, что цементирующий материал не только выполняет промежутки между зернами, но и, внедряясь в них, заполняет впадины, возникшие в результате растворения или замещения обломочных зерен.
Форма зерен существенно влияет на физико-механические свойства породы, так как именно от этого признака зависит характер взаимодействия ее составных частей. Например, рыхлая обломочная порода, сложенная остроугольными зернами, характеризуется более высокой пористостью, меньшей водопроницаемостью, большим углом естественного откоса по сравнению с породой, сложенной окатанными зернами того же размера.
Эпигенетически измененные породы обычно имеют большую прочность, чем аналогичные породы, не подвергшиеся подобным преобразованиям. Пример зависимости механических свойств породы от формы обломочных зерен приводит в своем учебнике М. С. Швецов: «В какой мере форма зерна может оказывать влияние на прочность породы, показывает кварцевый песчаник «итаколумит». Порода эта обладает поразительной упругостью. Тонкие бруски ее можно прогибать на несколько сантиметров, причем они не рассыпаются, но по прекращении давления снова занимают первоначальное положение. Объясняется это тем, что зерна итаколумита, не скрепленные цементом, связаны лишь сложным переплетением своих ветвисто-лапчатых контуров».
Цемент. При описании обломочной породы обычно выделяют обломочные зерна и цемент. Под названием «цемент» принято понимать содержащийся в обломочной породе аутигенный или тонкообломочный материал, скрепляющий между собой более крупные зерна.
Раздельное рассмотрение обломочного материала и цемента помогает выяснить условия образования породы. В то время как минеральный состав обломочных зерен зависит от характера исходной породы, рельефа, климата и направленности процессов выветг ривания, существовавших в области сноса, возникновение того или иного цементирующего материала обусловлено главным образом физико-химической обстановкой бассейна седиментации, а также процессами диагенеза и эпигенеза.
Цемент может быть мономинеральным или полиминеральным. Среди мономинеральных наибольшим распространением пользуются кальцитовый, фосфатный, опаловый, гидрогётитовый цементы, несколько реже встречаются доломитовый, кварцевый, халцедоновый, глауконитовый и гипсовый. Полиминеральными являются глинистые цементы (сложенные, как правило, не одним, а несколькими глинистыми минералами). Сравнительно часто встречаются гли-нисто-кальцитовый, глауконито-фосфатный, глинисто-гидрогётито-вый и ряд других полиминеральных цементов. Для обломочных по-
8 Зак 881
род геосинклинальных областей характерны полиминеральные цементы, состоящие из тонкозернистого или пелитового обломочного материала (мельчайших зернышек кварца, полевых шпатов, слюд), образовавшегося в результате раздробления более крупных обломочных компонентов.
Обломочные породы с кремнистым цементом наиболее прочны и устойчивы против выветривания. Сравнительно высокой прочностью характеризуются породы с карбонатным или железистым це-
Рис. 112. Типы цементации обломочных пород:
а — базальный цемент, б — цемент выполнения пор, в — пленочный цемент, г — контактовый цемент
ментом. Поэтому обломочные породы, сцементированные кремнистым, карбонатным или железистым материалом и имеющие массивное сложение, относят к скальным породам. Конгломераты, песчаники и алевролиты с глинистым и гипсовым цементом относятся к полускальным породам, они имеют пониженную прочность и водонеустойчивы.
Прочностные свойства сцементированных обломочных пород в значительной степени определяются также соотношением обломочного и цементирующего материала, типом цементации и строением цемента. Количество цементирующего материала может варьировать в породе в широких пределах — от единиц до нескольких десятков процентов. Чем больше цементирующего материала, тем прочнее, как правило, цементация породы.
По соотношению обломков и цементирующего материала выделяются следующие типы цементов (рис. 112):
Базальный — обломки заключены в цементирующем материале (составляющем от 30 до 50% всей массы породы) и не соприкасаются друг с другом.
Выполнения пор — количество цементирующего вещества колеблется в значительных пределах в зависимости от объема поро-вых пространств породы.
Пленочный — количество цемента по сравнению с массой обломков невелико (обычно менее 10% всего объема породы). Цементирующий материал покрывает тонким слоем все обломки, связывая их между собой; часть поровых пространств между зернами остается незаполненной.
Контактовый — цементирующего вещества в породе очень мало и он развит лишь в местах соприкосновения обломков, поры остаются незаполненными.
Цементирующий материал может быть распределен в породе равномерно или неравномерно. В последнем случае в одной н той же породе на различных ее участках наблюдаются различные типы цементации (например базальный и поровый).
Типы цемента и соответствующая им прочность показаны в табл. 15.
Таблица 15 Зависимостьпрочности цементации от типа цемента
(по М. С. Швецову)
Типы цемента | Прочность цементации |
Контактовый | Цементация непрочная |
Поровый | Прочность цементации может быть различной и зависит от объема порових пространств |
Базальный | Цементация прочная |
Коррозионный | Цементация очень прочная |
Цементы перекристаллизации: крустификацион н ы й регенерационный пойкилитовый | Цементация очень прочная ■» » » » » » |
Рис. 113. Разновидности строения кристаллических цементов:
а — крустификацнонный, б —цемент регенерации, в — пойкилитовый
Существенное влияние на прочность породы оказывает строение цементирующего вещества. Цемент может быть аморфным или кристаллическим. Аморфные цементы обычно моиоминераль-ны, чаще всего они сложены опалом или фосфатом. Кристаллические цементы образуют кальцит, гипс, кварц и некоторые другие минералы.
8* 227
По особенностям строения кристаллических цементов выделяют следующие их разновидности (рис. ИЗ):
Цемент обрастания (крустификационный) — цементирующее вещество обрастает обломочные зерна тонкой корочкой. Оптическая ориентировка обломочных зерен и кристаллов цементирующего вещества различна. Разновидностями цемента обрастания являются радиально-крустификационный и пленочный.
Цемент регенерации наблюдается в случае разрастания обломочных зерен. Состав обломочных зерен и цемента одинаков (чаще всего это кварц). В случае заполнения цементирующим материалом всех поровых пространств образуется плотная «сливная» порода.
Пойкилитовый цемент — слагается минералами (гипс, кальцит и др.), образующими крупные кристаллы, включающие в себя несколько обломочных зерен.
Коррозионный цемент характеризуется частичным разъеданием обломочных зерен и замещением их цементирующим материалом.
Структуры глин
В основу классификации структур глин положен их гранулометрический состав. Специфической особенностью этих пород является очень малый размер глинистых минералов (обычно не превышающий 0,01мм). Порода, состоящая исключительно из глинистых минералов, характеризуется пелитовой структурой. Наличие в глинах обломочной примеси делает необходимым выделение алевропелитовой, псаммопелитовой и смешанных структур. Количество обломочной примеси оказывает влияние на степень пластичности и ряда других свойств глинистых пород.
Пелитовая структура характерна для пород, состоящих преимущественно (не менее 90—95%) из частиц размером мельче 0,01 мм. В зависимости от степени дисперсности материала пели-товую структуру подразделяют на пылеватую (преобладают частицы 0,01—0,001мм) и гелевую (преобладают частицы < 0,001мм).
Алевропелитовая структура свойственна глинам, содержащим примесь обломочных зерен (размером 0,01—0,1 мм) в количестве 5—50 %.
Псаммопелитовая структура отличается от алевропелитовой более крупным размером (от 0,1 до 1 мм) обломочных зерен.
Если алевритовые и песчаные частицы присутствуют в глине в равных или в почти равных количествах, возникают структуры смешанного типа: псаммоалевропелитовая и алевропсаммопели-товая.
Брекчиевидная и конгломератовидная структуры характеризуются наличием угловатых, округлых или овальной формы обломков глины, сцементированных глинистым веществом. Породы с подобной структурой образуются в результате местного размыва
глинистого осадка и последующей его цементации в процессе диагенеза.
Реликтовая структура характерна тем, что в породе наблюдаются контуры частиц, за счет разложения которых образовались глинистые минералы. Разновидностью ее является пепловая структура монтмориллонитовых глин, образовавшихся за счет разложения пирокластического материала.
Фитопелитовая структура свойственна глинистым породам, в тонкодисперсной массе которых рассеяно значительное количество растительных остатков различной степени сохранности.
При изучении глин в шлифах обычно отмечают определенные разновидности микроструктур основной глинистой массы, выделенные на основании различного расположения чешуйчатых глинистых частиц и неодинаковой их оптической ориентировки. Чаще всего наблюдаются следующие микроструктуры:
Псевдоаморфная структура — глинистая масса имеет тонкодисперсное строение и почти не действует на поляризованный свет. Однако изучение такой глины при помощи электронного микроскопа показывает, что она состоит из мельчайших кристаллов. Иногда наблюдаются следы оолитового, волокнистого строения или отдельные более крупные кристаллы.
Чешуйчатая структура — глинистая часть породы сложена разнообразно ориентированными чешуйками глинистых минералов. При вращении столика микроскопа наблюдается агрегатная поляризация.
Ориентированная структура — характеризуется наличием агрегатов глинистых частиц с одинаковой оптической ориентировкой. При скрещенных николях все поле зрения или значительные его участки погасают одновременно как один кристалл.
Спутанно-волокнистая структура — в скрещенных николях наблюдается беспорядочное переплетение тонких волокон, поочередно погасающих и просветляющихся при вращении столика микроскопа.