Предметаморфические изменения осадочных пород в стратисфере: Процессы и факторы

ВЫСШЕЕ ОБРАЗОВАНИЕ - МАГИСТРАТУРА серия основана в 1 996 г.


О.В. ЯПАСКУРТ


ПРЕДМЕТАМОРФИЧЕСКИЕ ИЗМЕНЕНИЯ
ОСАДОЧНЫХ ПОРОД В СТРАТИСФЕРЕ
ПРОЦЕССЫ И ФАКТОРЫ



            УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ


2-е издание, стереотипное


                      Рекомендовано в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки 05.04.01 «Геология» (квалификация (степень) «магистр»)

znanium.com

Москва ИНФРА-М 2018

УДК 552.14
ББК 26.303
      Я69

   ФЗ    Издание не подлежит маркировке   
№ 436-ФЗ в соответствии с п. 1 ч. 4 ст. 11

       Автор:
       Япаскурт Олег Васильевич — д-р геол.-минерал. наук, зав. кафедрой литологии и морской геологии МГУ им. М.В. Ломоносова
       Япаскурт О.В.
Я69 Предметаморфические изменения осадочных пород в стратисфере: процессы и факторы : учеб. пособие / О.В. Япаскурт. — 2-е изд., стереотип. — М. : ИНФРА-М, 2018. — 259 с. — (Высшее образование: Магистратура). — www.dx.doi.org/10.12737/17293.

       ISBN 978-5-16-011666-2 (print)
       ISBN 978-5-16-104037-9 (online)

          Книга посвящена одному из важнейших аспектов науки об осадочном породообразовании — специфической методике расшифровки многостадийных и скрытых от прямого наблюдения процессов литификации осадков и последующих преобразований, вплоть до раннеметаморфических.
          В ней системно анализируются признаки влияний множества экзогенных и эндогенных факторов на эволюцию литогенеза в стратисфере. Приводятся новые данные о дискретности проявления литогенетических процессов, критериях диагностики границ литогенеза и метаморфизма разных видов, принципах типизации постседиментационных преобразований и др. Новизна концепции состоит в комплексности стадиально-генетических анализов на разных уровнях организации вещества — минеральном, породно-слоевом, фациальном и формационном.
          Книга предназначается в первую очередь для научных сотрудников, преподавателей, магистрантов и аспирантов, специализирующихся в области литологии, а также рассчитана на геологов, геохимиков, геофизиков и экологов широкого профиля, знакомя их с методикой, полезной применительно к палеогеографическим и палеогеодинамическим реконструкциям условий осадочного породо- и рудообразования.
УДК 552.14
ББК 26.303
ISBN 978-5-16-011666-2 (print)
ISBN 978-5-16-104037-9 (online)             © Япаскурт О.В., 1999, 2016
Подписано в печать 29.06.2016.
            Формат 60x90 1/16. Бумага офсетная. Печать цифровая.
Усл. печ. л. 16,19. ПТ13.
ТК 477400-635230-290616
ООО «Научно-издательский центр ИНФРА-М»
127282, Москва, ул. Полярная, д. 31В, стр.1
            Тел.: (495) 280-15-96, 280-33-86. Факс: (495) 280-36-29
            E-mail: books@infra-m.ru        http://www.infra-m.ru
     Отпечатано в типографии ООО «Научно-издательский центр ИНФРА-М»
127282, Москва, ул. Полярная, д. 31В, стр. 1
Тел.: (495) 280-15-96, 280-33-86. Факс: (495) 280-36-29

                      Светлой памяти моего учителя, Заслуженного деятеля науки РСФСР, профессора
                      Григория Федоровича Крашенинникова посвящаю





                Введение





   Книга рассматривает один из важнейших и наименее разработанных аспектов науки об осадочных горных породах - познание скрытых от прямого наблюдения механизмов литификации осадков и их эндогенных преобразований накануне метаморфической стадии и в самом ее начале. В ней затрагиваются вопросы, относящиеся к актуальным темам: “Осадочные бассейны континентов и периконтинен-тальной области” и “Седиментогенез и литогенез (включая переход пород в метаморфические)” в программе работ Российской академии наук и Министерства природных ресурсов “Приоритетные направления научных исследований в области геологических, геохимических, геофизических и горных наук по изучению, освоению и сбережению недр России” (под ред. акад. В.А. Жарикова [М.: Наука, 1996, см. с. 19,20,24]).                                     ’
   В настоящее время литология вступает в новый этап своего развития. Одной из ведущих ее проблем становится раскрытие генетической сущности и взаимосвязи мнбгофакторых процессов формирования и изменения пород и руд внутри осадочной оболочки в литосфере. До сих пор, начиная с классических работ отечественных ученых 20-40-х годов XX столетия - А.Н.Заварицкого, Ф.Ю.Левин-сон-Лессинга, Н.В.Лодочникова, Л.В.Пустовалова, Н.М.Страхова, М.С.Швецова и их учеников и последователей, утвердилось представление о главном отличительном признаке осадочных пород как образований, сформированных под влиянием преимущественно экзогенных факторов, движимых космической (прежде всего, солнечной) энергией. Вместе с тем, еще Л.В.Пустовалов [1940] обращал внимание на некоторую условность понимания осадочной породы в качестве исключительно экзогенного продукта, потому что сама оса

3

дочная оболочка (стратисфера) служит зоной встречных воздействий на ее вещество со стороны сил не только внешних, но и внутрипла-нетных - таких как гравитационные и тепловые, рождаемые радиоактивным распадом, химическими реакциями, дегазацией недр и т.д.
   Таким образом, эндогенные факторы тоже сказываются (прямо или косвенно) на всем ходе развития процессов осадочного породо-образования. Их воздействие всегда заметно активизируется по направлению в глубь стратисферы, где ими подготавливается качественный скачок в вещественно-структурных преобразованиях, отвечающий принципиально новому этапу породных изменений - метаморфизму.
   При метаморфизме, как известно, господствуют эндогенные термобарические и флюидные режимы. Однако они и там не устраняют наследования отдельных признаков влияния экзогенных условий седиментации. Последние опосредованно сказываются на вариациях метаморфогенных минеральных и структурных парагенезов. Сейчас это общеизвестно лишь в главных чертах. Но на практике не всегда бывает ясен ответ на вопрос о том, до какого предела в каждом конкретном случае распространяется это влияние и при каких прочих равных условиях “работают” те или иные факторы.
   Сведения об иерархичности экзо- и эндогенных процессов и управлявших ими факторов публиковались до сих пор бессистемно. Авторы многочисленных отечественных и зарубежных монографий и учебников по литологии, как правило, прибегали к вышеназванным понятиям как к чему-то само собой разумеющемуся, упоминая о них мимоходом и трактуя их неопределенно - без ясных формулировок и без ранжирования по значимости. Оказалось, что в данной области знаний остается еще очень много недоосмысленного, недосказанного и неоднозначно понимаемого.
   Попыткой упорядочить эту ситуацию начинаются первые две главы. В них раскрываются конкретные формулировки понятий “процесс”, “фактор” и схемы типизации их признаков, основанные на различных принципах: структурно-морфологическом, генетическом, стадиально-возрастном. Впервые предложена схема их ранжирования согласно уровням организации вещества: минеральному, породному, формационному и стратисферному. Из нее следует, что многие из процессов, обычно именуемых одинаково вне зависимости от масштабности объекта исследования (например, “метаморфизм”,

4

“диффузия”, “метасоматоз”), имеют для каждого из вышеназванных уровней неодинаковые смысловые содержания. Это не всегда учитывалось прежде, и могло быть причиной некорректных корреляций разномасштабных природных явлений.
   Другой аспект новизны книги состоит в подробном освещении в главе 3 современной методики реконструирования недоступных прямому наблюдению процессов литогенеза - стадиального анализа. В зарубежной литературе этот термин вообще не употребляется. Он - порождение отечественных литологов школ академика Н.М.Страхова [Методы ..., 1957] и члена-корреспондента Л.В.Пустовалова [О вторичных изменениях ..., 1956].
   Совершенствованием таких приемов и их практическим использованием применительно к решению конкретных историкогеологических и поисково-прогнозных задач автор данной монографии занимался на протяжении последних 35 лет [Япаскурт, 1971, 1992, 19956]. Возглавив кафедру литологии и морской геологии геологического факультета Московского государственного университета в 1990 г., он внедрил специализированные курсы лекций и лабораторных практикумов для студентов-старшекурсников и магистрантов: “Стадиальный анализ литогенеза” (52 учебных часа), “Аутигенное минералообразование” (48 часов), “Методы исследования метаморфизованных осадочных пород” (28 часов). При их разработке использовался личный опыт исследований автора с 1958 по 1997 гг. в Якутии, на Горном Алтае, в Центральном Казахстане, Западной Сибири, Крыму и на Кавказе; а также опыт чтения им лекций по фундаментальному курсу “Литология”.
   Ряд новых идей и обобщений, заимствованных из перечисленных курсов, вошли в главы 3-6. В них предлагается системный подход к методам расшифровки условий и стадий превращения осадка в породу и ее последующих преобразований (которыми обусловливаются многие физико-механические и коллекторские свойства вместителей подземных вод, нефти и газа, а также перераспределение и возникновение повышенных концентраций рудных элементов - полиметаллов, сурьмы, меди, золота и др.).
   Все вышесказанное определяет актуальность стадиально-литологических исследований. К тому же надо добавить, что умение выполнять такие исследования необходимо и для проведения палеогеографических реконструкций, отвечающих современному уровню

5

развития науки. В первую очередь это относится к дислоцированным и претерпевшим многократные вторичные изменения образованиям складчатых поясов. Применительно к ним своеобразные приемы и многие вопросы стадиальных исследований еще нуждаются в детальном освещении.
   В предложенной книге этот пробел восполняется. Показывается, как современный стадиальный анализ осуществляется на качественно новых — генетической и историко-геологической - основах. На конкретных примерах его использования применительно к различным геологическим объектам приводится аргументация актуальных идей: о дискретности процессов литогенеза, пересмотре критериев диагностики стадиальных границ литогенеза и метаморфизма, пределах действенности закона физико-химической наследственности осадочных пород и связях процессов предметаморфизма с геодина-мическими режимами в литосфере.
   Компановка и содержание разделов книги рассчитаны так, чтобы оказаться в равной мере доступными не только высококвалифицированным специалистам в данной области знаний, но и геологам-производственникам, а также научным сотрудникам и аспирантам, работающим в различных областях наук о Земле.
   Во время подготовки к написанию этой книги автор пользовался ценными советами опытнейших литологов - профессора А.Г.Коссов-ской, члена-корреспондента РАН, профессора П.П.Тимофеева и академика РАЕН В.Т.Фролова, за что выражает им свою глубокую признательность. Большое содействие завершению и оформлению книги оказали также коллеги - сотрудники и преподаватели геологического факультета МГУ В.Л.Косоруков, А.С.Поляков, Г.И.Рязанова, Н.П.Романова, Ю.В.Ростовцева, К.М.Седаева, Н.А.Соловьева, В.М. Сорокин, Т.А.Шарданова, М.Н.Щербакова и жена автора - Л.Л. Япа-скурт. Автор безмерно благодарен им за оказанную поддержку.
   Многие изложенные в книге данные получены в результате разработки руководимых автором проектов РФФИ № 93-05-14567 и № 96-05-64001. Издание книги финансировано проектом № 98-0578039.

6

Глава 1
Состояние и задачи учения о пред метаморфических изменениях осадочных комплексов


            1.1 Вводные замечания о стадийности образования и изменения осадочных пород


  Наука об осадочных горных породах - литология - на современном уровне ее развития характеризуется генетической направленностью и историчностью подхода к объектам исследования. Это означает, что в каких бы аспектах (теоретических или прикладных) ни работал исследователь, он должен рассматривать каждую осадочную породу как геологическое образование, которое имеет собственную историю возникновения и эволюционирования.
  Геологическая история каждого осадочного образования состоит из ряда последовательных стадий: зарождения рыхлого осадка, затем его литификации (“окаменения”), превращения в породу, и более или менее длительного (иногда вплоть до первых миллиардов лет) бытия последней внутри земных недр. Находясь там, перемещаясь тектоническими движениями на разные глубины и подвергаясь при этом воздействиям различных температур, давлений и газово-жидких флюидов, осадочная порода постоянно меняет свои свойства - претерпевает постседиментационные преобразования или “вторичные изменения”. Об этих преобразованиях исследователи изначально располагали гораздо меньшей информацией, чем о условиях и обстановках осадконакопления. Это констатировал в середине XX столетия Л.В.Пустовалов, открывая вместе со своими учениками новую страницу в расшифровке постседиментационных процессов. Процитируем его высказывание дословно.
  «К сожалению, явление вторичного изменения осадочных горных пород, характеризующее большую часть времени их существования (разрядка моя - О.Я.) в земной коре, изучено крайне

7

слабо. В сущности говоря, наука об осадочных горных породах, в современном ее виде, скорее может быть названа учением об осадкообразовании, чем учением об осадочном породообразо-вании.
   Ставя перед собой главной целью выяснение условий древнего осадкообразования и подходя с этой точки зрения к осадочным породам, как к “документам геологического прошлого”, ... исследователи, как правило, избегали осадочных пород и толщ, явно измененных осадочными процессами» [О вторичных ..., 1956, с. 3].
   С тех пор благодаря трудам автора вышеприведенной цитаты, его учеников и ученых иных школ началось массированное накопление фактических данных относительно особенностей породообразования внутри земной осадочной оболочки. Не берясь за перечень всех работ в данной области (что едва ли возможно сделать в рамках этой книги), отметим лишь наиболее крупные из них. Это классические монографии А.Г.Коссовской [1962], А.Г.Коссовской, В.Д.Шутова и др. [Эпигенез ..., 1971], В.Д.Шутова [1975], Т.А.Лапинской [1951], С.Н.Князева [1951], А.В.Копелиовича [1965], Н.В.Логвиненко [1953, 1968], Г.В.Карповой [1972], Л.Б.Рухина [1969], Г.Н.Перозио [1971]. Затем следуют труды Г.Ф.Крашенинникова и др. [1977, 1984], В.И.Муравьева [1983], А.А.Махнача [1989], П.П.Тимофеева и др. [1974, 1989], В.Н.Шванова [1987], А.Е.Лукина [1989], И.М.Симано-вича [1978], В.А.Дрица и А.Г.Коссовской [1990, 1991], В.Т.Лукья-новой [1995], Р.М.Юрковой [1993], О.В.Япаскурта [1989, 1992] и др. Отдельной строкой следует упомянуть работы исследователей школы академика А.В.Сидоренко [Проблемы ..., 1975], реконструировавших условия докембрийского осадконакопления методом “снятия” метаморфогенных новообразований. Выдающиеся успехи в познании постседиментационных изменений осадочных пород были достигнуты также зарубежными учеными, в том числе: Г.Ларсеном, Дж.В.Чилингаром, Э.К.Депплесом, Г.Мюллером, В.Энгельгардтом и др. [Диагенез ..., 1971], М.Р.Лидером [1986], Ж.Милло [1968], А.Миясиро [1976], Ф.Дж.Петтиджоном [1981], Р.К.Селли [1981 и многоими другими [Coombs, 1960; Ernst, Blatt, 1964; Heald, Renton, 1966; Hunziker et al., 1986; Me Bride, 1989; и др.].
   Благодаря всем вышеперечисленным работам к концу XX столетия удалось очень много достичь. Однако у исследователей разных школ до сих пор не выработано одинаковой терминологической ба

8

зы, что рождает дополнительные субъективные трудности в развитии учения о породообразовании. Учитывая это, мы сочли необходимым дать обзор существующих представлений и позицию автора книги применительно к иерархичности стадиальных понятий.
   Еще раз напомню, что любая наблюдаемая нами осадочная порода может быть представлена как геологическое образование, принадлежащее (в момент его изучения) конкретному этапу в цикле осадочных процессов. Весь этот цикл осуществляется непрерывнопрерывисто, или стадийно. Его две главные надстадии: осадкообразование и породообразование, в свою очередь объединяют ряд стадий и подстадий более дробных порядков.
   Особо подчеркнем, что здесь и в дальнейшем слово “этап” применяется как термин свободного пользования, характеризующий любой фиксированный момент геологического события. Термины же “стадия”, “подстадия” и “надстадия” означают строго определенные диапазоны внутри осадочного цикла.
   Надстадия седиментогенеза начинается стадией мобилизации осадочного вещества (обусловленной гипергенными, биогенными, либо вулканогенными процессами) и реализуется на стадиях: транспортировки мобилизованного вещества и накопления его в осадках. Все эти процессы осуществляются в пределах седиментационных бассейнов. Седиментационным бассейном именуется участок земной поверхности, включающий как территорию конечного осадконакопления, так и окружавшие ее площади мобилизации и транспортировки вещества. Здесь “заключительным моментом образования осадка, или седиментогенеза, надо считать тот момент, когда частицы осадка прочно зафиксируются на месте в данных гидродинамических условиях” [Страхов, 1983, с. 108].
   Затем следует надстадия породообразования, реализуемая при том условии, что тектоническое опускание дна седиментационного бассейна либо воздымание его водосборных окраин будут благоприятствовать более или менее стабильному перекрытию осадка слоями все новых и новых отложений. Так начинает формироваться бассейн породообразования (или породный бассейн - ПБ), представляющий собой осадочное наполнение “отрицательной” тектонической структуры (прогиба, впадины). В процессе своей геологической эволюции этот породный бассейн может испытывать различные инверсионные перестройки тектонической структуры - вплоть до превращения в

9

складчатую систему дислоцированных отложений. У последних по мере трансформирования структуры бассейна существенно меняются исходные вещественные составы и структурно-текстурные признаки.
   Породные изменения при этом характеризуются многофазностью и (как правило) неравновесностъю конечных образований. Их сущность такова: “Медленно и долго могут протекать реакции между составными частями осадка; уже в виде горной породы выходит осадок на поверхность Земли в то время, когда внутри него все еще не установилось подчас полного равновесия и его составные части продолжают взаимодействовать друг с другом. Но здесь вплетаются в историю осадочной породы новые элементы, присущие той новой среде, в которую он попал в результате своих перемещений. И вещество осадочной породы, помимо стремления к устранению внутренних противоречий, начинает вырабатывать равновесие с новой окружающей средой” [Пустовалов, 1940, т. I, с. 403].
   Это стремление многокомпонентного вещества к равновесию с постоянно меняющимися параметрами окружающих сред может иметь прогрессивную либо регрессивную направленность. В первом случае наращивание изменений вещества может привести к полной метаморфизации породы (при напряженных термобарических эндогенных режимах - см. ниже). Во втором же случае инверсионные тектонические воздымания слоев могут завершиться попаданием их в сферу воздействия деструктивных гипергенных процессов, разрушающих породу и мобилизующих ее вещество для начала нового цикла осадкообразования.
   Весь рассмотренный выше этап эндогенной эволюции осадочного вещества, на много порядков превышающий длительность предшествующей ему экзогенной надстадии седиментогенеза, не имеет общепризнанного наименования. До сих пор мнения литологов разных школ сходятся только в одном: в отнесении процессов начала литификации осадков к стадии диагенеза. Однако объем ее понимается исследователями очень различно: начиная от узкого интервала разреза, с мощностями порядка и-10 м - и-10² м (по Н.М.Страхову) и до очень широкого диапазона с мощностью в 5-10 км и более, охватывающего практически весь разрез стратисферы [Диагенез ..., 1971].
   Отечественные литологи в большинстве своем принимают трактовку диагенеза по Н.М.Страхову [1960], выделяя ряд последиагене10