Изучение осадочных горных пород

 

 

Осадочные горные породы – это породы, образовавшиеся на поверхности Земли (в экзогенных условиях) в результате накопления различных минеральных веществ на дне морей, океанов, в озерах, реках, болотах и на суше.

Осадочные породы в зависимости от условий образования и от факторов, способствовавших накоплению минерального вещества, можно подразделить на генетические группы по следующей схеме:

 

 

Осадочные породы

 

 

Оставшиеся на месте – Перенесенные

остаточные (элювиальные)

образования

 

 

В виде растворенного

вещества

 

 

В виде твердых

частиц – обломочные

(кластические) образования

 

 

 

 

Отложенные путем различных Отложенные благодаря

химических реакций – хемогенные жизнедеятельности организмов

образования - органогенные (хемогенные и

обломочные)

 

Таблица 3

Порядок изучения и определения главнейших признаков осадочных горных пород

1. Структура – свойство, обусловленное формой и размером слагающих породу частиц. По величине обломков бывают структуры: грубообломочные (псефитовые); песчаные (псаммитовые); пылеватые (алевролитовые); глинистые (пелитовые). По форме обломков различают структуры: угловатые (неокатанные); округло-угловатые (полуокатанные); округло-полированные (окатанные). По величине зерен среди песчаных пород выделяют структуры: грубозернистые (2 -1 мм), крупнозернистые (1 – 0,5 мм), среднезернистые (от 0,5 до 0,25 мм), мелкозернистые (от 0,25 до 0,1 мм). В зависимости от соотношения зерен по размеру выделяют структуры: равно- и разнозернистые; оолитовые (зерна округлые стяжения до 2 мм); листоватые (листовато-слоистое сложение); игольчатые и волокнистые; брекчевидные (спаянные остроугольные обломки).

2. Текстура – обусловлена происхождением породы, особенностями расположения ее частиц и внешним видом породы. По характеру взаимного расположения частиц текстуры бывают: беспорядочная (у морены, брекчии, грубообломочного конгломерата и т. п.); слоистая; листоватая (порода разделена на пропластки в связи с частой сменой зерен различного размера по слоистости); черепитчатая – разновидность листоватой, характер зерен изменяется таким образом, что они легко разделяются на тонкие, мелкие таблички, частично черепитчато перекрывающие друг друга; полосчатая, при которой поверхности слоистости почти параллельно или волнообразно изгибаются и выклиниваются. По слоистости текстуры бывают: параллельная, или горизонтальная; косая или перекрестная. По степени пористости: плотные (пористость не заметна на глаз); мелкопористые; крупнопористые (поры от 0,5 до 2,5 мм); кавернозные. Пористость типична для всех осадочных пород. Исключение составляют лишь некоторые породы химического происхождения (известняки, гипсы и др.). Мелкие поры, невидимые глазом, типичны глинам; крупные – характерны для лессовидных пород, песков. В таких породах, как известняки-ракушечники, поры очень большие, в виде пустот и их часто называют кавернами. Поры могут быть закрытые и открытые. В песках общий размер пористости составляет - 30-40%, в лессовидных суглинках – 40-55, в глинах – более 70%.

3. Окраска – важный диагностический признак осадочных горных пород и зависит: 1. от окраски минералов, слагающих породу; 2. от окраски рассеянной в породе примеси и цемента (масса тонкозернистого и аморфного материала, скрепляющая отдельные более крупные зерна); 3. от цвета тончайшей корочки, часто обволакивающей зерна составляющих породу минералов. Белый и светло-серый цвета обычно обусловлены окраской главных минералов осадочных пород – кварца, каолинита, кальцита, доломита и др.; темно-серый и черный цвета – углистое вещество, реже соли марганца и сернистого железа; красный и розовый цвета связаны с примесью в породе окислов железа; зеленый цвет зависит от примеси закисного железа и присутствия глауконита, но иногда хлорита и малахита; желтый и бурый цвета связаны с присутствием в породе лимонита.

4. Плотность.

5. Минеральный состав разнообразен: обломки различных пород (магматических, осадочных метаморфических); первичные минералы, сохранившиеся после разрушения исходных пород (кварц, полевые шпаты, слюды и др.); вторичные минералы (глинистые минералы, типичные только для осадочных пород); минералы, сформировавшиеся в осадочных породах в периоды диагенеза (цементации) и эпигенеза (под действием процесса выветривания меняют состав и свойства – гипс, кальцит, галит, опал, магнетит). Минералы осадочных пород могут находиться в кристаллическом, аморфном и коллоидном состояниях. Осадочные горные породы могут быть как мономинеральными, так и полиминеральными. В большинстве осадочных пород наблюдаются органические остатки. В одних случаях это примесь в виде гумуса (глины, суглинки), в других – остатки растений или скелетных частей организмов в виде окаменелостей, в третьих – это основная масса пород (торф, сапропель, пель). Классифицировать осадочные горные породы можно по минералогическому и генетическому признакам. По своему происхождению осадочные горные породы разделяются на три группы: обломочные, хемогенные (химические) и органогенные.

 

Задание №1: Описать выданную преподавателем обломочную горную породу (по таблице3: порядок изучения и определения главных признаков осадочных пород), опираясь на теорию, изложенную ниже.

 

1. Обломочные горные породы.

По размерам обломков обломочные породы разделяются на грубые (более 2 мм): гравий и дресва (2 – 20 мм), галечник и щебень (20 – 200 мм), валуны и глыбы (более 200 мм); песчаные (2 – 0,05 мм); пылеватые (0,05 – 0,005 мм) и глинистые (менее 0,005 мм).

Одни обломочные накопления могут находиться в рыхлом состоянии, другие цементируются различными минеральными веществами – природными цементами: кремнеземистый цемент (кварц, опал, халцедон), железистый (лимонит), карбонатный (кальцит, доломит), глинистый (глинистые минералы типа каолинита, гидрослюд, монтмориллонита). Наиболее прочен кремнеземистый цемент, менее прочны железистый и карбонатный. Породы, сцементированные глинистым веществом, малопрочны, легко размокают в воде.

Грубые неокатанные (угловатые) обломки в цементированном виде дают породу под названием брекчия, а из окатанных обломков образуются конгломераты. Сцементированные пески получили название песчаников.

а) Грубообломочные породы

Рыхлые крупнообломочные породы – глыбы, щебень, дресва, валуны, галечники, гравий. Сложение их рыхлое либо слабо связанное глинистыми частицами. В их состав входят обломки и частицы минералов и пород (магматических, метаморфических, осадочных скального типа). Для таких пород необходимо проводить гранулометрический анализ.

Залегание галечников и гравия слоистое. Щебень и дресва – в виде накоплений в нижней части склонов рельефа.

Сцементированные породы – конгломерат и брекчия (характерна обломочная, разнозернистая структура; текстура беспорядочная). Плотность сцементированных пород 1,5 – 2,9 г/см³. Временное сопротивление сжатию колеблется от 5 до 160 МПа. Значительные колебания в прочности зависят от состава обломков, их формы, размера и цементирующего вещества. Минеральный состав обломков зависит от состава исходной породы. Природными цементами могут быть: кальцит (вскипает при действии 10%-ной соляной кислоты); гипс (царапается ногтем); глина (если подышать на породу, издает землистый запах, сравнительно легко размокает в воде); кварц, халцедон, опал (не царапаются ножом); водные окислы железа (придают породе ржаво-бурую окраску); битумы (придают породе черную или темно-бурую окраску). Твердые продукты извержения вулканов, сцементированные природными цементами, называются туфоконгломератами.

 

б) Песчаные породы (псаммиты)

Рыхлые мелкообломочные породы – пески (2 – 0,05 мм). Пески по относительной величине зерен могут быть равномерно- и разнозернистыми. Кроме того, их подразделяют на: крупные (содержание частиц > 0,5 мм более 50%); средние (частицы > 0,25 мм в количестве, превышающем 50%); мелкие (частицы > 0,1 мм в количестве, превышающем 75%); пылеватые (содержание частиц > 0,1 мм менее 75%).

По минералогическому составу пески могут быть мономинеральными (кварцевый песок) и полиминеральными (пески аркозовые, имеют красную и розовую окраску и граувакки, разноокрашенные пески). Наиболее характерная окраска песков – белая, серая, бурая, желтая. Форма зерен изменяется от угловатой до окатанной. Плотность зерен 1,8 - 2,64 г/см³. Промышленные скопления полезных ископаемых в песках носят название россыпей.

Сцементированные породы: сцементированные пески называют песчаниками. Цементирующими веществами могут быть кальцит, гипс, глина, кварц, халцедон, опал, водные окислы железа, битумы и др. На ощупь песчаник грубый. Строение его землистое. Сложение плотное. Минеральный и зерновой составы характерны пескам. По относительной величине зерен различают равномерно- и разнозернистые песчаники, а по их преобладающему размеру грубо-, крупно-, средне- и мелкозернистые разности. Окраска песчаников зависит от цементирующего вещества и различных примесей и может быть серой, темно-серой, желтоватой, бурой, красноватой. Плотность 1,9 – 2,8 г/см³. Временное сопротивление сжатию от 10 до 140 МПа. В природных условиях песчаники встречаются в виде линз и пластов.

По минеральному составу выделяют следующие группы псаммитовых пород:

- кварцевые пески и песчаники; главный компонент – кварц (до 95%), в виде примеси встречаются полевые шпаты, слюда, глауконит и др.; цемент разнообразный – кремнистый, глинистый, известковистый, глинисто-известковистый, железистый, фосфоритовый и др.;

- магнетитовые и гранатовые пески; в этих песках преобладают зерна указанных в названии минералов; встречаются редко;

- кварцево-глауконитовые пески и песчаники; главные составляющие части – кварцевые зерна (40-20%), зерна глауконита (60-80% и более), небольшая примесь слюды и отдельные зерна других минералов; в зависимости от количества глауконита и интенсивности его собственного цвета пески имеют более или менее яркую зеленую окраску, а при выветривании, сопровождающемся разложением глауконита, переходят в ржаво-бурые железистые пески;

- железистые пески и песчаники; пески состоят из кварца, зерна которого покрыты корочками бурого железистого минерала – гетита и гидрогетита, причем песчаники сцементированы этим железистым минералом; окраска от лиловато-бурой до ржаво-оранжевой;

- аркозовые пески и песчаники; главные компоненты – кварц, полевые шпаты и темный минерал (роговая обманка, биотит и пироксен), образующиеся за счет разрушения гранитов и близких к ним пород; состав цемента самый разнообразный;

- граувакки; темноокрашенные, зелено-бурые и зелено-серые обломочные породы, обычно плотно сцементированные; состоят из зерен различных минералов и обломков осадочных, изверженных и метаморфических пород; состав цемента разнообразный.

в) Пылеватые породы – преобладающий размер частиц от 0,05 до 0,005 мм.

Рыхлые породы называются суглинками. Примером пылеватых образований типа суглинка служат лессовые породы – отложения, в состав которых входит более 50% фракций размером от 0,05 – 0,005 мм, обладающие высокой пористостью (до 55%) и макропористостью (крупные поры, различаемые глазом). По внешнему виду они представляют собой однородную палевую, серовато-желтую или светло-желтую породу. При естественной влажности легко растираются пальцами в порошок. Породообразующими минералами являются – кварц, полевые шпаты, карбонаты и глинистые минералы. Среди карбонатов обычно преобладает кальцит в виде дисперсных, равномерно рассеянных в породе кристаллов и скоплений (корочки, желваки).

Группа глинистых минералов (более 10-15 представителей) представлена каолинитом, монтмориллонитом, гидрослюдой и другими разновидностями.

Для лессовых пород характерна агрегированность всей массы зерен. В воде легко размокают. Обладают просадочностью, что выражается в способности лессовой толщи при увлажнении под собственной массой самоуплотняться за счет разрушения части агрегатов и уменьшения пористости, деформируя поверхность земли. При этом порода изменяет свою текстуру и структуру.

По происхождению лессовые породы бывают эоловыми, пролювиальными, делювиальными и др.

Связные, отвердевшие пылеватые породы - алевролиты, алевриты. Минеральный состав аналогичен лессовидным суглинкам. Цвет различный, чаще серый до черного, бурый, красноватый. Структура пылевато-глинистая. Текстура массивная, тонкослоистая. В воде не размокают, при расколах дают остроугольные осколки и плитки.

 

г) Глинистые породы

Глина, суглинок, супесь (пелиты) – связные породы - являются сложными полидисперсными и полиминеральными породами; сложены более чем на 30% из глинистых частиц (< 0,005 мм). В их составе основное место занимают глинистые минералы типа каолинита, гидрослюды, монтмориллонита. Среди второстепенных минералов встречаются полевые шпаты, слюды, хлорит, опал, а также окислы и гидроокислы железа, карбонаты и гипс. В глинах встречаются аморфные образования, органическое тонкодисперсное вещество (углистое, битуминозное, гуминовое) и остатки флоры и фауны. Структура землистая, текстура слоистая.

По происхождению глины подразделяются на остаточные (или первичные), возникшие в результате процесса химического выветривания, и осадочные (или вторичные), которые образовались за счет переотложения первичных глин. Иногда глины с размером частиц менее 0,005 мм называют жирными, а в том случае, когда наблюдается значительная примесь песчаных обломочных минералов, - тощими. Окраска глины разнообразна – бурая, белая, зеленая – и зависит от состава минералов глинистой массы и красящих примесей (оксиды железа, органическое вещество). Плотность глин 1,8-2,0 г/см³. В большинстве случаев глины гидрофильны. Наибольшее набухание присуще монтмориллонитовым глинам.

Сцементированная порода - аргиллиты (плотная глина) – темные, камнеподобные, совершенно не размокающие (за редким исключением) в воде глины. Затвердевание их – результат уплотнения, дегидратации и перекристаллизации глинистых частиц и других причин. Первоначальный глинистый материал частично видоизменен, и наряду с глинистыми имеются новые минералы – серицит, хлорит, мусковит и др. Структура глинистая. Текстура плотная, тонкослоистая или тонкоплитчатая. В воде не размокает. При увлажнении иногда издает землистый запах. Среди аргиллитов встречаются массивные и плитчатые разновидности. Аргиллиты могут быть слоистыми.

 

д) Пирокластические породы – имеют признаки как осадочного, так и магматического происхождения, поэтому их выделяют в особую группу (смотри выше, лабораторная №3).

 

Задание №2: Описать выданную преподавателем хемогенную породу, (по таблице 3: порядок изучения и определения главных признаков осадочных пород), опираясь на теорию, изложенную ниже.

2. Хемогенные горные породы

Хемогенные породы образуются в результате выпадения химических осадков (солей) из водных растворов. Это происходит в водах соленых подземных источников, рек, морей, океанов вследствие изменения условий среды, взаимодействия растворов различного состава, испарения воды. Минеральные соединения выпадают из водных растворов в такой последовательности: первыми осаждаются сульфаты кальция (гипс, ангидрит), затем следует каменная соль, магниевые соли, калийные соли. Растворяются эти образования в обратном порядке, то есть, начиная с калийных солей.

2.1) Карбонатные породы – представлены различными известняками, доломитами и породами промежуточного характера.

Известняки – породы, широко распространенные в земной коре. Их происхождение связано с химическими осадками и процессами органогенных образований, то есть они имеют в основном двойное происхождение. В состав их входят минералы кальцит и доломит. В качестве примесей могут присутствовать магнезит, кварц, глинистые минералы, сидерит, пирит и многие другие, от содержания которых известняки подразделяются на доломитизированные, кремнистые, глинистые, железистые и т. д. Окраска известняков различна: серая, белая, желтоватая и связана с примесями. Структура и текстура зависят от происхождения. Выделяют крупно-, средне-, мелко-, микрозернистые, неравномернозернистые, афанитовые, землистые, оолитовые и другие разности.

По характеру сложения все известняки бывают землистыми, ракушечниками, плотными и мраморовидными. В зависимости от условий генезиса их разделяют на четыре типа:

а) Органогенные известняки – образуются за счет скопления известковых остатков организмов (ракушечник имеет в своем составе крупные раковины, коралловые, нумуллитовые, фузулиновые известняки).

- Органогенные известняки залегают в виде пластов мощностью в несколько десятков метров. Вследствие значительной пористости в них обычно наблюдается циркуляция подземных вод, вызывающих растворение карбонатов и развитие пустот (каверн, ноздреватостей и более крупных образований – пещер). Структура известняков химического происхождения обычно микрозернистая (из мельчайших зернышек кальцита) или оолитовая (из шаровидных размером 1…5 мм зерен кальцита - оолитов).

- Мел является одной из разновидностей органогенных известняков – имеет землистое сложение, мягок, пачкает руки, окраска белая или светло-серая. Его образование связано с осаждением на дне моря тонкого карбонатного материала, представлявшего собой скелеты микроскопических водорослей и организмов Мел состоит из 60 – 70% кальцитовых остатков морских планктонных водорослей и 30…40% тонкозернистого порошкообразного кальцита. Содержание примесей не более 1%. Отличительные особенности: бурно вскипает при действии 5%-ной соляной кислоты; содержит большое количество ходов илоедов (различимы при увеличении).

б) Известняки химического происхождения возникают путем осаждения карбонатов из водных растворов. Бывают: известковый туф – пористая, ноздреватая порода, встречается по склонам речных долин в местах выхода подземных вод; оолитовый известняк – концентрически скорлуповатые стяжения кальцита, сцементированные кальцитовым цементом. Эти известняки образуются на прибрежных участках теплых морей и залегают в виде пластов.

в) Обломочные известняки сложены из обломков известковистого материала различной величины и сцементированы зернистым кальцитом.

г) Известняки смешанного происхождения.

- Мергели – тонкозернистые, разной степени твердости породы, имеют смешанный карбонатно-глинистый состав. Состоят из 50…70% известняка (реже доломита) и 25…50% глинистых частиц, иногда содержат примесь доломита и кремнистого материала. Реже в виде примесей присутствуют также опал, глауконит, гидроокислы железа и другие минералы. Структура землистая, текстура массивная. Окраска их светлая, желтоватая, зеленоватая и сероватая, реже они имеют темно-серые, бурые и красные тона. Бурно вскипает при действии 10%-ной соляной кислоты. Капля кислоты после реакции оставляет на поверхности породы грязное пятно (характерное отличие от известняка). Мергели образуются в морских бассейнах, лагунах и пресноводных озерах.

Одновременное осаждение карбонатного и глинистого материалов приводит к образованию группы пород с различным содержанием кальцита:

Порода Кальцит, %

Карбонатная глина……………………………..5-25

Мергель…………………………………………25-50

Глинистый известняк…………………………..50-75

Известняк……………………………………….75-100

Мергели способны быстро разрушаться при выветривании.

- Доломиты отличаются от известняков повышенным содержанием минерала доломит, в них также встречаются примеси кальцита, оксида железа, гипса, ангидрита, реже кварца и халцедона, глинистых минералов и остатков организмов. Главное практическое отличие доломитов от известняков – это их способность вскипать только с подогретой соляной кислотой. Окраска доломитов серая, белая, красноватая. Структура скрытокристаллическая, тонкозернистая; строение плотное. Цвет белый, желтоватый, серый, зеленоватый, красноватый. Форма залегания пластообразная.

 

2.2) Сульфатные породы

- Гипс образует мощные пласты, залежи, штоки и линзы, сопровождающиеся слоями глины, каменной соли, мергеля и ангидрита. Внешне порода имеет белый или серый цвет, иногда окрашена оксидами железа в различные оттенки. Основным минералом является гипс. В числе примесей присутствуют ангидрит, глинистые и другие минералы. Структура от мелко- до крупнозернистой. Различают сахаровидный, мраморовидный, крупнозернистый и другие морфологические типы гипса.

- Ангидрит представляет собой плотную разнозернистую породу. Цвет белый, серый, голубоватый или красноватый. Он залегает пластами совместно с гипсом, часто с каменной солью, чередуясь с глинами, песчаниками и известняками. Ангидрит растворяется в воде.

2.3) Галоидные породы

- Каменная соль образует зернистые, реже листоватые и волокнистые скопления. Окраска зависит от примесей и бывает белой, серой, желтоватой, синей, красноватой. Каменная соль в основном состоит из галита. В виде примесей присутствуют сильвин, карналлит, глинистые минералы и некоторые другие.

- Аллитовые породы (бокситы) – образования, возникшие в процессе выветривания и состоящие преимущественно из гидратов глинозема. Помимо гидроксида алюминия в состав бокситов входят гематит, глинистые минералы, опал и др. Форма залегания пластовая. Порода довольно твердая, пористая. Цвет бокситов белый, серый, охристо-желтый, буровато-красный.

 

Задание №3: Описать выданную органогенную породу (по таблице 3: порядок изучения и определения главных признаков осадочных пород), опираясь на теорию, изложенную ниже.

 

3. Органогенные горные породы.

Они образуются в результате накопления и преобразования в процессе диагенеза остатков животного мира и растений на земной поверхности, дне морей и океанов.

а) Кремнистые породы

- Диатомит – слабосцементированная порода белого, светло-серого и желтовато-серого цвета, состоящая из микроскопически малых скелетов диатомитовых водорослей, радиолярий и губок. Он всегда содержит примесь тонкого глинистого материала, глауконита и кварца. Строение землистое рыхлое или сцементированное. Текстура пористая. Отличительные особенности: легкий, жадно впитывает воду, прилипает к влажному пальцу, растирается пальцами в тончайшую пудру, не вскипает при действии соляной кислоты.

 

- Трепел – легкая, землистого облика порода, состоящая из зернышек опала (размером менее 0,005 мм) или халцедона, видимых только под микроскопом. В качестве примесей присутствуют скелетные остатки диатомей и радиолярий, глинистый материал и оксиды железа и марганца.

Окраска трепела чаще всего белая, светло-серая, желтоватая, реже бурая, красная, черная.

- Опоки – породы органогенного происхождения. Чаще всего они образуются путем цементации кремнистым веществом трепелов. Содержание органических остатков небольшое. Опока – порода легкая, твердая, пористая. Имеет светло-серый, зеленовато-черный или светло-желтый цвел. Внешне она похожа на мергель, но легко отличается тем, что не реагирует с соляной кислотой. Залегает пластами. Отличительные особенности: при ударе опока колется со звенящим звуком на мелкие остроугольные обломки, обладающие раковистым изломом; не вскипает при действии соляной кислоты. Опока похожа на диатомит и трепел, но отличается большей прочностью.

б) Углеродистые породы (каустобиолиты)

Общая характерная черта этих пород – горючесть, обусловленная большим содержанием свободного углерода или смесей углеводородов. Все каустобиолиты возникли в результате жизнедеятельности организмов (растительных и животных).

Твердые каустобиолиты:

Их формирование происходит в две стадии. Первая стадия – превращение растительного вещества в торф. Вторая стадия – превращение торфа после захоронения его под толщей осадков в бурый уголь, каменный уголь или антрацит. Первая стадия протекает тысячелетия, вторая – миллионы и десятки миллионов лет.

- Торф состоит из не полностью перегнивших и обуглившихся разнообразных растительных остатков (мхи, камыши, древесные стволы и т. д.). Торф представляет собой волокнистую ткань, с увеличением глубины он становится более однородным и приобретает буро-черную или черную окраску.

- Ископаемые угли образовались из остатков растений прежних геологических эпох путем сложных изменений (обугливания), выразившихся в постепенном обогащении углеродом материнского вещества угля. В зависимости от степени обугливания среди ископаемых углей различают бурые угли, каменный уголь различных типов и антрацит.

Бурые угли – промежуточные образования между торфом и каменным углем. Они имеют буро-черную окраску, плотнее торфа.

Каменный уголь – следующая после бурого угля стадия изменения торфа. Он более плотен, имеет черную окраску, всегда слоист.

Антрацит – последняя стадия изменения ископаемого угля. Он характеризуется черным цветом, большой твердостью и полуметаллическим блеском.

Жидкие каустобиолиты:

- Нефть – жидкая горючая маслянистая порода с характерным запахом. Состоит из смеси углеводородов парафинового и нафтенового ряда, реже бензольного. Основные составные части – углерод и водород.

Вопрос происхождения нефти до сих пор окончательно не решен. Большинство исследователей считают, что нефть органического происхождения.

- Асфальты (горная смола) – плотные буровато-черные битуминозные породы с сильным смоляным блеском и крупнораковистым изломом.

- Озокерит (горный воск) представляет собой нефтяные воскообразные породы, в которых содержится до 50% и более твердых углеводородов.

Лабораторная работа №5