Особенности накопления осадочных толщ

Данные по современному осадконакоплению показывают, что 50 % твердого стока рек остается в их дельтах, до 40 % накапливается в пределах морского мелководья и лишь 3–5 % достигает глубоководных участков».

По-видимому, эти соотношения сохранялись и в геологическом прошлом. Однако профиль любого осадочного бассейна показывает, что наибольшие мощности отложений приурочены не к периферическим, а к центральным его частям. Еще более парадоксальную картину дает вычисление скоростей осадконакопления в таких бассейнах: вычисленная скорость осадконакопления в центре бассейна в несколько раз больше чем на его окраинах…

…В течение любого отрезка геологического времени происходит непрерывное перемещение уже отложившегося осадка от периферии к центру бассейна. Естественно, это приводит к выпадению в частных разрезах значительного количества первоначально откладывающихся осадков. Это обстоятельство является единственным объяснением огромной разницы (в 2—3 порядка) между скоростями накопления современных и древних отложений. Геология накопила большое число бесспорных примеров очень быстрого накопления палеозойских и мезозойских слоев (прижизненное захоронение лесов в континентальных сериях, прижизненное захоронение зарывающихся в мягкий ил или живущих на дне бентосных организмов, в том числе морских лилий и т. д.).

Указанная особенность процесса осадконакопления впервые была отмечена Дж. Барреллом (Barrell, 1917), который указал, что осадконакопление — это ритмический процесс, контролируемый диастрофическими и климатическими изменениями… Было показано, что время накопления осадков значительно меньше времени перерывов в осадконакоплении, а отложение сохранившихся слоев происходит очень быстро.

Эти перерывы в осадконакоплении, составляющие характерную особенность процесса седиментации (так как обеспечивают продвижение материала к центру бассейна) Дж. Баррелл назвал диастемами. Диастемы, как правило, не фиксируются в разрезе.

…Важно… помнить, что практически в любом разрезе сохраняется лишь небольшая часть первоначально накопившихся осадков и что поэтому установление одновременности образования каких-либо толщ возможно лишь с определенной степенью точности, обычно составляющей (при использовании биостратиграфического метода) не менее 200—500 тыс. лет (за исключением климатостратиграфических методов расчленения четвертичных отложений).

Все вышеприведенные рассуждения, в сущности, относились к частным разрезам. Переходя же к пространственному распространению литологических тел, мы тотчас встаем перед другой проблемой: насколько одновременно начинается и завершается формирование какой-либо свиты или пачки в различных пунктах ее развития.

Несомненно, имеется много, как правило, маломощных литологических тел, одновозрастных на всем протяжении, например пепловые и бентонитовые пласты. Тем не менее, геологические данные свидетельствуют о том, что чем длительнее поисходит формирование какой-либо толщи, тем более неодновозрастны ее границы.» (цит. по Степанов, Месежников, 1979, с. 80-82).

Следует отметить, что при сопоставлении времени образования древних толщ с продолжительностью четвертичных трансгрессий, регрессий и фаз оледенения может возникнуть мнение, что и древние обстановки были столь же кратковременны. Однако наличие исключительно полных монофациальных разрезов морских отложений, охватывающих несколько ярусов (т. е. отрезок времени 10—20 млн. лет), показывает стабильность некоторых морских обстановок.

Таким образом, накопление любых генетически и морфологически однородных осадочных толщ, имеет непрерывно-прерывистый характер. Детальные стратиграфические корреляции сводятся к сопоставлению интервалов сохранения и несохранения первично накопившихся осадков.
Контрольные вопросы:
23. Основные группы осадочных пород.

24. Главный тетраэдр состава Петтиджона

25. Слоистость: определение, происхождение, основа выделения слоев.

26. Различные способы расчленения разреза на слои в зависимости от целей исследования.

27. Особенности накопления осадочных толщ.

IV. ПЕРЕРЫВЫ И НЕСОГЛАСИЯ. ФАЦИИ И ФОРМАЦИИ.

ЭВСТАЗИЯ И ЭПЕЙРОГЕНИЯ
В геологии достаточно часто встречаются случаи частичного или полного отсутствия осадков, которые уверенно датируются временными интервалами - фазами, веками, эпoxами, периодами и даже эрами. Эти перерывы в осадконакоплении проявляются на обширных пространствах.

«Наиболее часто причиной перерывов являются тектонические движения и связанные с ними региональные или локальные палеогеографические изменения. Наряду с этим перерывы бывают связаны и с резким замедлением темпов осадконакопления, подвод-ными размывами (рецессии, по Д. В. Наливкину), существованием устойчивых течений, уносящих весь поступающий осадок; и наконец, перерывы могут быть связаны с эродирующим влиянием мутьевых потоков. Перерывы имеют для геолога огромное практическое значение: без их учета невозможно правильно сопоставить частные разрезы или оконтурить какое-либо стратиграфическое подразделение.

Перерывы заключают большую информацию о тектоническом и палеогеографическом развитии района. Естественно поэтому для их обозначения необходима достаточно однозначная терминология. По-видимому, одна из наиболее удачных классификаций перерывов и связанных с ними несогласий предложена К. Данбаром и Дж. Роджерсом (рис. 4.1).

Рис. 4.1. Типы несогласий (по Данбару и Роджерсу, 1962).

а – несогласное перекрытие; б – угловое несогласие; в – параллельное; г – скрытое несогласие (Рис. 4.16. из Степанов, Месежников, 1979, с. 86).
К. Данбар и Дж. Роджерс (1962) указывают четыре возможных случая несогласия: слоистые породы перекрывают (налегают на) не слоистые изверженные или метаморфические породы — несогласное перекрытие; две толщи слоистых пород по-разному дислоцированы, имеют различные простирания и углы наклона — угловое несогласие; две толщи имеют одинаковые элементы залегания, но между ними имеется четкая эрозионная граница, выраженная в виде неровного или волнистого контакта, ожелезнения кровли подстилающей толщи, скопления грубообломочного материала или фосфоритовых стяжений в основании перекрывающей толщи и т.п. — параллельное несогласие; наконец, контакт между двумя толщами выражен простой поверхностью напластования и наличие перерыва устанавливается преимущественно методами биостратиграфии— скрытое несогласие.» (цит по Степанов, Месежников, 1979, с.79-87).
Конденсированные слои
Переходя к практике стратиграфических исследований, геолог может иметь дело с полными (разумеется, с учетом сделанных замечаний) и неполными разрезами. Существует, однако, еще третья категория разрезов, как бы промежуточная между отмеченными выше, — это разрезы конденсированных слоев.

Согласно Рубану Д.А. (2007), изучение конденсированных интервалов в осадочных толщах является исключительно важным при анализе эволюции осадочных бассейнов и определении потенциала их нефтегазоносности.

Конденсация в целом может быть определена как снижение мощности осадочной толщи в сопоставляемых сериях толщ, сформировавшихся за одинаковые отрезки геологического времени. Иными словами, это концентрация геологического времени в осадочной последовательности. Ее природа может быть различна (Gómez, Fernández-López, 1994). С одной стороны, снижение скорости осадконакопления может выражаться в увеличении интервалов между моментами поступления в осадок отдельных частиц (или, что правильнее, минимальных порций), а, с другой, - в существенной неравномерности процесса формирования слоя и слоевых ассоциаций, когда в них фиксируются перерывы. В первом случае речь идет о седиментационной, а во втором - о стратиграфической конденсации. Кроме того, выделяется тафономическая конденсация, возникающая за счет концентрации разновозрастных остатков ископаемых организмов. В ряде случаев конденсация может оказаться смешанной.

В целом, отвечая времени снижения интенсивности седиментогенеза, конденсация может рассматриваться как процесс, занимающий среднее положение между нормальным осадконакоплением и перерывом. Седиментогенез может иметь 4 формы: лавинная (Лисицын, 1982, 1984) и нормальная седиментация, конденсация ("рассеянный перерыв") и собственно перерыв. В ходе своей реализации может происходить последовательный переход от одной формы к другой. Соотнесение данного конденсированного интервала с одной из вышеперечисленных форм осуществляется только лишь путем сопоставления данного интервала с выше и нижеследующими или же аналогичными интервалами в других разрезах или соседних регионах по скорости осадконакопления.

По уменьшению скорости седиментации (мощность интервала, соотнесенная с его общей длительностью) мы определяем наличие конденсации в целом. Если в толще есть внутренние перерывы, то нужно оценить скорость аккумуляции (мощность интервала, соотенесенная с длительностью времени накопления осадков без учета перерывов (Gómez, Fernández-López, 1994)). В том случае, когда она не снижается в сравнении с выше и ниже расположенными интервалами, а скорость седиментации снижается, толща сконденсирована только стратиграфически. Когда скорости и аккумуляции, и седиментации снижаются, то толща сконденсирована и седиментационно, и стратиграфически. Если в толще нет внутренних перерывов, а скорость седиментации (в этом случае она равна скорости аккумуляции) снижается, то речь может идти только о седиментационной конденсации. Если ископаемые организмы находятся во вторичном залегании, а скорость седиментации снижается, то может оказаться, что толща сконденсирована тафономически. Однако для этого надо знать датировку интервала по организмам с первичным залеганием или по "непалеонтологическим" данным. После достоверной датировки толщи необходимо еще раз проверить наличие или отсутствие седиментационной и стратиграфической конденсации.

Конденсированные интервалы хорошо идентифицируются в разрезах и часто трассируются на значительные расстояния, что позволяет их использовать в качестве надежных маркеров при изучении осадочных бассейнов.

Для отдельно взятых литологических признаков фации американскими геологами был предложен удачный термин «литофация», а характерные для определенной фации комплексы ископаемых организмов образуют «биофации». Поскольку биофация и литофация являются частными характеристиками какой-либо конкретной фации, в общем случае они должны пространственно совмещаться, особенно в тех случаях, когда биофации устанавливаются по бентосным организмам. На практике, однако, такие совпадения бывают далеко не всегда. Целый ряд организмов, в первую очередь планктонных и нектонных, не обнаруживает жесткой связи с определенными фациями. Например, позднемеловые радиолярии в Западной Сибири встречаются как в кремнистых песчаниках и диатомитах, так и в карбонатных и бескарбонатных глинах.

«Далеко не всегда жестко привязаны к определенным, литофациям и комплексы бентоса, достаточно вспомнить среднеюрских иноцерамид или позднеюрских и раннемеловых бухий. С другой стороны, нередко выделяемые при практической работе литофации соответствуют нескольким биофациям. Чаще всего это связано с перемывами и сортировкой фауны в процессе формирования осадка. Например, в основании мела бассейна р. Печоры залегают алевритовые глины, заключающие мелкие линзочки глинистого алеврита с многочисленными бухиями. Глины и алевриты, по данным В. И. Кузиной, содержат принципиально отличные комплексы фораминифер. Однако известны случаи, когда достаточно четко устанавливаемая литофация отвечает нескольким биофациям. Кимериджские отложения на восточном склоне Приполярного Урала представлены очень характерной толщей синевато-серых монтмориллонитовых глин лопсинской свиты. На западе для лопсинской свиты характерен биоценоз, в котором ведущее место занимают крупные устрицы и астарты, восточнее, при сохранении всех основных литологических признаков, устрицы становятся чрезвычайно редки, и, в сущности, здесь уже новый биоценоз астарт и мелеагринелл…

…Со времени установления фаций возникла проблема их соотношений со стратиграфическими подразделениями. Как известно, А. Грессли рассматривал фации внутри выделенных им стратиграфических единиц. Фация, таким образом, являлась пространственно обособленной частью стратона. Эта точка зрения сохранилась в практической деятельности геологов и до настоящего времени... Однако во времена А. Грессли границы стратиграфических подразделений считались изохронными. В наши дни, когда четко определено различие между лито- и хроностратиграфическими единицами, соотношения фаций и стратонов оказываются более сложными: фации, естественно, тесно сопряжены с литостратиграфическими единицами и, подобно этим единицам, могут пересекать хроностратиграфические границы…

…Однако любые стратиграфические подразделения содержат, как правило, различные фации, не только замещающие друг друга по простиранию, но и сменяющиеся вверх по разрезу. Особенно показательны в этом отношении угленосные ритмы Донбасса или Пенсильвании, каждый из которых состоит из ряда резко контрастных фаций. В связи с этим часто возникает представление о том, что, в сущности, каждый обособленный слой представляет собой самостоятельную фацию. Этот, в целом справедливый вывод, однако, имеет ряд ограничений, поскольку возможно существование конкретных фаций, представленных различными типами пород. Наиболее представительным примером являются фации мутьевых потоков, сложенные осадками с последовательно убывающими по разрезу размерами частиц…

…Для стратиграфа фации имеют огромное значение. Ничто так не затрудняет сопоставление разрезов и не служит причиной появления разноречивых представлений о строении осадочных толщ, как наличие фациальных изменений. Подавляющее число спорных стратиграфических проблем сводится к решению проблемы - размыв или фациальное замещение. Как правило, возможности непосредственного прослеживания слоев в поле сильно ограничены либо условиями обнаженности, либо недостаточным количеством буровых скважин и отсутствием в буровом материале всей полноты информации о разрезах. Важным способом выявления фациальных переходов является биостратиграфическая корреляция.

Установленные фациальные соотношения позволяют прогнозировать строение осадочных серий в смежных районах, дают важнейший материал для палеогеографических реконструкций и правильной ориентации на этой основе поисково-разведочных работ на различные виды полезных ископаемых.

В качестве примера можно привести представление о постепенном уменьшении зернистости осадков при движении от берега вглубь бассейна…» (цит. по Степанов, Месежников, 1979, с. 93-98).
Формации
Вся осадочная оболочка Земли сложена сравнительно немногочисленными типами слоистых пород. Поэтому сходные по составу пески или глины можно встретить в нижнем палеозое и в кайнозое. Это обстоятельство долгое время не позволяло увидеть какие-либо закономерности распространения осадочных пород в историческом аспекте. Оказалось, однако, что в истории Земли имела место и эволюция литогенеза. Благодаря работам Н. М. Страхова [1948, 1960, 1963] такая направленность литогенеза была установлена достаточно определенно. Так, в ходе геологической истории наблюдается повышение содержания в породах кальция и отчетливое понижение содержания магния и, как следствие, существенное сокращение доломитообразования; очень заметно снижается интенсивность накопления хемогенных кремнистых пород и т. п.

Вместе с тем для целого ряда пород устанавливается определенная периодичность их широкого распространения в разрезах. Так, например, была установлена сопряженность крупных тектонических движений и основных фаз углеобразования. При этом некоторые характерные типы пород (аспидные сланцы, карбонаты, красноцветы, угли, флиш и т. д.) получают существенное распространение лишь на определенных этапах развития крупных структурных зон земной коры. Французский геолог М. Бертран, впервые обративший внимание в конце прошлого века на закономерность смены в разрезах палеогена Альп флиша и молассы, назвал ассоциации горных пород, появляющиеся на определенных этапах тектонического развития региона, формациями, использовав термин, предложенный еще в XVIII в. Г. Фюкселем. Особенное развитие учение о формациях получило в работах советских геологов Н.С. Шатского [1951], Н.П. Хераскова [1952, 1965], а в последнее время В.И. Драгунова [1973], Э.Н. Янова [1965], И.В. Крутя [1968], А.Л. Яншина [1970] и др.

Определение формации мы заимствуем из известной работы В.Е. Хаина [1964а, с. 127]: «Формация — это закономерное и естественное сочетание (парагенез, комплекс, ассоциация) определенного набора горных пород — осадочных, вулканогенных, интрузивных — образующихся на определенных стадиях развития основных структурных зон земной коры». Основные факторы, контролирующие появление и пространственную приуроченность различных формаций — это характер тектонических движений и климат. Сходные формации будут появляться на определенном этапе развития платформ и геосинклиналей, расположенных в одинаковых климатических зонах. В частности, для аридной зоны наиболее характерны эвапоритовые и красноцветные формаций, а для гумидной — угленосные и ледниковые.

Хотя формации выделяются на основании обобщения стратиграфических данных и используются главным образом для выяснения истории тектонического развития крупных регионов и распространения в них месторождений полезных ископаемых, общие закономерности распределения различных типов осадочных пород, бесспорно, могут использоваться и для выявления стратиграфических соотношений, особенно в малоизученных регионах. Так, например, закартировав в пределах одного района изолированные выходы толщи аспидных сланцев и толщи молассовидных отложений, можно с большой долей вероятности постулировать, что сланцы окажутся древнее молассы, равно как достаточно мощные карбонатные толщи на платформах, скорее всего, будут подстилаться морскими терригенными осадками, и т. п.

Рассмотрим важнейшие геологические факторы, влияющие на фациальный облик морских осадочных толщ в эпиконтинентальных (полузамкнутых) осадочных бассейнах. Этими основными факторами являются глобальная эвстазия и эпейрогения (вертикальные тектонические движения). Еще в конце 19 – начале 20 века были популярны взгляды на эвстатическую природу крупной цикличности (L.Sloss). «Признание эвстазии имеет большое методологическое значение для циклостратиграфии, позволяя проводить межрегиональную синхронизацию как различных по составу отложений, так и прослеживать глобальные и межрегиональные маркирующие горизонты».

В 60-е и 70-е годы 20 века в отечественной геологии преобладали представления о постоянстве уровня Мирового океана. Трансгрессивно-регрессивные явления объяснялись колебательными движениями земной коры. Многие российские исследователи думают так до сих пор.

Анализ вариаций относительной скорости важнейшего геологического события, каким считается изменение уровня моря, показывает, что в основе фациальных особенностей формирующихся осадков лежат изменения относительной скорости эвстатических колебаний.

На рисунке 4.2. представлена генерализованная временнáя модель одностадийного эвстатического цикла и зависимость литологического строения разрезов от изменения скорости эвстатических колебаний.

Рис. 4.2. Генерализованная временная модель одностадийного эвстатического цикла и зависимость литологического строения разрезов от изменения скорости эвстатических колебаний.

h - уровень моря в абсолютных единицах, t - время, Т - трансгрессивная часть цикла, R - регрессивная часть цикла, 1-4 - фациальный переход от грубых осадков к тонким илам. A-D - проекции на временную ось этапов формирования осадков при: А - мгновенном повышении и последующей стабилизации уровня моря, B - равномерном повышении уровня моря, С - медленном и последующим быстром повышении уровня моря, D - быстром и последующим медленном повышении уровня моря.
Следует отметить, что данная эвстатическая временная модель (ЭВМ) справедлива только при условии отсутствия тектонических подвижек, способных повлиять на смещение фациальной обстановки. Первая половина цикла представляет собой этап повышения уровня моря от нуля до максимума, вторая – этап снижения до нуля. Рассмотрено несколько потенциально возможных вариантов повышения уровня моря: мгновенное повышение с последующей стабилизацией (А), равномерное повышение (В), медленное повышение с последующим увеличением скорости (С), быстрое повышение с последующим уменьшением скорости (D). Вверху рисунка приведена фациальная зональность осадков, связанная с глубиной бассейна и выраженная в переходе от грубых фаций к тонким илам.

Осадочные разрезы, сформированные при каждом из рассмотренных вариантов, представляют собой проекции на временную ось этапов накопления тех или иных фаций в зависимости от абсолютной величины уровня моря. Так, в варианте «А» присутствует только фация, соответствующая достигнутому уровню моря: в рассматриваемом случае это самая глубоководная фация. В варианте «В» – при равномерном повышении – наоборот, в разрезе отмечается весь фациальный спектр осадков; варианты C и D являются промежуточными. Подобная картина отмечается и на втором этапе эвстатического цикла только с обратной последовательностью смены фаций. Безусловно, представленная модель является генерализованной и максимально упрощенной. Реальная геологическая обстановка, как известно, чрезвычайно сложна и многофакторна. Преимущество данной модели в том, что она является основополагающей при накоплении морских осадочных толщ. Все остальные факторы, оказывающие влияние на их формирование – эпейрогенические, гидродинамические, климатические и иные должны быть наложены на эту основу, тем самым усложнить ее и приблизить к реальности.

Важнейшим из вышеперечисленных факторов, способным в значительной степени «затушевать» влияние эвстатических колебаний при формировании осадочных толщ, является эпейрогенический.

Н
а рисунке 4.3. приведена ЭВМ, осложненная влияниями вертикальных тектонических подвижек – тектоно-эвстатическая модель (ТЭВМ), рассмотренная при равномерном прогибании и воздымании дна.

h - уровень моря в абсолютных единицах, t - время, Т - трансгрессивная часть цикла, R - регрессивная часть цикла. 1-4 - фациальный переход от грубых осадков к тонким илам. A-H - фациальная зональность осадков и проекции на временную ось этапов их формирования при равномерном росте / падении уровня моря: А - до прогибания, Е - до воздымания дна; B, С и D - с одновременным равномерным прогибанием дна бассейна; F, G и H - с одновременным равномерным воздыманием дна бассейна.

При равномерном подъеме поверхности дна со скоростью, сопоставимой со скоростью повышения уровня моря, в разрезе будет отмечаться смещение на одну фацию в сторону мелководья. При «мгновенном» подъеме, вероятно, произойдет образование острова и /или резкая смена конфигурации береговой линии.

При интерпретации литологического строения разрезов, представляющих собой результат совместного воздействия эвстазии и эпейрогении, вычленить влияние последней достаточно сложно. Есть варианты, которые могут быть проинтерпретированы двояко. Например, готерив-аптская секвенция востока РП, представленная практически целиком глинами, могла сформироваться при «мгновенном» или очень быстром росте уровня моря в позднем готериве с его стабилизацией на фации глин. Возможно также «мгновенное» прогибание поверхности дна на величину, при которой глубина бассейна достигнет фации глин и останется таковой до конца среднего апта. Таким образом, формирование глин теоретически могло и не сопровождаться эвстатическими колебаниями, но только не в случае с готерив-аптской секвенцией. Сравнение условно названной эвстатической кривой, построенной по сводному разрезу готерив-аптской секвенции северо-востока УСП, с глобальными кривыми Хака, полученными на пассивной континентальной окраине, где роль тектоники минимизирована, указывает на их сходство и различия.

Сходство свидетельствует о доминировании глобальных эвстатических колебаний на данном участке платформы, что, безусловно, связано с затуханием тектонических подвижек.

Отклонения местных кривых от глобальных говорит об усилении в эти периоды тектонической активности на рассматриваемом участке платформы, которая может привести не только к сведению к нулю влияния продолжающихся эвстатических колебаний (при прогибании), но и, как известно, к изоляции бассейна и прекращению осадконакопления путем вывода разреза на сушу (при воздымании).
Контрольные вопросы:
28. Стратиграфический перерыв: определение и происхождение.

29. Четыре случая несогласий.

30. Конденсированные слои: определение, природа, виды.

31. Седиментационная и стратиграфическая конденсация: сходство и различия.

32. Определение и виды фаций.

33. Соотношение фаций и стратонов.

34. Значение фаций для стратиграфа.

35. Основные факторы, влияющие на фациальный облик осадков

36. Временнáя модель эвстатического цикла и литологическое строение разрезов

37. Тектоно-эвстатическая модель и литологическое строение разрезов