Краткий курс литологии
..pdfщаться последним и преобразовываться в бокситы, представляю щие собой важные полезные ископаемые.
В покрытых густыми лесами экваториальных районах Земли слабо выраженный короткий сухой сезон не оказывает влияния на положение уровня грунтовых вод. Зона выветривания до самой поверхности оказывается всегда влажной. Мощность коры вывет ривания при этом может достигать от нескольких десятков до 100— 150 м. За счет изменения насыщенных водой кислых материнских (граниты, гнейсы), а также основных (базальты, долериты) пород образуется каолинит. На обширных территориях возникают толщи желтых или красных экваториальных каолинитовых глин. Гиббсит при этом почти не образуется. Отсутствуют или почти отсутствуют кирасы.
Области аридного климата характеризуются некоторыми спе цифическими чертами химического выветривания материнских пород. Высокие температуры и их резкие суточные и сезонные из менения при резком дефиците воды и растительности приводят к преобладанию физического выветривания (раздробления) пород. Образуются скопления обломочного материала, характеризующие типичные формы пустынного ландшафта.
Кроме физико-химических условий выветривания (климата) на образование и сохранение профиля той или иной коры выветрива ния решающее влияние оказывает характер тектонических движе ний. При прогибаниях территория становится областью накопления осадков, а не выветривания. Для того чтобы образовался доста точно мощный профиль коры выветривания кроме соответствующе го климата необходимо медленное поднятие или стабильное поло жение территории, на которой формируется кора выветривания.
При быстрых поднятиях территории формируется расчлененный горный рельеф. Резко усиливаются процессы размыва, т. е. дену дации. Механическое разрушение пород в горных областях и уда ление обломочных продуктов выветривания идет столь интенсивно, что не только не успевает сформироваться сколько-нибудь значи тельная кора выветривания, но и изменяется сам характер процес сов выветривания. Даже в условиях тропического климата в райо нах горного рельефа процессы химического разложения материн ских пород не успевают проявиться й доминирует механическое разрушение горных массивов. Огромные массы грубодисперсных обломочных продуктов выносятся из областей с горным рельефом в окружающие бассейны седиментации. Меняется весь характер процессов осадконакопления в этих бассейнах. Так, типичная рав нинная река Обь, протекающая по Западно-Сибирской низменно сти с водным стоком 394 км3/год, выносит в Северный Ледовитый океан 14 млн т/год твердых продуктов выветривания, а одна из рек, дренирующих горные сооружения Гималаев, — р. Меконг (вод ный сток — 387 км3/год) выносит в Южно-Китайское море 1000 млн т/год, т. е. в 70 раз больше твердых продуктов.
Вышесказанное говорит об огромном влиянии, которое оказы вают тектонические движения на осадкообразование.
Продукты процессов выветривания
В целом выветривание можно рассматривать как глобальный процесс дезинтеграции, дробления вещества материнских пород, т. е. процесс подготовки вещества будущих осадочных пород, охва тывающий поверхность всех континентов земли.
Результатом процессов выветривания является формирование осадочного вещества, дающего начало образованию осадков и оса дочных пород. Среди продуктов выветривания по уровню дезинте
грации могут быть выделены три основные группы |
осадочного |
||
вещества. |
механического раздробления материнских |
по |
|
1. Продукты |
|||
род — обломки |
и частицы материнских пород и минералов |
раз |
|
личных размеров. |
пород — |
||
2 . Продукты |
химического разложения материнских |
||
минеральные новообразования, имеющие субколлоидную и колло идную природу. Это прежде всего глинистые минералы коры вы ветривания, окислы и гидроокислы Al, Fe, Мп и ряда других метал лов (Ti, V, Сг, Мо и т. д.).
3. Продукты химического разложения материнских пород, об разующие истинные, или ионные, растворы: катионы К, Na, Са, Mg, а также Si02, растворимые анионы С03, S 04, Cl, Р2О5 и др.
Продукты выветривания, накапливающиеся в зоне выветрива ния, образуют коры выветривания, состоящие из осадочных пород, которые некоторые исследователи выделяют в отдельную группу
остаточных, или элювиальных, пород.
Изучение процессов выветривания имеет теоретическое и прак тическое значение, так как в результате дезинтеграции и преобра зования вещества материнских пород образуются месторождения многих важных полезных ископаемых.
Во-первых, это остаточные, или элювиальные, месторождения алмазов, золота, хромита, касситерита и некоторых других мине ралов, сформировавшиеся в зоне выветривания за счет разрушения и выноса породообразующих компонентов материнских пород с природным обогащением элювия зоны выветривания устойчивыми против выветривания цепными минералами.
Во-вторых, это скопление в корах выветривания новообразован ных минералов, являющихся результатом химического выветрива ния и образующих важные полезные ископаемые. Таковы место рождение бокситов, каолинитовых глин, никелевых, марганцевых и других руд, связанные с корами выветривания.
В-третьих, это полиметаллические месторождения зоны вторич ной цементации сульфидов. Они образуются в процессе химиче ского разложения при выветривании сульфидных месторождений меди, свинца, цинка и других металлов с переводом в растворенное состояние ряда рудных элементов и с последующим отложением их в более низких горизонтах зоны выветривания этого же месторож дения. При этом образуются участки резкого обогащения (вторич
ной цементации) сульфидами цветных металлов, в первую очередь меди.
Вопросы и упражнения
1. Перечислите основные причины механического раздробления (физическо го выветривания) материнских пород.
2.На какие три основные группы делятся катионы по величине ионного по тенциала?
3.По диаграмме pH—Eli (рис. 2.7) определите, может ли при выветривании магматических пород, содержащих оливин или пироксены, формироваться в ка честве продукта выветривания сидерит FeC03, если pH среды в зоне выветрива ния равен 8,5, a Eli — 0,05 V.
4.Какую роль играют гумусовые соединения в выносе катионов малопод вижных металлов из зоны выветривания?
5.Какие глинистые минералы образуются чаще всего при процессах хими ческого разложения материнских пород?
6. Почему при химическом выветривании |
силикатных |
пород гидрооксилы |
|
А1 и Fe накапливаются в коре выветривания, |
а кремнезем |
выносится |
из нее? |
Для объяснения воспользуйтесь рис. 2.3 и 2.6. |
|
|
образо |
7. Рассчитайте запасы каолинита на месторождении, которое может |
|||
ваться при выветривании массива щелочного гранита, содержащего 65% калие вых полевых шпатов и 35% кварца, при полной переработке в каолинит верх них 10 м гранита на площади 10 км2. Плотность ортоклаза — 2,56 г/см3.
Атомные веса: К= 39,1; А1 = 27,0; Si = 28,0; |
0=16,0; |
Н=1,0. |
8. Если процесс выветривания щелочного |
гранита, |
содержащего 65% калие |
вых полевых шпатов и 35% кварца, в условиях тропического климата завершает ся их полным гидролизом, каковы будут запасы гидраргиллита (боксита) на месторождении, которое образуется при переработке в простые гидроокислы алюминия верхних 10 м гранита на площади 10 км2?
Атомные веса химических элементов и плотность ортоклаза см. вопрос 7.
9. В чем сходство кор выветривания, образующихся в условиях ледового арктического и антарктического климата и в условиях жаркого пустынного климата?
10.Приведите примеры строения кор выветривания, образующихся в обла стях умеренного влажного и жаркого влажного климата.
11.В чем проявляется разница в характере латеритного выветривания в условиях Суданской и Суахильской зон Африки и зоны влажных тропических
лесов Земли?
12.Какое влияние на процессы выветривания могут оказывать тектопиче*' ские движения?
13.Перечислите наиболее характерные месторождения полезных ископае
мых, связанные с корами выветривания.
14. Какие три основные группы продуктов, с точки зрения дисперсности вещества, образуются при процессах выветривания материнских пород?
Г л а в а 3
ЭТАП ПЕРЕНОСА И ОСАЖДЕНИЯ ПРОДУКТОВ ВЫВЕТРИВАНИЯ
Вынос продуктов разрушения материнских пород из зоны вы ветривания — необходимое условие продолжения самого процесса выветривания. Продукты выветривания, выносимые водой, ветром или движущимися льдами, начинают передвигаться, мигрируют из повышенных областей континентов в пониженные участки, бассей
ны осадконакопления, озера, моря или океаны. Процессы переноса продуктов выветривания, особенно грубодисперсных, часто связа ны с временным или частичным осаждением вещества и возобнов лением его движения, вплоть до момента окончательного захоро нения под слоем накапливающихся осадков.
Основным агентом переноса продуктов выветривания в масшта бе земного шара является вода. В областях развития пустынь и полупустынь на первое место выступает ветер. В высоких широтах Арктики и Антарктики, а также в высокогорных зонах ледников в
качестве основного агента перемещения продуктов выветривания служит движущийся лед.
Подавляющая масса воды, слагающей гидросферу Земли, со средоточена в океанах. Из 1,4—1,5 млрд км3 воды, находящейся в гидросфере, воды континентов составляют лишь 90 млн км3, из которых 60 млн км3 — подземные воды и 27 млн км3 — лед. Океа ническая вода имеет среднюю соленость 35%0, что соответствует содержанию в 1 л воды 35 г солей. Воды эпиконтииентальных мо рей имеют соленость либо несколько повышенную (Красное мо ре — 41—43°/оо; Средиземное море — 37—39%0), либо пониженную (Черное море на поверхности — 17—18%0; на глубине — 20—22%о; Балтийское море — от 4—5 до 16%0). В воде морей и океанов при сутствуют практически все химические элементы, но основную мас
су |
солей образуют четыре катиона |
(Na+, Mg2+, Са2+, К+ ) |
и четы |
|
ре |
аниона (С1~, S 042-, Н3В03~, |
НС03~~). Средний солевой состав |
||
океанической воды приведен |
в |
табл. 3.1, откуда |
следует, |
|
Содержа
ние
Na+
|
|
|
|
|
|
|
Т а б л и ц а 3.1 |
Содержание главнейших ионов в воде океанов |
|
||||||
|
|
|
Состав |
|
|
|
|
к а т и о н ы |
|
|
а н и о н ы |
|
|
Осталь |
|
|
|
|
|
|
1 |
1 |
ные хи Всего |
|
|
|
|
1 |
СО |
мические |
|
+ |
+ |
|
|
О |
со |
||
+ |
1 |
сч |
О |
элементы |
|||
S |
сча |
О |
со |
у |
|
||
и |
|
и |
С/ 5 |
£ |
J- |
|
|
Количест |
|
1,30 |
0,40 |
0,38 |
19,35 |
2,70 |
0,20 |
0,14 |
0,18 |
35,00 |
во, г/л |
10,35 |
|
||||||||
Процент |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
от общего |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
содержа |
29,57 |
3,71 |
1,14 |
1,08 |
55,29 |
7,71 |
0,57 |
0,40 |
0,53 |
100 |
ния солей |
что в воде океанов в растворенном состоянии преобладают хлори ды (NaCl, MgCl2) и сульфаты (MgS04, CaS04) (табл. 3.2).
Другие химические элементы присутствуют в ничтожно малых
количествах (табл. 3.3).
В течение года н а поверхность континентов выпадает 109 400 км атмосферных осадков, в среднем 1 100 мм воды в виде дождя или снега. Дождевая вода является наименее минерализованной. Она
содержит в среднем около 0,01—0,02 г солей на 1 л. Вода пресных озер и рек содержит от 0,05 до 1,0 г солей на 1 л. В пресных водах преобладают ионы НСОз“, Са2+ и Mg2+.
Перенос продуктов выветривания
Перенос продуктов механического раздробления пород — ча стиц, зерен и обломков различного размера, начинается либо под непосредственным влиянием силы тяжести (обвальные процессы, образование делювиальных накоплений), либо при достижении флюидом-переносчиком (водой или ветром) определенной скоро сти. Способы переноса обломочных продуктов выветривания до вольно разнообразны. Самыми распространенными являются пе
ремещение |
обломков |
путем перекатывания, |
скачками |
(сальта |
|
цией) |
и в виде грубых механических взвесей |
в воде (или в воз |
|||
духе). |
Так, |
в русле |
реки при определенной |
скорости |
потока |
(рис. 3.1) гальки будут перекатываться по дну, песчинки прыгать, а алевритовые и глинистые частицы перемещаться в виде взвеси. Таким образом переносится обломочный материал не только вод ными, но и воздушными потоками.
Процессы переноса и осаждения обломочных частиц в водном потоке экспериментально изучены Ф. Хьюльстромом. На рис. 3.2 приведена диаграмма, показывающая зависимость размыва, пере носа и отложения отломочных частиц от их размеров и скорости потока. Из диаграммы следует, что начало размыва (отрыва от дна потока) частиц размером меньше 0,1 мм соответствует такой же скорости потока, как при начале размыва частиц, размер которых превышает 1,0 мм. Для более мелких частиц эта скорость значи тельно возрастает.
A/ —--------- ^ /V
Рис. 3.1. Перенос обломков в водном (или воздушном) потоке:
Л'— /V— направление потока флюида-транспортера; / — перекаты
вание обломков по дну; 2 — сальтация; 3 — перемещение в виде взвеси
|
|
|
|
|
|
Таблица 3.2 |
|
Расчетное содержание главнейших солей в воде океанов, % |
|||||
|
|
|
(по Н. М. Страхову) |
|
|
|
NaCl |
MgCI2 |
КС! |
MgS04 |
CaS04 |
CaC03 |
Итого |
78,32 |
| 0,44 |
| 1,69 |
| 6,40 |
3,94 |
J 0,21 |
i00 |
Т а б л и ц а 3.3
Содержание некоторых химических элементов в воде океанов, г/л
Si P A1 Fe Zn Cu и Mn Pb Au
3-10-» | 7-10-» M0-6|l-10-6|l-10-s| 3-10-°| 3-10-6| 2-10-6 3-10-» 4-10-®
Так, например, частицы размером 0,001 мм, лежащие на дне, начнут испытывать размывающее действие потока только при ско рости около 300 см/с, а частицы размером около 0,5 мм будут подвергаться размыву при скорости потока всего 20 см/с. Эго явление связано с тем, что частицы малых размеров (особенно гли нистые частицы), лежащие на дне, обладают значительными сила ми сцепления и для их отрыва от дна необходима большая ско рость потока. Однако если частицы начали двигаться, их дальней шее поведение зависит от скорости осаждения. Из диаграммы
Ф.Хьюльстрома видно, что частицы крупнее 0,01 мм (алевритовые
ипесчаные) будут отлагаться, накапливаться на дне, если скорость движения воды меньше 0,1 см/с. Глинистые же частицы, размеры которых часто бывают меньше 0,001 мм, будут поддерживаться во взвешенном состоянии при значительно более медленных движе ниях воды.
Скорость осаждения различных частиц контролируется двумя законами. Мелкие частицы сферической формы, размеры которых менее 0,1 мм, подчиняются закону Стокса:
l/= JL (<f|—<*2) -g-ri
где V — скорость погружения частиц; d, — плотность вещества Частиц; d2 — плотность жидкости; р — вязкость жидкости; g — Ускорение силы тяжести иг — радиус частиц.
Иными словами, V=C\-r2t где С\ включает вышеперечисленные постоянные величины. При осаждении крупных сферических ча-
стиц, размеры которых превышают 1 мм, влияние вязкости жидко сти на скорость осаждения пренебрежимо мало. Определяется по формуле
,, |
4 (d\—d2) '&• г лт ^ |
у г * |
1/= |
— i------ У—*— илИ 1/=С2‘ |
|
|
М 2 |
|
где Съ включает постоянные величины.
см/с
Рис. 3.2. График Ф. Хыольстрома, показывающий зависимость раз мыва, переноса и осаждения ча стиц от их размеров и скорости движения воды в потоке
Рис 3.3. График, показываю щий скорости осаждения ча стиц различного размера, рас считанные по закону Стокса, закону толчка, и реальные ско рости, определенные экспери
ментально:
/ — |
закон Стокса (V = £i-d 2); 2 — |
закон |
толчка (У = г а- V d)\ 3 — эк |
|
перимент |
Таким образом, скорость осаждения мелких частиц (<0,1 мм) прямо пропорциональна квадрату их радиуса, а крупных (>1,0 мм) — квадратному корню из радиуса частиц. На скорость осаждения частиц размером от 0,1 до 1,0 мм оказывают влияние оба закона, что подтверждается кривой, построенной по данным экспериментального изучения скоростей осаждения этих частиц (рис. 3.3).
Транспортирующая деятельность рек зависит от скорости тече ния, которая меняется в широких пределах: от нескольких санти метров в секунду для равнинных рек (для крупных рек эта циф ра может иногда достигать 100 см/с и более) до 700 см/с для гор ных, общая масса продуктов выветривания, выносимых всеми ре ками земли в моря и океаны в виде обломков и механических взвесей, так называемый твердый сток, составляет 18,5 млрд т а год. Количество вещества, вынесенного в ионно-растворенном со-
* Обозначения см. в формуле Стокса.
стоянии, оценивается в 3,2 млрд т в год (по данным А. П. Лисицы на). При этом всего восемь рек выносят в мировой океан более
одной трети суммарного годового твердого стока всех рек земного шара (табл. 3.4).
|
|
|
|
Т а б л и ц а |
3.4 |
|
|
Твердый годовой сток крупнейших рек земли |
|
|
|||
Река |
Количество воды, выносимой |
Количество выносимого |
||||
рекой вещества в год |
|
|||||
|
в океан в год, км3 |
(обломки и механические |
||||
|
|
|
|
взвеси), млн т |
|
|
Ганг |
960 |
|
|
1 800 |
|
|
Амазонка |
3 187 |
|
|
1 000 |
|
|
Меконг |
387 |
|
|
1 000 |
|
|
Тигр и Евфрат |
210 |
|
|
720—1 000 |
|
|
Миссисипи |
590 |
|
|
500—750 |
|
|
Хуанхе |
126 |
|
|
630 |
|
|
Инд |
175 |
|
|
400 |
|
|
Ирравади |
428 |
|
|
350 |
|
|
Вс е г о: |
|
|
6 930 млн т, т. е. 37,5% |
общего |
||
|
|
годового |
твердого стока |
всех |
||
|
|
|
рек земли |
|
|
|
Океанские и морские течения. Скорость вблизи водной поверх |
||||||
ности достигает от 30—50 до |
100—150 см/с; на |
глубинах |
500— |
|||
1 000 м от поверхности моря |
может составлять |
от 8—10 до 50— |
||||
70 см/с. Большие количества обломочного материала перемещают
периодические приливно-отливные течения, возникающие под воз действием притяжения водной массы гидросферы Луной и Солнцем. Вдали от берегов скорость приливов и отливов составляет до 25 см/с. На мелководье и в узких проливах и заливах она может достигать 500—700 см/с. При этом не только переносится и пере распределяется по акватории бассейна поступающий в него с суши обломочный материал, но и активно размываются берега и дно бассейна.
Своеобразным способом переноса обломочного и глинистого материала, играющим важную роль в его распределении в преде лах крупных морских, и особенно океанских бассейнов, являются мутьевые или турбидитные потоки. Они возникают обычно в райо нах континентального склона и связаны с местным взмучиванием осадков (например, в результате землетрясения или подводного обвала). Образующееся при этом «облако» мутной воды (взвесь) имеет большую плотность, чем плотность окружающей чистой во ды бассейна, поэтому оно начинает стекать по уклону дна в сторо ну больших глубин. Возникает явление, напоминающее щюл<ные лавины в горах, причем уклоны дна составляют лишь 2 3° Взму чивая и захватывая новые порции рыхлых осадков, такая подвод ная «лавина» может достигать высоких скоростей и переносить большие массы обломочного материала. В области абиссальных равнин турбидитный поток замедляет движение и наконец оста-
йавливается. При снижений скорости движения начинается осаж дение обломочного материала (рис. 3.4).
Рис. 3.4. Возникновение турбидитных потоков:
1 — I фаза — возникновение мутного облака на континентальном склоне (например, в результате землетрясения); 2 — 11 фаза — разгон турбидитного потока при дви жении тяжелой суспензии вниз по склону в сторону океанических глубин, захват
рыхлых осадков; 3 — III фаза |
— выход турбидитного потока на плоский участок |
дна бассейна, снижение скорости, |
начало осаждения Принесенного потоком материала |
Широко |
известен турбидитмый |
ноток, возникший |
в 1929 г. в |
|
Северной |
Атлантике в |
районе |
Большой банки |
(юго-во |
сточнее о. Ньюфаундленд) |
в результате землетрясения. |
Примерно |
||
в 200 км юго-восточнее побережья о. Ньюфаундленд на Глубинах от 200 до 4 000 м по дну Атлантического океана проходят много численные кабели телеграфной и телефонной связи между Европой и Северной Америкой.
18 ноября 1929 г. в результате землетрясения в районе окраи ны Большой банки произошел разрыв ряда кабелей. Вслед за этим па фоне тектонического спокойствия последовательно в направле
нии с северо-запада на юго-восток начала |
прерываться |
связь по |
|
кабелям, проложенным на различной |
глубине |
(до |
4 000 м) |
(рис. 3.5). По мнению Б. Хизена и М. Юинга, землетрясение вызва ло оползни и обвалы па континентальном склоне Большой банки. Сползая вниз, осадки смешивались с водой и образовывали огром ный подводный грязевой поток, который устремился в сторону абис сальных глубин океана. По времени последовательного прекраще ния связи было установлено, что скорость движения массы, вызы вавшей разрыв одного кабеля за другим, достигала 100 км/ч. В результате последовавших затем ремонтных работ было установле но, что турбидитиым потоком 18 ноября 1929 г. в пределах океани ческой абиссальной равнины отложен слой песчано-алевритового материала мощностью около 1 м на площади 280 000 км2. Расстоя ние, которое прошел поток от места своего образования, составило 700 км.
Осадки, отлагаемые турбидитпыми потоками, — турбидиты имеют большое площадное распространение. Как показали экспе рименты, увеличение массы потока приводит к существенному воз-
Jf#*' 2
200м
L L L L L L
Рис. 3.5. Схема турбидитного потока в районе Большой банки:
1 — шельф; 2 — изобаты диа |
океана; |
3 — уступ континентального склона; |
/ — эпицентр землетрясения |
18.11.1929 |
г.; 5 — зона подводного оползания |
осадков |
с уступа континентального склона, вызвавшего образование турбн- |
||
днтного |
потока; 6 — трансатлантические телефонные |
и телеграфные кабели; |
|
7 — время прекращения связи |
из-за разрыва кабелей; |
8 — зона турбидитно |
|
|
го потока; 9 — |
направление движения |
потока |
растаиию площади, па которую ом распространяется, и лишь к не значительному возрастанию толщины слоя образующихся при этом турбидитов, так как поток легко растекается по дну океана или моря.
Для образующихся турбидитов характерна градационная слои стость — постепенное уменьшение размеров обломочных частиц от подошвы к кровле слоя при наличии по всему слою примеси мелко го глинисто-алевритового материала (рис. 3.6). Мощности отдель ных слоев турбидитов составляют обычно от нескольких сантимет ров до нескольких десятков сантиметров, редко больше.
Продукты химического разложения материнских пород, обра зующие субколлоидные, коллоидные и истинные (ионные) раство ры, представляют собой более или менее устойчивые системы. Оми мигрируют вместе с водой ручьев, рек, озер, морей и океанов.
Необходимо помнить, что между грубой механической взвесью и коллоидным раствором лежит обширное поле так называемых суспензий, или топких взвесей. В суспензиях дисперсная фаза на ходится на более низкой ступени раздробления, т. е. ее размеры больше, чем размеры коллоидных частиц. Однако по своим физи ко-химическим свойствам, и особенно по способности давать устой-