Петрогенез песчаников
Мы сделали обзор свойств песчаников, их классификаций и наиболее значительных фактов, касающихся выделения основных типов этих пород и некоторых проблем их образования. Теперь нам следует взглянуть на песчаники более широко. Необходимо выяснить, какие геологические факторы контролируют образование песка и определяют его петрографию. Или, взглянув с другой стороны, сформулируем вопрос так: что рассказывают нам песчаники о своем прошлом — о природе исходных пород, рельефе и климате области питания, механизме переноса и условиях осадконакопления?
Песок формируется под воздействием целого комплекса процессов, и его свойства зависят от соотношения интенсивности этих процессов (рис. 7-32). Пески могут образоваться в результате процессов выветривания (как химического, так и физического), вулканической деятельности, при тектонических движениях (даже при ударе метеоритов), при химических и биохимических процессах. Некоторые пески могут формироваться в ходе лишь одного процесса, другие являются сложными и содержат материал нескольких генераций. Иногда конечный продукт, хотя по структуре и является песком, причисляется к известнякам или туфам, а не к обычным песчаникам. Мы рассматриваем здесь нормальные эпикластические пески, вулканомиктовые и карбонатные пески рассматриваются в других главах.
Как отмечено ранее, песчаники составляют существенную часть осадочного чехла. Подсчеты их относительной распространенности показывают, что от 1/4 до 1/3 осадочного разреза сложено песчаниками. Если принять оценку Полдерварта общего объема осадков на континентах в 176*10в6 км3 и допустить, что четверть этого объема составляют пески, то их общий объем будет равен 44*10в6 км3, что соответствует массе 120*10в15 метрических тонн.
Каков состав песка? Средний минеральный состав можно оценить, основываясь на данных химических анализов. В результате получается: кварца 59%, полевых шпатов 22%, каолина 6%, хлорита 4%, кальцита 6% и окислов железа 2%. Ho такой расчетный состав не учитывает различий между зернами и цементом, не позволяет оценить роль обломков пород. Если считать, что весь каолин и хлорит и треть полевых шпатов представлены в виде частиц породы, то средний состав песчаника без цемента (без учета кальцита и окиси железа) будет таков: кварца 65%, полевых шпатов 15%, обломков пород 18%.
Какова относительная роль отдельных классов или семейств песчаников? Этому вопросу посвящен ряд исследований. Оценки этой роли достаточно разнообразны, так как они зависят от подхода к выделению классов и от размера, и характера образцов, на которых базировались оценки. Если граувакки образовались из лититовых аренитов в результате разрушения зерен каркаса (что позволяет объединять их с лититовыми песками), то они включают 35% кварцевых аренитов, 15—20% — аркозов и 45—50% лититовых песчаников (см. табл. 7-13). Отмечается определенное преобладание лититовых песчаников. Они очень похожи на пески современных крупных рек, например Огайо. Аркозы и ортокварциты являются в известном смысле необычными песками, требующими для своего образования и сохранности особых условий: ограниченной области питания — для формирования и исключительной тектонической стабильности — для сохранения.
Оценки относительной и абсолютной распространенности песка, его средний химический и минеральный состав, относительная распространенность основных типов песчаников, вероятно, представляют интерес для геохимиков, изучающих цикличность осадкообразования, баланс массы в планетарном масштабе — изучение формирования осадка, его перенос с суши в море и обратно, его разрушение и переход в подкоровое вещество. Примечательно, что большинство геологов стремится получить ответ на эти вопросы как можно быстрее и с учетом своих научных интересов. Что расскажет мне этот песчаник о палеогеографической обстановке времени его накопления? Об области питания, ее характере, климате, рельефе? Каков механизм переноса песка и каковы условия его осаждения? Какие принципы управляют образованием песка и петрографическими особенностями песчаников?
Геологические факторы, контролирующие формирование песка и определяющие тип отложившегося осадка, неоднократно упоминались в этой главе (см. рис. 7-32). Для эпикластических песков эти факторы можно коротко суммировать так: 1) исходные породы, 2) климат области питания и области осадконакопления, 3) обстановка и (или) механизм переноса и накопления, 4) тектоника областей питания и осадконакопления. Связь этих геологических факторов со структурами, текстурами и составом песчаников очень сложна и понята далеко не полностью. Сколь-нибудь объемлющих теорий петрогенеза песчаников, освещающих эти вопросы, мало, и они часто неполные; большинство из них в каком-то отношении спорны.
Естественно, что материнская порода или породы в значительной мере определяют природу песка. Пески, отлагаемые небольшими водотоками, размывающими различные породы, отличаются друг от друга, Изучение современных рек, в частности Рейна, выявило влияние коренных пород ложа на состав речных песков. Пески, образовавшиеся при разрушении риолитовой вулканогенной толщи, отличаются по составу от песков, сформировавшихся на участке, сложенном глубинными гранитами и гнейсами. Первые характеризуются малым содержанием кварца (вулканического происхождения) и полевых шпатов и абсолютным преобладанием обломков риолитовых пород, тогда как вторые — преимущественно кварцевые и полевошпатовые — практически не содержат обломков пород. Изучение современных осадочных бассейнов доказывает, что минералогия песков тесно связана с составом пород области питания. Это особенно отчетливо проявляется на ассоциациях тяжелых минералов, что показали исследования, проведенные в Мексиканском заливе и Северном море.
Все же пески, образовавшиеся при разрушении какой-либо породы, отличаются по составу от самой породы. Одни минералы более подвержены выветриванию, чем другие, и происходит их избирательная потеря. Потеря определяется природой самого минерала. Порядок избирательной потери определен эмпирически. Однако он также зависит от характера и интенсивности самого процесса выветривания и от его продолжительности. Выветривание определяется климатом; рельеф контролируется тектоникой. В условиях низкого рельефа и теплого влажного климата продолжают существование только устойчивые виды минералов, при высоком рельефе эрозия ускоряется, и процесс выветривания не доходит до конца, так что неустойчивые разновидности избегают разрушения и появляются в песках. Наблюдений, подтверждающих эти дедуктивные общие принципы, явно недостаточно. По-видимому, в пользу этих концепций свидетельствуют наблюдения Крынина над формированием песчаников с высоким содержанием полевых шпатов в тропиках Мексики.
Влияние способов транспортировки (эоловый, волновой, речной, ледниковый) и обстановки осадконакопления (пляжи, дельты, дюны и др.) на петрографию песков относительно невелико. Несмотря на значительные усилия, не удалось удовлетворительно связать структурные особенности, окатанность зерен ни с механизмом переноса, ни с обстановкой осадконакопления. Отчасти такое положение объясняется тем, что многие свойства зерен — размер, форма, окатанность, состав — изменяются абразией в процессе транспортировки лишь незначительно, и важно, что многие свойства зерен являются унаследованными от предыдущих циклов седиментации и не отражают последнюю обстановку осадконакопления. Вопреки убедительным экспериментальным и природным доказательствам этих положений, существуют геологические факты про-копления. Вопреки убедительным экспериментальным и природным может оставить след в петрографии песчаника. Фолк интерпретировал хорошо окатанные ортокварциты силурийской формации Тускарора в Западной Виргинии как продукт «очистки» от угловатых, менее зрелых песков в пляжевой обстановке. Нижнекаменноугольные кварциты Келлервальд, чистые кварцевые пески варисцийской геосинклинали западнее Рейна также интерпретируются как продукт провеивания и переработки грауваккового материала в условиях краевого шельфового бара.
Тот факт, что пески кратонов или пески, снесенные с кратонов, характеризуются заметно большей зрелостью, чем пески, накопившиеся в геосинклиналях, особенно пески, сносившиеся с участков «тектонической суши», приводят к идее о том, что петрография песчаников определяется преимущественно тектоникой. Типичным песчаником эвгеосинклиналей является граувакка, типичным для кратонов — ортокварцит. Пески, связанные происхождением с миогеосинклиналями, кратонами и форландами, обычно представлены ортокварцитами, пески же внутригеосинклинальной «тектонической суши» являются лититовыми песчаниками или граувакками. Предполагается, что петрографическая природа определяется тектонической стабильностью. Например, в центральных Аппалачах песчаники, связанные с западной, кратонной областью питания — Уэвертон и Антайтам, представлены ортокварцитами и протокварцитами; в то же время песчаники, образовавшиеся при сносе материала с юго-востока — песчаники Мартинсберг, Джуниата, Болд-Игл, Поконо, Мок-Чанк и Потсвилл — являются лититовыми аренитами или граувакками. Образовавшаяся путем привноса материала с юго-востока формация Тускарора в основном представлена субграувакками или протокварцитами, но местами переходит в ортокварциты. Подобно этому, пески геосинклинали залива Коронейшен, образовавшиеся при эрозии стабильных кратонных участков, расположенных к востоку от прогиба (Хорнби-Чаннел, Клюзчай Большого Невольничьего озера и Уэстерн-Ривер, Оджик и Бернсайд-Ривер района Эпуэрт-Гулберн), представлены субаркозами и ортокварцитами. Пески, сносившиеся с противоположной стороны геосинклинали (Реклюз района Эпуэрт и пески группы Пете Большого Невольничьего озера), несколько более молодые и представлены граувакками.
Крынин был одним из первых, кто сформулировал полную теорию петрогенеза песчаников, в которой тектоника рассматривалась как важнейший фактор. Он привязывал каждую группу песчаников к определенной стадии тектонического цикла. Эта точка зрения, с небольшими изменениями, была принята другими исследователями. Ван-Андель пересмотрел эти представления и сделал попытку классифицировать геологические факторы, определяющие петрографию некоторых меловых, палеоценовых и эоценовых песчаников Западной Венесуэлы. Он считал, что не тектоника, а исходный материал является основным фактором, обусловливающим состав песчаников, и что обстановка осадконакопления сказывается только на особенностях структуры и структурной зрелости. Он заявляет, что «не существует систематического воздействия тектонофаций на структуру и структурную зрелость» и добавляет, что «минералогическая зрелость не отражает тектонофации бассейна осадконакопления»; следовательно, петрография песчаников отражает тектонику лишь в той мере, в какой тектоника контролирует рельеф области питания.
Большинство исследователей в значительной мере склонно предполагать, что области бассейнов накопления и тектонических поднятий сопряжены друг с другом. Это допущение не всегда справедливо, в частности для тех случаев, когда область питания располагается на большом расстоянии от бассейна осадконакопления, как это отмечается для большинства крупных речных систем.
В заключение можно отметить, что в целом петрография песчаника является ключом к изучению области питания, посредством чего можно судить о ее климате и рельефе, но она в общем не отражает условий осадконакопления. Связь петрографических особенностей и тектоники полностью не выяснена, по-видимому, во многих геосинклиналях существуют значительные различия между песками, перенесенными из участков стабильного форланда и, песками, сносившимися из внутренних областей геосинклиналей, — «тектонической суши».