Введение в осадочные процессы

Осадочные процессы являются фундаментальными механизмами, с помощью которых поверхностные материалы Земли разрушаются, перемещаются и оседают, в конечном итоге образуя осадочные породы, которые покрывают около 75% континентальных поверхностей планеты. Эти процессы работают в широком диапазоне сред - от самых высоких гор до самых глубоких океанских днов - и управляются такими агентами, как вода, ветер, лед и гравитация. Понимание того, как осадочные породы транспортируются и где они накапливаются, имеет важное значение для реконструкции прошлых ландшафтов, прогнозирования будущих изменений и определения природных ресурсов. Осадочные среды - конкретные условия, где осадочные породы оседают - определяют текстуру, состав и структуру образующихся слоев горных пород. Изучая современные осадочные среды, геологи получают представление о древних осадочных последовательностях и динамической истории поверхности Земли.

Важность осадочных процессов выходит за рамки чистой геологии. Они влияют на формирование почвы, поток подземных вод, устойчивость побережья и распределение ископаемого топлива. Осадочные породы также сохраняют окаменелости, которые фиксируют эволюцию жизни. В этой статье подробно рассматриваются осадочные среды, механика переноса осадков, факторы, контролирующие осаждение, и долгосрочные преобразования, которые превращают рыхлые частицы в твердые породы.

Основы осадочных процессов

Осадочные процессы начинаются с погода уже существующих пород. Физическое выветривание разбивает породы на более мелкие фрагменты без изменения их химического состава, при этом химическое выветривание растворяет минералы или превращает их в новые соединения. Также способствует биологическое выветривание, вызванное корнями растений или норы организмов. Полученные частицы осадка варьируются от глинистых зерен (менее 2 мкм) до валунов метров в диаметре. Как только осадок образуется, он попадает в транспортную систему.

Производство выветривания и осадков

Тип и скорость выветривания зависят от климата, типа породы и топографии.В влажных тропических регионах преобладает химическое выветривание, производящее тонкие глины и обильные растворенные ионы.В засушливом или холодном климате физическое выветривание, такое как заморозка, порождает угловые фрагменты горных пород.Выветрившийся материал накапливается в виде реголита, который затем доступен для эрозии и транспортировки.

Транспортные механизмы

Осадок перемещается четырьмя первичными агентами: вода , ветер , лёд и гравитация . Каждый агент накладывает различные характеристики на транспортируемый осадок.

  • Вода — Реки, потоки, волны и океанические течения являются наиболее эффективными транспортерами. Проточная вода поднимает и переносит частицы в зависимости от своей скорости; более высокие скорости могут перемещать гравий и валуны. По мере уменьшения скорости осадок оседает по размеру и плотности, создавая хорошо отсортированные отложения.
  • Ветер — В пустынях и прибрежных дюнах ветер переносит мелкий песок и ил. Ветрораздувающиеся осадки обычно хорошо сортируются и округляются из-за продолжительной истирания.Лессовые отложения, образованные из ветрового ила, покрывают обширные районы Центральной Азии и американского Среднего Запада.
  • Ледники несут обломки всех размеров, от глины до массивных валунов, часто немодифицированные сортировкой. Ледниковая долина - это плохо отсортированная смесь, оставшаяся после таяния льда.
  • Гравитация — Массовые процессы истощения, такие как оползни, потоки мусора и потоки мутности, перемещают осадочные отложения вниз по склону без необходимости в непрерывной жидкой среде. Эти события производят хаотичные, плохо отсортированные отложения.

Сортировка и сортировка

Опускание происходит, когда транспортирующий агент теряет энергию. В реке осадок выпадает по мере расширения канала или уменьшения градиента. В океане мелкие частицы медленно оседают через водную колонну. Степень сортировки отражает однородность размеров зерна в отложении. Хорошо отсортированные осадки (например, пляжный песок) указывают на последовательные транспортные условия, в то время как плохо отсортированные осадки (например, ледниковый дождик) указывают на быстрое, хаотичное осаждение. Форма зерна и округлость также дают подсказки о расстоянии транспортировки и энергии.

Депозиционные среды: подробная классификация

Депозиционные среды подразделяются на три широкие группы: морская , земная и переходная. Каждая среда имеет уникальные физические, химические и биологические характеристики, которые контролируют накопление осадков.

Морская среда

Морские среды покрывают более 70% поверхности Земли. В них преобладают соленая вода и они подвержены приливам, волнам и океанским течениям. Ключевые подсреды включают:

  • Континентальный шельф — Мелкие (0—200 м глубиной) участки, простирающиеся от берега до шельфового разрыва. Осадки здесь преимущественно терригенные (производные от суши) и перерабатываются волнами и течениями. Скапливаются песок, ил и глина, с карбонатными отложениями, распространенными в теплых, прозрачных водах.
  • Континентальный склон и подъем — степерные склоны, где осадок транспортируется потоками мутности, образуя глубоководные вентиляторы. Эти отложения часто градуируются (рафинируются вверх) и являются важными резервуарами для нефти и газа.
  • Глубокое море — Ниже 2000 м мелкие пелагические отложения (глина, оози) оседают медленно в течение тысячелетий. Узы состоят из микроскопических оболочек планктона (фораминиферы, диатомовые) и классифицируются как известковые или кремнеземные.
  • Учреждения — Полузакрытые прибрежные тела, где пресная вода смешивается с соленой. Они захватывают мелкие отложения и органическое вещество, создавая богатые грязи и болота. Отложения эстуариев сильно различаются из-за приливного влияния.

Наземная среда

Наземные среды демонстрируют широкое разнообразие в поставках и транспортировке энергии осадочных пород.

  • Живые среды — Речные системы включают каналы, поймы и аллювиальные вентиляторы. Отложения каналов грубые и перекрёстные; отложения пойм — тонкие илы и глины. Блуждающие реки производят точечные брусья и озёрные заливки, а плетеные реки откладывают гравийные брусья.
  • Лакустриновые среды — Озера представляют собой низкоэнергетические бассейны, которые получают мелкозернистые отложения из притоков и от органического производства.Сезонное наслоение (клавы) распространено в ледниковых озерах. Озерные отложения могут включать испарители в засушливых регионах.
  • Пустынные среды — Доминирующим агентом является ветер. Дюнные поля накапливают хорошо отсортированный, округлый песок с крупномасштабным поперечным сквозным покрытием. В междунских районах могут содержаться испарительные корки или плейя-озёра. Лёсс окутывает края пустынь.
  • Глациальные среды — ледяные щиты и ледники долины производят до (несортированные) и вымывающиеся (сортированные талой водой). Ледниковые озера образуют изрезанные отложения. Эскиры и камеи являются глациофлювиальными особенностями.
  • Аллювиальные и коллувиальные — отложения горной породы, образованные гравитацией. Коллувий — угловатый, плохо отсортированный обломок у основания склонов. Аллювиальные вентиляторы образуются там, где крутые горные потоки отрываются на равнинную землю.

Переходные среды

На эти среды влияют как морские, так и наземные процессы. Они динамичны и часто экологически богаты.

  • Дельты — образуются в устьях рек по мере накопления осадка. Дельты имеют податные топостели (речные каналы, болота), предвидеть постельные принадлежности (глубоко окунающие песок и ил) и дностели (тонкая глина). Примеры включают дельты Миссисипи и Нила.
  • Пляжи и Барьерные острова — береговые линии с преобладанием волн. Пляжный песок хорошо сортирован и часто богат кварцем. Бермы, впадины и пляжные выступы характерны.
  • Приливные плоские и соляные болота — низкоградиентные участки, подверженные влиянию приливов. Грязь и ил накапливаются, при биологической активности от норирующих организмов и растений. Слоистые отложения с грязевыми трещинами и рябью.
  • Лагуны — Защитные мелководные объекты за барьерными островами. Они получают мелкие отложения и органический материал, часто становясь уменьшающимися средами, которые сохраняют органическое вещество.

Размер осадка зерна, сортировка и осадочные структуры

Физические свойства осадочных пород дают подсказки об их осаждении. Размеры зерна отражают транспортную энергию: высокоэнергетические среды (быстрые реки, зоны прибоя) осаждения гравий и грубый песок; низкоэнергетические среды (глубокое море, озера) осаждение глина и ил. Сортировка Сортировка Сортировка осадка подразумевает согласованные уровни энергии. Состав Раскрывает исходные породы и историю выветривания. К примеру, богатый кварцем песок указывает на множественные циклы выветривания и транспортировки, тогда как богатый полевым шпатом песок предполагает быструю эрозию и минимальный транспорт.

Седиментарные структуры — это особенности, сформированные во время или после осаждения:

  • Способничество (strata) — слои осадка, которые регистрируют изменения условий осаждения.Перекрестное сквозное скрещивание образуется из мигрирующих ряби или дюн, указывающих текущее направление.Сквозное постельное белье (грубее внизу, фининг вверх) типично для токов мутности.
  • Отметки риппла — симметричные (колебательный поток) или асимметричные (однонаправленный поток) волнения на поверхности постельных принадлежностей.
  • Грязевые трещины — полигональные узоры, образующиеся при высыхании мокрой грязи, указывающие на субаэральное воздействие.
  • Биогенные структуры — стрелки, следы и следы (следы окаменелостей) регистрируют активность организма. Тип и плотность биотурбации указывают на уровень кислорода и соленость.
  • Конкреции и узелки — Локализованные концентрации цемента (например, кальцита, оксида железа), образующиеся при диагенезе.

Диагенез: от осадка до скалы

После осаждения осадок подвергается диагенезу, набору физических и химических изменений, которые превращают рыхлые зерна в твердую осадочную породу.компактности (покрывающий вес выдавливает воду и снижает пористость) и цементации (минералы осаждаются в поровых пространствах, связывая зерна вместе).Общие цементы включают кальцит, кварц и гематит.Литификация — это общий процесс. Диагенез также включает растворение, замену и аутигенный рост минералов. Степень диагенеза зависит от глубины захоронения, температуры и состава жидкости.

Факторы, контролирующие осадочные процессы

Несколько взаимозависимых факторов определяют тип и распределение осадочных отложений:

  • Климат — контролирует скорость выветривания, растительность и эффективность транспортного агента.Влажный климат производит больше химического выветривания и стабилизированных растительностью почв; засушливый климат благоприятствует ветровому транспорту и образованию испарителей; ледниковый климат генерирует большие объемы несортированного мусора.
  • Топография и тектоника — Горное строительство создаёт высокий рельеф, приводя к быстрой эрозии и грубому осадочному поставке. Бассейны (рифтовые бассейны, бассейны пересеченных земель) выступают в качестве осадочных ловушек. Тектонический подъём также контролирует базовый уровень, влияя на модели эрозии и осаждения.
  • Изменение уровня моря — Повышение уровня моря (трансгрессия) смещает береговую линию к берегу, приводя к осаждению морских отложений над земными. Падение уровня моря (регрессия) подвергает шельф эрозии и позволяет рекам выпадать.
  • Биологическая активность — Организмы влияют на осаждение многими способами: рифообразующие кораллы создают карбонатные каркасы; зарывающиеся животные смешивают и перерабатывают осадок (биотурбация); растения стабилизируют осадок корнями и вносят органический вклад. Микробные маты могут улавливать и связывать осадок, образуя строматолиты.
  • Средство снабжения и скорость — Высокое предложение осадочных пород из быстро разрушающихся гор может перегружать транспортные системы, что приводит к толстым, грубым отложениям (например, аллювиальным вентиляторам).

Экономическое значение осадочных пород

Осадочные породы являются основными хранилищами для многих природных ресурсов. Ископаемое топливо — уголь, нефть и природный газ — образуются из органического вещества, захороненного в осадочных бассейнах. Уголь происходит из древних болотных отложений; нефть и газ из морских планктонных остатков в мелкозернистых породах (сланцы), которые позже мигрируют в пористые породы-источники (песчаники, карбонаты). Подземные воды хранятся и передаются через проницаемые осадочные водоносные горизонты (песчаные камни, гравии. Минеральные отложения , такие как железные образования, фосфаты, соль, гипс и уран, часто имеют осадочное происхождение. Понимание осаждения окружающей среды и диагенез имеет важное значение для разведки и добычи.

Например, Геологическая служба США предоставляет обширные данные о осадочных бассейнах, в которых находятся энергетические ресурсы. Аналогичным образом, обзор осадочных пород Британники предлагает фундаментальные знания для студентов и специалистов.

Толкование древних депозиционных сред

Геологи используют принцип униформистизма — настоящее является ключом к прошлому — для интерпретации древних осадочных последовательностей. Сравнивая современные среды с древними слоями пород, они выводят осадочные установки. Ключевые критерии включают размер зерна, сортировку, осадочные структуры, содержание окаменелостей и вертикальную последовательность фаций. Например, последовательность поперечного песчаника, наложенного корневым грязевым камнем, может представлять собой речной канал, эволюционирующий в пойму. Толстая последовательность градуированных песчаников, перемежающихся глубоководными сланцами, указывает на повторяющиеся мутные течения на подводном вентиляторе.

Стратиграфия последовательностей является мощным инструментом для связывания осадочных структур с изменениями уровня моря и осадочных запасов. Она помогает прогнозировать распределение пластовых, исходных и тюленьих пород при разведке недр. Изучение осадочных фаций и осадочных сред занимает центральное место в академической геологии и отраслевой практике.

Тематические исследования в осадочных процессах

Формирование Большого каньона

Гранд-Каньон обнажает почти полную последовательность палеозойских осадочных пород, отложенных в различных средах — мелководных морях, приливных квартирах, пустынных дюнах и дельтах рек. Песчаник Tapeats, например, регистрирует кембрийскую морскую трансгрессию, в то время как песчаник Coconino — древние ветровые дюны. Этот вертикальный стек демонстрирует, как осаждение окружающей среды менялось в течение сотен миллионов лет из-за колебаний уровня моря и тектонического оседания. Поднятие региона и последующая эрозия рекой Колорадо обнажили эти древние отложения, обеспечивая естественную лабораторию для осадочных процессов.

Дельтаическое расположение: Дельта Миссисипи

Дельта реки Миссисипи является классическим примером дельты с преобладанием реки. Осадок доставляется в больших объемах, создавая форму лобата с распределительными каналами, естественными дамбами и межраспределительными заливами. За последние несколько тысяч лет дельта несколько раз сдвигала свой основной канал, оставляя заброшенные доли, которые спадают и становятся болотными. Стратиграфия показывает последовательности огрубления вверх, поскольку дельта строит в море. Понимание этих процессов жизненно важно для управления прибрежными районами и для размещения углеводородных резервуаров в древних дельтаических последовательности.

Ледниковая осадка в Альпах

Ледниковые среды производят отличительные отложения, такие как , до (несортированные, угловые) и , вымывающие (сортированные талыми потоками). Швейцарские Альпы содержат хорошо сохранившиеся морены и глациофлювиальные террасы из плейстоценовых ледниковых периодов. Эти особенности иллюстрируют, как ледники разрушают породу, транспортируют мусор на большие расстояния и откладывают его при таянии. Изогнутые глины в периглациальных озерах регистрируют сезонные изменения в входе талой воды. Изучение этих отложений помогает реконструировать прошлые изменения климата и динамику ледяного покрова.

Проблемы в седиментологии

Современная седиментология сталкивается с проблемами, включая количественную оценку переноса осадков в сложных средах, влияние человеческой деятельности (строительство плотин, изменение землепользования) на потоки осадков и необходимость интерпретации древних записей с неполными данными. Достижения в дистанционном зондировании , геохронологии (например, оптически стимулируемая люминесценция) и численное моделирование улучшают нашу способность характеризовать системы осаждения. Недавние исследования, опубликованные в Природа , используют спутниковые снимки для картирования рассеивания осадков в дельтах и прогнозирования прибрежной эрозии.

Заключение

Осадочные процессы и осадочные среды являются основополагающими для понимания эволюции поверхности Земли. От первоначального выветривания горных пород до окончательного литификации осадочных пород каждый шаг оставляет запись, которую геологи расшифровывают, чтобы реконструировать прошлые ландшафты, климаты и тектонические события. Разнообразие окружающей среды - флювиальной, лакустриновой, морской, ледниковой, пустынной, переходной - обеспечивает богатое разнообразие осадочных пород и структур. Эти породы не только рассказывают историю нашей планеты, но и обеспечивают критические ресурсы для современного общества. Текущие исследования продолжают совершенствовать наши знания о том, как осадочные породы перемещаются, накапливаются и трансформируются, делая осадочную науку динамичным и существенным полем в науках о Земле.

Для дальнейшего изучения, Американский институт геонаук предлагает образовательные ресурсы на осадочных породах и процессах, которые их формируют.