Томский политехнический университет Институт геологии и нефтегазового дела Кафедра геологии и разработки нефтяных месторождений ПРЕЗЕНТАЦИЯ ЛЕКЦИОННОГО КУРСА ПО ДИСЦИПЛИНЕ «ЛИТОЛОГИЯ» Лекция 1. Литология как наука, цели и задачи дисциплины. Литогенез. Лектор к.г.-м.н., доцент Ежова А.В.

Литология – наука об осадочных породах и современных осадках. Название её происходит от греческих слов: литос – камень, логос – учение. В её составе выделяют: общую литологию, посвященную вопросам теории породообразования и выявлению общих закономерностей осадочного процесса; петрографию осадочных пород, в которой рассматриваются вопросы классификации, состава, строения и генезиса конкретных осадочных пород; методы исследования осадочных пород – раздел охватывает методы полевых и лабораторных исследований горных пород; нефтегазовую литологию, посвященную выяснению условий формирования региональных нефтегазоносных комплексов; литологию природных резервуаров, в которой рассматриваются вопросы распространения в разрезе и по площади пород – коллекторов и пород – покрышек.

3 Экономическое значение осадочных пород По имеющимся стратиграфическим данным % ежегодного производства минеральных ресурсов приходится на осадочные породы и рудные месторождения. При таком положении практически невозможно перечислить и рассмотреть все минеральные продукты осадочного происхождения, используемые человечеством. Осадочное происхождение имеет минеральное топливо – природный газ, нефть, уголь и горючие сланцы. Первые две разновидности заполняют поры (пустоты) в осадочных породах, тогда как две последние представляют собой собственно осадочные породы. Осадочные отложения являются сырьём для керамического производства и изготовления цемента. К неметаллическим полезным ископаемым осадочного происхождения относятся песок и гравий, известь, формовочный песок и песок для стекольной промышленности, диатомит.

4 Осадочное происхождение имеют минеральные удобрения: фосфориты, каменные соли. Руды многих металлов извлекаются из осадочных отложений. Сюда относятся большинство руд Fe и Al, некоторые руды Mn, Mg. Из россыпей добываются Sn, W, Au, Ti, Pt, драгоценные камни, а также некоторые редкие элементы, такие как Zr и Th. Кроме перечисленных областей использования осадочных пород, необходимо отметить, что некоторые из них (особенно песчаники) являются резервуарами для хранения ценных флюидов таких как нефть, газ, пресная вода, рассолы, из которых добывают I, Br, различные соли. Экономическая значимость осадочных пород не исчерпывается их ценностью в качестве сырья или применения в различных целях. Образование осадков, перемещение их и отложение представляют интерес для специалистов в области инженерной геологии и геоморфологии.

5 Определение осадочной породы Осадочная порода Осадочная порода – геологическое тело, возникшее из продуктов физического и химического разрушения литосферы, в результате химического осаждения и жизнедеятельности организмов или того и другого одновременно. Осадочные породы могут формироваться из различных продуктов, среди которых основными являются: 1) обломочная часть – продукты механического раздробления горных пород различного генезиса; 2) хемогенная часть – продукты химических реакций, происходивших, главным образом, в водной среде; 3) биогенная часть – остатки животных и растительных организмов в виде минеральных скелетных остатков или не полностью разложившихся органических тканей; 4) вулканогенная часть – продукты вулканической деятельности; 5) коллоидный материал – тонкодисперсные частицы величиной мкм (1х х10-4 мм), образовавшиеся при тончайшем раздроблении обломочного материала; 6) космическая часть – космическая пыль, метеориты.

6 В самом общем виде процесс образования осадочных пород можно представить в виде схемы: возникновение исходных продуктов; перенос и частичное осаждение осадочного материала на путях переноса; осаждение осадочного вещества в водных бассейнах; преобразование осадков и превращение их в осадочные породы. Таким образом, возникновение и изменение осадочных пород представляет собой ряд последовательных и закономерных процессов, объединённых термином «литогенез». Литогенез и его стадии Литогенез – совокупность процессов образования осадочных пород, которые включают в себя комплекс механических (физических), химических и биологических превращений, и их последующее изменение. Теорию литогенеза разработал Николай Михайлович Страхов.

7 В цикле литогенеза выделяется ряд стадий: 1) гипергенез – возникновение исходных продуктов для образования осадочных пород (результаты механического разрушения, химического разложения более древних пород, жизнедеятельности организмов, вулканической деятельности); 2) седиментогенез – перенос и осаждение вещества; 3) диагенез – совокупность процессов преобразования рыхлых осадков в осадочные породы в верхней зоне земной коры; 4) катагенез – стадия химико-минералогического преобразования осадочных пород при погружении их в более глубокие горизонты литосферы; 5) метагенез – стадия глубокой переработки осадочных пород в условиях повышающихся давления и температуры и предшествующая метаморфизму. Главными факторами литогенеза являются климат и тектонические движения литосферы. По климатическому признаку Н.М. Страховым выделены следующие типы литогенеза: 1) гумидный – с климатом влажных зон, с положительными температурами большую часть года, с превышением количества осадков над испарением; 2) аридный – с климатом пустынь и полупустынь, с дефицитом влаги; 3) нивальный, или ледовый – с климатом полярных и высокогорных областей. По источнику исходного вещества Н.М. Страхов выделил четвёртый тип литогенеза – эффузивно-осадочный, связанный с областями прошлой и современной вулканической деятельности.

8 СТАДИИ ОБРАЗОВАНИЯ ОСАДОЧНЫХ ПОРОД I. СТАДИЯ ГИПЕРГЕНЕЗА Разрушение материнских пород на поверхности Земли под воздействием воздуха, воды, льда, изменения температуры и других физических и химических явлений, а также жизнедеятельности организмов называется выветриванием. В зависимости от того, какие факторы воздействия являются главными, различают физическое, и химическое и органическое выветривание. Физическое выветривание вызывает механический распад горных пород на обломки и происходит вследствие быстрого изменения объема поверхностных частей пород из – за колебаний температуры. Различные тепловые свойства минералов вызывают неравномерное увеличение или расширение объёмов минералов и ослабление связей между отдельными минералами.

9 Химическое выветривание играет большую роль при образовании осадочного материала. Основными действующими силами этого процесса являются вода, кислород, углекислый газ, а также гуминовые и минеральные кислоты. 1. Вода является главным фактором химического выветривания, благодаря своим физико-химическим свойствам.

10 вода является растворителем многих природных минеральных и органических соединений. Её растворяющая способность определяется полярной природой молекул воды. Молекулы воды обладают полюсами и являются электрическими диполями, т.е. обладают полярностью. Эта полярная природа молекул и обуславливает эффективную растворяющую способность воды по отношению к веществам с ионным типом связи. Na – ē = Na + Cl + ē =Cl - Положительные и отрицательные концы диполей молекул воды присоединяются, соответственно, к отрицательным и положительным ионам вещества, нейтрализуя их заряды, в связи с чем происходит отрыв атомов, способствующий растворению вещества.

11 молекулы воды ориентируются относительно друг друга посредством водородных связей. С их помощью образуются тетраэдрические группы из четырёх молекул. Такие группировки молекул воды обуславливают её способность проникать по тончайшим капиллярам в породу. вода – слабый электролит, диссоциирующий на ионы Н + и ОН - при любых температурах, однако, обычно степень диссоциации очень мала. При комнатной температуре в 1 литре дистиллированной воды содержится лишь молей ионов водорода и столько же ионов гидроксила. Содержание ионов Н + определяет меру кислотности воды. Кислотность принято выражать в виде отрицательного логарифма концентрации ионов Н +, выраженной в граммах на литр. Его называют величиной рН. При рН=7 реакция воды нейтральная РН > 7 – щелочная РН< 7 – кислая

12 в водных растворах многие вещества вступают с водой в реакцию обменного разложения, называемого гидролизом, когда небольшие сильно заряженные ионы Н + замещают катионы металлов в кристаллических решётках, а ионы ОН - могут соединяться с замещёнными катионами. 2. Вторым важным фактором химического выветривания является кислород. Воздействие кислорода на минералы называется окислением. В случае отсутствия кислорода, например, в сероводородной среде, происходит восстановление вещества. Окисление влечёт за собой потерю электронов элементами или ионами и приводит к увеличению их положительного заряда или к уменьшению отрицательного. При восстановлении мы имеем обратную картину. Например, в обратимой реакции Fe закисное может окисляться с потерей электрона: Fe +2 Fe +3 + ē закисноеокисноеэлектрон

13 Мерой окисления или восстановления вещества является окислительно - восстановительный потенциал Еh, измеряемый в милливольтах. При положительных значениях Еh – среда окислительная, при отрицательных – восстановительная. Чем выше абсолютная величина Еh, тем выше степень окисления или восстановления. В практике литологических исследований обстановка считается окислительной, если породы имеют бурую, красную, оранжевую окраску или оттенок. Эти цвета обусловлены наличием окисного железа (Fe +3 ). Серый, чёрный, зеленовато- и голубовато-серый цвет связан с наличием в породах закисного железа (Fe +2 ), а также присутствием тонкодисперсного органического вещества. Эти цвета являются признаком восстановительной обстановки.

14 3. Третьим важным фактором химического выветривания является углекислый газ, растворённый в воде, или углекислота. Свободный углекислый газ, соединяясь с водой, образует угольную кислоту, которая при диссоциации резко повышает кислотность среды в ходе реакции: Н 2 О + СО 2 Н 2 СО 3 Н + + НСО 3 ¯ Источником углекислоты является жизнедеятельность организмов, разложение органических остатков и карбонатов, а также вулканическая деятельность. Особенно много углекислоты в болотных водах и торфяниках. 4. Четвёртым агентом химического выветривания является работа гуминовых кислот, образующихся при разложении органических веществ, в основном животного происхождения. Особенно велика их роль во влажных заболоченных районах с умеренным и жарким климатом.

15 5. Пятый фактор химического выветривания проявляется в районах активной вулканической деятельности. Из недр Земли поступают газы: хлор (Cl), фтор (F), серный ангидрит (SO 3 ), сернистый ангидрит (SO 2 ) и др. Они вступают в реакцию с водяными парами и образуют минеральные кислоты, способные разлагать минералы и горные породы. Таким образом, химическое выветривание приводит к изменению минералов глубинных зон Земли, превращению их в минералы, устойчивые на земной поверхности. Происходит изменение сложных соединений, превращение их в более простые. При этом наблюдается вынос катионов, изменение кристаллической решётки; окисление и гидратация, т.е. переход закисных соединений в окисные, безводных – в водные, а также полный распад вещества. При процессах химического выветривания большое количество вещества переходит в коллоидные и истинные растворы.

16 Биологическое выветривание сводится к механическому и химическому изменению пород, вызываемому жизнедеятельностью организмов. Биологические факторы играют важную роль в своеобразном типе выветривания – почвообразовании. Устойчивость минералов при выветривании Способность минералов противостоять внешним воздействиям зависит от их состава и свойств. Различают механическую и химическую устойчивость. Они взаимно связаны и влияют друг на друга. Механическая устойчивость зависит от твёрдости, спайности и других физических свойств, а также от степени выветрелости минерала. Химическая устойчивость минералов зависит от состава, строения и степени дисперсности минералов, а также от характера среды и времени пребывания минералов в этой среде. Способность минералов по-разному противостоять внешним воздействиям приводит к тому, что в процессе выветривания происходит концентрация устойчивых минералов и уменьшение содержания неустойчивых – в продуктах выветривания.

17 Понятия о коре выветривания Ареной выветривания служит поверхность суши. В зависимости от климата, рельефа и гидрогеологических условий местности преобладает тот или иной тип выветривания. В районах с резко континентальным климатом, в полупустынях и пустынях, а также в полярных и высокогорных областях преобладает физическое выветривание. Во влажных тропиках и субтропиках, влажной экваториальной и умеренно влажной зонах, особенно при равнинном рельефе и наличии богатой растительности, преобладают процессы химического выветривания. В результате химического выветривания на месте залегания материнских пород возникает кора выветривания. Образование её, помимо климата и ландшафта, определяется характером тектонических движений. В областях устойчивого опускания происходит накопление осадков, поэтому кора выветривания не образуется. В районах быстрого поднятия и сильно расчленённого рельефа формированию коры выветривания препятствует энергичная денудация. Наиболее благоприятным режимом тектонических движений для образования мощной коры выветривания является медленное поднятие или стабильное положение территории. Таким образом, в процессе выветривания образуются: -обломочный материал; -новые устойчивые в условиях поверхности Земли минералы; -коллоидные и истинные растворы.