Грязевые породы представляют собой класс мелкозернистых кремнеобломочных осадочных пород . Различные типы глинистых пород включают алевролит , аргиллит , аргиллит , сланец и сланец . Большинство частиц, из которых состоит камень, имеют размер менее 1 ⁄ 16 мм (0,0625 мм; 0,00246 дюйма) и слишком малы, чтобы их можно было легко изучить в полевых условиях. На первый взгляд типы горных пород кажутся очень похожими; однако существуют важные различия в составе и номенклатуре.
Было много разногласий по поводу классификации глинистых пород. Несколько важных препятствий на пути к их классификации включают следующее:
Грязевые породы составляют 50% осадочных пород в геологической летописи и, несомненно, являются наиболее распространенными отложениями на Земле. Мелкие осадки являются наиболее распространенным продуктом эрозии , и эти отложения способствуют повсеместному распространению глинистых пород. [1] При увеличении давления с течением времени пластинчатые глинистые минералы могут выровняться с появлением параллельной слоистости ( расщепленности ). Этот тонкослоистый материал, который легко раскалывается на тонкие слои, называется сланцем , в отличие от аргиллита . Отсутствие трещиноватости или слоистости в аргиллите может быть связано либо с исходной текстурой, либо с нарушением слоистости роющими организмами в осадке до литификации .
С самого начала цивилизации, когда глиняная посуда и сырцовый кирпич изготавливались вручную, до сих пор глиняные породы играли важную роль. Первая книга о глинистых породах, Geologie des Argils Милло, не была опубликована до 1964 года; однако ученые, инженеры и производители нефти поняли значение глинистых пород с момента открытия сланцев Берджесс и связь глинистых пород и нефти. В последние годы количество литературы об этом вездесущем типе горных пород растет, а технологии продолжают позволять проводить более качественный анализ.
Грязевые породы по определению состоят как минимум из пятидесяти процентов частиц размером с грязь . В частности, грязь состоит из частиц размером с ил , диаметром от 1/16 до 1/256 ((1/16) 2 ) миллиметра, и частиц размером с глину , размер которых составляет менее 1/256 миллиметра.
Глинистые породы содержат в основном глинистые минералы, а также 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 мелкозернистых кремнеобломочных пород, содержащих пятьдесят и более процентов своих составляющих менее 1/256 миллиметра. Аргиллиты , сланцы , лютиты и аргиллиты — общие определители или общие термины; однако термин «грязевая порода» все чаще становится терминологией, которую выбирают геологи и авторы осадочных пород.
Термин «грязевая порода» позволяет далее подразделять алевролит , аргиллит , аргиллит и сланец . Например, алевролит более чем на 50 процентов состоит из зерен, размер которых соответствует 1/16–1/256 миллиметра. «Сланец» означает расщепляемость, что подразумевает способность легко разделяться или разрушаться параллельно стратификации. Алевролит, аргиллит и аргиллит подразумевают литифицированный или затвердевший детрит без трещиноватости. [2]
В целом, «грязевые породы» могут быть наиболее полезным уточняющим термином, поскольку он позволяет разделить горные породы по наибольшей доле содержащихся в них зерен и их соответствующему размеру зерен, будь то ил, глина или ил.
Аргиллит — это литифицированная и нераскалываемая глинистая порода. Чтобы горная порода считалась аргиллитом, она должна состоять как минимум из пятидесяти процентов глины ( филлосиликатов ), размер частиц которой составляет менее 1/256 миллиметра. Глинистые минералы являются неотъемлемой частью глинистых пород 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 мельчайшие частицы, встречающиеся в илистых породах. Однако кварц, полевой шпат, оксиды железа и карбонаты также могут выветриваться до размеров типичных зерен глинистых минералов. [3]
Для сравнения размеров: частица размером с глину составляет 1/1000 размера песчинки. Это означает, что частица глины будет перемещаться в 1000 раз дальше при постоянной скорости воды, что требует более спокойных условий для оседания. [2]
Образование глины хорошо изучено и может происходить из почвы, вулканического пепла и оледенения. Еще одним источником являются древние грязевые породы, поскольку они легко выветриваются и разрушаются. Полевой шпат, амфиболы, пироксены и вулканическое стекло являются основными донорами глинистых минералов. [3]
Аргиллит — это кремнисто-обломочная осадочная порода , содержащая смесь частиц алеврита и глины (не менее 1/3 каждого). [4]
Терминологию «аргиллит» не следует путать со схемой классификации известняков Данэма. По классификации Данэма аргиллит — это любой известняк, содержащий менее десяти процентов зерен карбоната. Обратите внимание, что кремнисто-обломочный аргиллит не содержит карбонатных зерен. Фридман, Сандерс и Копаска-Меркель (1992) предлагают использовать «известковый аргиллит», чтобы избежать путаницы с кремнеобломочными породами.
Алевролит – это литифицированная, нераскалываемая глинистая порода. Чтобы породу можно было назвать алевролитом, она должна содержать более пятидесяти процентов материала размером с ил. Ил — это любая частица размером меньше песка (1/16 миллиметра) и крупнее 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 вызывает каких-либо химических изменений в породе, и его лучше всего можно охарактеризовать как физическое разрушение породы.
Одна из самых высоких пропорций 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 вносят наибольший вклад в сферу ила, а ил, как правило, несвязный, непластичный, но может легко разжижаться.
Существует простой тест, который можно провести в полевых условиях, чтобы определить, является ли камень алевролитом или нет, — это приложить камень к зубам. Если камень ощущается «песчаным» на зубах, то это алевролит.
Сланец — это мелкозернистая, твердая, слоистая глинистая порода, состоящая из глинистых минералов, а также кварцевого и полевого шпата. Сланец литифицирован и раскалывается. В нем должно быть не менее 50 процентов частиц размером менее 0,062 мм. Этот термин применяется к глинистым или глинистым породам.
Существует множество разновидностей сланцев, в том числе известняковых и богатых органическими веществами; однако черный сланец, или сланец, богатый органическими веществами, заслуживает дальнейшей оценки. Чтобы сланец был черным, он должен содержать более одного процента органического углерода. Хорошая материнская порода углеводородов может содержать до двадцати процентов органического углерода. Обычно черный сланец получает приток углерода из водорослей , которые разлагаются и образуют ил, известный как сапропель . Когда этот ил готовится при желаемом давлении, глубине от трех до шести километров (1,8–3,7 миль) и 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 нефтегазового продукта на тонну породы. [2]
Сланец – это твердый аргиллит, претерпевший метаморфизм и имеющий хорошо развитую спайность. Он претерпел метаморфизм при температуре 200–250 ° C (392–482 ° F) или чрезвычайную деформацию. Поскольку сланец образуется в нижней сфере метаморфизма в зависимости от 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 внешний вид, желательны идеальная спайность и гладкая текстура.
Большинство глинистых пород образуется в океанах или озерах, поскольку эта среда обеспечивает спокойную воду, необходимую для отложения. Хотя грязевые породы можно найти в любой среде осадконакопления на Земле, большинство из них находится в озерах и океанах.
Сильные дожди обеспечивают кинетическое движение, необходимое для переноса грязи, глины и ила. Юго-Восточная Азия, включая Бангладеш и Индию, получает большое количество дождей в результате муссонов, которые затем смывают осадки 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 ила, чем на умеренных или полярных шельфах. Система Амазонки, например, занимает третье место по величине наносов на Земле, а осадки обеспечивают 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 обладают лучшей пропускной способностью для ила. Река Миссисипи, хороший пример длинной реки с низким уклоном и большим количеством воды, несет ил из своих самых северных участков и откладывает материал в своей илистой дельте.
Ниже приведен список различных сред, которые действуют как источники, способы транспортировки в океаны и среды отложения илистых пород.
Ганг в Индии, Желтая река в Китае и Нижняя Миссисипи в США являются хорошими примерами аллювиальных долин. Эти системы имеют постоянный источник воды и могут вносить ил в результате отложения на берегу, когда грязь и ил откладываются на берегу во время наводнения, а также отложения старицы, когда заброшенный ручей заполняется илом. [3]
Для существования аллювиальной долины должна существовать высокоприподнятая зона, обычно приподнятая активными тектоническими движениями, и нижняя зона, служащая каналом для воды и наносов в океан.
Огромные количества ила и тилла образуются в результате оледенений и откладываются на суше в виде тилла и озер. [3] Ледники могут разрушать и без того уязвимые формации илистых пород, и этот процесс увеличивает ледниковое производство глины и ила.
В Северном полушарии находится 90 процентов мировых озер размером более 500 км (310 миль), и многие из этих озер созданы ледниками. Обильны озерные отложения, образовавшиеся в результате оледенения, в том числе глубокого ледникового размыва. [3]
Хотя ледники сформировали 90 процентов озер Северного полушария, они не ответственны за образование древних озер. Древние озера являются самыми большими и глубокими в мире и содержат до двадцати процентов сегодняшних нефтяных резервуаров. Они также являются вторым по распространенности источником илистых пород после морских илистых пород. [3]
Древние озера обязаны своим обилием илистых пород своему долгому существованию и толстым отложениям. Эти отложения были чувствительны к изменениям содержания кислорода и осадков и дают надежное представление о постоянстве палеоклимата.
Дельта — это субаэральное или субаквальное отложение, образовавшееся там, где реки или ручьи откладывают осадки в водоем. Дельты, такие как Миссисипи и Конго, имеют огромный потенциал для отложения отложений и могут перемещать отложения в глубокие воды океана. Дельта находится в устье реки, где ее воды замедляются при попадании в океан и откладываются ил и глина.
Дельты низкой энергии, несущие большое количество ила, расположены в озерах, заливах, морях и небольших океанах, где прибрежные течения также невелики. Богатые песком и гравием дельты представляют собой высокоэнергетические дельты, где преобладают волны, а грязь и ил переносятся гораздо дальше от устья реки. [3]
Прибрежные течения, поступление грязи и волны являются ключевыми факторами отложения грязи на береговой линии. Река Амазонка доставляет 500 миллионов тонн отложений, в основном глины, в прибрежный район северо-востока Южной Америки. 250 тонн этого осадка перемещается вдоль побережья и откладывается. Большая часть скопившейся здесь грязи имеет толщину более 20 метров (65 футов) и простирается на 30 километров (19 миль) в океан. [3]
Большая часть осадков, переносимых Амазонкой, может поступать из Анд, а окончательное расстояние, пройденное отложениями, составляет 6000 км (3700 миль). [3]
70 процентов поверхности Земли покрыто океаном, а в морской среде мы находим самую большую в мире долю илистых пород. В океане наблюдается значительная латеральная непрерывность, в отличие от ограниченных континентов.
Для сравнения: континенты являются временными распорядителями грязи и ила, а неизбежным домом для илистых отложений являются океаны. Обратитесь к приведенному ниже циклу глинистых пород, чтобы понять захоронение и возрождение различных частиц.
В океанах существуют различные среды обитания, в том числе глубоководные желоба, абиссальные равнины, вулканические подводные горы, сходящиеся, расходящиеся и трансформированные края плит. [6] Не только суша является основным источником океанических отложений, но и организмы, живущие в океане, также 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 капли льда оседают прямо на морское дно. Ветры могут принести мелкозернистый материал из засушливых регионов, а также взрывные извержения вулканов. Все эти источники различаются по уровню своего вклада. [6]
Осадки перемещаются в более глубокие части океана под действием силы тяжести, и процессы в океане сравнимы с процессами на суше.
Местоположение оказывает большое влияние на типы илистых пород, встречающихся в океанской среде. Например, река Апалачикола , которая впадает в субтропики Соединенных Штатов, несет от шестидесяти до восьмидесяти процентов каолинитового ила, тогда как Миссисипи несет только от десяти до двадцати процентов каолинита. [7]
Мы можем представить начало жизни глинистых пород как отложения на вершине горы, которые могли быть подняты тектоникой плит или подняты в воздух вулканом. Этот осадок подвергается воздействию дождя, ветра и силы тяжести, которые разрушают и разрушают породу в результате выветривания. Продукты выветривания, включая частицы от глины до ила, гальки и валунов, переносятся в расположенный ниже бассейн, где они могут затвердевать в один из многих типов осадочных аргиллитов.
В конце концов, глинистая порода переместится на несколько километров ниже недр, где давление и температура превращают аргиллит в метаморфизованный гнейс. Метаморфизованный гнейс снова выйдет на поверхность в виде вмещающей породы или магмы в вулкане, и весь процесс начнется заново. [3]
Грязевые породы бывают разных цветов, в том числе: красного, фиолетового, коричневого, желтого, зеленого, серого и даже черного. Оттенки серого чаще всего встречаются в глинистых породах, а более темные цвета черного цвета происходят от органических углеродов. Зеленые глинистые породы образуются в восстановительных условиях, где органическое вещество разлагается вместе с трехвалентным железом. Их также можно встретить в морской среде, где пелагические или свободно плавающие виды оседают из воды и разлагаются в илистых породах. [8] Красные грязевые породы образуются, когда железо в грязевой породе окисляется, и в зависимости от интенсивности красного цвета можно определить, полностью ли окислена порода. [2]
Окаменелости хорошо сохраняются в глинистых образованиях, поскольку мелкозернистая порода защищает окаменелости от эрозии, растворения и других процессов эрозии. Окаменелости особенно важны для записи прошлой среды. Палеонтологи могут осмотреть конкретную территорию и определить соленость, глубину воды, температуру воды, мутность воды и скорость седиментации с помощью типа и количества окаменелостей в илистых породах.
Одним из самых известных образований глинистых пород является сланец Бёрджесс в Западной Канаде, образовавшийся в кембрийском периоде. На этом месте мягкотелые существа сохранились, некоторые целиком, благодаря активности морской грязи. Твердые скелеты, как правило, являются единственными сохранившимися остатками древней жизни; однако сланцы Берджесс включают твердые части тела, такие как кости, скелеты, зубы, а также мягкие части тела, такие как мышцы, жабры и пищеварительная система. Сланец Бёрджесс — одно из самых значительных мест ископаемых на Земле, в котором сохранились бесчисленные экземпляры видов возрастом 500 миллионов лет, и его сохранность обеспечивается защитой илистых пород. [9]
Еще одна примечательная формация — формация Моррисон . Эта территория занимает 1,5 миллиона квадратных миль и простирается от Монтаны до Нью-Мексико в Соединенных Штатах. Оно считается одним из самых значительных в мире захоронений динозавров, а его многочисленные окаменелости можно найти в музеях по всему миру. [10] На этом сайте представлены окаменелости нескольких видов динозавров, включая аллозавра , диплодока , стегозавра и бронтозавра . Есть также двоякодышащие рыбы, пресноводные моллюски, папоротники и хвойные деревья. Это месторождение образовалось в условиях влажного тропического климата с озерами, болотами и реками, отлагавшими илистую породу. Неизбежно, что в глиняных породах сохранилось бесчисленное количество образцов поздней юры, примерно 150 миллионов лет назад. [10]
Грязевые породы, особенно черные сланцы, являются источником и вместилищем драгоценных источников нефти [11] во всем мире. Поскольку для отложения глинистых пород и органического материала требуются спокойные водные условия, глинистые породы являются наиболее вероятным ресурсом нефти. Грязевые породы имеют низкую пористость, они непроницаемы, и часто, если глинистая порода не является черным сланцем, она остается полезной в качестве уплотнителя для резервуаров нефти и природного газа. В случае нефти, обнаруженной в резервуаре, порода, окружающая нефть, не является нефтематеринской породой, тогда как черный сланец является нефтематеринской породой.
Как отмечалось ранее, глинистые породы составляют пятьдесят процентов геологической летописи осадочных пород Земли. Они широко распространены на Земле и важны для различных отраслей промышленности.
Метаморфизованные сланцы могут содержать изумруд и золото, [5] а глинистые породы могут содержать рудные металлы, такие как свинец и цинк. Грязевые 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 фиксируют высокоэнергетические события в нашей истории, и их гораздо легче изучать. Между высокоэнергетическими событиями прослоены глинистые образования, которые зафиксировали более спокойные, нормальные условия в истории нашей Земли. Это более спокойные, нормальные события нашей геологической истории, которые мы еще не понимаем. Песчаники дают общую тектоническую картину и некоторые указания на глубину воды; в глинистых породах зафиксировано содержание кислорода, в целом более богатое содержание и разнообразие ископаемых, а также гораздо более информативная геохимия. [5]
Признавая важность грязи и глинистых пород для наук о Земле, которую иногда недооценивают, Лондонское геологическое общество назвало 2015 год «Годом грязи». [12]