История седиментологии » Ремонт Строительство Интерьер

Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

История седиментологии

29.07.2021

Хотя седиментология как наука зародилась сравнительно недавно, познания человечества об осадках уходят в далекое прошлое. Первобытный человек знал кое-что о природе и местах распространения кремня, из которого он изготовлял ножи и наконечники для копий и стрел, а также о глине, разбирался в охрах, употреблявшихся в качестве красителей. Без сомнения, многие из терминов, такие, например, как валун, галька и кремень, применяемые и поныне, принадлежат первобытному человеку. Эти термины, унаследованные с давних времен, используются до тех пор; другие же, такие как, например, роговик, камень-плитняк и пудинговый камень, вышли из употребления.

Первые документально установленные гипотезы принадлежат древним грекам. Некоторые из этих сведений удивительно точно отражают наблюдения природных процессов осадконакопления. Несмотря на столь ранний интерес к их познанию, основы науки зародились позже.

Первые по-настоящему значительные работы по изучению осадочных пород были в основном стратиграфическими. Полевые исследования были направлены на изучение форм осадочных тел — определение их мощности и латеральной протяженности. Примечательной страницей в истории изучения осадочных отложений стала геологическая карта Англии, составленная в 1815 г. Вильямом («Страта») Смитом, механиком-самоучкой и землемером. Карта Смита явилась результатом многолетней работы. Общая протяженность маршрутов, которые он осуществил за это время верхом на лошади, превысила 17,6 тыс. км. Смит успешно завершил одну из первых попыток картографического изображения распространения и упорядоченного расположения осадочных пород. Его особой заслугой является открытие значимости органических остатков для целей корреляции.

Седиментология, таким образом, берет начало от стратиграфии с которой действительно тесно связана. Первые стратиграфы внесли большой вклад в изучение осадочных пород, и многие их наблюдения получили освещение в научных отчетах и статьях. «Основы стратиграфии» А. У. Грабау содержат исчерпывающее резюме накопленных знаний. «Учение об образовании осадков» У.X. Твенхофела, впервые опубликованное в 1928 г., во многом является «прямым наследником» монографии Грабау.

Можно сказать, что отделение учения об осадках как дисциплины от стратиграфии произошло в президентской речи Генри Клифтона Сорби, которую он произнес перед геологическим обществом Лондона в 1879 г. Хотя интерес Сорби к осадкам ярко продемонстрировала его первая статья, опубликованная в 1850 г., его доклад «О текстуре и происхождении известняков» и статья «О текстуре и происхождении некарбонатных слоистых пород», опубликованная в следующем году, означали поворотный пункт в изучении осадочных пород. Он первым стал изучать осадочные породы в шлифах (метод, сыгравший исключительно важную роль в изучении пород в целом). Ho интерес Сорби к осадочным породам был больше, чем интерес к ним как к элементу стратиграфического разреза. Его интересовали породы сами по себе. Он считал их объектом, заслуживающим изучения и понимания. Сорби по праву считают пионером науки и обычно упоминают как признанного «отца петрологии». Во многих отношениях он опередил свое время. Например, его статья 1859 г., посвященная косой слоистости, рассматривает применение первичных осадочных текстур для палеогеографических построений и отражает подход, который только сейчас получил всеобщее признание. Последняя статья 82-летнего Сорби «О применении количественных методов в изучении текстур и происхождении пород», опубликованная в 1908 г., незадолго до его смерти, предвосхитила разработки, появившиеся спустя несколько десятилетий. Роль Сорби в развитии петрологии освещена в работе Фолка.

Микроскопический анализ пород в шлифах был с готовностью воспринят исследователями изверженных пород, среди которых выделялись два немецких петрографа — Розенбуш и Циркель. В целом это направление у исследователей осадочных пород поддержки не получило, и возможно потому, что они были подготовлены в области стратиграфии, а не петрографии. Приятным исключением из этой группы исследователей стал Люсьен Кайе, чьи монографические публикации по петрографии осадочных пород Франции до сегодняшнего дня остаются непревзойденными. Первая статья Кайе была опубликована в 1899 г., а последняя в 1931 г. В числе публикаций Кайе — известные, прекрасно иллюстрированные монографии об осадочных железных рудах, фосфатах, а также кремнистых и карбонатных породах Франции. Микроскопический анализ осадочных пород в шлифах, длительное время преданный забвению, сегодня получил широкое применение потому, что седиментология независимо от стратиграфии росла как геологическая наука, активно развивалась новым поколением исследователей, взявшим на вооружение петрографические методы. Заслуживающие упоминания работы включают серию статей Хаддинга, посвященных осадочном породам Швеции, первые работы Маркуса Голдмена и относительно недавние публикации Крынина и его учеников в Соединенных Штатах, исследования Фолка по известнякам, работы Халлимонда и Тейлора по британским железным рудам, аналогичная работа Деверина в Швейцарии, исследование микрофаций Кювье, работы Швецова, Рухина, Страхова и других советских седиментологов, работы Корренса и его института в Геттингене.

Однако до недавнего времени петрологи-осадочники, за исключением Кайе, обращали внимание в основном на изучение минералогии осадков, особенно минерального состава песков и, в частности, на исследование так называемых «тяжелых минералов». В изучении тяжелых минералов (плотность более 2,85) особенно преуспели исследователи на европейском континенте и в Великобритании. В этой области первыми исследователями были Артини в Италии, Туле во Франции, Ретгерс в Германии, Томас и другие в Британии. Наблюдения Иллинга показали, что каждый разрез осадков в конкретном бассейне характеризуется специфическим сочетанием обломочных минералов. Это привело к разработке так называемой методики «корреляции по тяжелым минералам». Использование тяжелых минералов в стратиграфии и применение подобной методики для сопоставления разрезов по скважинам при поисках нефти в значительной степени повысило интерес к предмету исследования. Этот период развития науки увенчался трудом Милнера «Основы петрографии осадочных пород», опубликованным впервые в 1922 г., который представляет собой в основном учебник по изучению обломочных минералов в песках.

В- настоящее время Эдельман и другие представители голландской школы активно работают в этом направлении. Однако в целом интерес к предмету уменьшился отчасти из-за сомнений по поводу стратиграфической значимости тяжелых минералов, высказанных Синдовски, Вейлом и другими, и главным образом из-за усиления роли микрофауны, а в последнее время благодаря внедрению каротажа для корреляции разрезов по скважинам. К сожалению, использование тяжелых минералов в качестве «основы» для стратиграфического расчленения отложений при отсутствии фауны привело к снижению роли этих минералов в других направлениях и сделало термин петрография осадочных пород синонимом метода корреляции по тяжелым минералам.

В 1919 г. в «Геологическом журнале» была опубликована диссертация С.К. Уэнтуэрта «Полевое и лабораторное изучение абразии валунов» на соискание степени магистра. Уэнтуэрт — в то время аспирант университета Айовы — предложил новый подход к изучению осадочных образований. По существу, он сформулировал понятие окатанности в том смысле, что это свойство обломочного материала может быть легко измерено. Замена субъективных суждений объективными измерениями привела к накоплению громадного объема количественных данных и позволила поставить экспериментальные исследования в лабораториях таких процессов, как абразия валунов Таким образом, работы Уэнтуэрта открыли эпоху измерений и постановки контролируемых экспериментов. Правда, попытки экспериментирования предпринимались и раньше, в числе первых таких исследований можно назвать Дебре. Были сделаны попытки количественного анализа пород (например, гранулометрический анализ обломочных осадков), но в основном большинство работ по изучению осадков носило качественный и отчасти субъективный характер.

За первой статьей Уэнтуэрта последовали и другие, которые демонстрировали успех такого подхода и привели к значительному расширению количественных исследований, так что в течение двух десятилетий количественные методы изучения применялись ко многим другим свойствам осадочных пород. Вслед за накоплением количественных данных появилась необходимость суммировать и охарактеризовать эти данные. Импровизированные методы, применяемые вначале, были впоследствии заменены на общепринятые статистические приемы. Несмотря на то, что Уэнтуэрт сам попытался применить статистические методы для обработки гранулометрических данных, Паркер Траск считается первым исследователем, предложившим статистические методы, которые были восприняты с одобрением.

Измерения размеров зерен обломочных осадочных материалов («механический анализ») практиковались в различных науках, особенно в почвоведении. Однако работа Аддена, профессора колледжа Августина в Рок-Айленде, штат Иллинойс, США, посвященная эоловым отложениям, и его же более объемная работа относятся к числу первых исследований, в которых данные механического анализа были использованы для выяснения истории накопления осадочных отложений (Исторический очерк по изучению гранулометрии осадочных пород изложен в работе Крамбейна). Крамбейн и другие исследователи улучшили аналитические методы и применили статистические методы в более усложненном виде к изучению размеров обломочных частиц и других показателей.

Расцвет геохимии как специальной части геологической науки привел к разработке новых методов и накоплению информации, представляющей значительный интерес для седиментологов. Ранние исследования геохимиков были в основном посвящены количественному анализу распространения химических элементов в природе, включая их распределение в осадочных отложениях. Такие данные постепенно привели к пониманию «геохимических циклов» или законов, которым подчиняется это распределение, а также к пониманию процессов, которые приводят к подобному распределению. Сравнительно недавно ядерная химия разработала «часы» и «термометр», позволившие наметить новые направления исследований. Использование радиоактивных элементов, особенно 14C и 40K, позволило проводить прямые измерения возраста некоторых осадков. Углеродный (14C) метод, предложенный Либби, оказался применим к современным или близким к современным отложениям; калий-аргоновый метод (40К/40Аr) определения возраста применялся с некоторым успехом к глаукониту и в меньшей степени к аутигенным калиевым полевым шпатам, глинистым минералам и сильвину в древних отложениях. Существует возможность устанавливать палеотемпературы по данным анализа изотопного состава. Метод Юри, анализирующий зависимое от температуры соотношение изотопов кислорода 16O/18O, был применен для определения палеотемператур среды обитания раковин древних морских отложений. Хотя «часы» и «термометр» грешат неточностями во многих отношениях, оба метода внесли существенный вклад в изучение летописи осадочных отложений.

Ван-Гофф первым применил основные положения правила фаз для изучения процесса кристаллизации рассолов и образования залежей соли. Лабораторное изучение кристаллизирующихся смесей было, однако, направлено в основном на анализ высокотемпературных силикатных систем, представляющих интерес для исследователей изверженных и метаморфических пород. Только недавно были сделаны серьезные успехи в изучении систем, интересующих седиментологов. Эти достижения рассмотрены и обобщены в работе Югстера. Такой подход применим к неморским отложениям солей и к их минералам, содержащимся в отложениях формации Грин-Ривер (эоцен) штатов Вайоминг и Колорадо. Цзень применил фазовое правило Гиббса к соотношению глинистых минералов и карбонатов в осадочных породах, аналогичный подход был использован Петерсоном при изучении карбонатных пород восточной части штата Теннесси.

Некоторые теоретические и экспериментальные исследования стабильности минералов при различных значениях окислительно-восстановительного потенциала (Eh) и при различных значениях показателя pH были выполнены Гаррелсом и др. Достижения геохимии осадочных пород позволяют в значительной степени улучшить наше понимание осадочных отложений. Возрастание интереса к изучению осадочных пород видно из монографий Дегенса «Геохимия осадков» и Бернера «Основы химической седиментологии».

Необходимость изучения современных осадков для понимания условий накопления древних аналогов неоспоримо следует из теории униформизма, сформулированной Джеймсом Хаттоном. За исключением Вальтера, Туле и некоторых других исследователей, седиментологи до недавнего времени были склонны пренебрегать этим положением. Наши знания о современных осадках, особенно морских, явились в основном результатом океанографических исследований; первыми» наиболее известными были рейсы «Челленджера» Опубликование в 1891 г. отчетов исследований «Челленджера» привело к становлению океанографии как самостоятельной науки, В этих отчетах содержатся многочисленные данные по распределению и происхождению осадков на морском дне, особенно в глубоководной части океанов. Последующие экспедиции на «Газели», «Метеоре», «Блейке» и других океанографических судах сильно обогатили наши представления о морских осадках.

Стетсон из Вудс Хола и Шеппард из Скриппсовского института внесли значительный вклад в изучение современных отложений и способствовали возрождению интереса к исследованию морских отложений. В последние годы также проводится интенсивное изучение дельтовых и прибрежных отложений, в частности, Фиском в Соединенных Штатах, Ван-Страатеном и другими представителями голландской школы и группой исследователей в Шенкенберге. Убедительным свидетельством возросшего интереса стал выход в свет работы «Современные морские осадки» под редакцией Паркера Траска. Работы Американского нефтяного института по изучению осадков в Мексиканском заливе, исследования Ван-Страатена (приливно-отливных зон побережья Голландии), Ван-Анделя (дельт Рейна и Ориноко), Круита и Ван-Анделя (дельты Роны) и Гинсбурга (карбонатных отложений Флориды и Багамских островов) являются примерами заинтересованности геологов в изучении современных осадков

За некоторыми исключениями, довольно часто исследования современных отложений проводились без указания геологической ситуации, так что не могут дать информации, необходимой для понимании разрезов обнажений геологом. Это объясняется в первую очередь тем, что образцы отбирались из современной переходной фазы между осадком и флюидом и в них изучались только структурные и минералогические особенности. Более результативными оказались исследования голоценовых осадков, в которых проводилось бурение, позволившее установить геометрию отложений, вертикальную последовательность слоев и первичные осадочные текстуры.

Построение трехмерных моделей при изучении современных отложений привело к более тщательному изучению геометрии и вертикального профиля как современных осадков, так и их древних аналогов. При изучении геометрии осадочных тел внимание обращалось на их форму и размер. Этот вопрос обсуждался на симпозиуме в 1960 г. Такой же интерес был проявлен к изучению морфологии ископаемых и современных рифов.

Исторически стратиграфия сложилась как описательная наука, в которой ,вопросам происхождения пород в стратиграфических разрезах уделялось незначительное внимание. Закон фаций Вальтера гласит, что в стратиграфическом разрезе не существует временных перерывов, те осадки, которые соприкасаются друг с другом, должны следовать один за другим по вертикали. В результате изучения современных отложений эта концепция была использована для построения осадочных или фациальных моделей, связанных с такими процессами, например, как трансгрессия или регрессия. Понимание процесса позволяет не только описать разрез отложений по вертикали, но также и объясняет механизм его образования. Концепция фациальной модели является, вероятно, наиболее существенным достижением в анализе условий формирования осадков в последние годы. Первые обобщения о возможности использования вертикального разреза для восстановления условий осадконакопления были сделаны Вишером, а хорошая и простая трактовка была дана Селли. Прекрасные примеры, иллюстрирующие подход к вопросам стратиграфии, можно найти в статьях де Раафа, Ридинга и Уокера, посвященных каменноугольным слоям северного побережья Девона, и в примечательных исследованиях Аллена. рассматривающих нижний древний красный песчаник пограничных участков Уэльса и аналогичные разрезы в других районах.

Изучение разрезов по вертикали подразумевает не только литологию пород фации, ископаемые остатки, но также и описание осадочных текстур. С возрождением интереса к изучению осадочных текстур появилось много статей по вопросам их классификации, значимости для реконструкции палеоусловий, анализа палеотечений и, конечно, их происхождения (аспект, который охватывает изучение как механики флюидов, так и рыхлых отложений). Как отметил Мак-Ки, «... давно известен, но часто игнорируется принцип, что только осадочные текстуры, а не состав или структура однозначно указывают на условия осадконакопления». Поэтому значительное число исследований современных отложений направлено на распознавание деталей текстуры или комбинации текстур, по которым устанавливаются особенности обстановок осадконакопления. Вероятно, такую же ценность для реконструкций представляет последовательность текстур, наблюдаемая в вертикальном разрезе.

Изучение осадочных текстур интересно не только с точки зрения анализа обстановок осадконакопления, но также приводит и к установлению системы течений, преобладавших в момент накопления осадка. Систему палеотечений можно восстанавливать с помощью измерения и картирования первичных текстур течения, что предвидел Сорби более ста лет тому назад. Несмотря на то, что такие текстуры течений, как косая слоистость, знаки ряби и тому подобные, известны давно, систематические замеры азимутов течений «на деловой основе», как высказывался Сорби, представляют собой сравнительно недавнее достижение. Частично и неполно выполнены исследования Рудеманом, который измерил ориентировку обломков раковин в глинах Ютика, штат Нью-Йорк в 1897 г., Хайд закартировал знаки ряби в отложениях свиты Береа в штате Огайо в 1911 г., Руби и Басс закартировали в 1925 г. ориентировку косой слоистости в русловых песчаниках формации Дакота в штате Канзас. Комплексное изучение палеотечений начинается с работы Ганса Клоса и его учеников, проведенной в 1938 г. С 1950 г. такие исследования широко вошли в практику. Изучению осадочных текстур посвящены публикации нескольких монографий.

Интерес к первичным осадочным текстурам естественно привел к более внимательному изучению способов их образования. Поскольку большинство текстур образовалось под действием течений, повышенное внимание уделялось изучению гидродинамики процесса. Это нашло отражение в трудах симпозиума «Первичные осадочные текстуры и их гидродинамическая интерпретация» в 1964 г., в работах Аллена и др.

Возобновившийся интерес к геометрии осадочных тел и внимание, уделяемое вертикальному разрезу и осадочным текстурам, привели к большим переменам в изучении осадочных пород. В результате стало меньше проводиться работ, направленных на изучение осадочных структур и минералогического состава (в основном лабораторных). Такой сплав осадочной петрологии и стратиграфии может быть правильнее назвать седиментологией. Это направление также привело к возврату и возрождению полевых исследований. С надеждой на будущее автор заканчивает на этом рассмотрение вопроса.

По мере того как расширяется круг интересов исследователя, он переходит от анализа среды накопления осадков в каком-либо вертикальном разрезе к рассмотрению бассейна в целом. При анализе бассейнов устанавливается отношение между тектоникой и осадконакоплением. Изучение последнего предусматривает реконструкции систем палеотечений, картирование фаций и палеогеографические реконструкции. Все большее подтверждение получает представление, что система распределения обломочного материала порождает взаимосвязанные скалярные и направленные свойства пород, которые можно использовать для восстановления очертаний бассейна, первоначальных условий осадконакопления и палеогеографии. Такое представление способствует объединению большинства ранних методов исследований и концепций осадочной петрологии с новейшими данными полевых исследований и приводит к построению модели бассейна. Подобная модель помогает лучше понять заполнение осадочных бассейнов и позволяет исследователю прогнозировать распространение и характер отложений в неизученных районах.

Анализ палеотечений в бассейне сопоставим по значимости с количественной оценкой и фациальным картированием — направлениями, развиваемыми главным образом после окончания второй мировой войны. Схематические изображения фаций строились и ранее, однако составление информативных фациальных карт стало возможным после накопления большого объема как литологической, так и геофизической информации по строению земной коры. При поисках нефти и газа на интенсивно разбуренных участках была собрана необходимая информация, и изучение соотношения между залеганием нефти и фациями дало толчок к дальнейшим исследованиям. Быстро растущий интерес к изучению фаций нашел выражение в симпозиуме по фациям, организованном Американским геологическим обществом в 1948 г. Сводный атлас фациальиых карт фанерозойских отложений Северной Америки, составленный Слоссом, Дапплсом и Крамбейном, вышел из печати в 1960 г.

Изучение осадочных бассейнов, анализ их заполнения и истории геологического развития подводят исследователя к проблеме эволюции континентов. Связь между тектоникой и осадконакоплением, между осадками кратона и геосинклиналями, между осадконакоплением и тектоникой плит — вот перечень некоторых проблем, разрабатываемых в настоящее время. Интерес к изучению взаимосвязи осадконакопления и тектоники проявился в ранних работах Бертрана и Терсье, а в. наше время он связан со статьями Крынина и Петтиджона.

С этими проблемами связаны вопросы баланса и переноса масс материалов, разрабатываемые Роновым, Мигдисовым и Барской, Гаррелсом и Маккензи. В этих работах придается большое значение историко-геологическому аспекту и рассматривается история развития земного шара с начальных этапов. Такие проблемы относятся к числу общегеологических и соподчиненных им, однако седиментологический аспект является одним из самых главных, поскольку несет в себе запись событий прошлых эпох (рис. 1-3).

Таким образом видно, что в своем развитии седиментология прошла четыре этапа: 1) изучение осадочных отложений как составной части стратиграфического разреза; 2) сбор данных по осадочным породам и их предварительная интерпретация (работы Сорби, Мюррея и Ренарда, Грабау и Твенхофела; 3) развитие петрографии осадочных пород в качестве самостоятельной дисциплины, благодаря усилиям Кайе, Хаддинга, Милнера, Крынина и других, со специальным упором на петрографическое изучение пород в тонких шлифах и лабораторные анализы структурных и минералогических характеристик несцементированных осадков и, наконец, 4) трехмерный анализ осадочных отложений как современных, так и древних, восстановление условий накопления, основанное на изучении геометрии тела, вертикального разреза и осадочных текстур. Для последнего достижения, знаменующего союз полевых и лабораторных исследований, более всего подходит термин седиментология. Одновременно с развитием подхода к анализу осадочных отложений происходило исследование осадочных процессов как физических, так и химических. Интерес к изучению осадочных процессов проявлялся и в теоретических, и в экспериментальных разработках. Для познания применялись законы термодинамики, химии растворов и механики флюидов.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: