26 Сен

Лавинная седиментация и механизм образования стилолитовых структур




Номер части:
Оглавление
Содержание
Журнал
Выходные данные


Науки и перечень статей вошедших в журнал:

Сутурно-стилолитовые структуры в карбонатных породах известны в геологической литературе с 1751 г. Название им было дано только в 1828г. Ф.Клёденом, который описал их как остатки ископаемых организмов под названием Stilolites sulcatus [9]. В России они известны в чистых известняках карбона Подмосковья, западного склона Урала. Самарской Луки и Тиманского кряжа. Встречаются нередко они в керне скважин из известняков карбона и в доломитовых известняках казанского яруса Татарии [6].

М.С.Швецов и Г.И.Теодорович, детально изучавшие эти структуры, высказали мнение об их происхождении в результате действия преимущественно двух процессов в породе – растворения и последующего сжатия под тяжестью вышележащих толщ [8,9,11]. При этом с процессом растворения связывается постоянное присутствие на сутурной поверхности глинистой прослойки [8], а с давлением — возникновение штриховки, покрывающей стилолитовые зубчики параллельно вектору сжатия осадка. Г.И.Теодорович приводит и другие гипотезы, в частности поверхностного растворения — карста еще не отвердевшего осадка на мелководье при внутриформационных перерывах и гипотезу влиянии тектонических деформаций на сминаемую толщу неуплотненных пород.

В более новых работах появились сведения нахождении стилолитовых швов в керне скважин слабо  метаморфизованных кварцито-песчаников ордовика и рифея Южного Урала Оренбургской области и в других  местах. Так Япаскурт О.В. приводит сведения о нахождении стилолитов в кварцито-песчаниках зоны метагенеза и в метаморфических породах (кристаллических сланцах) в керне Кольской сверхглубокой скважины [12]. В указанных им работах появление стилолитов  рассматривается как результат сжатия породы  на 25% первичной мощности пород. Избыточные флюиды, ответственные за развитие стилолитовых структур в горных массивах появляются, по мнению авторов, в процессах трансформации смектитов в гидрослюды (или хлорит). На Кольской скважине А.А.Кременецкий и Л.Н.Овчинников (цитируется по [12])  связали их появление с флюидоразрывом  при уплотнении  настоящих метаморфических пород.  Согласно точки зрения  Е.М.Смехова, стилолиты являются каналами для миграции растворов и углеводородных флюидов через породу.  В.П.Морозов, Э.А.Королев и А.Н.Кольчугин, описавшие стилолиты из отложений карбона Татарии, приводят их изображения  и считают, что «механизм образования стилолитов еще нельзя считать окончательно понятым» [6, c.73] и полагают, что стилолиты могут быть связаны с любыми, мигрирующими в породе,  растворами.

В описаниях Теодоровича обращает на себя внимание факт, что все или большинство сутурно–стилолитовых  структур возникают преимущественно в сортированных детритовых, оолитовых, фораминиферовых и мелкокристаллических песчаниковидных известняках.  Подчеркнутые Теодоровичем особенности породы, такие как  хорошая пористость и гидропроводность,  дают возможность представить механизм образования стилолитов как результат гидроразрыва уплотняемого скелета породы с  несжимаемой жидкостью  в ее пористом пространстве.  Путем гидроразрыва скелета несжимаемые поровые растворы находят себе сток, снижают внутреннее давление  в породе, превращая трещины гидроразрыва в стилолитовые швы.

Хороший пример в этом смысле представляют известняки карбонатного флиша. На Черноморском побережье Кавказа белые известняки со стилолитами встречаются очень часто. Из сенона окрестностей Сухуми приводит изображение стилолитов М.С.Швецов [11]. Знаменитый арочный мост через реку Сочинку, связывающий парк и пляж Ривьера с центром города, как можно видеть, весь сложен из обработанных блоков белого и кремового известняка, пронизанного стилолитовыми швами в разных направлениях. Этот белый известняк, как и в описаниях Теодоровича, имеет микрозернистую структуру (рис.1а). Его пласты залегают среди  геосинклинального флиша, несущего типичные флишевые иероглифы на плоскостях наслоения. В районе Сочи они иногда содержат  внутриформационные конгломераты, резко меняются в мощности, залегают на различных стратиграфических уровнях от титона до сеномана [2] и сопровождаются мелкой гофрировкой, затухающей вверх по разрезу. Возникновение таких однородных по микроструктуре и текстуре известняков, как известно, связано с лавинной [4] седиментацией, сопутствующей ей сортировкой материала по зернистости и с конседиментационными оползневыми деформациями [1,3].

Упомянутые белые известняки дают  дополнительные аргументы в пользу возникновения стилолитов по схеме предложенной А.А.Кременецким и Л.Н.Овчинниковым. Суть ее в следующем: осаждающийся из подводной мутьевой лавины тонкий карбонатный зернистый материал имеет первоначально рыхлую пористую почти жидкую консистенцию, которая качественно меняется, слеживаясь, оседая и постепенно уплотняясь. Осадок  отдает много воды, также  как снежная лавина  с гор при оседании  выбрасывает из себя воздух.  Процесс коагуляции и частичного отвердевания карбонатного осадка приводит к тому, что он скачками изменяет свою мощность в процессе слёживания, цементации и дальнейшего уплотнения под тяжестью вышележащей массы. Как только литостатическое давление начинает превышать гидростатическое давление, складываются условия для возникновения гидроразрыва внутри осадочной толщи. Трещины гидроразрыва проходят как раз в таких отсортированных и насыщенных водой пористых прослойках. Очевидно, что здесь имеются все условия для образования стилолитов и становится понятным почему, они столь обильны в флишевых отложениях Кавказа в окрестностях Сочи и Сухуми. Поясним это на примерах.

Кто наблюдал, как происходит уплотнение кучи сырого песка, ссыпаемого из самосвала где-нибудь на стройке, мог заметить, что сжатие свеженасыпанной песчаной кучи происходит с образованием таких же стилолитовых поверхностей, только в однородном песке эти структуры (сутурные швы) быстро теряются для глаза наблюдателя. Они сохраняются и проявляются на срезах после высыхания песка. Их возникновение удается наблюдать и в цементной пыли и в обычной хлебной муке или крахмале при их сдавливании и выбросе ими большого объема воздуха из порового пространства по трещинам разрыва. Массы различной степени уплотненности, образующиеся внутри кучи сыпучего материала, разделяются такими сутурно-стилолитовыми поверхностями. Если сразу же брать пробы одинакового объема из таких масс сваленного с самосвала песка, то они несколько отличаются друг от друга по весу, но в дальнейшем в процессе уплотнения вся куча приобретает одинаковую плотность, соответствующую нагрузке вышележащих толщ [7]. Отличие  картины сжатия песка или другого сыпучего материала от сжатия карбонатного осадка  состоит в том, что ни песок, ни цемент, ни мука, ни снег лавины не сохраняют трещин гидро- или газо-разрыва в отличие от карбонатного осадка – продукта  седиментации подводных мутьевых потоков и несжимаемой жидкости. «Отрыгнувшаяся» свободная вода карбонатных илов, двигаясь в трещине гидроразрыва, делает сутурно-стилолитовый шов видимым (рис.1,2) благодаря отложившейся  цветной глины. Присутствие этой глины обычно исследователи стилолитов объясняли и некоторые объясняют до сих пор, как результат дифференцированного процесса растворения в однородной толще карбонатной породы.

На самом деле,  образование стилолитов происходит  иначе, без участия растворения: стилолитовый шов, рождается в процессе  уплотнения карбонатного ила с несжимаемой в его порах водой, и проявляется как трещина гидроразрыва в сжимаемом скелете, по которой происходит быстрый сброс  отжимаемых из осадка вод [10]. Без гидроразрыва и  возникновения дренажного канала отток лишних вод из сжимаемого осадка был бы невозможен. Фильтрация, как очень медленный процесс не обеспечивает необходимого сброса лишней воды и тормозит процесс сжатия и уплотнения осадка. Поэтому по логике ясно, что трещины гидроразрыва первичны по отношению к движущимся по ним растворам отжимаемой из пор свободной воды, а не вторичны, как думают сторонники гипотезы растворения [8,9]. Они возникают как продукт первичного уплотнения осадка (иногда при 15-и кратном уменьшении его мощности) и служат  для сброса внутреннего давления в породе и отвода не только поровых  свободных вод, но и всех других вод,  возникающих при дальнейшем уплотнении и перекристаллизации осадка  на стадии диагенезе и превращения его в горную породу: капиллярных, адсорбированных, кристаллизационных (при распаде кристаллогидратов и перестройке кристаллических решеток), но и при метаморфизме пород, как заметили А.А.Кременецкий и Л.Н.Овчинников.

По содержанию остаточного количества глины, отложившейся на единице площади сутурно-стилолитовой поверхности к ее среднему содержанию в толще монолитной породы можно вычислить объем воды, потерянной осадком в процессе уплотнения и оценить сам коэффициент усадки породы.  В нашем случае объем потерянной осадком воды был не менее 40-50% от первичного объема,  осевшего из лавины карбонатного осадка. В гипотезе растворения считается, что количество глины на сутурной поверхности соответствует сухому остатку от растворенного известняка [11], проверить это в принципе не возможно, т.к. первичного содержания глинистой фракции в осадке нигде не сохраняется. Но встречающийся часто (как в сочинских гальках) под слоем глинки  прослой волокнистого кальцита (рис.2б) говорит, скорее всего, в пользу справедливости нашей гипотезы первичной усадки и выдавливания свободной и слабосвязанной воды. О растворении в стадию метагенеза тут речи не идет, наоборот налицо выпадение кальцита из остаточного насыщенного раствора в стадию диагенеза сразу после отложения глинистой пленки. На пространственно близко расположенных сутурно-стилолитовых поверхностях выпадение кальцита происходит под глинистой пленкой со стороны большего по объему полупространства, что указывает на диагенетическую природу маточного раствора. При катагенетическом процессе или при движении подземных растворов картина выпадения кальцитовых оторочек между породой и глинистой пленкой была бы симметричной, т.е. наблюдалась бы по обе стороны глинистого прослоя в стилолитовом шве.

 Из всего сказанного следует, что мнение старых литологов  прошлого века о мелководности образования детритусовых, оолитовых и фораминиферовых известняков, содержащих стилолиты, ошибочно. Стилолиты образуются и на глубине из рыхлого «сыпучего» карбонатного материала лавинной седиментации в геосинклинальном троге и в обычных платформенных известняках в зонах свала глубин на шельфе или при подводном оползне.

Быстрое осаждение рыхлого материала и его уплотнение приводит к отжатию воды, сжатию минерального скелета породы и  при достижении критического давления появлению трещин гидроразрыва.  По возникшим трещинам гидроразрыва происходит сброс лишней воды (которая, в отличие от илов, несжимаема и тормозит сжатие).      Гидроразрыв скелета пористой породы несжимаемой по природе жидкостью происходит  также как разрыв баллона при достижении предела прочности его стенок.  После схода  отжатых вод внутреннее горное давление падает и происходит «схлопывание» или коллапс  трещины  дренажного канала.  При стоке отжимаемых вод в трещине остается глинистая прослойка, благодаря которой «проявляется» ( делается видимым) стилолитовый зубчатый узор поверхности со следами сжатия (внедрения противоположных неровных стенок  трещины  друг в друга  и со штриховкой на поверхности зубчиков (рис.1б).

В дальнейшем такие стилолитовые поверхности еще долго продолжают  жить, играя роль дренажного канала при диагенетических преобразованиях осадка.  Присутствие тонкой трещиноватости около стилолитовых поверхностей является результатом небольших горизонтальных смещений от раздавливания осадочного материала, а появление под глинистыми примазками плёнки волокнистого кальцита является следствием «выпота» и осаждения карбонатного вещества из остаточного концентрированного раствора слабосвязанной иммобилизованной воды (рис.2б).

Указанные признаки согласуются с моделью процессов гравитационного уплотнения В.Д.Ломтадзе [5]. В карбонатно-глинистых илах, такое уплотнение сопровождается  гидроразрывами, проявляющимися в породе как стилолитовые швы.

    Список   литературы:

  1. Кеннет Дж. Морская геология. Т.2,Изд.«Мир»,1987.с.13-31.
  2. Козлов А.Л. Черноморское побережье в районе Сочи и низовья р.Мзымты.   //Международный XVII Геологический конгресс. Экскурсия по Кавказу. ОНТИ  НКТП СССР,1937, с.30-38.
  3. Kuenen P.H., Menard H.W. Turbidity currents, graded and non-graded deposits. J.Sediment.Petrol.,23, p.83-96,1952.
  4. Лисицын А.П. Лавинная седиментация. — В кн.: Лавинная седиментация в океане. Ростов-на-Дону, 1982,с.3-59.
  5. Ломтадзе В.Д. Инженерная геология. Инженерная петрология. Л.«Недра»,1970.
  6. Морозов В.П., Королев Э.А., Кольчугин А.Н. Атлас пород основных нефтеносных горизонтов палеозоя Республики Татарстан. Карбонатные породы визейского, серпуховского и башкирского ярусов нижнего и среднего карбона. Изд .  « Геос», Казань, 2008, 176 с.
  1. Романовский С.И. Седиментологические основы литологии. Недра,1977, с.297-318.
  1. Твенхофел У.Х. Учение об образовании осадков. ОНТИ,1936г.
  2. Теодорович Г.И. Учение об осадочных породах. Гостоптехиздат, 1958г. с.179-190.
  3. Фридмен Дж.М., Сендерс Дж.И. Генезис и распространение доломитов. В кн.: Карбонатные породы, т.2, Науки о Земле, т.28, Изд. Мир,1970, с.274.
  4. Швецов М.С. Петрография осадочных пород. Госгеолтехиздат,1958 г. с.175-178.

     12.Япаскурт О.В. Стадиальный анализ литогенеза. Изд. МГУ,1995 г.142 с.

Рис.1а. Серия стилолитовых швов в микрозернистом известняке из карьера района Сочи. Прочность срастания стилолитов настолько высока, что при дроблении до размеров щебня известняк раскалывается независимо от направления швов.

Рис.1б. Показан вид  нескольких разъединённых  субпараллельных поверхностей стилолитов  в известняке «верхний оолит» нижнеказанского подъяруса перми с реки  Вятка у села Соколки.

Рис.2а. Окатанная галька зернистого известняка со стилолитами  пляжа «Ривьера» города Сочи. Вверху этой гальки видны затухающие (слепые) стилолитовые швы.

Рис.2б. Гальки различных по цвету зернистых известняков с промазками глины, шестоватого кальцита и срезанными створками раковин по стилолитовому шву (справа).

Лавинная седиментация и механизм образования стилолитовых структур
На основе полевых и лабораторных исследований большого количества образцов стилолитов из отложений сенона Черноморского побережья Кавказа предлагается новое объяснение генезиса этих структур.
Written by: Сонин Геннадий Владимирович
Published by: БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА
Date Published: 02/03/2017
Edition: ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_26.09.15_10(18)
Available in: Ebook