Petrologie sedimentárních hornin Literatura: Kukal, Z.: Základy sedimentologie, Academia Praha, 1986 Hsu, K. J. (2004): Physics of Sedimentology Tato prezentace, letní semestr 2008/2009 Úvod Sedimenty: • 72% povrchu souše (bez kvartéru) • 99% povrchu dna moří a oceánů • Mohou být užitečné: – nejdůležitější nerudní suroviny – velmi důležitá rudní surovina (menší koncentrace kovů – obrovské objemy) – drtivá většina ložiskových pastí na ropu a zemní plyn – obsahují záznam událostí na Zemi – záznam vývoje života na Zemi • Mohou být i nebezpečné: – absorbují polutanty – Padají, klouzají, sesouvají se a ničí … na souši … Úvod vztah sedimentologie k jiným geologickým disciplínám: • ložisková geologie, • stratigrafie, • paleontologie • mořská geologie, • geochemie, • mineralogie, • petrografie(logie) Sedimentologie Časové a prostorové měřítko • Sedimentologie se soustředí na procesy à menší prostorové a kratší časové měřítko • Stratigrafie se soustředí na interpretaci toho kde a kdy sedimentární horniny vznikaly à větší prostorové a delší časové měřítko • Stratigrafický záznam je téměř vždy neúplný v důsledku omezeného potenciálu zachování, který s prodlužujícím se časovým měřítkem klesá Rozšíření usazených hornin na Zemi Co usazené horniny zaznamenávají? horninový cyklus Sediment à sedimentární hornina • Transport • Zaoblení: – vzrůstá se vzdáleností od zdroje • Vytřídění: - vzrůstá se vzdáleností od zdroje • Velikost zrna: - klesá se vzdáleností od zdroje Klíčové okamžiky v dějinách sedimentární geologie Metody výzkumu usazených hornin, zdroje dat • Výchozy (zpevněné vs. nezpevněné sedimenty) Metody výzkumu usazených hornin, zdroje dat • Vrtná jádra (ruční vs. strojová) Metody výzkumu usazených hornin, zdroje dat • Karotážní data (např. odporová karotáž, gamakarotáž, neutronová karotáž, spontánní potenciál, dipmetr) Metody výzkumu usazených hornin, zdroje dat • Geofyzikální profily (např. reflexní seismické profilování, georadar) Laboratorní metody výzkumu usazených hornin MIKROSKOPICKÉ TECHNIKY (výbrusy, leštěné nábrusy) • Optická mikroskopie (polarizační mikroskop) • Katodoluminiscenční mikroskopie (CL mikroskop) • Fluorescenční mikroskopie • Rastrovací elektronová mikroskopie (SEM) • Digitální analýza obrazu MINERÁLNÍ SLOŽENÍ • RTG difraktometrie • EDX, WDX analýza GRANULOMETRIE • Laboratorní vibrační sítová analýza (za sucha / za mokra) • Laserová granulometrie • Mikroskopické techniky CHEMICKÉ SLOŽENÍ • EDX a WDX analýza (elektronová mikrosonda) • Hmotnostní spektrometrie (MS) (např. s laserovou ablací LA ICP MS) • RTG fluorescence • Ramanská spektroskopie • a mnoho dalších Thermal Ionization Mass Spectrometer (TIMS) Pojmy k osvojení Procesy vzniku sedimentárních hornin • Zvětrávání • Eroze • Transport • Ukládání • Sedimentární textury • Sedimentární struktury • Klasifikace sedimentů • Bioturbace, diageneze • Prostředí sedimentace, Zvětrávání Chemické (chemický rozklad hornin) Mechanické (mechanický rozpad hornin při zachování jejich původního chemického složení a snižování velikosti zrna materiálu) Součinnost mechanického a chemického zvětrávání Biologické (činností živých organismů, živočichů, rostlin) CHEMICKÉ ZVĚTRÁVÁNÍ ROZPOUŠTĚNÍ OXIDACE / REDUKCE HYDROLÝZA HYDRATACE Rozpouštění rozpustnost ve vodě (halit) polární molekuly vody - na straně vodíku v H[2]O je kladný náboj, na straně kyslíku v H[2]O je záporný náboj, rozbití iontové vazby -> roztok většina minerálů ve vodě nerozpustné • rozpustnost závislá na pH, čím nižší pH vody, vyšší kyselost roztoku (obsah kationtu H+), tím rozpustnější • obsah kyselin ve vodě - rozklad organické hmoty v půdě, obsah CO[2] v atmosféře • rozpouštění karbonátů ve slabých kyselých roztocích CaCO[3] + 2[H^+ + (H[2])O] -> Ca^2+ + CO[2] + 3(H[2])O kalcit + vodný roztok kyseliny -> iont vápníku (rozpustný) + oxid uhličitý + voda Oxidace a redukce OXIDACE: zvyšování oxidačního čísla /valence/ • zpravidla kyslík rozpuštěný ve vodě, působí společně s hydrolýzou • rozklad minerálů obsahujících železo - olivín, pyroxen, amfibol • konečné produkty - oxidy a hydroxidy železa (hematit, goethit, limonit) 4Fe + 3O[2] -> 2Fe[2]O[3] krystalové železo + kyslík -> hematit 4Fe[2]O[3] . FeO + O[2] –> 6Fe[2]O[3] (Fe^3+) (Fe^2+) –> (Fe^3+) ^ REDUKCE: snižování oxidačního čísla /valence/ Např. vznik pyritu redukcí železitého iontu na železnatý ion Hydrolýza (disociace molekuly + nahrazení kladných iontů v mřížce kladnými produkty disociace) Disociace kyseliny hydrogenuhličité: H[2]CO[3] -> H^+ + HCO^3- Kys. hydrogenuhličitá -> vodíkový kation + hydrogenuhličitanový anion Hydrolýza ortoklasu: 2KAlSi[3]O[8] + 2(H^+ + HCO^3-) + H[2]O -> Al[2]Si[2]O[5](OH)[4] + 2K^+ + 2HCO^3- + 4SiO[2] ortoklas + kys. hydrogenuhličitá + voda -> kaolinit + draselný kat. + hydrogenuhličitan. an. + křemíkový gel Hydratace Příjem molekuly vody Fe[2]O[3] + H[2]O –> 2FeOOH Hematit + voda –> goethit Produkty chemického zvětrávání Minerál podléhající zvětrávání Produkty zvětrávání Křemen křemen, rozpuštěný křemík (molekula kyseliny křemičité) Živce jílové minerály, Ionty Ca, Na, K, rozpuštěný křemík Muskovit jílové minerály, Ionty Na, K, rozpuštěný křemík, gibsit Biotit jílové minerály, oxidy železa, K, Mg, Fe, rozpuštěný křemík Amfiboly oxidy železa, ionty Na, Ca, Fe, Mg, jílové minerály, rozpuštěný křemík Pyroxeny oxidy železa, ionty Ca, Fe, Mg, Mn, jílové minerály, rozpuštěný křemík Olivín oxidy železa, ionty Fe, Mg, rozpuštěný křemík, jílové minerály Granáty ionty Ca, Mg, Fe, oxidy železa, rozpuštěný křemík Alumosilikáty jílové minerály, křemík, gibsit Magnetit hematit, goethit, limonit Kalcit ionty Ca, ionty HCO3- Dolomit ionty Ca a Mg, ionty HCO3- Železité karbonáty (siderit, ankerit) ionty Ca, Mg, Fe, oxidy železa, ionty HCO3- Goldrichovo schéma Chemicky nestabilní minerály (ostatní) Chemicky stabilní minerály (křemen, muskovit) Chemické zvětrávání: uhlíkový cyklus • Produkce: odplynění pláště, zvětrávání karbonátů, dýchání, spalování fosilních paliv, spalování a rozklad biomasy • Spotřeba: Sedimentace karbonátů,fotosyntéza, dýchání, pohřbení biomasy, zvětrávání granitu, rozpouštění CO[2] v mořské vodě Globální ochlazení? … nebo oteplení ?? MECHANICKÉ ZVĚTRÁVÁNÍ Mrazové zvětrávání – opakovaný cyklus mrznutí (zvětšování objemu o 9%) a tání (snižování objemu) vody Teplotní výkyvy – teplotní výkyvy > 30 stupňů Celsia, bez přítomnosti vody - různé koeficienty tepelné roztažnosti u různých minerálů, problém s laboratorním potvrzením Odtížení horninových komplexů (EXFOLIACE) – vyvřelé horniny - odstranění tíhy nadloží vede k roztažení horniny a odlučování, viz situace v nově ražených důlních chodbách Abraze (koraze, eroze) – Obrušování hornin dynamikou nějakého média (voda, vzduch, led), které obsahuje pevné částice Mechanické zvětrávání Produkty mechanického a chemického zvětrávání • Litické (horninové) fragmenty (granit, bazalt, rula, atd.) • Rozpuštěné ionty (vápník, draslík, sodík, atd.) • Sekundární minerály (hematit, goethit, atd.) • Jílové minerály (illit, kaolinit, montmorillonit, atd.) • Reziduální minerály (křemen, ortoklas, muskovit, atd.) Biologické zvětrávání • kořeny rostlin, • vrtavá a hrabavá činnost živočichů, • rozklad odumřelých těl - chemické reakce za vzniku kyselých roztoků, • činnost člověka Regolit, půda • půda - pokryv litosféry, který umožňuje růst rostlin • složení - úlomky hornin a minerálů, organická hmota (humus), voda, vzduch • průměrné složení dobré úrodné půdy: Tvorba půd • Povrch zvětrávání: vrstevnatá struktura: – Celistvé horniny úplně dole – Maximálně zvětralé horniny úplně nahoře – Vyluhované ionty putují dolů s pohybem podzemní vody – Znovu se srážejí: voda směřuje k chemickému ekvilibriu • Půdní profil. Tvorba půd • Mineralogie a mocnost půdních vrstev je závislá na zdrojových horninách, klimatu (teplota a srážky), a stáří. • Kterou z následujících půd byste obdělávali nejraději ? (žádnou !) mechanické odstraňování materiálů prostřednictvím nějakého hybného média Hybná média: Gravitace Dešťová a skapová voda Tekoucí voda Led(ovec) Vítr Moře Eroze a transport vlivem gravitace, Gravitace • gradient (sklon) svahu, horské oblasti x nížiny, podmořské oblasti Eroze a transport tekoucí vodou, Hjustromova křivka Eroze a transport tekoucí vodou Tekoucí voda • hloubková eroze • zpětná eroze • plošná eroze • evorze • vliv sklonu svahu • geomorfologické tvary: obří hrnce, říční údolí, meandry Eroze a transport dešťovou a skapovou vodou Dešťová a skapová voda • geomorfologické tvary: zemní pyramidy, skalní hřiby, ronové rýhy Tekoucí voda • hloubková eroze, zpětná eroze, plošná eroze, evorze • vliv sklonu svahu • geomorfologické tvary: obří hrnce, říční údolí, meandry Eroze a transport ledem Led(ovec) • geomorfologické tvary: • kontinentální ledovce • erozní činnost - glaciální rýhy • horské ledovce • ledovcový kar, ledovcový splaz • údolí tvaru U, fjord, glaciální rýhy Eroze větrem Vítr • větrná eroze - koraze (obrušování), deflace (odnos) • větrné proudnice - duny, návětrná strana, závětrná strana • geomorfologické pojmy: hrance Eroze činností moře Mořská eroze • abraze - činnost příboje • transgrese, regrese - eroze podložních hornin • geomorfologické pojmy: abrazní plošina, Sedimentární částice (zrna) v přírodě Částice mechanicky unášené kapalinami– sedimentární částice: Křemen, živce, kalcit, aragonit, jílové minerály: (r = 2650 kg/m3) – nejčastější Další: slídy, amfibol, pyroxeny, olivín Faktory, které ovlivňují uvedení částice do pohybu: Tvar částic určený : – Krystalizací z magmatu nebo vodného roztoku (tvar krystalů, tabulkový, sloupcovitý, apod.) – Vulkanogenní činností (pyroklastika – lapilli, prach, popel, písek, velmi nepravidelný) – Zvětráváním hornin (nepravidelný tvar – zaoblení, koule, trojosý elipsoid) – Organickou aktivitou (schránky, ooidy, klacíky, apod. – koule, válec, destičkovitý tvar) Velikost částic Vytřídění částic Transportní média Kapaliny v přírodě Faktory, které ovlivňující uvedení částice do pohybu: Hustota: ovlivňuje množství a velikost transportovaných částic a rychlost, jakou se částice usazují Dynamická viskozita: schopnost látky téci / rezistence látky na změnu jejího tvaru Kapaliny v přírodě: Vzduch (r = 12,2 kg/m3), dynamická viskozita (h) vzrůstá se vzrůstající teplotou Voda (r = 1000 kg/m3, r = 1025 kg/m3), dynamická viskozita (h) klesá s vzrůstající teplotou Magma (r = 2700 = 3100 kg/m3), viskozita (h) závislá na složení, obsahu vody laminární vs. turbulentní proudění určeno Reynoldsovým číslem TYPY TRANSPORTU Gravitační transport Prostředí: subaerické, submarinní Bahnotoky, úlomkotoky soudržné (kohezní), laminární proudění Uvedení do pohybu: přetížení svahu, zemětřesení, likvefakce (zkapalnění), sesuvy Ukládání: zpomalení toku, zmírnění sklonu svahu Turbiditní proudy kapaliny, turbulentní a laminární proudění Uvedení do pohybu: zvíření sedimentu ve vodě (zemětřesení, bouřky, podmořské sesuvy), povodně Ukládání: zpomalení toku, zmírnění sklonu svahu Glaciální transport Gravitačně indukovaný tok – led - non-newtonovská pseudoplastická látka, vysoká viskozita, převažuje laminární proudění Ukládání: tavení a sublimace ledu kapaliny (voda, vzduch), laminární a turbulentní proudění Uvedení částic do pohybu: převážně turbulentním prouděním – Transport naložením (bed load) • klouzání • válení • saltace – Transport ve vznosu (suspension) – „plavání“ částic Závisí na: – hustotě kapaliny – rychlosti toku – dynamické viskozitě – Reynoldsově čísle (laminární / turbulentní proudění) – velikosti a hustotě sedimentárních částic – a dalších faktorech Ukládání: zpomalení proudu SEDIMENTÁRNÍ TEXTURY (Sedimentary structures) Struktura – prostorové vztahy mezi zrny, zpravidla mikroskopické Textura – prostorové uspořádání zrn, zpravidla makroskopické, tvary zpravidla větší než je velikost individuálního zrna Textury: – Vrstevnatost – Textury na vrstevních plochách – Zvrstvení – Ostatní textury Vrstvy – deskovitá nebo čočkovitá tělesa jednotného petrografického složení Laminy – druh vrstev o malé mocnost (< 1cm) Zvrstvení – soubor texturních znaků uvnitř vrstev Laminace – druh zvrstvení o malé mocnosti Vrstevnatost – Čočkovitá – Deskovitá (tabulární) – Lalokovitá Zvrstvení – Gradační – Horizontální (planární) – Zvlněné – Šikmé - výmolové – Šikmé - planární – Nodulární (hlíznaté) – Konvolutní Laminace Uspořádání sedimentu do lamin II s vrstevními plochami Geneze: laminace vzniklá opakováním podmínek sedimentace • Sezónní laminace – algální laminity, stromatolity - přílivové plošiny, varvity) • Epizodická laminace (událostní sedimentace) – spad pyroklastik • Střídání energie proudu (turbidity) např. hranice mezi laminárním a turbulentním prouděním Laminace Gradační zvrstvení • Zjemňování sedimentu do nadloží – Pozitivní (normální) vs. negativní (inverzní) – Vertikální gradace vs. laterální gradace Geneze: • zpomalování energie toku Gradační zvrstvení Šikmé (čeřinové) zvrstvení vrstevní tvary: proudové duny (čeřiny) Vrstevní tvar: • Morfologie dna – rozhraní sediment/kapalina Zvrstvení: • soubor texturních znaků uvnitř vrstev Šikmé (čeřinové) zvrstvení vrstevní tvary: proudové duny (čeřiny) duny, barchany, příčné duny, čeřiny • jednosměrné větrné/vodní proudění • eroze na návětrné straně • sedimentace na závětrné straně • pohyb po směru proudění původ: • Místní nerovnosti na povrchu nesoudržného sedimentu v podmínkách proudění normální (newtonovské) kapaliny • Zpomalení a separace proudu na závětrné straně Šikmé zvrstvení: geneze Šikmé zvrstvení: soustavy čeřin (dun) Šikmé zvrstvení: laminy /\ k vrstevním plochám Dělení podle tvaru mateřského vrstevního tvaru (dun, čeřiny) • Planární • Výmolové Symetrické (vlnové) čeřiny Protisměrná oscilace vodních částeček v důsledku vlnění na hladině Proudové čeřiny Vlnové čeřiny Textury na vrstevních plochách zachovalé vrstevní tvary čeřiny proudové textury Jazykovitý tvar, spodní plochy vrstev, výlitky, směr proudění Turbulentní proudění, eroze nezpevněného podloží, vyplnění nadložním sedimentem vlečné rýhy Spodní plochy vrstev, výlitky, směr proudění bahenní praskliny Vysoušení jemnozrnného sedimentu rychlé odvodnění sedimentu pod hladinou otisky dešťových kapek Biogenní textury (bioglyfy) Čeřiny (ripple marks) Proudové stopy Vlečné rýhy Prod marks („rýpance“) Bahenní praskliny Biogenní textury Biogenní textury Dinosaur footprint in limestone Různé Sedimentární petrografie sedimentární struktury Struktura – vztahy mezi zrny, zpravidla mikroskopické měřítko • Velikost zrna • Tvar zrna • Vytřídění • Porozita • Permeabilita Velikost zrna (zrnitost) Wenworthova zrnitostní klasifikace F = -log2d ; d = průměr zrna v mm • Velikost a hustota klastů generovaných během zvětrávání ve zdrojové oblasti • unášecí, abrazní a třídící schopností transportního média balvany valouny oblázky zrnka velmi hrubozrnný hrubozrnný písek středně zrnitý jemnozrnný velmi jemnozrnný prach (silt) jíl Vytřídění • Kvalitativní odhad Gaussovy křivky, kumulativní křivky • vytřídění a velikost klastů generovaných během zvětrávání ve zdrojové oblasti • abrazní a třídící schopností transportního média (vítr, voda, led) Vytřídění: kvalitativní odhad Tvar zrna • Tvar zrna je určený : – Krystalizací z magmatu nebo vodného roztoku (tvar krystalů, tabulkový, sloupcovitý, apod.) – Vulkanogenní činností (pyroklastika – lapilli, prach, popel, písek, velmi nepravidelný) – Zvětráváním hornin (nepravidelný tvar – zaoblení, koule, trojosý elipsoid) – Organickou aktivitou (schránky, ooidy, klacíky, apod. – koule, válec, destičkovitý tvar) Struktury sedimentu Porozita a permeabilita Porozita – Objem prostor vyplněných plynem nebo kapalinou (pórů) vůči celkovému objemu horniny – Intergranulární – intragranulární – puklinová – Kavernózní – Moldická – interkrystalinní – Brekciovitá – atd. Permeabilita – Míra toho, jak rychle může horninou protékat kapalina – Závisí na porozitě, velikosti pórů a propojení pórů Klasifikace sedimentů Typy materiálu v sedimentárních horninách • Fragmenty (klasty) převážně silikátových minerálů a hornin (zpravidla derivované z oblastí mimo depoziční pánev) – Stabilní minerály křemen, jílové minerály – kaolinit, smektit, illit, karbonáty (kalcit, dolomit), chalcedon, zirkon, muskovit, hematit – Nestabilní minerály živce, chlorit, biotit, aragonit, magnetit, ilmenit, granát, titanit, epidot – Litické fragment úlomky jiných hornin • Chemické a biochemické precipitáty, (zpravidla vytvořeny uvnitř sedimentační pánve) – kalcit, aragonit, dolomit, opál, chalcedon, křemen, halit, sádrovec, anhydrit, goethit, apatit • Alochemy – fragmenty (klasty) dříve vytvořených precipitátů, fosílie, ooidy, organický materiál, fragmenty chemických a biochemických precipitátů (zpravidla vytvořeny uvnitř depoziční pánve) – kalcit, aragonit, dolomit, opál, chalcedon, křemen, halit, sádrovec, anhydrit, goethit, apatit Klasifikace sedimentů podle materiálu Klastické – siliciklastické (skupina S, siliciklastika) – vulkanoklastické Chemogenní nebo cementační (skupina P, precipitáty) Biogenní nebo organogenní – skupina A, alochemické horniny – kaustobiolity Klastické sedimenty Psefity Psamity Aleurity Pelity Detrital sedimentary rocks- classified by grain size differences Psefity Základní charakteristika • > 50% (nezpevněné) / 25% (zpevněné) / 10% (zpevněné) klastů > 2 mm v a-ose • Konglomeráty (zaoblené), brekcie (nezaoblené klasty) Klasifikace podle zpevnění • zpevněné – slepenec, brekcie • nezpevněné – štěrk Klasifikace podle podílu klastů > 2 mm a matrix < 2 mm • s podpůrnou strukturou klastů > 50% klastů (> 2 mm) • s podpůrnou strukturou matrix > 50% matrix (< 2 mm) Klasifkace podle složení klastů > 2 mm • monomiktní – (převaha klastů stabilních hornin nebo minerálů > 2 mm– křemen, kvarcit, silicit) – adjektivum „křemenný“ • polymiktní (= petromiktní) – (> 10% klastů nestabilních materiálů – hornin > 2 mm) Klasifkace podle velikosti • drobnozrnný (2-10mm) • střednozrnný (10-50mm) • hrubozrnný (50-250mm) • balvanitý (> 250mm) Brekcie • Brekcie jsou zpevněné horniny ze skupiny psefitových sedimentů. Velikost úlomků (klastů) je větší než 2 mm. Valouny, z nichž zpevněním (diagenezí) brekcie vznikaly, neprodělaly žádný nebo jen minimální transport, a proto jsou ostrohranné. • Brekcie lze rozdělit podle geneze na endogenní a exogenní. – endogennÍ brekcie : vulkanické (také lávové nebo intruzívní) brekcie a dislokační, vznikající při tektonických procesech. – Exogenní brekcie se dále dělí podle vzniku do čtyř skupin: • vzniklé mechanickými procesy na souši – brekcie vytvářejí zpevněné skalní sutě, pouštní rezidua apod.; • vzniklé mechanickými procesy ve vodním prostředí např. při podmořské erozi, skluzu, příboji apod.; • vzniklé fyzikálně-mechanickými procesy např. v krasových oblastech nebo při rozpouštění na solných ložiskách; • vzniklé biogenními procesy, při nichž se brekcie vytvářejí např. stmelením úlomků kostí. • Podle mineralogického složení klastů – Monomiktní brekcie je tvořená úlomky pouze jediného minerálu nebo horniny a lze ji v tomto případě přesněji pojmenovat – např. vápencová nebo dolomitová brekcie. – Oligomiktní brekcie: skládá se ze dvou sobě blízkých typů klastů (např. křemen a křemenem bohaté horniny) – Polymiktní (petromiktní) - tvořená rozmanitými úlomky minerálů a hornin (3, 4 i více typů klastů) • Podle podílu klastů nad 2 mm – s valounovou podpůrnou strukturou – s podpůrnou strukturou matrix Brekcie Konglomeráty (slepence) Konglomeráty: úlomky prodělaly delší transport, a tak jsou subangulární až oválné. Řada slepenec – pískovec ŠTĚRK : slepenec -50- písčitý slepenec -25- valounový pískovec -10- pískovec : PÍSEK Základní hmota (matrix) konglomerátů mohou tvořit také psamitické, aleuritické i pelitické součásti. Matrix má nejčastěji povahu pískovců, arkóz a drob, ale může obsahovat také tmel (např. křemičitý, karbonátový aj.). Dělení podle mineralogického složení klastů • Monomiktní • oligomiktní • Polymiktní (petromiktní) Klasifikace podle podílu klastů > 2 mm a matrix < 2 mm – s podpůrnou strukturou klastů > 50% klastů (> 2 mm) – s podpůrnou strukturou matrix > 50% matrix (< 2 mm) Značný význam ve stratigrafii mají tzv. bazální slepence, spočívající na bázi transgresivní sedimentární série a jsou podkladem série dalších sedimentů. Pomocí nich je možné určit relativní stáří hornin. Regionální rozšíření • Konglomeráty se nacházejí např. v brdském a příbramském kambriu, namuru ostravsko-karvinského revíru, bazálních polohách moravského devonu, v barrandienském kambriu a ordoviku, v Podkrkonoší, u českého Brodu, v moravském kulmu. Psamity Základní charakteristika • 0,063 – 2 mm • > 50% / 25% / 10% klastů > 0,063 mm v a-ose Řada psamit - pelit PÍSEK : pískovec -50%- jílovitý pískovec -25- písčitý jílovec -10- jílovec (jílovitá břidlice) : JÍL Hlavní komponenty: • klasty (> 0,063 mm), křemen, živce, horninové fragmenty • matrix (< 0,063 mm), • cement (precipitát, výplň pórů) Klasifikace podle zpevnění • zpevněné- pískovce • nezpevněné – písky Klasifikace podle velikosti zrna • jemnozrnné (> 10%: 0,063 – 0,25) • středně zrnité (> 10%: 0,25 – 0,5) • hrubozrnné (> 10%: 0,5 – 2,0) Psamity Klasifikace podle složení klastů • pískovec • arkóza • droba trojúhelníkový diagram (Kukal 1985) – křemen + stabilní zrna – živce + nestabilní minerály – matrix (< 0,063 mm) Křemenný pískovec arkózový pískovec drobovitý pískovec arkóza droba Pískovec • Pískovec • zpevněný psamitický sediment. • > 80% stabilních klastů v psamitické frakci – Křemen – Úlomky stabilních hornin (rohovce, silicity, křemenné žíly) • < 20% nestabilních úlomků v psamitické frakci – Živce – Biotit – Muskovit – chlorit – těžké minerály – úlomky nestabilních hornin • do 20% aleuropelitického materiálu (lutitu) – jílové minerály – Chlorit – sericit – prachová příměs křemene a živcových zrn • Cement (tmel) – Křemitý – Karbonátový – železitý Droba • Droba • zpevněný psamitický sediment. • > 20% nestabilních úlomků v psamitické frakci – Sedimenty – Metamorfika – Magmatity – Živce – Biotit – Muskovit – chlorit – těžké minerály. • do 20% aleuropelitického materiálu (lutitu) – jílové minerály – Chlorit – sericit – prachová příměs křemene a živcových zrn droby Arkóza • Arkóza • zpevněný psamitický sediment. • > 20% nestabilních úlomků v psamitické frakci – živce – Kydelé magmatity – ruly – chlorit – muskovit – Muskovit – biotit – těžké minerály. • do 10 % psefitické frakce • do 20% aleuropelitického materiálu (lutitu) – jílové minerály – Chlorit – sericit – prachová příměs křemene a živcových zrn • Cement (tmel) – Křemen – Karbonáty – Oxy/hydroxidy Fe Regionální rozšíření pískovců Psamity: provenience Klasifikace podle složení klastů trojúhelníkový diagram (matrix je ignorována) – Křemen (Q) --- živce (F) --- fragmenty nestabilních hornin (L) provenience • trojúhelníkový diagram QFL Tektonické prostředí zdroje, – Kraton – Přechodný kontinentální zdroj – Recyklovaný orogén – Magmatický oblouk (arc) – rychlý výzdvih (basement uplift) Pelity Základní charakteristika > 75% / 90% jílové frakce • Jílovce (claystone) sedimenty pouze jílové frakce • Kalovce (mudstone) směs sedimentů jílové a prachové frakce Prach (> 0,004 mm) prachovec Kal kalovec (jílovec, mudstone) Jíl (< 0,004 mm) břidlice (laminovaná nebo štěpná) Jíl (< 0,004 mm) jílovec (claystone) Složení • Jílové minerály (> 50%), křemen (Æ 20%), živce (< 10%), karbonáty (< 10%), oxidy Fe (< 3%), ostatní minerály (< 3%), organické látky (< 1%) Vulkanoklastické horniny • vulkanoklastika (tefra) jsou tvořena vulkanickými usazeninami, které se dělí: – podle složení (ryolitová, bazaltová, andezitová apod. tefra), – podle zrnitosti, jak je uvedeno v tabulce. Chemogenní (cementační) sedimenty Horniny vytvořené převážně vysrážením z roztoků. Ality - přemístěné laterity. Mají podstatný obsah hydroxidů aluminia (böhmit, diaspor, gibbsit a kaolinit, goethit, hematit). Častý je vysoký obsah železa a niklu, Manganolity jsou tvořeny oxidy manganu (pyroluzit, psilomelan, hydroxidy (manganit) a karbonáty (oligonit). Mangan podle redoxpotenciálu může být v oxidované formě Mn^4+. Manganolity vznikají v současných mořích (tzv. manganové konkrece, obsahující významnou příměs dalších kovů (Fe, V). Ferolity jsou tvořeny minerály železa oxidy (magnetit), hydroxidy (limonit, hematit, goethit), silikáty (chamozit, thuringit, glaukonit), karbonáty (siderit) a sulfidy (pyrit, markazit, melnikovit). Vznikají jednak vysrážením z vody v jezerech a mořích (železo pochází ze zvětralin z pevniny nebo z podmořského zvětrávání – halmyrolyzy). Typické jsou ooidy a fosfátové konkrece., jednak z podmořské vulkanické aktivity (typ Lahn-Dill). Podle minerálů se rozlišují: • ferolity hydroxidů a oxidů železa. V ordoviku barrandienu vznikaly v mělkovodních podmínkách při podmořském bazickém vulkanismu. Označují se lokálními názvy jako skleněnka nebo lotrinská mineta. • ferolity sideritové v souvislých polohách s příměsí jílů (barrandien) nebo jako čočky v beskydské křídě (tzv. pelosiderity) • ferolity jaspilitové, vznikaly v důsledku odlišných podmínek (hlavně atmosférických) v prekambrických formacích. Střídají se v nich vrstvičky hematitu a magnetitu s vrstvičkami křemene (tzv. formace BIF). Fosfority obsahují zvýšený obsah fosforu zpravidla ve formě apatitu. Vznik: • vysrážením z mořské vody: v hlubinné studené vodě může být rozpuštěno až 3x více fosforu než v teplé vodě šelfů, kde se za pomoci bakterií vysráží buď jako konkrece nebo i souvislé polohy • akumulací guána (ptačího trusu, zejména v jeskyních). • vyluhováním do podložních sedimentů z ploch různého původu. Silicity jsou tvořeny převážně minerály SiO[2] (křemen, cristobalit, chalcedon, opál). Vznikají: • nahromaděním schránek a jiných částí živočichů a rostlin (organogenní) rozsivek (diatomity, křemelina), radiolarií (radiolarity) nebo hub (spongility), smíšené (např. spongodiatomity) • chemicky vysrážené: z horkých roztoků - geyzírit a stiriolit (z vodních kapek rozstřikovaných kolem gejzírů), jaspilit vysrážený z podmořských horkých pramenů tzv. kuřáků (černé břidlice), ze studených vod se vysráží limnokvarcit • vzniklé z relativního přebytku SiO[2] při diagenezi: rohovec (hornstone, flint, chert) tvořící hlízy a čočky nejčastěji v karbonátech • neurčitého původu jsou siliciem bohaté horniny, v nichž jsou jak radiolarie tak i známky vysrážení při vulkanické činnosti (souvislost se spility): buližníky (s radiolariemi), menilitové rohovce (s radiolariemi a diatomaceami). Evapority vznikají chemickým vysrážením při odpařování mořské nebo jezerní vody a mají zákonitý sled: • 1 fáze: vypadává dolomit a aragonit • 2 fáze: vypadávají sulfáty vápníku (anhydrit, sádrovec) při koncentraci zvýšené 3,35x. • 3 fáze: vypadává halit (koncentrace zvýšená 10 - 60r) – hornina je označována jako sůl kamenná (obr. 6.12.). • vypadávají chloridy a sulfáty K, Mg (sylvín, karnalit) při koncentraci 60x více než v původní mořské vodě • Podle složení vody mohou se vysrážet při odpařování i další evapority: • – Glauberova sůl Na[2]SO[4].10H[2]O [• ]– natrit Na[2]CO[3] • – chilský ledek (dusičnan sodný Na[2]NO[3]) • – síra – chemickou redukcí síranů bakteriemi Biogenní (organogenní, alochemické) sedimenty Základní komponenty: • Alochemy: – skeletální zrna: vápnité schránky organismů a jejich fragmenty, karbonátové objekty organismy vysrážené (řasy) – neskeletální zrna: chemogenně nebo chemobiogenně vysrážená zrna, • povlékaná zrna: ooidy a pisoidy, onkoidy, • peloidy: fekální pelety, peloidy, • polyagregátová zrna: lumps, grapestones • Extraklasty • Matrix – mikrit, menší než 4 mikrony, původ do určité míry zastřený - rozrušování zelených řas, bioeroze karbonátového materiálu převážně rybami, chemogenní srážení • Sparit (včetně cementu) karbonátové horniny kontinentální • travertin – vzniká vysrážením z horkých pramenů (též vřídlovec a hrachovec) • jezerní křída – vzniká vysrážením ze stojatých vod • pěnovec – vzniká vysrážením na potocích Kaustobiolity • Kaustobiolity jsou usazeniny tvořené organickými sloučeninami, které vznikají z rostlin (fytogenní) – humózní či uhelná řada, nebo ze živočichů (zoogenní) – bituminózní (živočišná řada). • Kaustobiolity uhelné řady – Nahromadění uhlíku závislé na rozšíření rostlin v určitých geologických obdobích (karbon, terciér) a na vodním režimu. Rašeliny vznikají v místech rozšíření mechu rašeliníku za přínosu spodní vody buď jako vrchovištní (s výrazným klenutím v centrální části, většinou v horských podmínkách – Krušné Hory), nebo jako slatinná (jižní Čechy). Z bílkovin vzniká kvašením hnilokal (sapropel), zpevněný sapropel je sapropelit. Sapropelity s jílovou příměsí jsou hořlavé břidlice. Hnědé uhlí má vyšší obsah uhlíku, vzniká v redukčním prostředí. Je-li tvořeno listy, pletivem apod. označuje se jako liptobiotit, jsou-li materiálem cévné rostliny jde o humit. Takové hnědé uhlí se označuje jako lignit. Hnědé uhlí vzniklo hlavně ze smrků. Černé uhlí má vysoký obsah uhlíku, odlišné stopové prvky, protože vzniklo z pralesů obrovitých přesliček a plavuní, většinou v tropickém klimatu. Při zvýšeném prouhelnění a zpevnění vzniká z černého uhlí antracit. Dalšími odrůdami jsou svíčková uhlí (kenel), která vznikla z akumulací spór, boghed z řas a šungit, nejstarší známé uhlí z proterozoika baltického štítu. Z jantaru vzniká kukersit. Kaustobiolity Kaustobiolity bitumenové (živičné) řady – Bituminózní řadu tvoří živice, které vznikly převážně ze živočichů. Nelze vyloučit anorganický původ některých živic (např. jako relikt metanového obalu Země, který existoval v ranných stádiích jejího vývoje), ale organický původ je doložen např. při ústí Orinoka, kde vznikají bitumeny z organického materiálu přinášeného řekou v mělkém silně protepleném moři. Rozlišují se živice: a) plynné – zemní plyn b) kapalné – ropa. Ropa je směs kapalných, plynných a pevných uhlovodíků. Velmi lehká ropa je bohatá těkavými uhlovodíky (benzinem), v lehké ropě převládají parafinové uhlovodíky, v těžké naftenické a ve velmi těžké aromatické uhlovodíky. c) pevné – zemní vosk, ozokerit, asfalt a pevný asfaltit Další klasifikace Klasifikace podle zdroje materiálu – Extrabazinální sedimenty (siliciklastika) – Intrabazinální sedimenty (karbonáty, evapority, silicity, organolity) Genetické klasifikace – Konturity (sedimenty uložené nebo přepracované konturovými proudy) – Turbidity (sedimenty uložené turbiditními proudy) – Tempestity (sedimenty uložené během velkých bouří) – Tidality (sedimenty tvořené v příbřežní zóně ovlivňované slapovými jevy) – Inundity (sedimenty usazované vlivem střídání povodňoého a normálního stavu řek) Genetická klasifikace sedimentů Diageneze Soubor fyzikálních, chemických a biologických procesů, které vedou k přeměně sedimentu na sedimentární horninu Diageneze může pokračovat i po zpevnění horniny a měnit její strukturu a mineralogické složení Diageneze vzniká, pokud se minerály sedimentu v důsledku změny podmínek nebo chemismu stanou chemicky nestabilní (hranice mezi zrny a vodou nebo vzduchem –změna chemismu, měna tlaku, změna teploty) Cílem systému je dosáhnout stabilního ekvilibria • Diagenetické procesy: – Kompakce – Rekrystalizace – Rozpouštění (včetně tlakového) – Cementace (tmelení) – Nahrazování (metasomatické změny) – Bioturbace Diagenetické procesy Kompakce – Zvýšení tlaku nadloží – Snížení porozity – Faktory, které ovlivňují možnou míru kompakce - velikost zrna, tvar zrna, zaoblení, třídění, původní porozita, objem fluid v pórech • Mechanická kompakce (necementované horniny) • Chemická kompakce (rozpouštění, cementované horniny) Rekrystalizace – Reorientace krystalovýc mřížek minerálů (chemismus se nemění) – Tlak, teplota, fluidní fáze – Obecně zvyšování velikostí zrna – snížení povrchu zrn – snížení povrchové volné energie – ekvilibrium Diagenetické procesy Rozpouštění – Podsycení pórových fluid vzhledem k okolním minerálům, nestabilní minerály – Zvýšená teplota, tlak – Tlakové rozpouštění – v místě maximálního kontaktu – krystalizace v místě menšího tlaku Cementace – Krystalizace nových minerálů z roztoků v pórech horniny – křemen, kalcit, hematit, aragonit, sádrovec, dolomit, – Snižování porozity, zpevňování Podmínky – Průchod fluid póry, přesycení fluid vůči cementačnímu minerálu – Absence kinetických faktorů zabraňujících cementaci Autigeneze – Krystalizace nových minerálů mimo póry v sedimentu – zpravidla nahrazení – křemen, živce, jíly, zeolity, kalcit, hematit, aragonit, sádrovec, dolomit, fosfáty (apatit) – Snižování porozity, zpevňování Diagenetické procesy Nahrazování – Nové minerály krystalizují na místě původních minerálů – Neomorfismus – nové zrno je stejné fáze jako původní (sejný minerál) – Pseudomorfismus – nové zrno napodobuje vnější tvar původního zrna – Alomorfismus – nový minerál o jiném tvaru nahrazuje původní minerál dolomitizace v karbonátech, silifikace v lutitech, fosfatizace, sideritizace. Látková migrace se uplatňuje i při fosilizaci zkamenělin, která je významnou součástí litifikačních procesů. Bioturbace – Zvíření sedimentu v důsledku činnosti živých organismů – Při povrchu sedimentu – Někdy doprovodná cementace Fáze diageneze • Raná diageneze (eogeneze) • Středí fáze diageneze (mesogeneze) • Pozdní diageneze (telogeneze) • Mělká diageneze (shallow-water) • Diageneze pohřbením (burial) Fluida při diagenezi Fluida přítomna v každém sedimentu Funkce fluid – Srážení cementů – Tvorba autigenních a náhražkových minerálů – Rozpouštění změna složení fluid během diageneze Typy fluid – syndepoziční (voda) – meteorická fluida (sladká voda) – mořská voda – dehydratační rozklad minerálů – další voda – metan – uhlovodíky Diageneze psamitických a psefitických klastických sedimentů Porozita a kompakce ekonomické hledisko – ropa a zemní plyn – snižování porozity, deformace plastických litických zrn (droby), porozita (po uložení cca 40%), po diagenezi mnohem méně, minimum cca 3% Bioturbace – místy hojná Rekrystalizace Rozpouštění – snižování porozity nebo zvyšování sekundární porozity – Změna minerálního a chemického složení horniny – Stabilní minerály (křemen) à nestabilní minerály (živce) Autigeneze – Fylosilikáty, chlorit, živce, zeolity Cementace – Křemen, kalcit, živce, dolomit, illit, kaolinit, hematit Typy cementu: – Vláknité – Mikritické – Izometrické zrnité (equant) Diageneze pelitických hornin Minerální složení: – Illit, smektit, kaolinit, chlorit, křemen, živce, kalcit Bioturbace: – eogeneze, velmi hojná Porozita a kompakce: – uspořádání tabulkovitých zrn kolmo k tlaku nadloží, značná kompakce Autigeneze, nahrazování, rozpouštění, rekrystalizace, cementace – Nahrazování smektitu illitem závislá na teplotě („krystalinita illitu“) – „termometr“ – Nahrazování kaolinitu jinými fylosilikáty (dickit) – Rozpouštění a nahrazování živců – Rozpouštění a narazování kalcitu a dolomitu – Snížení obsahu organického uhlíku Diageneze karbonátů Procesy směřující k ustanovení chemické rovnováhy: Nestabilní minerály (aragonit, high-Mg kalcit) -> stabilní minerály (low-Mg kalcit, dolomit) Procesy: – Cementace – mikrobiální mikritizace – Neomorfismus – Rozpouštění – kompakce (+ tlakové rozpouštění) – dolomitizace Prostředí diageneze: – Mořské – Meteorické – Hluboké pohřbení (burial) Cementace Výplň pórů minerálními fázemi Cementační minerály: • Běžně: Aragonit, kalcit, dolomit, • Méně často: Ankerit, siderit, kaolinit, Q, anhydrit, sádrovec, halit Původ iontů ve fluidech: • z mořské vody • z rozpuštěné horniny Morfologie cementu (tvar krystalových individuí): Jehlicovitý, izometrický (equant), mikritový Geometrie cementu (uspořádání krystalů v prostoru): Izopachový, meniskový, polygonální, syntaxiální Cementy: izopachový, blokový (vlevo), meniskový (vpravo) Syntaxiální cement Mikrobiální mikritizace Chemické leptání substrátu mikroorganismy Výplň leptaných dutin mikritem mikritické obálky, úplné nahrazení zrna Substrát: skeletální alochemy (echinodermata, mollusca), ooidy Vrtavé mIkroorganismy: (vápnité houby /Cliona/, endolitické řasy, aktérie) Rozpouštění Nestabilní minerály: aragonit, high-Mg kalcit Dolomitizace a dedolomitizace Nahrazování CaCO[3] dolomitem 2CaCO[3] + Mg^2+ ß  CaMg(CO[3])[2] + Ca^2+ CaCO[3] + Mg^2+ + CO[3]^2- ß  CaMg(CO[3])[2] Zdroj Mg^2+: mořská voda, jíly obohacené o Mg^2+ Procesy dolomitizace: – Cementace (vzácně) – Nahrazování Procesy dolomitizace Facie a depoziční prostředí FACIE: soubor charakteristických znaků sedimentu: – sedimentární textury (vrstevnatost, zvrstvení, textury na vrstevních plochách) a sedimentární struktury (zrnitost, vytřídění, zaoblení) -> hydrodynamické podmínky ukládání – směr, rychlost proudění, laminární / turbulentní proudění, vlnění, příliv, atd. – minerální složení sedimentu (zdrojová oblast sedimentu, podmínky diageneze) – paleontologický obsah a (ekologie, funkční morfologie fosílií) – tafonomie (podmínky zachování fosílií po odumření) Facie Sedimentační prostředí Sedimentační prostředí Kontinentální prostředí fluviální (říční) meandrující řeka divočící řeka aluviální vějíř eolické aluviální vějíř erg sprašové glaciální subglaciální englaciální pro- (peri-)glaciální glacilakustrinní/glacimarinní lakustrinní otevřené systémy uzavřené systémy sesuvná (sesuvy) jeskynní Fluviální prostředí: dělení podle spádové křivky • Aluviální vějíře • Divočící řeky • Meandrující řeky • Říční delty Aluviální vějíř • úpatí horských pásem • Aluviální kužely • značný sklon povrchu • povrch pokryt sítí koryt říčních toků • hrubozrnné, špatně vytříděné a chemicky nezralé klastické sedimenty sedimentace z vodních toků • dobře vytříděné štěrky a písky • výmolové šikmé zvrstvení • čeřinovým zvrstvením sedimentace z gravitačních toků • úlomkotoky a bahnotoky • netříděné směsi balvanů, štěrku, písku a jílu. • okrajové poklesové zlomy • obrovské mocnosti sedimentu (10 km i více). Meandrující řeka • Zákruty (meandry) • odchylující síla zemské rotace - Coriolisova síla • rozšiřovány boční erozí - odstředivou silou vody morfolgické tvary a facie • říční koryto - ukládání reziduálních štěrků • jesepní val - písky s šikmým zvrstvením – laterální akrece • niva někdy s močály silt, jíl, organické zbytky (záplavy vertikální akrece. Migrace meandrů • nahoru zjemňující cykly Glacigenní prostředí Přechodná prostředí pobřežní deltaické delta estuarinní estuárie laguna solné marše Litorální – plážové plážové peritidální (přílivové plošiny) ostrovní bariéry Delta Progradující delta • PROGRADUJÍCÍ DELTA • V případě, že hladina moře zůstává ve stejné pozici, musí být materiál nepřetržitě přinášený řekou ukládán stále dále a dále směrem do moře, a delta prograduje. Ve vertikálním sledu progradující delty se objevuje nahoru hrubnoucí sled od bazálních jílů prodelty, siltů a jílů deltového svahu až k pískům, siltům, jílovcům a uhlonosným sedimentům deltové platformy. Nahoru hrubnoucí cykly se vertikálním průřezu často opakují, což je způsobeno plynulým poklesáváním delty v důsledku přetížení přinášeným sedimentem. Pobřeží • Báze vlnění • Báze bouřkového vlnění Bariérové ostrovy Morfologie • Ostrov: vzniká akumulací písků mořskými proudy běžícími podél pobřeží • Zóna mezi ostrovem a pevninou je zalita vodou : laguna jemnozrnný materiál: jsou od vysokoenergetického prostředí pláží chráněny komplexem ostrovů. Facie: • Břehy ostrovů : písčité sedimenty, šikmé zvrstvení, čeřinové zvrstvení • V centrální části ostrova : eolické písky (duny). • Laguny : jíly a písčité jíly brakické, nebo hypersalinní -> evapority. Progradace ostrovní bariéry: Regresivní sekvence Marinní prostředí šelf s převahou bouřkové činnosti s převahou přílivo-odlivové činnosti karbonátový útes útes předútesové prostředí zaútesové prostředí kontinentální svah a úpatí podmořský vějíř kontinentální svah Pelagické prostředí abysální rovina / dno pánve podmořské plató Marinní prostředí Šelfy šelfy s převažujícím vlivem dmutí (Severní moře) písčité hřbety - rovnoběžně s přílivovými a odlivovými proudy tříděné písky, šikmé zvrstvení šelfy s převažujícím vlivem bouřkové činnosti. bouřkové resedimentované vrstvy – tempestity silné tropické bouře, voda o vysoké energii eroduje již jednou usazený sediment, zvíří jej do suspenze a opětovně ukládá. erozní výmoly na bázi vrstev gradační zvrstvení hřbítkovité zvrstvení neboli HCS (hummocky cross stratification – speciální typ vlnových čeřin) Tempestity se dělí na proximální a distální. Distální tempestity se ukládají v hloubkách 30 až 100 nebo i více metrů. Podmořský vějíř Prostředí sedimentace: • Podmořský vějíř – Vnitřní vějíř (proximální, úlomkotoky, hrubozrnné turbidity, sesuvy, skluzy) – Střední vějíř – Vnější vějíř (distální, jemnozrnné turbidity) Procesy sedimentace: progradace vějíře (do nadloží: distální -> proximální) Turbidity: Boumova sekvence Pelagické prostředí • Pelagické sedimenty: – > 95% materiálu ze suspenze (spad z vodního sloupce) • Karbonátový materiál biogenního původu - planktonní a nektonní organismy • Eolický materiál (zrnka Q siltové frakce) • Kosmogenní materiál (kosmický prach) • Vulkanogenní materiál (jílové mnerály a zeolity – produkty rozkladu vulkanických hornin oceánské kůry) – < 5% terigenního materiálu • Prostředí vzniku pelagických sedimentů: – oceánské pánve – Podmořské plató a aseismické podmořské hřbety – šelfy a intrakratonní pánve • Rozpouštění CaCO[3] v závislosti na hloubce (CCD, lysoklina, ACD) (Obsah CO[2] ve vodě: závislost na teplotě vody, proudění) [ ] • Hydrodynamická energie prostředí u dna (proudění) Lyzoklina a CCD