Грязевые породы — это класс мелкозернистых силикокластических осадочных пород . Различные типы грязевых пород включают алеврит , аргиллит , аргиллиты и сланцы . Большинство частиц, из которых состоит камень, имеют размер менее 1 ⁄ 16 мм (0,0625 мм; 0,00246 дюйма) и слишком малы для легкого изучения в полевых условиях. На первый взгляд типы пород кажутся довольно похожими; однако существуют важные различия в составе и номенклатуре.
Было много разногласий относительно классификации грязевых пород. Несколько важных препятствий для их классификации включают следующее:
Грязевые породы составляют 50% осадочных пород в геологической летописи и, несомненно, являются наиболее распространенными отложениями на Земле. Мелкие отложения являются наиболее распространенным продуктом эрозии , и эти отложения способствуют общей вездесущности грязевых пород. [1] При увеличении давления с течением времени пластинчатые глинистые минералы могут выровняться, с появлением параллельной слоистости ( трещиноватости ). Этот тонкослоистый материал, который легко расщепляется на тонкие слои, называется сланцем , в отличие от аргиллита . Отсутствие трещиноватости или слоистости в аргиллите может быть связано либо с изначальной текстурой, либо с нарушением слоистости роющими организмами в осадке до литификации .
С самого начала цивилизации, когда керамика и глиняные кирпичи изготавливались вручную, и до сих пор глиняные породы играют важную роль. Первая книга о глиняных породах, Geologie des Argils Милло, была опубликована только в 1964 году; однако ученые, инженеры и нефтедобытчики поняли значение глиняных пород с момента открытия сланцев Берджесс и связь глиняных пород и нефти. В последние годы литература об этом вездесущем типе горных пород увеличивается, и технологии продолжают обеспечивать более качественный анализ.
Грязевые породы, по определению, состоят по крайней мере из пятидесяти процентов частиц размером с грязь . В частности, грязь состоит из частиц размером с ил , которые имеют диаметр от 1/16 до 1/256 ((1/16) 2 ) миллиметра, и частиц размером с глину , которые имеют размер менее 1/256 миллиметра.
Грязевые породы содержат в основном глинистые минералы, кварц и полевые шпаты . Они также могут содержать следующие частицы размером менее 63 микрометров: кальцит , доломит , сидерит , пирит , марказит , тяжелые минералы и даже органический углерод. [1]
Существуют различные синонимы для мелкозернистых силикокластических пород, содержащих пятьдесят процентов или более своих компонентов размером менее 1/256 миллиметра. Аргиллиты , сланцы , лютиты и аргиллиты являются общепринятыми квалификаторами или обобщающими терминами; однако термин «грязевая порода» все чаще становится терминологией выбора геологов и авторов, занимающихся осадочной геологией.
Термин «грязевая порода» допускает дальнейшее подразделение алеврита , аргиллита , сланца и сланца . Например, алеврит будет состоять из более чем 50 процентов зерен, которые равны 1/16 - 1/256 миллиметра. «Сланец» обозначает трещиноватость, что подразумевает способность легко разделяться или ломаться параллельно напластованию. Алеврит, аргиллит и аргиллит подразумевают литифицированный или затвердевший детрит без трещиноватости. [2]
В целом, «грязевые породы» может быть наиболее полезным определяющим термином, поскольку он позволяет разделить породы по наибольшей доле входящих в их состав зерен и их соответствующему размеру, будь то ил, глина или грязь.
Аргиллиты — это литифицированные и нерасщепляемые глинистая порода. Для того чтобы порода считалась глинистой, она должна состоять не менее чем на пятьдесят процентов из глины ( филлосиликатов ), размер частиц которой составляет менее 1/256 миллиметра. Глинистые минералы являются неотъемлемой частью глинистой породы и представляют собой первый или второй по объему компонент. Они делают грязь связной и пластичной или способной течь. Глинистые минералы обычно очень мелкозернистые и представляют собой самые мелкие частицы, распознаваемые в глинистой породе. Однако кварц, полевой шпат, оксиды железа и карбонаты также могут выветриваться до размеров типичных зерен глинистых минералов. [3]
Для сравнения, частица размером с глину составляет 1/1000 размера песчинки. Это означает, что частица глины будет перемещаться в 1000 раз дальше при постоянной скорости воды, таким образом требуя более тихих условий для оседания. [2]
Образование глины хорошо изучено и может происходить из почвы, вулканического пепла и оледенения. Древние грязевые породы являются еще одним источником, поскольку они легко выветриваются и распадаются. Полевой шпат, амфиболы, пироксены и вулканическое стекло являются основными донорами глинистых минералов. [3]
Аргиллиты — это кремнисто-обломочные осадочные породы , содержащие смесь частиц ила и глины (не менее 1/3 каждого размера). [4]
Термин «аргиллит» не следует путать со схемой классификации Данхэма для известняков. В классификации Данхэма аргиллит — это любой известняк, содержащий менее десяти процентов карбонатных зерен. Обратите внимание, что силикокластический аргиллит не имеет дела с карбонатными зернами. Фридман, Сандерс и Копаска-Меркель (1992) предлагают использовать термин «известковый аргиллит», чтобы избежать путаницы с силикокластическими породами.
Алеврит — это литифицированная, нераскалываемая глинистая порода. Для того чтобы порода называлась алевритом, она должна содержать более пятидесяти процентов материала илового размера. Ил — это любая частица меньше песка, 1/16 миллиметра, и больше глины, 1/256 миллиметра. Считается, что ил является продуктом физического выветривания, которое может включать замерзание и оттаивание, тепловое расширение и сброс давления. Физическое выветривание не подразумевает никаких химических изменений в породе, и его можно лучше всего описать как физическое разрушение породы.
Одно из самых высоких содержаний ила на Земле находится в Гималаях, где филлиты подвергаются воздействию осадков до пяти-десяти метров (от 16 до 33 футов) в год. Кварц и полевой шпат являются крупнейшими составляющими царства ила, а ил, как правило, не имеет связности, не пластичен, но может легко разжижаться.
Существует простой тест, который можно провести в полевых условиях, чтобы определить, является ли камень алевритом или нет, а именно, приложить камень к зубам. Если камень ощущается на зубах как «зернистый», то это алеврит.
Сланец — это мелкозернистая, твердая, слоистая глинистая порода, состоящая из глинистых минералов, кварца и полевого шпата. Сланец литифицирован и раскалывается. Он должен иметь по крайней мере 50 процентов своих частиц размером менее 0,062 мм. Этот термин ограничивается глинистыми или глиносодержащими породами.
Существует множество разновидностей сланца, включая известковый и богатый органикой; однако черный сланец или богатый органикой сланец заслуживает дальнейшей оценки. Для того чтобы сланец был черным сланцем, он должен содержать более одного процента органического углерода. Хорошая исходная порода для углеводородов может содержать до двадцати процентов органического углерода. Как правило, черный сланец получает свой приток углерода из водорослей , которые разлагаются и образуют ил, известный как сапропель . Когда этот ил варится при нужном давлении, на глубине от трех до шести километров (1,8 - 3,7 мили) и при температуре 90–120 °C (194–248 °F), он образует кероген . Кероген можно нагревать и получать до 10–150 галлонов США (0,038–0,568 м 3 ) природного нефтяного и газового продукта на тонну породы. [2]
Сланец — это твердый аргиллит, который подвергся метаморфизму и имеет хорошо развитую трещину. Он прошел метаморфизм при температурах от 200 до 250 °C (392–482 °F), или экстремальную деформацию. Поскольку сланец образуется в нижней области метаморфизма, на основе давления и температуры, сланец сохраняет свою стратификацию и может быть определен как твердая, мелкозернистая порода. [3]
Сланец часто используется для кровли, пола или старинных каменных стен. Он имеет привлекательный вид, и его идеальная сколотость и гладкая текстура желательны.
Большинство иловых пород образуются в океанах или озерах, поскольку эти среды обеспечивают тихие воды, необходимые для осаждения. Хотя иловые породы можно найти в любой осадочной среде на Земле, большинство из них находятся в озерах и океанах.
Сильные осадки обеспечивают кинетическое движение, необходимое для транспортировки грязи, глины и ила. Юго-Восточная Азия, включая Бангладеш и Индию, получает большое количество осадков от муссонов, которые затем смывают осадок из Гималаев и прилегающих территорий в Индийский океан.
Теплый, влажный климат лучше всего подходит для выветривания горных пород, а на океанских шельфах у тропических побережий больше грязи , чем на умеренных или полярных шельфах. Например, система Амазонки имеет третью по величине осадочную нагрузку на Земле, с осадками, обеспечивающими глину, ил и грязь из Анд в Перу, Эквадоре и Боливии. [5]
Реки, волны и прибрежные течения отделяют грязь, ил и глину от песка и гравия из-за скорости падения. Более длинные реки с низкими уклонами и большими водоразделами имеют лучшую пропускную способность для грязи. Река Миссисипи , хороший пример длинной реки с низкими уклонами и большим количеством воды, будет переносить грязь со своих самых северных участков и откладывать материал в своей дельте, где преобладает грязь.
Ниже приведен список различных сред, которые служат источниками, способами транспортировки в океаны и средами отложения илистых пород.
Ганг в Индии, Желтая река в Китае и Нижняя Миссисипи в Соединенных Штатах являются хорошими примерами аллювиальных долин. Эти системы имеют постоянный источник воды и могут способствовать образованию грязи посредством осадконакопления на поверхности берега, когда грязь и ил откладываются на поверхности берега во время наводнения, и осадконакопления в старицах , когда заброшенный поток заполняется грязью. [3]
Для существования аллювиальной долины должна быть сильно приподнятая зона, обычно приподнятая активным тектоническим движением, и более низкая зона, которая служит каналом для воды и осадка в океан.
Огромные количества грязи и ила образуются в результате оледенения и откладываются на суше в виде тилла и в озерах. [3] Ледники могут разрушать уже восприимчивые к воздействию грязекаменные образования, и этот процесс усиливает ледниковое производство глины и ила.
В Северном полушарии находится 90 процентов мировых озер размером более 500 км (310 миль), и ледники создали многие из этих озер. Озерные отложения, образованные оледенением, включая глубокую ледниковую эрозию, встречаются в изобилии. [3]
Хотя ледники образовали 90 процентов озер в Северном полушарии, они не ответственны за образование древних озер . Древние озера являются крупнейшими и самыми глубокими в мире и содержат до двадцати процентов сегодняшних нефтяных резервуаров . Они также являются вторым по распространенности источником грязевых пород после морских грязевых пород. [3]
Древние озера обязаны своим обилием грязевых пород своей долгой жизнью и толстыми отложениями. Эти отложения были восприимчивы к изменениям кислорода и осадков и предлагают надежный отчет о постоянстве палеоклимата.
Дельта — это субаэральное или субаквальное отложение , образованное там, где реки или ручьи откладывают осадок в водоем. Дельты, такие как Миссисипи и Конго , обладают огромным потенциалом для отложения осадка и могут перемещать осадки в глубокие океанские воды. Дельтовые среды находятся в устье реки, где ее воды замедляются по мере попадания в океан, а ил и глина откладываются.
Низкоэнергетические дельты, которые откладывают много грязи, расположены в озерах, заливах, морях и небольших океанах, где прибрежные течения также слабы. Дельты, богатые песком и гравием, являются высокоэнергетическими дельтами, где преобладают волны, а грязь и ил переносятся гораздо дальше от устья реки. [3]
Прибрежные течения, подача грязи и волны являются ключевым фактором в отложении ила на береговой линии . Река Амазонка поставляет 500 миллионов тонн осадка, который в основном представляет собой глину, в прибрежный район северо-востока Южной Америки. 250 тонн этого осадка перемещаются вдоль побережья и откладываются. Большая часть накопившейся здесь грязи имеет толщину более 20 метров (65 футов) и простирается на 30 километров (19 миль) в океан. [3]
Большая часть осадка, переносимого Амазонкой, может поступать из Анд, а окончательное расстояние, которое преодолевают осадки, составляет 6000 км (3700 миль). [3]
70 процентов поверхности Земли покрыто океаном , и в морской среде мы находим самую высокую в мире долю грязевых пород. В океане наблюдается большая латеральная непрерывность, в отличие от континентов, которые ограничены.
В сравнении, континенты являются временными управителями грязи и ила, а неизбежным домом для грязевых отложений являются океаны. Ознакомьтесь с циклом грязевых пород ниже, чтобы понять захоронение и возрождение различных частиц.
В океанах существуют различные среды, включая глубоководные впадины , абиссальные равнины , вулканические подводные горы , конвергентные , дивергентные и трансформные края плит. [6] Не только суша является основным источником океанических отложений, но и организмы, живущие в океане, вносят свой вклад.
Реки мира переносят наибольший объем взвешенных и растворенных грузов глины и ила в море, где они откладываются на шельфах океана. На полюсах ледники и плавающие ледяные капли откладываются непосредственно на морском дне. Ветры могут поставлять мелкозернистый материал из засушливых регионов, а также взрывные извержения вулканов вносят свой вклад. Все эти источники различаются по скорости своего вклада. [6]
Осадки перемещаются в более глубокие части океанов под действием силы тяжести, и процессы в океане сопоставимы с процессами на суше.
Местоположение оказывает большое влияние на типы грязевых пород, встречающихся в океанической среде. Например, река Апалачикола , которая протекает в субтропиках Соединенных Штатов, несет до шестидесяти-восьмидесяти процентов каолинитового ила, тогда как Миссисипи несет только десять-двадцать процентов каолинита. [7]
Мы можем представить себе начало жизни грязевой породы как осадок на вершине горы, который мог быть поднят тектоникой плит или выброшен в воздух вулканом . Этот осадок подвергается воздействию дождя, ветра и гравитации, которые бьют и разламывают породу путем выветривания. Продукты выветривания, включая частицы от глины до ила, гальки и валунов, переносятся в бассейн ниже, где они могут затвердеть в один из многочисленных типов осадочных аргиллитов.
В конце концов, иловая порода переместится на километры ниже поверхности, где давление и температура превратят иловую породу в метаморфизованный гнейс. Метаморфизованный гнейс снова выйдет на поверхность в виде вмещающей породы или магмы в вулкане, и весь процесс начнется снова. [3]
Грязевые породы образуются в различных цветах, включая: красный, фиолетовый, коричневый, желтый, зеленый и серый, и даже черный. Оттенки серого наиболее распространены в грязевых породах, а более темные цвета черного происходят от органических углеродов. Зеленые грязевые породы образуются в восстановительных условиях, где органическое вещество разлагается вместе с трехвалентным железом. Их также можно найти в морской среде, где пелагические или свободно плавающие виды оседают из воды и разлагаются в грязевых породах. [8] Красные грязевые породы образуются, когда железо в грязевых породах окисляется, и в зависимости от интенсивности красного цвета можно определить, полностью ли окислилась порода. [2]
Ископаемые хорошо сохраняются в грязевых породах, поскольку мелкозернистая порода защищает ископаемые от эрозии, растворения и других процессов эрозии. Ископаемые особенно важны для записи прошлых сред. Палеонтологи могут изучить определенную область и определить соленость, глубину воды, температуру воды, мутность воды и скорость седиментации с помощью типа и распространенности ископаемых в грязевых породах
Одной из самых известных формаций грязевых пород является сланец Берджесс в Западной Канаде, который образовался во время кембрия . На этом участке мягкотелые существа сохранились, некоторые полностью, благодаря деятельности ила в море. Твердые скелеты, как правило, являются единственными сохранившимися остатками древней жизни; однако сланец Берджесс включает в себя твердые части тела, такие как кости, скелеты, зубы, а также мягкие части тела, такие как мышцы, жабры и пищеварительная система. Сланцы Берджесс являются одним из самых значительных мест залегания ископаемых на Земле, сохраняя бесчисленные образцы видов возрастом 500 миллионов лет, и его сохранение обусловлено защитой грязевых пород. [9]
Еще одной примечательной формацией является формация Моррисона . Эта область охватывает 1,5 миллиона квадратных миль, простираясь от Монтаны до Нью-Мексико в Соединенных Штатах. Она считается одним из самых значительных мест захоронения динозавров в мире , и ее многочисленные окаменелости можно найти в музеях по всему миру. [10] Это место включает окаменелости динозавров нескольких видов, включая аллозавра , диплодока , стегозавра и бронтозавра . Здесь также есть двоякодышащие рыбы , пресноводные моллюски , папоротники и хвойные деревья . Это месторождение было сформировано влажным тропическим климатом с озерами, болотами и реками, которые отложили иловую породу. Неизбежно, иловая порода сохранила бесчисленное количество образцов из поздней юры , примерно 150 миллионов лет назад. [10]
Грязевые породы, особенно черный сланец, являются источником и контейнерами ценных источников нефти [11] по всему миру. Поскольку грязевые породы и органический материал требуют спокойных водных условий для осаждения, грязевые породы являются наиболее вероятным ресурсом для нефти. Грязевые породы имеют низкую пористость, они непроницаемы, и часто, если грязевая порода не является черным сланцем , она остается полезной в качестве уплотнения для нефтяных и газовых резервуаров. В случае нефти, обнаруженной в резервуаре, порода, окружающая нефть, не является материнской породой, тогда как черный сланец является материнской породой.
Как уже отмечалось, грязевые породы составляют пятьдесят процентов осадочной геологической летописи Земли. Они широко распространены на Земле и важны для различных отраслей промышленности.
Метаморфизованный сланец может содержать изумруд и золото, [5] а иловые породы могут содержать рудные металлы, такие как свинец и цинк . Иловые породы важны для сохранения нефти и природного газа из-за их низкой пористости и обычно используются инженерами для предотвращения утечки вредных жидкостей со свалок.
Песчаники и карбонаты регистрируют высокоэнергетические события в нашей истории, и их гораздо легче изучать. Между высокоэнергетическими событиями пролегают грязевые образования, которые регистрируют более тихие, нормальные условия в истории нашей Земли. Это более тихие, нормальные события нашей геологической истории, которые мы пока не понимаем. Песчаники обеспечивают большую тектоническую картину и некоторые указания на глубину воды; грязевые породы регистрируют содержание кислорода, в целом более богатое изобилие ископаемых и разнообразие и гораздо более информативную геохимию . [5]
Признавая иногда недооцененную важность грязи и глинистых пород для наук о Земле, Геологическое общество Лондона назвало 2015 год «Годом грязи». [12]