Структура и геометрия каркаса осадочных пород

Геологи давно проявляют интерес к структуре осадочных пород, особенно обломочных отложений. Джемисон наблюдал в Шотландии ориентированное расположение обломков в речных отложениях, но систематическое изучение структур не проводилось до выхода в свет книги Бруно Зандера. Хотя в этой книге рассматривались в основном структуры метаморфических пород, в ней содержались методические указания и основные принципы изучения, которые можно легко применить для исследования структур осадочных пород. За последние годы объем публикаций по этому вопросу значительно вырос. Опубликованные работы тщательно рассмотрели Поттер и Петтиджон и Йоханссон.

Основная цель большинства исследований первичной структуры осадочных отложений заключалась в восстановлении направления потока, преобладавшего во время образования отложений. Только сравнительно недавно структуру отложений стали использовать для выяснения процесса переноса. Изучение структуры главным образом проводилось на песчаниках, грубообломочных отложениях и тиллях плейстоценового и доплейстоценового возраста. Структура пород оказывает большое влияние на их физические свойства, а именно, на тепловую, электрическую, флюидную и ультразвуковую проводимость.

Изучению структур доломитов и известняков уделяется меньше внимания, чем эти породы заслуживают Возможное практическое применение результатов таких исследований показано в монографии Зандера, посвященной изучению триасовых известняков и доломитов Австрии.



Структура (fabric). Этот термин седиментологи употребляют обычно для обозначения пространственного размещения и ориентировки элементов породы В таком применении он уже, чем термин gefiige (структура), применяемый Зандером, в который он вкладывал определение таких свойств, как гранулометрический состав, сортировка пористость и т. д.; эти свойства обычно определяют структуру породы. Элементом структуры осадочной породы может считаться единичный кристалл, галька или песчаное зерно, раковина или любой подобный компонент.

Упаковка определяется распределением или «плотностью» размещения элементов структуры. Даже в породе, напело сложенной сферическими элементами, равными по размеру, существует несколько способов, которыми эти сферы можно расположить или упаковать. Когда форма и размеры элементов различны, характер упаковки усложняется. Хотя структура породы и ее упаковка между собой тесно связаны, это не одно и то же.

Любой несферичный элемент (такой как галька) ориентирован в пространстве. Когда из всевозможных направлений значительное число элементов принимают определенную ориентировку или выбирают преимущественное направление, про такие элементы (например, грубообломочные отложения, содержащие ориентированную гальку) говорят, что они характеризуются предпочтительной ориентировкой или обнаруживают анизотропную структуру. Тип строения подчеркивается расположением длинных осей гальки, субпараллельным размещению граптолитов в глинистых сланцах, выдержанному залеганию раковин моллюсков выпуклой стороной кверху и т. п. Такая структура породы считается направленной. Если же структура подчеркнута расположением кристаллографических направлений (например, оси с кварцевых зерен), то такая структура называется кристаллографической. Обе разновидности структуры могут быть тесно связаны между собой или не связаны вообще и, наконец, в породе, состоящей из обломков других пород или раковин, кристаллографическая структура не устанавливается.

Выделяются два генетических типа структур: деформационные и наложения. Деформационная структура образуется при внешнем воздействии на породу и возникает при вращении или движении слагающих элементов под давлением или росте новых элементов общей ориентировки в напряженном поле. Такой тип структуры характерен для метаморфических пород. Структура наложения (apposition fabric) возникает во время отложения материала и является «первичной» структурой. Большинство осадочных пород характеризуется именно этим типом структуры, хотя уплотнение осадочных пород, сопровождаемое уменьшением пористости, отчасти проявление деформации, видоизменяют первичную структуру. Подобную деформацию может приостановить процесс ранней цементации, и несколько его стадий можно установить по некоторым конкрециям. Структура наложения (первичная) фиксируется поведением линейных элементов (например, длинных осей гальки) в силовых полях, например в гравитационном или магнитном полях Земли. Большинство несферичных предметов выбирают наиболее устойчивое положение, и в результате действия силы тяжести по длине такие тела ориентированы параллельно поверхности отложения осадка. Однако под действием потоков положение этих элементов изменяется и может происходить их переориентировка в соответствии с направлением течения.

He все седиментационные структуры (первичные) относятся к этому типу. Часть из них представляет собой структуры роста, которые образуются при росте кристаллов и часто связаны со свободной поверхностью. В результате роста кристаллов, располагающихся перпендикулярно к таким поверхностям, например в жеодах, жилах и т. д., образуются первичные структуры такого типа. Они рассматриваются в разделе, посвященном диагенетическим структурам.



Только те элементы структур, которые имеют неравные размеры по осям, реагируют на движение потока и приобретают определенную ориентировку. Сфера, в которой все размеры равны, может не реагировать на течение. С другой стороны, трехосный эллипсоид ориентирован в пространстве, и его положение можно определить. Обычно определяют ориентировку длинной оси, если эллипсоид продолговатый, и короткой, — если он приплюснутый.

Почти каждый обломочный компонент может служить элементом структуры, хотя максимальную ценность имеют те обломки, у которых размеры по осям не равны. Обычно изучают положение в пространстве самых нехарактерных осей гальки или песчаных зерен. Наиболее информативными элементами структур, особенно в глинистых отложениях, являются листочки слюды, даже слюды глин, и обломки растительной ткани (стебли растений, продолговатые обрывки листьев). Обломки скелета, особенно ортоцерид, тентакулиты, раковины двустворчатых моллюсков и круто закрученные гастроподы легко поддаются ориентировке и являются полезными элементами структуры породы.

Ориентировку элементов структур, например, гальки можно охарактеризовать двумя углами. Один из них — направление («простирание»), или азимутальный угол между некоторой осью гальки и меридианом; другой — склонение («погружение» или «падение») этой оси, угол между рассматриваемой осью и горизонтальной плоскостью. Длинные оси галек могут иметь преимущественную ориентировку, но у гальки определенной формы, например, приближающейся к диску, преимущественная ориентировка длинной оси может отсутствовать или (в лучшем случае) будет особо выражена. В этом случае ориентировку контролируют широкие плоские стороны предмета. Положение этих сторон (плоскостей а—b) определяется по азимуту и углу, который они образуют с вертикалью («полюсом плоскостей»). По существу, это направление совпадает с наименьшим диаметром гальки (ось с).

Если гальку, извлекаемую из матрикса, отметить соответствующим образом в обнажении, а затем в лаборатории ориентировать в том же положении по отношению к странам света, что она имела в обнажении, то, применяя гониометр, можно измерить азимут и угол падения длинной оси и перпендикуляра к максимальной площади сечения. Конечно, если слои наклонены, то этот наклон необходимо соответствующим образом учесть. Читателю, заинтересованному в изучении технологии отбора образцов и методики измерения, можно рекомендовать соответствующие работы.

Результаты наблюдений над сотней или большим количеством галек можно представить графически в различном виде. Например, при определении направления движения льда по результатам замера ориентировки длинных осей валунов в тиллитах. Значения азимутов можно сгруппировать в классы (через определенный интервал, например, через 20°), выделить модальный класс или подсчитать среднее арифметическое значение азимутов. Методы подсчета, использующего подобную «круговую» частоту распределения, рассмотрены и проанализированы в работе. Возможно, более правильно представлять данные в виде круговой диаграммы. Наклоны можно обрабатывать аналогичным способом.

Диаграмма, на которой изображены как азимут, так и наклон длинной оси элемента структуры, называется «диаграммой петроструктуры». Положение каждой измеренной длинной оси изображается в виде точки на полярной координатной бумаге, или точки на полярной равномерной сетке Ламберта, или на так называемой сетке Шмидта (рис. 3-30,а). Сгущение точек или их разброс указывают соответственно на наличие или отсутствие преимущественной ориентировки. Такие диаграммы становятся особо наглядными, если представить, что каждая галька по очереди помещается в центр полого шара точно в таком положении, которое она занимает в обнажении. Длинная ось гальки (или любая другая) вытягивается до пересечения с поверхностью шара. Точка пересечения в нижней половине шара («южное полушарие») затем наносится на «полярную» карту этого полушария.

Ориентировка линии в пространстве (оси гальки и т. д.) на диаграмме изображена в виде точки. Плоскость также можно представить в виде точки, отвечающей точке пересечения нормали или перпендикуляра к плоскости с поверхностью шара. При желании можно, например, таким же образом изобразить ориентировку косой слоистости или на одной диаграмме показать ориентировку многих слоев в косослоистых отложениях.

Если линейные элементы ориентированы беспорядочно, то точки, изображающие эти линии на диаграмме, будут на ней бессистемно разбросаны. Если же наблюдается преимущественная ориентировка линий, то точки на диаграмме соберутся в группы. Для изображения группирования или плотности точек проводятся соответствующие изолинии. На карте плотности населения проводятся изолинии и соответствующей раскраской — количество человек, проживающих на квадратном километре территории. Аналогичным образом на диаграммах петроструктур проводятся изолинии для изображения количества точек на единицу площади (рис. 3-30,6б). Обычно показывается относительное количество точек (процент), а не их фактическое число. Единица измерения обычно соответствует одному проценту площади диаграммы.

Точки, соответствующие осям элементов структуры или нормалям к определенным плоскостям (косослоистым прослоям, например), могут означать центры (так называемые полюса) или зоны, или области повышенной концентрации (получившие название поясов).

Хотя концепция направленной структуры применима ко всем обломочным отложениям в равной степени, в том числе и к некоторым разновидностям известняков, для крепко сцементированных пород замеры, подобные описанным, и изображения результатов делать трудно. Ориентированное расположение уплощенных галек в конгломератах, хорошо заметно по положению их поверхностей, но обычно невозможно найти, отобрать и ориентировать гальки, что не позволяет сделать полный анализ структуры породы. Более информативно изучение подошвы и кровли пластов, на которых можно увидеть ориентировку удлиненных галек, конусообразных (или вытянутых) органических остатков или обломков растительной ткани.

Размерную структуру обломочных зерен в песчаниках определить нелегко. В шлифах, перпендикулярных слоистости, обычно видно наибольшее измерение зерна, параллельное напластованию или в отдельных случаях находящееся под углом к нему. В шлифах, ориентированных параллельно слоистости, заметно предпочтительное расположение удлиненных зерен. Для изучения структуры песчаных пород разработано несколько методов.

Понятие симметрии и типы структур

Когда элементы структуры ориентированы беспорядочно, она называется изотропной, а при предпочтительной ориентировке — анизотропной. Несмотря на что что количество возможных структур достаточно велико, в осадочных породах устанавливается лишь несколько относительно простых разновидностей. Поскольку ориентировка элементов структуры (например, гальки) зависит от формы, вероятно, целесообразно кратко рассмотреть типичные случаи узоров ориентировки обломков основных классов, выделяемых по форме.

Эти типы ориентировки наилучшим образом различаются по отношению к двум поверхностям: горизонтальной плоскости, примерно совпадающей с поверхностью осадконакопления, и вертикальной плоскостью, параллельной направлению течения потока. Важное значение имеет ориентировка элемента структуры или соотношение между узором, образованным группой таких элементов и упомянутыми плоскостями.

Разумеется, что для сферических тел структурные узоры не характерны. Удлиненные формы характеризуются по ориентировке их длинных осей. Они могут иметь беспорядочную или изотропную ориентировку (рис. 3-31,а). Эти формы могут располагаться в горизонтальной плоскости, но беспорядочно внутри этой плоскости, и поэтому полюса собираются в пояс, соответствующий простой гравитационной структуре (рис. 3-31,б). Для удлиненных тел обнаруживается ориентировка структур, образованная течением и возникающая при переориентировке в горизонтальной плоскости, когда полюса либо секут направление течения (рис. 3-31,в), либо располагаются параллельно ему (рис. 3-31,г). Возможны и другие варианты ориентировки удлиненных форм, но они встречаются редко, например, может быть единственный полюс в центре диаграммы (вертикальная длинная ось некоторых натечных образований).

Ориентировку приплюснутых или дискообразных элементов структуры можно характеризовать по расположению коротких осей, как правило, перпендикулярных к диску. Диски могут располагаться в плоскости наслоения и полюс короткой оси будет перпендикулярен пласту, в этом случае образуется простая гравитационная структура (рис. 3-31,д), или утолщенные элементы могут перераспределяться течением и приобретать направленное расположение навстречу потоку, в этом случае полюс короткой оси смещен на «периферию» диаграммы (рис. 3-31,е).