02_Izvor, klasifikacija in nastanek sedimentnih kamnin 2014

Transcription

12/4/2014
Arizona
~ Petrified forest ~
SEDIMENTOLOGIJA
2. Izvor, klasifikacija in nastanek sedimentnih kamnin
UVOD
Sedimentne kamnine nastajajo pri nizkih T in P na Zemeljskem površju (za razliko
od magmatskih in metamorfnih kamnin ki nastajajo pri znatno višjih P-T pogojih;
izjema: vulkanske kamnine)
Sedimentne kamnine značilno nastopajo v plasteh (psevdoplasti se lahko razvijejo tudi
v nekaterih vulkanskih in metamorfnih kamninah).
VPRAŠANJE: Kakšna je razlika med vulkanskimi in plutonskimi kamninami? Poišči obstoječe sinonime!
SEDIMENTOLOGIJA: 2. Izvor, klasifikacija in nastanek sedimentnih kamnin
1
12/4/2014
UVOD
Lastnosti na podlagi katerih spoznamo sedimentne kamnine:
specifična tekstura in struktura
mineralna in kemična sestava
prisotnost fosilnega materiala
IZVORNE KAMNINE IN KAMNINSKI CIKEL
IZVORNE KAMNINE
različne starejše kamnine:
magmatske in/ali
metamorfne in/ali
sedimentne kamnine
z razpadom ustvarijo
material za nastanekk
sedimentnih kamnin
posameni minerali
koščki/drobci kamnin
različnih velikosti
raztopine
2
12/4/2014
MINERALI
DROBCI KAMNIN
VELIKOSTNI RAZREDI – GRANULOMETRIJSKA KLASIFIKACIJA
(Blott & Pye, 2012)
3
12/4/2014
VULKANOGENI MEATERIAL
EKSPLOZIVNI VULKANIZEM lahko prispeva velike
količine piroklastičnega materiala: glinenci, delci
vulkanskih kamnin, vulkansko steklo
Mt. St. Helens
~ Washington ~
VULKANOGENI MEATERIAL
EKSPLOZIVNI VULKANIZEM lahko prispeva velike
količine piroklastičnega materiala: glinenci, delci
vulkanskih kamnin, vulkansko steklo
Mt. St. Helens
~ Washington ~
IZVOR MATERIALA ZA TVORBO SEDIMENTNIH KAMNIN
•
•
delci nastali s preperevanjem različnih izvornih kamnin, ki so bile izpostavljene površinskim pogojem
vulkanogeni delci nastali pri eksplozivnem vulkanizmu PIROKLASTIČNI MATERIAL
4
12/4/2014
NASTANEK SEDIMENTNIH KAMNIN
SEDIMENTNI DEL KAMNINSKEGA CIKLA procesi udeleženi pri nastanku
zaporedja sedimentnih kamnin
PREPEREVANJE
PREPEREVANJE fi in ke razpadanje kamnin nastanek REGOLITA (plasti
nesprijetega materiala, ki je na voljo za vključitev v transportni medij in nadaljni
transport)
produkti preperevanja
zrna
sekundarni minerali
glineni minerali (bentonit, montmorillonit, ...)
Fe-oksidi (hematit, ...)
topne sestavine/ioni
silikatni minerali (kremen, glinenci, muskovit, ...)
drobci kamnin = litična zrna (granit, bazalt, skrilavec, ...)
Ca, K, Na, Mg, Si
površinske in talne vode jih kontinuirano odnašajo (končni cilj: ocean)
vrste preperevanja: fizikalno, (bio)kemično
“URADNA”
DEFINICIJA:
Preperevanje
predstavljajo
fizikalni, kemični in
biološki procesi, ki
spreminjajo
fizikalne in kemične
lastnosti kamnin (ali
tal) in delujejo na
Zemeljskem
površju ali v njegovi
neposredni bližini.
5
12/4/2014
PREPEREVANJE
Glavni PROCESI in KONTROLNI DEJAVNIKI preperevanja
PREPEREVANJE
FIZIKALNO PREPEREVANJE
procesi, ki mehansko razgradijo kamnino na manjše delce mehansko manjšanje
delcev
pogosto potekajo vse do razpada na posamezne minerale izključno mehansko
razpadanje brez udeležbe ke-reakcij
preperevanje se ponavadi prične z zatekanjem vode v razpoke tlačna
razbremenitev kamnin ob dvigu na površje
glavni vzrok je običajno čista mehanska ekspanzija
glavni dejavniki FI-preperevanja:
zmrzal
rast solnih kristalov
temperaturne spremembe
mehansko delovanje korenin
6
12/4/2014
PREPEREVANJE
ZMRZAL voda, ki se nabere v razpokah kamnine zmrzne
širjenje razpok
zelo učinkovita v območjih, kjer se T pogosto spusti pod 0°C
(visokogorje v zmernih klimatih, polarna okolja)
čista mehanska ekspanzija
LED
„frost shattering“
PREPEREVANJE
RAST SOLNIH KRISTALOV morska voda (ali katerakoli voda, ki vsebuje raztopljene
soli) lahko zapolni razpoke v kamnini ob izparevanju te vode se izločajo (kristalijo)
solni kristali
lokalizirane, toda znatne sile, ki razpirajo razpoke
kasnejše raztapljanje solnih mineralov na površini sataste txt
značilno za obalna okolja
7
12/4/2014
PREPEREVANJE
TEMPERATURNE SPREMEMBE velika dnevna T
nihanja povzročajo neprestano krčenje in širjenje
posameznih mineralov različni minerali se
različno hitro krčijo in širijo ustvarjajo interne
sile LUŠČENJE ali EKSFOLIACIJA KAMNINE
razpadanje/luščenje kamnine na površini v tankih
plasteh
značilno za puščavska okolja (dnevna ∆T več 10°C)
PREPEREVANJE
MEHANSKO DELOVANJE RASTLIN v nastale razpoke lahko poleg vode prodrejo
tudi rastline s svojimi koreninskimi sistemi
z rastjo rastline se koreninski sistem širi in debeli mehanske napetosti
mehanski razpad kamnine na manjše delce
8
12/4/2014
PREPEREVANJE
KEMIČNO PREPEREVANJE
kemično spreminjanje mineralov, ki gradijo kamnino
učinek ke-preperevanja je največji na površju
z globino zelo hitro upade
značilnosti produktov kemičnega preperevanja
(v primerjavi z nepreperelim materialom):
so bolj mobilni in v raztopini ločeni med seboj
imajo nižjo gostoto
zavzamejo več prostora
so ke-bolj stabilni
reaktivni drobci granitov ke-preperevanje sprostitev in nastanek manj reaktivnih sestavin, na pr. q
terigena q zrna so ke zelo stabilna
ke-preperevanje lahko poteka na 2 načina:
s transformacijo izvornega minerala v ke-soroden trden produkt, ki nadomesti prvotni
mineral
s popolno raztopitvijo prvotnega (izvornega) minerala
PREPEREVANJE
Glavne reakcije ke-preperevanja: raztapljanje, hidroliza
in oksidacija
RAZTAPLJANJE
večina kamninotvornih mineralov je slabo topnih v čisti vodi
pri T, ki vladajo na površju Zemlje večina kamnin ni
„občutljiva“ na raztapljanje
slabo topni minerali kremen je netopen in postane topen
šele v močno alkalnih vodah
srednje topni minerali karbonatni minerali so topni v kislih
vodah najpogostejša oblika preperevanja karbonatnih
mineralov (apnencev)
dobro topni minerali evaporitni minerali topni že v sladki
vodi (halit, sadra)
raztapljanje kalcita
CO2 + H2O H2CO3 (kisel dež!)
2+
CaCO3 + H2CO3 Ca + 2 HCO3
karbonatni ion CO32- iz minerala se zelo rad veže z H+ iz vode
nastane bikarbonatni ion HCO3-, ki je v vodi relativno stabilen
9
12/4/2014
PREPEREVANJE
HIDROLIZA
+
hidroliza olivin
pri nevtralnih pogojih:
Mg2SiO4 + 4H2O 2Mg2+ + 4OH- + H4SiO4
2+
pri šibko kislih pogojih: Mg2SiO4 + 4H2CO3 2Mg + 4HCO3 + H4SiO4
pri močno kislih pogojih: Mg2SiO4 + 4H+ 2Mg2+ + Mg2SiO4
hidroliza ortoklaza nastane kaolinit
-
reakcija hidrolize je vezane na disociacijo vodne molekule H2O v H in OH ione nastopi ob
prisotnosti kisline
v naravi prisotne kisline, ki spodbujajo hidrolizo: ogljkova kislina (nastane pri raztapljanju CO2 v vodi),
huminske kisline (različne kisline, ki nastanejo pri bakterijski razgradnji organske snovi v tleh)
ena od glavnih reakcij preperevanja je hidroliza (alumo)silikatnih mineralov nastane šibka Si-kislina
(H4SiO4), ki je zelo stabilna
4KAlSI3O8 + 22H2O 4K+ 4OH- + Al4Si4O10(OH)8 + 8H4SiO4
hidroliza magnezita
pri nevtralnih pogojih:
MgCO3 + H2O Mg2+ + OH- + HCO3pri šibko kislih pogojih: MgCO3 + H2CO3 Mg2+ + 2HCO3pri močno kislih pogojih: MgCO3 + 2H+ Mg2+ + H2CO3
• dež, ki pade na kamninsko podlago
ima kisel pH (≤ 5.7), ker absorbira
atm CO2 voda pot nadaljuje
skozi ali po silikatnih kamninah pH raste ko voda doseže morje
ima že povsem bazičen značaj!
• pri preperevanju silikatov se torej
porablja kislina, oz. močnejšo kislino
nadomesti šibkejša raztopina, ki
je v stiku s silikati tako postane bolj
alkalna
PREPEREVANJE
OKSIDACIJA
v prisotnosti kisika se iz mineralov, ki vseujejo Fe obarjajo netopni Fe-oksidi
in Fe-hidroksidi (hematit)
oksidacijo Fe-mineralov označuje značilna rdeče-oranžna barva takih prevlek
na površini kamnin (zadostuje že min količina Fe)
oksidacija fajalita
pri nevtralnih pogojih: Fe2SiO8 + 0.5O2 + H2O Fe2O3 + H4SiO4
2+
v prisotnosti C-kisline: Fe2SiO8 + 4H2CO3 2Fe + 4HCO3 + H4SiO4
2+
2Fe + 4HCO3 + 0.5O2 + 2H2O Fe2O3 + H2CO3
10
12/4/2014
PREPEREVANJE
Vloga rastlin in rastlinskih ostankov pri ke-preperevanju
kompleksna toda ne pretirano pomembna
rastlinske korenina obdaja električno polje z nabitimi delci pospešijo običajne anorganske
ke-reakcije med delci in fluidi v tleh
fi, ke in bio procesi delujejo
mikroorganizmi v tleh
vzajemno se dopolnjujejo
bakterije, alge, gljive, lišaji, mahovi pomembna vloga
in pospešujejo mehansko
odmrli rastlinski ostanki vodotopni anioni organskih kislin razgradnjo
PREPEREVANJE
PRODUKTI PREPEREVANJA
material, ki nastane pri preperevanju in eroziji na kontinentalnih delih Zemlje terigen
material, terigen klastični detritus ali terigene komponente: minerali izluženi iz kamnin, litični
delci (drobci prvotnih kamnin), novi minerali nastali pri preperevanju
prepereli material na površini je komponenta
regolita, ki ponavadi prekriva matične kamnine
kamninotvorni minerali so različno odporni
na ke-preperevanje
najpomembnejši produkt ke-preperevanja
silikatov so glineni minerali
produkt ekstremnega ke-preperevanja so Aloksidi (boksit) in Fe-oksidi (hematit)
če je ke-preperevanje šibko in podrejeno
mehanskemu se v detritusu močno poveča
delež LZ (definirajo tip izvornih kamnin) LZ so različno odporna (LZ z evaporiti hitro
razpadejo, bazaltna in apnenčeva LZ so zelo
obstojna pogosta v plitvomorskih klasitih)
Relativna stabilnost mineralov na površju Zemlje
11
12/4/2014
PREPEREVANJE
NASTANEK TAL
pomemben proces pri pretvorbi matične kamnine in regolita v detritus primeren za transport
ke- in fi-preperevanje na mestu reultira v nastanek tal kasneje jih modificirajo bi-procesi
rastlinske korenine penetrirajo v kamnino in
pospešijo njen razpad
akumulacija vegetacije (humusa) spremeni kemizem
površinske vode (nastajajo huminske kisline)
če ni erozije, profil tal s časom postaja debelejši
gravitacija ali tekoča voda glavna erozijska dejavnika
tal kritična na pobočjih, pomembna tudi na
ravnih predelih erozijska žarišča
večinski delež sedimentnega tovora v rekah zmernih
in humidnih tropskih klimatskih pasov je bil nekoč
del talnega profila
tla nastajajo tudi v kontinentalnih sedimentacijskih
okoljih (rečne poplavne ravnice) če takšna tla
prekrijejo mlajši sedimenti se ohranijo v
straigrafskem zaporedju kot PALEOTLA (fosilna tla)
In-situ profil tal
PREPEREVANJE
NASTANEK TAL
pomemben proces pri pretvorbi matične kamnine in regolita v detritus primeren za transport
ke- in fi-preperevanje na mestu reultira v nastanek tal kasneje jih modificirajo bi-procesi
rastlinske korenine penetrirajo v kamnino in
„gullying“
pospešijo njen razpad
akumulacija vegetacije (humusa) spremeni kemizem
površinske vode (nastajajo huminske kisline)
če ni erozije, profil tal s časom postaja debelejši
gravitacija ali tekoča voda glavna erozijska dejavnika
tal kritična na pobočjih, pomembna tudi na
ravnih predelih erozijska žarišča
večinski delež sedimentnega tovora v rekah zmernih
in humidnih tropskih klimatskih pasov je bil nekoč
del talnega profila
tla nastajajo tudi v kontinentalnih sedimentacijskih
okoljih (rečne poplavne ravnice) če takšna tla
prekrijejo mlajši sedimenti se ohranijo v
straigrafskem zaporedju kot PALEOTLA (fosilna tla)
In-situ profil tal
12
12/4/2014
EROZIJA IN TRANSPORT
• preperevanje in-situ razpadanje kamnin
• erozija odstranitev regolita = vključitev produktov preperevanja v transportni medij
• transport prenos materiala z mesta preperevanja na mesto odlaganja (sedimentacijski bazen -↓n.m.v.)
TRANSPORT
nesprijet material na pobočju lahko
premakne gravitacija
odplaknejo reke
odpihne veter
postrga in s seboj odnese led
premakne kombinacija naštetih procesov
podori, zdrsi, plazovi glavni dejavniki
prenosa velikih količin materiala po
gorskih pobočjih relativno kratek
transport (max do dna doline)
transport terigenega detritusa na
velike razdalje ponavadi zahteva
vodni transport (+/- led in veter v
nekaterih okoljih)
Re < 500 laminarni tok
Re > 2000 turbulentni tok
Laminarni tok je značilen za tokove z veliko kinematično viskoznostjo:
drobirski tok
ledeniški tok
tok lave
večina zračnih in vodnih tokov, ki
prenašajo sedimente je turbulentnih
Tokovi z nizko kinematično viskoznostjo so praviloma turbulentni že pri majhnih hitrostih:
zračni tok vsi naravni zračni tokovi, ki prenašajo delce so turbulentni
vodni tok laminarni le pri zelo nizki hitrosti ali zelo majhni globini toka običajno je turbulenten
13
12/4/2014
Transportni mehanizmi
kotaljenje premikanje po dnu vodnega ali zračnega toka
delec ves čas ohranja kontakt s podlago
saltacija premikanje v periodičnih skokih delec v
intervalih izgubi stik s podlago in del poti opravi dvignjen v
telo fluida, predno ponovno vzpostavi stik s podlago
(„odskakovanje“)
suspenzija turbulenca v fluidu zagotavlja zadostno
vertikalno komponento gibanja, ki med transportom
kontinuirano vzdržuje delce v telesu fluida, torej ločene od
podlage
Vrste sedimentnega tovora
talni tovor delci, ki jih tok prenaša s kotaljenjem in saltacijo
tovor v suspenziji delci, ki se prenašajo v suspenziji
Transport delcev s fluidom vkjučuje 2 zaporedna koraka
(1) erozija in vklučitev delcev iz podlage v tok
(2) penos delcev s tokom vzdolž ali nad podlago
procesi so enaki pri transportu z vodo ali zrakom!!!
razlika: potrebne so višje hitrosti zračnega toka, da premaknejo delce določene
velikosti (zrak ima nižjo gostoto in viskoznost kot voda!)
nizke hitrosti vodnega toka v suspenziji se
lahko transportirajo le drobna zrna (glina,
drobnozrnat melj) in zrna z nizko gostoto peščena zrna se gibljejo s kotaljenjem in delno
s saltacijo
velike hitrosti toka vsa zrna melja in delno
peska se gibljejo v suspenziji drobnozrnati
prod se giblje s saltacijo, vsa ostala večja zrna
pa s kotaljenjem
tok skozi
cev
žš
š
p tlak
tok v
koritu
14
12/4/2014
Velikost delcev in hitrost toka
kritična hirost hitrost
fluida, ki je potrebna, da se
delec določene velikosti
vključi v tok velikost je
odvisna od mase delca
kohezivnost
glinenih
mineralov!!!
vlečna sila, ki je potebna, da
premakne delec v smeri toka
narašča z naraščajočo maso
delca enako narašča dvižna
sila, ki je potrebna za dvig
delca v tok
za zrna v velikosti peska in
proda velja enostaven linearni
odnos med maso delca ter
vlečno in dvižno silo za
drobnejše frakcije je ta odnos
bolj kompleksen
Hjülstromov diagram
(nadomestil ga je Shieldov
diagram; Miller ea 1977)
kritična hitrost potrebna za
vključitev delcev v tok
rigiden vs.
plastičen mulj
odnos med v-toka in
d-delcev, ki se
gibljejo v tem toku
velikost delcev v
kamnini indikator
hitrosti toka v času
usedanja tega delca
Press & Siever 1986
za vklučitev delca v tok je potrebna večja hitrost kot za transport delcev, ki so že vključeni
v tok
Hitrost usedanja delcev
takoj ko tok delec dvigne (vključi) v telo fluida, le-ta prične padati nazaj proti dnu
toka razdalja, ki jo delec prepotuje vključen v telo fluida (predno se usede
nazaj na dno) je odvisna od: velikosti vlečne in dvižne sile toka, turbulence fluida
in hitrosti usedanja delca
delec najprej pospešeno pada proti dnu, potem pa doseže neko končno
(terminalno) hitrost usedanja definira jo Stokesov zakon
•
•
•
•
•
č
!
"
# $ "
% žš
sedimentne plasti običajno gradijo delci različnih velikosti
velikost zrn se lahko spreminja po nekem vzorcu gradacija: normalna ali
inverzna postopna zrnavost (znotraj ene plasti ali v zaporedju več plasti)
normalna postopna zrnavost je bolj pogosta nastane ob usedanje delcev iz
suspenzije ali kot posledica zmanjševanja hitrosti toka skozi čas
normalna gradacija je posledica Stokesovega zakona večji delci se hitreje
usedajo iz suspenzije v mirujočem fluidu se odložijo prej kot drobna zrna
omejitve Stokesovega zakona:
velja le za drobnejša zrna (drobni pesek ali manj) vlek večjih zrn skozi fluid
namreč povzroči turbulenco in s tem zmanjšanje hitrosti usedanja
velja za kroglasta zrna vlečni efekt je večji za ploščata zrna, ki se zato
usedajo počasneje sljudna zrna se skoncentrirajo v vrhnjih delih plasti
transport z različnimi fluidi
• sile, ki delujejo na delec so funkcija % in fluida
ter mase delca zrno skozi zrak pada z večjo
hitrostjo kot skozi vodo (% zraka je manjša in
∆ je večja kot v vodi)
• fluidi z večjo % ustvarjajo večjo vlečno in
dvižno silo na delec pri dani hitrosti vodni
tokovi lahko pri pogojih običajnega rečnega
toka prenašajo delce celo v velikosti balvanov
zračni tokovi niti pri zelo veliki hitrostih
(viharjih) ne morejo premakniti delcev večjih
od mm razlikovanje TM!
• visoko-% fluidi (led, drobirski tokovi) prenašajo
delce s premerom več m ali več 10 m
15
12/4/2014
GRAVITACIJSKI TRANSPORT
voda običajno ni prisotna
strma gorska pobočja gravitacijsko premikanje po
pobočju navzdol začetna oblika erozije in transporta
preperelega materiala
(i) POBOČNI GRAVITACIJSKI TRANSPORT več vrst
procesov:
zdrs („landslide“) koherentna masa kamnin se premakne
po pobočju navzdol notranja struktura (ali celo
stratigrafsko zaporedje) zdrselega telesa se ohrani translacijski premiki več 1000 m3 kamnin
podor („rock fall“) kamninsko telo se med premikanjem
razlomi ob vznožju pobočja se oblikuje kaotična masa
materiala
potrebna voda
tovrstna gravitacijskla premikanja lahko sprožijo različni dejavniki: potres, izpodrezanje baze pobočja, dvig podtalnice pod
nestabilnim pobočjem ob močnem dežju, ...
lezenje tal („soil creep“) ko se regolit prepoji z vodo precej počasnejši proces kot pri podorih in
zdrsih zaznamo ga z večletnim kontinuiranim monitoringom pobočja
plazenje („slumping“) nekje med lezenjem in zdrsi plazenje je trenutni proces, enako kot zdrs, le da
je se pri plazenju kamninska masa zaradi prepojenosti z vodo obnaša plastično med potovanjem po
pobočju se interna struktura značilno deformira ob zadostni količini vode se plaz lahko pretvori v
drobirski tok
16
12/4/2014
(ii) SEDIMENTNI GRAVITACIJSKI TOKOVI
glede na vrsto mehanizma oz. interakcije med
fluidom in zrni, ki vzdržuje sedimentni
material v gibanju, ločimo 4 tipe sedimentnih
gravitacijskih tokov
zrnski tok
utekočinjeni tok
blatni in
drobirski tok
turbiditni tok
zrnski tok nastane, ko se nekohezivni
(nevezani) sedimentni delci (na pr. suh pesek)
zaradi gravitacije premaknejo po pobočju
navzdol
čeprav sta med zrna ujeta zrak ali voda ne
poganjata delcev v gibanje delujeta le kot
„mazivo“
delce v gibanju vzdržujejo medzrnske interakcije
(trki)
klasičen primer zrnskega toka so peščeni plazovi
nastanejo vsakič, ko naklon peščene sipine
preseže strižni kot (25-30°)
nastajajo tudi v globokomorskem okolju peščeni plazovi na strmih pobočjih podmorskih
kanjonov
utekočinjeni tok koncentrirana „raztopina“ zrn, ki jih podpira
intersticijska porna voda koncentracija zrn je premajhna, da bi
nastale kohezivne sile
tok se sproži, ko se zaradi nekega zunanjega vzroka (na pr. seizmični val)
poveča pritisk na intersticijsko porno vodo ta se začne dvigat in prej
mirujoča zrna se pričnejo premikati nesprijet pesek se spremeni v
močno viskozno suspenzijo, ki spominja na „živi peseku“
zrna v suspenziji vzdržuje gibanje pornih fluidov navzgor ko se zrna na
dnu suspenzije usedejo, povzročijo gibanje vode v smeri navzgor pritisk
pornih fluidov podpira zrna v vrhnjem delu toka
takoj ko se tok prične premikati po pobočju navzdol v fluidu nastane turbulenca utekočinjeni tok se hitro razvije v
turbiditni tok
likvifikacija vs. fluidizacija
tok ali suspenzija je...
...likvificiran(-a) zrna med
usedanjem izpodrivajo
tekočino, ki se premakne
navzgor
...fluidiziran(-)a tekočina se
giblje navzgor med zrni in jih
začasno pretvori v suspenzijo
17
12/4/2014
muljasti (blatni) in drobirski tok
muljasti (blatni) tok muljasta podpora gradi ga blatna gmota
likvificiranega mulja (kot mokri cement) izvornemu materialu se primeša
velika količina vode (obilne padavine, taljenje ledu, dvig podtalnice)
blatni tok se zelo hitro premika po pobočju navzdol zaradi gravitacije kot zelo hiter poplavni tok velikost delcev vključenih v transport
običajno ne presega peščene frakcije
zdrsi, ki se jim po poti primeša večja količina vode, se ∆ v blatne tokove
velikost zrn in vsebnost vode določata, kdaj bo
muljasti material pričel teči drobnzrnat
material ali tla imajo manjši strižni kot kot
debelozrnat material drobirskega toka; tok lahko
sproži tudi padajoče kamnenje
nekateri muljasti tokovi so vezani na vulkansko
aktivnost: laharji (blatni tok drobnozrnatega
piroklastičnega materiala po pobočju vulkana) in
„jökulhlaupi“ (izbruh vulkana pod ledenik ali polarno
kapo)
Mount St. Helens 1980 2,8 km3 20.000- kratnik atomske bombe Hiroshima
Kabir Kuh, SW Iran 20 km3 h=300 m, w=5 km, td=14 km
podmorski blatni tok pred 60.000 leti td=1.500 km
18
12/4/2014
če so v blatni tok vključena zrna, ki presegajo muljasto frakcijo (pesek,
grušč, balvani) nastane drobirski tok zrnska podpora
drobirski tokovi značilno nastajajo med močnim deževjem na območju
strmih gorskih kanjonov sprožijo jih različni dejavniki
pogoji za nastanek drobirskega toka: strmo pobočje (>25°), velika količina
nesprijetega sedimentnega materiala in dovolj vode, ki ta material prepoji
Cona transporta
Cona odlaganja
Cona transporta
ZRNSKA PODPORA
(grain or clast supported)
Začetek
drobirskega toka
MULJASTA PODPORA
(matrix supported)
razmerje sediment vs. voda delež
sedimentnega tovora v velikosti peska ali več
•
•
•
•
blatni tok do max 20%
hiperkoncentrirani tokovi 10-40%
drobirski tok > 40-50%
običajni rečni tok < 10%
med potjo po pobočju se drobirski tok pospešuje zaradi gravitacije (hitrosti 10 ali več m/s) pot nadaljuje po rečnih
kanalih material se odloži na aluvialno pahljačo ali poplavno ravnico v dnu doline več 100.000 m3
zgradba drobirskega toka
glava vsebuje največje delce (grušč, balvani) povzročajo veliko trenje
telo tok ima znatno nižje trenje (prevladuje pesek, melj in glina) drobni
delci vzdržujejo visok tlak pornih fluidov večajo mobilnost toka
gozdna področja drobirski tokovi vključujejo veliko
lesnega drobirja (veje, štori, kosi debel, ...)
rep drobirskega toka lako vsebuje večjo količino vode hiperkoncentrirani
vodni tok
drobirski tok se giblje pulzirajoče serija impulzov oz. ločenih valov
vsak val ima svojo glavo, telo in rep
blatni vs. drobirski tok
• velika vsebnost gline &
melja (> 50%) muljasti
tok bolj „tekoč“ od
drobirskega; giblje se lahko
enako hitro kot voda med
zelo hitrim poplavljanjem
• muljasti tokovi na kopnem
so precej redkejši od
drobirskih prevladujejo
na podmorskih
kontinentalnih robovih, kjer
pogosto sprožijo nastanek
pravih turbiditnih tokov
• tok vzdržuje trdnost podpora osnove
19
12/4/2014
turbiditni tok gravitacijski tok v katerem sedimentna zrna v toku
(suspenziji) vzdržuje vertikalna komponenta turbulence fluida
gravitacijski tok, ki potuje skozi mirujočo vodo po pobočju oceana ali jezera
tok se giblje, ker ima večjo gostoto kot medij skozi katerega potuje delce v gibanju vzdržuje turbulenca znotraj toka
turbiditni tok sprožijo različni dejavnki: potres, plazovi, preobremenitev,
sedimenta povečan dotok rečnega sedimentnega tovora, vulkanska erupcija,
nevihtni val...
značilna območja seizmično nestabilna
okolja pobočja globokomorskih jarki
vzdolž konvergentnih stikov litosferskih
plošč, kontinentalna pobočja in podmorski
kanjoni pasivnih robov...
turbiditni tok ima lahko obliko velikega
blatnega vala ali pa je bolj enovit to je
značilno zlasti za turbiditne tokove v sladki
vodi (jezerih) takšen tok nima razvite
erozijske glave
hitrost turbiditnega toka: naraščanje naklona
pobočja porast hitrosti turbiditnega toka
večja turbulenca v tok se dvigne več
sedimenta poveča se gostota toka dodatno povečanje hitrosti (do ½ zvočne
hitrosti)
20
12/4/2014
turbiditni tok
razvoj turbiditnega toka: katastrofični dogodek turbulenca v okolnem fluidu intenzivna erozija in vključevanje sedimenta z dna bazena v tok turbulenca ohranja
delce v suspenziji nastane gost turbiditni oblak, ki se giblje po pobočju navzdol
(večja ko je erozija, več sedimenta se suspendira, večja je hitrost toka)
turbiditni tok se razdeli v 3 dele:
glava najgostejši del toka z zaokroženo obliko, material v glavi se giblje naprej in navzgor in se
vrača nazaj v telo najdrobnejši material se dvigne v okolni fluid in v obliki oblaka nekoliko
zaostaja za tokom glava ima veliko erozijsko moč (najdebelejša frakcija) in erodira podlago erozijske txt
telo ima enovit miren tok mešanje z okolnim fluidom je relativno majhno delci se
usedajo telo se giblje dokler ima glava erozijsko moč prehiteva glavo zagotavlja dotok
materiala v glavo
rep tu se material hitro razredči, gostota materiala se
bistveno zmanjša z dolžino premika toka se veča dolžina
repa
tok se ustavi, ko se koncentracija sedimenta zaradi
usedanja delcev znatno zmanjša
turbiditni tok
glede na delež prisotne peščene frakcije ločimo:
nizkogostotni turbiditni tok (manj kot 20-30%) glina, melj, drobno do srednjezrnat pesek vsa zrna potujejo v suspenziji
visokogostotni turbiditni tok debelozrnat pesek, prod, balvani (+ drobnejši material!) debelejša zrna v toku ohranja (podpira)
turbulenca, ki jo povzroča usedanje delcev skozi medij z veliko koncentracijo sedimenta ter vzgon, ki ga zagotavljajo intersticijske vode, ki
vsebujejo velik delež drobnih zrnc
glava turbiditnega toka se običajno obnaša kot visokogostotni turbiditni tok, bolj razredčeni rep pa kot
nizkogostotni TT
visokogostotni turbiditni tok
se od drobirskega toka loči po
tem, da drobirski tok vsebuje
manj vode in da ni
turbulenten
21
12/4/2014
Sedimenti gravitacijskih tokov
sedimenti zrnskih tokov
sedimenti utekočinjenih tokov
sedimenti blatnih in drobirskih tokov
značilno izklinjanje in razširjanje posameznih peščenih plasti
značilne teksture odvonjevanja v pretežno peščenih kamninah
slabo sortirana mešanica mulja, balvanov, organskega materiala
in drugih naplavin
sedimentna telesa z dobro opredeljenimi robovi, nepravilno
površino in zaokroženo obliko dosegajo cca 3-6 m v višino
gradijo velik del številnih aluvialnih pahljač, debritne stožce ob
vznožju gorskih pobočij in vulkanov
v čelu in bokih drobirskih tokov je skoncentriran material v
velikosti balvanov; prav tako so transportne poti drobirskih
tokov zaznamovane s prisotnostjo balvanskih bočnih nasipov
nekatere plasti drobirskih tkov imajo inverzno gradacijo debela zrna zgoraj, drobna spodaj pritisk med transportom
potisne velika zrna navzgor; ko se tok ustavi se tako odložijo
22
12/4/2014
sedimenti turbiditnih tokov FLIŠ
iz nizkogostotnih turbiditnih tokov se odložijo značilne
Boumove sekvence z normalno gradacijo Bouma, 1962
A (Ta) – horizont z normalno postopno zrnavostjo
B (Tb) – horizont spodnje horizontalne laminacije
C (Tc) – horizont navzkrižne in konvolutne laminacije
D (Td) – horizont zgornje horizontalne laminacije
E (Te) – brezstrukturni horizont pelagičnih muljevcev
idealno zaporedje večinoma: A+B, C, D (Hsü, 1989)
xx
xx
xx
v obliki turbiditnih
tokov se lahko
transportira klastični
in/ali karbonatni
material:
- klastični turbiditi
- karbonatni turbiditi
23
12/4/2014
sedimenti turbiditnih tokov
iz visokogostotnih turbiditnih tokov se odložijo značilne
Lowove sekvence z normalno gradacijo Lowe, 1982
Lowe dodaja 3 horizonte k prvotni Boumovi terminologiji:
S1 - horizont peščenjaka ali konglomerata na bazi turbidita horizontalna do navzkrižna laminacija (takcijski transport)
S2 - ihorizont z inverzno gradacijo trakcijski tovor (trki zrn!)
S3 - masiven do N-gradiran drobno do debelozrnat peščenjak sedimentacija iz turbulentne suspenzije teksture odvodnjevanja
(„dish & pillar“ txt) ekvivalent Boumovega A-horizonta (Ta)
Različni faciesi turbiditnih tokov
nizkogostotni turbiditi:
• tankoplastnate sekvence
drobno zrnatih kamnin
• dobro razvite tokovne txt
• na bazi turbidita so
značilne erozijske txt
visokogostotni turbiditi:
• debeloplastnate prodnate
sekvence
• slabo razvite tokovne txt
• na bazi turbidita skoraj ni
erozijskih txt
24
12/4/2014
Različni faciesi turbiditnih tokov
nizkogostotni turbiditi:
• tankoplastnate sekvence
drobno zrnatih kamnin
• dobro razvite tokovne txt
• na bazi turbidita so
značilne erozijske txt
visokogostotni turbiditi:
• debeloplastnate prodnate
sekvence
• slabo razvite tokovne txt
• na bazi turbidita skoraj ni
erozijskih txt
Teksturne značilnosti sedimentov, ki jih odložijo 4 glavni tipi sedimentnih gravitacijskih tokov
zrnski tok
utekočinjeni tok
drobirski tok
turbiditni tok
25
12/4/2014
SEDIMENTACIJA
SEDIMENTACIJA odlaganje prinešenega
terigenega materiala pod valovno bazo
topne sestavine, ki jih v bazen prinesejo površinske
vode ali ki nastanejo vzdolž MOR pri interakciji
vode z vročo magmatsko kamnino, lahko dosežejo
zadostno koncentracijo, da se pričnejo obarjati
(anorganski procesi)
v večini primerov pri izločanju topnih sestavin
sodelujejo organizmi (organski/biološki procesi)
rastlinski ali živalski (organski) ostanki lahko
pridejo v bazen skupaj s terigenim sedimentnim
materialom ali pa izvirajo iz bazena samega
SEDIMENT: terigen material + kemično/biokemično izločene topne sestavine +
rastlinski/živalski ostanki terigenega in bazenskega izvora
DIAGENEZA
DIAGENEZA zajema vse fi-ke procese, ki potekajo od odložitve sedimentov do
pričetka metamorfoze (ob premiku sedimentnih kamnin v večje globine) ali
preperevanja (ob dvigu sedimentnih kamnin na površje)
po odložitvi sedimentov te postopno prekrivajo vedno mlajši nanosi (plasti) sedimentov
prvotno rahlo odložena sedimentna zrna se najprej približajo in preuredijo v kompaktnejšo
strukturo
povišan P in T vplivata na raztapljanje in ponovno izločanje posameznih komponent,
precipitacijo novih mineralov ...
s pomočjo KONSOLIDACIJE in CEMENTACIJE se sediment LITIFICIRA v sedimentno kamnino
26
12/4/2014
NASTANEK SEDIMENTNIH KAMNIN - POVZETEK
fizikalno
(bio)kemično
1. preperevanje
starejša
magmatska
metamorfna
sedimentna
kamnina
voda
veter
led
visokogostotna
mešanica vode
in mulja
IZVORNA KAMNINA
DELCI
RAZTOPINE
2. transport
kompakcija
konsolidacija
cementacija
litifikacija
3. usedanje
SEDIMENT
4. diageneza
SEDIMENTNA KAMNINA
TERMINOLOGIJA IN DEFINICIJE
SEDIMENT
je vsak naravno nastal nevezan
material. Sestavljen je iz delcev
anorganskega ali organskega izvora, ki
so nastali s preperevanjem ter
kemičnim in biokemičnim izločanjem.
Nastaja pri normalnih tlačnih in
temperaturnih pogojih, torej blizu
površja, v atmosferskih ali akvatskih
okoljih.
Mejne skupine
SEDIMENTNA KAMNINA
PREPERINSKI SEDIMENTI manjka transport
PIROKLASTIČNE KAMNINE manjka prperevanje
je koherenten, konsolidiran in
litificiran sediment
Zaporedje prej naštetih sedimentnih procesov rezultira v nastanek 4 skupin osnovnih sestavin, ki v
različnih razmerjih gradijo sedimentne kamnine:
terigene siliciklastične komponente
kemične in biokemične (alokemične) komponente
karbonizirane komponente
avtigene komponente
27
12/4/2014
1. TERIGENE SILICIKLASTIČNE KOMPONENTE
IZVOR TK razgradnja kamnin s preperevanjem + kopenski eksplozivni vulkanizem
delci v velikostnem razredu od proda/grušča do mulja (2 do 0.063 mm)
(I.) posamezna MINERALNA ZRNA
op.: piroklastični material ima
lahko tudi znotrajbazenski izvor!
kremen, glinenci, sljude (večinoma silikati) in “težki” minerali (cirkon, turmalin, titanit, rutil, epidot,
neprozorni minerali ...)
(II.) LITIČNA ZRNA mineralni agregati
drobci starejših magmatskih, metamorfnih ali sedimentnih kamnin (zgrajenih pretežno iz silikatov)
28
12/4/2014
(III.) TERIGENA OSNOVA
drobnozrnati minerali: kremen, glinenci, sljude (drobnejši od muljaste frakcije: < 0.063 mm)
sekundarni minerali: Fe-oksidi, glineni minerali nastanejo na mestu preperevanja kamnin s
procesi rekombinacije in kristalizacije elementov, ki se sprostijo pri preperevanju primarne
kamnine
TERIGENI SILICIKLASTIČNI DELCI ALI EKSTRAKLASTI
trdni delci izvenbazenskega +/- piroklastičnega izvora, ki jih transportni medij prinese v bazen; gradijo
večino konglomeratov, peščenjakov in glinavcev siliciklastične sedimentne kamnine
2. KEMIČNE IN BIOKEMIČNE (ALOKEMIČNE) KOMPONENTE
IZVOR AK ke- in bioke- procesi znotraj bazena:
povzročijo precipitacijo sestavin raztopljenih v bazenski vodi izločajo se minerali: kalcit,
sadra, apatit ter kalcitni in silikatni skeleti organizmov
izločeni minerali lahko ustvarijo “skupke” v velikosti melja (0.002-0.063 mm) ali peska (0.0632 mm), ki jih valovi in tokovi znotraj bazena transportirajo na krajše razdalje
(I.) INTRAKLASTI
delno konsolidirani delci iz muljaste podlage bazena
29
12/4/2014
(II.) PELOIDI
(III.) LUPINASTA ZRNA
peleti, peletoidi
ooidi, onkoidi
(IV.) AGREGATNA ZRNA
sestavljena zrna
(V.) BIOGENI
moluski, brahiopodi, ehinodermi, korale, briozoji, ostrakodi, foraminifere, alge, spongije
KEMIČNE IN BIOKEMIČNE (ALOKEMIČNE) KOMPONENTE
trdi delci nastali s (bio)kemičnim obarjanjem, ki lahko ustvarjajo agregate in so znotraj bazena prenešeni na
krajše razdalje znotrajbazenske sedimentne kamine: apnenci, roženci, evaporiti, fosforiti
30
12/4/2014
3. KARBONIZIRANE KOMPONENTE
IZVOR KK ohranjeni in karbonizirani ostanki
terestičnih in morskih rastlin ter živali +
bituminozna snov:
(I.) karboniziran HUMINSKI MATERIAL
(II.) SAPROPELSKI OSTANKI
ostanki lesenih delov kopenskih rastlin glavna
sestavina večine premogov
spore, pelodi, fito- in zooplankton, macerali
(rastlinski debris, ki se je akumuliral v vodi) glavna sestavina “cannelskih premogov” (terestični
oljni skrilavci z veliko vsebnostjo H, ki zlahka
zagorijo in za seboj pustijo le malo pepela) in
oljnih skrilavcev
(III.) BITUMINOZNA SNOV (bitumni)
trdni asfaltni ostanki, ki ostanejo po
devolatilizaciji, oksidaciji in polimerizaciji nafte
KARBONIZIRANE KOMPONENTE
karbonizirani ostanki rastlin in živali ter bitumni lahko so transportirani na krajše ali daljše razdalje
4. AVTIGENE (ORTOKEMIČNE) KOMPONENTE
IZVOR OK minerali , ki se izločijo iz pornih vod v sedimentih med diagenezo
nastanejo lahko v katerikoli vrsti sedimentne kamnin med diagenezo, vendar nikoli ne
predstavljajo prevladujoče komponente
izločijo se lahko dolgo po odložitvi terigenih in/ali alokemičnih komponent
sekundarni ali avtigeni minerali:
(I.) SILIKATNI MINERALI: kremen, glinenci, glineni minerali, glavkonit
(II.) NESILIKATNI MINERALI: kalcit, dolomit, sadra, barit, hematit
(III.) MIKRITNA OSNOVA
AVTIGENE KOMPONENTE
silikatni in nesilikatni minerali, ki se izločijo v sedimentu in kamnini med diagenezo ne kažejo znakov
transporta
31
12/4/2014
KLASIFIKACIJA SEDIMENTNIH KAMNIN
Glede na relativno
zastopanost naštetih
komponent sedimentne
kamnine razdelimo v tri
osnovne skupine:
SILICIKLASTIČNE
(TERIGENE) sedimentne
kamnine
KEMIČNE IN BIOKEMIČNE
sedimentne kamnine
KARBONIZIRANE
sedimentne kamnine
Nadaljna delitev na osnovi:
velikosti zrn +/-
mineralne sestave
Volumetrično pomembni le: glinavci,
peščenjaki in apnenci.
Chemical/Biochemical rocks
Terrigenous
or siliciclastic
rocks
Group
name
Carbonaceous rocks
KLASIFIKACIJA SEDIMENTNIH KAMNIN
32

02_Izvor, klasifikacija in nastanek sedimentnih kamnin 2014

Transcription

Similar documents

Spoznajmo prsti

Nedeljski Dnevnik

Geokemijska analiza

Kaj je terminologija?

Varnostni list 1 IDENTIFIKACIJA SNOVI/PRIPRAVKA

Eko čaji - Nasmeh narave

Petrologija skripta

Minerali v rudiščih

Penca, orodjarstvo – plastika, d.o.o.

Pojasnilo o NUTS - Statistični urad Republike Slovenije