Структуры осадочных пород

Структура грубообломочных отложений. Направленная ориентировка гальки в грубообломочных породах известна уже давно. Отмечалось, что плоская галька в грубообломочных отложениях и конгломератах, наподобие кровельной черепицы, иногда располагается внахлест, это явление было описано как «кровельная структура» (рис. 3-32). Кайе изучил наклон около 4 тыс. галек из свит различного возраста (от палеозойских до современных). Расположение талек внахлест встречается достаточно часто, в морских отложениях наблюдаются вариации направления, а в речных осадках направление удивительно выдержанное. Средняя величина наклона гальки в речных отложениях колеблется от 15 до 20°, наклон галек в морских отложениях составляет 2—15°. В целом чем галька площе, тем больше она наклонена. Ориентировка гальки крупного размера яснее выражена, чем мелкой, а гальки, соприкасающиеся друг с другом, ориентированы более четко, чем полностью изолированные. По данным Унруга, угол наклона гальки уменьшается вниз по течению, что, по мнению автора, объясняется «плохой сортировкой грубообломочного материала». Йоханссон, проводивший скрупулезные исследования после Кайе, отмечал, что расположение галек внахлест является наиболее достоверным указанием направления потока в современных реках. Величина наклона колеблется от 10 до 30°, эти колебания в определенной мере связаны как с удлиненностью обломков, так и с «гидродинамическими условиями». Исключительно крутой наклон гальки, почти в 40°, установленный Уайтом в докембрийских конгломератах Кевинаван, объясняется концентрацией плоской гальки по краям эрозионных воронок, и таким образом является мерой естественного откоса. Если это так, то разность между наклоном биссектрисы угла, образуемого стенами воронки и перпендикуляром к плоскости напластования, будет отвечать первичному углу падения слоев.

Ориентировка длинных осей вытянутых по форме галек понятна гораздо меньше. Даже фактический материал нередко противоречив. Многие авторы указывали на расположение удлиненных галек параллельно направлению потока. Однако некоторые исследователи сообщают о поперечной ориентировке галек в потоке; такая же ориентировка подтверждена экспериментально. Эти противоречивые наблюдения, вероятно, являются результатом действия различных факторов. Йоханссон отмечал, что галька, которая переносится при волочении по ложу русла, откладывается перпендикулярно направлению потока, а галька, заключенная в транспортирующую среду, например в ледниковый лед, грязевый поток и тому подобное, стремится ориентироваться по направлению перемещения, поскольку в движущейся среде возникает срезающее напряжение. Как сообщает Раст, поперечная ориентировка наиболее выражена в том случае, когда единичная галька встречается в песчаном пласте. С увеличением содержания гальки поперечное расположение исчезает и появляется ориентировка, приближающаяся к параллельной с направлением течения. Скорость течения также является фактором, влияющим на ориентировку обломков; в быстрых потоках образуется скорее параллельная, нежели поперечная ориентировка.

Структура тиллей. Избирательная ориентировка обломочных материалов в тиллях использовалась в качестве критерия для определения направления движения льда. Удлиненные валуны в тиллях наземной морены ориентированы параллельно направлению движения льда, что подтверждается расположением ледниковой штриховки, ледниковых борозд и другими доказательствами движения льда. В ряде случаев наблюдается второстепенная поперечная ориентировка. В других моренных тиллях структуры бывают значительно сложнее. Структура тиллей оказалась весьма ценным элементом для определения направления движения льда, особенно в «ископаемых» тиллях, в которых другие критерии отсутствуют.

Структура песчаников. Структуры песков и песчаников изучены еще хуже, чем грубообломочных пород, в первую очередь из-за трудностей изучения тонкозернистых материалов Делались попытки измерить положение фактических и видимых длинных осей зерен и определить ориентировку кристаллографических с-осей исходя из предположения, что между ними существует тесная связь.

Уэйланд отмечал, что длинная ось обломочных зерен кварца совпадает с кристаллографической осью с. Ингерсон и Рамич подтвердили данные Уэйланда. В соответствии с этим можно ожидать, что если донные течения придадут несферичным зернам кварца во время отложения избирательную ориентировку, то порода будет характеризоваться кристаллографической структурой. Анализ петроструктуры, проведенный Уэйландом для песчаников Сен-Питер (ордовик), показал, что оптические оси кварцевых зерен обнаруживают подобную ориентировку. Роуланд пытался детально исследовать соотношения между ориентировкой по форме и кристаллографическими направлениями обломочного кварца, но полученные им результаты оказались неубедительными. Существующие трудности отчасти возникают потому, что кварц обладает ромбоэдрической спайностью, хотя и весьма несовершенной, однако в его удлиненных обломках кристаллографическая с-ось заметно совпадает с вытянутой осью. Тем не менее соотношение между длинным размером обломка и кристаллографической ориентировкой позволяет определить первую величину с помощью фотометра в шлифах, изготовленных параллельно слоистости.

В общем виде направленную структуру кварца, связанную с направленным течением, можно наблюдать в шлифах, ориентированных параллельно напластованию, особенно в песчаниках с нарушенной горизонтальной слоистостью (рис. 3-33). График видимых длинных осей зерен, наблюдаемых в таких шлифах, обычно показывает, что среднее направление этих осей параллельно или почти параллельно направлению потока, восстановленного по подошвенным знакам. Аналогичное совпадение между структурой породы и диэлектрической анизотропией отмечал Мак-Айвер (рис. 3-34). Однако известны и исключения из этой закономерности.

Указанные соотношения были подтверждены лабораторными исследованиями, которые показали, что длинные оси зерен располагаются параллельно потоку, толстые концы асимметричных зерен направлены навстречу течению. Изучение современных отложений пляжей, рек и дюн указывает на явные ориентированные структуры.

Изучение шлифов песчаных пород в сечениях, перпендикулярных слоистости и параллельных течению потока, обычно показывает, что песчаные зерна, как правило, располагаются внахлест, обычно, хотя и не всегда, приподнимаясь навстречу течению.

Установлено, что структура осадочных пород тесно связана с векторной проницаемостью.

Структура глин и глинистых сланцев. Установлено, что глинистые частицы, особенно глинистые минералы, обладают слюдоподобным габитусом, и обломочные частицы глин обычно плоские. Даже если они отлагаются беспорядочно, гравитационные силы и последующее уплотнение приводят частицы в одну и ту же плоскость, таким образом они приобретают параллельную или субпараллельную ориентировку. Такая ориентировка сокращает пористость и придает глине или аргиллиту анизотропное строение и сланцеватость. Это хорошо устанавливается по результатам рентгеноструктурного анализа каолинита в серии образцов, отобранных из сидеритовой конкреции, от ее центра к периферии. Очевидно, что конкреция зарегистрировала историю уплотнения окружающих ее глин. Конкреция зародилась до наступления ощутимого уплотнения и развивалась до почти полного уплотнения. Структура каолинита обнаруживает направленное изменение от почти беспорядочной в самом центре до хорошо ориентированной на поверхности. Дальнейшее обсуждение химических и механических факторов, определяющих структуру глин, изложено в работе Мида.

Изучение шлифов глинистых пород, ориентированных перпендикулярно слоистости, показывает эффект «одновременного погасания» в скрещенных николях, указывающий на хорошо выраженное параллельное расположение частичек глинистых минералов. Однако Келлер показал, что в некоторых огнеупорных глинах минеральные частицы располагаются беспорядочно, он объяснял это ростом частиц в глинистом теле после отложения. Такие глины обнаруживают раковистый или неправильный излом.

Структура известняков и доломитов. Первичные структуры известняков и доломитов изучали Зандер и Холт. Холт описал хорошо выраженные кристаллографические текстуры. Зандер описал главным образом структуры роста в порах и других полостях, образованные друзоподобными сростками кристаллов на стенках таких пустот. Маловероятно, чтобы в недеформированных известняках или доломитах наблюдались бы хорошо выраженные кристаллографические структуры.

Направленные структуры встречаются достаточно часто. Они связаны с ориентированным расположением различных плоских (или удлиненных) или выпукло-вогнутых скелетных обломков организмов. Более полно эти структуры рассматриваются ниже; диагенетические текстуры описаны в заключительной части настоящей главы, а также в главе, посвященной известнякам.

Ориентировка органических остатков. Органические структуры также подвержены влиянию течений. Оторванные створки выпукло-вогнутой формы могут лежать или выпуклой, или вогнутой стороной вверх, но если они переносятся течением, их ориентировка становится однообразной, в данном случае выпуклой стороной вверх. Направленная ориентировка таких раковин является указателем скорости течения и положения подошвы и кровли крутопадающих или перевернутых слоев. Однако отмечалось, что в определенных отложениях, предположительно турбидитах, разрозненные створки имеют прямо противоположную ориентировку, а именно вогнутой стороной вверх. Подобная ориентировка действительно может быть образована турбидитным течением.

Ориентированные органические остатки могут указывать на направление течения. Давно отмечалось, что тентакулиты и колонии граптолитов обнаруживают направленную ориентировку в плоскости слоистости. Ченовит показал, что ортоцераконовые цефалоподы и крутозакрученные гастроподы обнаруживают явную ориентировку в трентонских отложениях на территории штата Нью-Йорк. Они стремятся расположиться длинной стороной либо параллельно, либо перпендикулярно к направлению знаков ряби в тех же слоях. Ченовит считал, что раковины, перпендикулярные ряби и параллельные направлению течения, ориентированы таким образом из-за смещенного центра тяжести. Эта точка зрения получает подтверждение, если нанести положение длинных осей и отметить направление апикального конца изучаемых форм (рис. 3-35). По данным Зейлахера, равные, но разнонаправленные моды розы течений («галстук-бабочка») соответствуют ориентировке обломочных раковин перпендикулярно направлению течения, а неравные, но также противоположные моды указывают на расположение параллельно течению. Большая мода указывает направление вверх по течению (рис. 3-36) потока.

Один из самых распространенных критериев палеотечений «углистая слоистость» — линейность, подчеркнутая параллельным расположением углефицированных растительных остатков. Наблюдается ориентировка остатков как перпендикулярно, так и параллельно направлению потока, предполагаемая по характеру других осадочных структур. В обычном случае обломки ориентированы параллельно потоку, однако некоторые удлиненные кварцевые зерна и большинство вытянутых органических остатков располагаются в соответствии со знаками ряби длинной стороной параллельно углублению, разделяющему знаки ряби.



Как и исследование гранулометрического состава осадочных пород, изучение структур было связано с затратой значительных усилий, в обоих случаях полученные результаты не компенсируют затраченного труда. В изучении гранулометрического состава это отчасти вызвано тем, что методика, хорошо применимая к современным рыхлым грубообломочным отложениям и пескам, оказывается непригодной для изучения крепких сцементированных пород. Более того, направленные структуры песков могут быть нарушены или уничтожены в результате оползания, волнений и жизнедеятельности организмов. Первичную структуру маскируют тектонические движения, которые могут полностью заменить ее деформационной. Изучение структур главным образом направлено на восстановление направления течения. Такие критерии течения, как косая слоистость, знаки ряби и иероглифы, различаются и измеряются легче, поэтому исследователи применяют более трудоемкий структурный анализ только в том случае, когда эти критерии отсутствуют.

Максимальная ценность структур, особенно структур песчаных пород, заключается в установлении ориентировки песчаных тел, вскрытых в процессе бурения. Если существует возможность связать структуру с формой песчаного тела и затем выявить структуру в ориентированном керне, ценность прогнозирования геометрии песчаного тела по одной скважине становится очевидной. Знание структурных особенностей породы также способствует пониманию ее геофизических свойств, связанных с анизотропией песчаного тела.