sedimentum - osadzanie

Sedymentologia - naukowe badanie osadu (wg Wadella, początek XIX w.).

Współcześnie: nauka o skałach powstających na powierzchni ziemi, ich rodzajach oraz sposobach i warunkach powstania.

To bardzo ogólna definicja. Przez różnych badaczy jest różnie rozumiana. Część badaczy uważa, że sedymentologia zajmuje się opisami procesów sedymentacyjnych współczesnych - w jakich warunkach zachodzą, jakie jest ich natężenie, opisuje procesy ilościowo. Daje to możliwość do interrpetacji osadów kopalnych. Sedymentologia zazębia się z innymi dziedzinami geologii, jeśli ma zmierzać do otworzenia środowiska sedymentacji. Sedymentologia korzysta z:

• petrologii, petrografii - interesuje nas, z czego osad jest złożony, z jakich ziaren, skąd znalazł się on w danym miejscu, badamy genezę osadu, jak osad zmienił się w skałę, czy wszystkie składniki osadu są pierwotne, czy powstały później na drodze procesów diagenetycznych

• stratygrafii - osady muszą być umieszczone w czasie

• tektoniki - na obszarach aktywnych tektoniczne ważne jest, w jaki sposób tektonika (uskoki, subsydencja dna basenu) wpływa na procesy sedymentacyjne

• ekologii i paleoekologii (warunki fizyko - chemiczne, geologiczne danego środowiska) - interpretacja samego środowiska sedymentacyjnego i przedstawienie jego ewolucji na przestrzeni czasu

Rozwój sedymentologii jako nauki

Ewolucyjny model powstania świata

• początek wszystkiego (w tym istot żywych) można wyjaśnić działaniem praw przyrody, bez ingerencji Boga

• ziemia została ukształtowana przez stopniowe procesy trwające miliony lat, kierowane przypadkowymi wydarzeniami

Podwaliny sedymentologii dał James Hutton w XVIII w. - koncepcja uniformitarianizmu (koncepcja cyklu geologicznego). Narodziny nowoczesnej geologii są związane z badaniami sedymentologicznymi. Historię rozwoju Ziemi można studiować z następujących po sobie kolejno warstw. Osady reprezentujące każdą warstwę były deponowane przez procesy działające również dzisiaj. Gdziekolwiek jesteśmy na ziemi, nigdzie nie widać początku Ziemi, nie widać zapisu, że coś konkretnego się stało. Hutton nie określił wieku Ziemi, skłaniał się bardziej do stwierdzenia o nieskończoności wieku Ziemi. Hutton stwierdził również, że bardzo dużo historii Ziemi zapisane jest w niezgodnościach (wybrzeże Berwicshire - niezgodność Huttona). Hutton przedstawił koncepcję plutonizmu. Wyróżnił 3 grupy skał - osadowe, magmowe i metamorficzne. Dotychczas panowała koncepcja neptunizmu zaproponowana przez Abrahama Gottloba Wernera, która mówiła, że skały magmowe i metamorficzne powstały na drodze chemicznej precypitacji z wód jakiegoś oceanu. Hutton stwierdził, że to bzdura i że skały magmowe i metamorficzne nie powstały w sposób zaproponowany przez Wernera. Pierwszym opracowaniem, które naśtwietliło koncepcję uniformitarianizmu było dzieło „Illustration of the Huttonian Theory”, napisane przez przyjaciela Huttona, Johna Playfaira.

Koncepcja ta przeciwstawiała się innym koncepcjom:

• koncepcji dyluwializmu/katastrofizmu

• koncepcji dni biblijnych

• koncepcji kompromisu

Koncepcja dyluwializmu/katastrofizmu (diluvum - potop)

• koncepcja formowania Ziemi łącząca badania geologiczne z interpretacją Biblii

• świat stworzony przez Boga

• wiek Ziemi 6 000 lat

• powstał dylemat czasu, dlatego stwierdzono, że zmiany na naszej planecie były efektem licznych kataklizmów zsyłanych przez Boga

• dylemat czasu nadal istniał, gdyż widziano, że procesy zachodzą jednak dużo wolniej

Koncepcja dni biblijnych:

• wydłużenie dni do rangi epok, nie zostało to jednak przyjęte przez Kościół

Koncepcja kompromisu Cuviera (XVIII-XIX)

• dzieje Ziemi można podzielić na 3 etapy:

• okres przed potopem ↔ GEOLOGIA

• wielki potop - okres deluwialny

• okres po potopie

• okres po potopie można badać, używając metod wówczas znanych

• okresem przed potopem nie należało się zajmować - okres ciemności, ziemia nie była zamieszkana przez ludzi a przez potwory

• geologia jako nauka bada te procesy, które są poza przedmiotem badań nowoczesnych technik badawczych, które wówczas się rozwijały

• brak dylematu czasu

Sir Charles Lyell (XVIII-XIX) - koncepcja aktualizmu geologicznego (rozpowszechnienie koncepcji uniformitarianizmu)

• należy poznawać współczesne procesy geologiczne, bo są kluczem do rozpoznania procesów panujących w przeszłości - „teraźniejszość kluczem do przeszłości”

Czy uniformitarianizm i aktualizm geologiczny to jest to samo?

Uniformitarianizm jest traktowany jako synonim, ale część badaczy uważa, że jest on skrajną odmianą aktualizmu geologicznego - kiedyś panowały takie same warunki, takie same procesy, natężenie było takie samo. Wiemy jednak, że świat atmosfery był inny, morza w kredzie miały o wiele większe rozmiary.

Aktualizm mówi, że procesy były podobne, ale natężenie procesów mogło być różne.

Przełomowym wydarzeniem była wyprawa Challengera w 1872 r. Badania skupiały się głównie na znajdowaniu nowych szlaków nawigacyjnych i możliwości położenia kabla telegraficznego przez Atlantyk - badania:

• cyrkulacji wód przybrzeżnych

• falowania i prądów morskich

• natury raf koralowych i i interpretacji tych utworów koralowych

• biogeografii morskich bezkręgowców

Ekspedycja Challengera (1872-1876):

• pomiary głębokości

• temperatura wód na różnych głębokościach

• określenie składu wody morskiej

• opis mikroorganizmów

• pobranie próbek osadów powierzchniowych - pierwsze klasyfikacje osadów pelagicznych

• odkrycie konkrecji Mn - Fe zalegających w Pacyfiku

Nadal twierdzono, że osady oceaniczne głębokomorskie to są wyłącznie homogeniczne (niewarstwowane) muły.

Do II wojny światowej

1. Po wyprawie ważnym wydarzeniem, było ogłoszenie zasady Walthera (1893-94) - tzw. „prawo facji”

Facja - facies - twarz, wygląd

Facja - skała o określonym zespole cech możliwych do rozpoznania i wyodrębniających ją z masy skalnej.

Następstwo facji w pionie, w profilach ciągłych, odzwierciedla ich sąsiedztwo boczne. Jeśli poziom morza się obniża, to środowiska przesuwają się w głąb morza. Jeśli się podwyższa - w głąb lądu.

2. Niemiecka ekspedycja południowo - polarna (1901-03):

• pobrano pierwsze rdzenie osadów głębokomorskich, odkryto wśród nich również piaski!

• odkryto zróżnicowanie otwornic wraz z temperaturą wody morskiej

3. Kolejna niemiecka ekspedycja atlantycka METEOR (1925-27):

• odkryto grzbiet śródatlantycki i liczne kaniony podmorskie

• opracowano pierwszą mapę dna morskiego (opublikowaną przez Veatch'a i Smitha w 1939)

4. Opracowanie techniki pobierania rdzeni osadów głębokomorskich bez naruszania ich struktury wewnętrznej:

• pobrano osady głębokomorskie o nienaruszonej strukturze

• stwierdzono, że osady głębokomorskie są warstwowane

• odkryto uziarnienie frakcjonalne (1939-40)

Po II wojnie światowej

Do rozwoju sedymentologii przyczyniły się:

• udoskonalenie echosondy

• udoskonalenie technik pobierania rdzeni (Ewing piston corer)

• wynalezienie kamer podwodnych

• rozwój sejsmiki

• skonstruowanie sonarów (skanowanie dna morskiego)

Najważniejsze etapy badań w okresie powojennym:

• rozpoznanie roli prądów zawiesinowych w sedymentacji morskiej - transponowanie osadów płytkomorskich kanionami podwodnymi w głębokie środowisku

• Deep Sea Drillin Project (1970-85) - pierwszy międzynarodowy projekt wierceń i badań oceanicznych

• Ocean Drilling Project (1985-2003)

• Intergated Ocean Drillin Program

PODSTAWOWE POJĘCIA SEDYMENTOLOGII

Skała osadowa - skała powstała w wyniku naturalnego nagromadzenia tworzącego ją materiału osadowego na powierzchni ziemi.

Skały osadowe stanowią 5% objętości litosfery i aż 75% powierzchni litosfery.

Materiał osadowy - stałe lub płynne substancje pochodzące z:

• wietrzenia starszych skał → skały okruchowe

• erupcji wulkanicznych → skały okruchowe

• wytrącania z roztworów naturalnych → skały chemogeniczne (ewaporaty)

• produkcji organicznej → skały biogeniczne

Procesy sedymentacyjne - procesy fizyczne, chemiczne i biologiczne prowadzące do nagromadzenia osadu/formowania skały osadowej.

Czas, w jakim działają procesy sedymentacyjne, może być bardzo różny - minuty, godziny, dni, lata, setki, tysiące, miliony lat. Czas w skałach osadowych jest bardzo nierównomiernie rozłożony. Często w powierzchniach granicznych (lukach) warstw jest „schowane” więcej czasu niż w samym osadzie.

Sedymentacja normalna - procesy sedymentacyjne działające przez znaczną część czasu geologicznego, np. sedymentacja osadów pelagicznych, pływy, procesy rzeczne.

Sedymentacja epizodyczna (katastroficzna, acz trzeba być ostrożnym w używaniu tego pojęcia, by nie kojarzyło się z kreacjonizmem) - procesy sedymentacyjne działające chwilowo, których poziom energetyczny jest często o kilka rzędów wielkości większy niż procesów normalnych, np. prądy zawiesinowe, ekstremalne powodzie, tsunami, ekstremalne sztormy, zejście lawiny, spływy błotne.

Sedymentacja wydarzeniowa (wyjątkowa) - wydarzenie/proces produkujący pojedyncze warstwy o unikalnym charakterze. Stanowią one dobre markery stratygraficzne, np. warstwa irydowa na pograniczu K/Trz.

Przykład:

Mamy sekwencję 100 przewarstwień: 5 cm mułu i 10 cm turbidytu.

Założenia:

1. średnie tempo depozycji mułu pelagicznego 5 cm/1000 lat

2. prądy zawiesinowe: sedymentacja epizodyczna rzędu kilku godzin

Stąd:

1. czas zapisany w całej sukcesji 5 cm -1000 lat, więc 500 cm - 100 000 lat

2. przez okres 100 00 lat zapisanych zostało 100 prądów zawiesinowych

Wnioski:

1. 2/3 całej sukcesji zostało zdeponowane przez procesy epizodyczne

Obszar źródłowy (obszar alimentacyjny) - obszar, z którego pochodzi materiał osadowy badanej skały.

Basen sedymentacyjny - obszar, w którym jest deponowany i akumulowany materiał osadowy. Basen niekoniecznie musi być miską. Basenem nazywany jest ocean, ale także szelf.

Środowisko sedymentacyjne - jest to basen sedymentacyjny wraz z działającymi w nim procesami i panującymi warunkami fizyko - chemicznymi i biologicznymi.

Środowiska dzielimy na:

• lądowe (glacjalne, stożki eluwialne, środowiska rzeczne, jeziorne)

• morskie (szelf, skłon kontynentalny, głębokie równie abysalne, stożki głębokomorskie, kaniony)

• przejściowe (plaże, delty, laguny, bariery przybrzeżne)

Tempo przyrostu (depozycji) osadu - tempo nieprzerywanego odkładania (przyrastania) konkretnego typu osadu wyrażone wzorem:

miąższość osadu / czas, w którym został zdeponowany

Np. tempo przyrostu mułów pelagicznych 5 cm/1000 lat

Tempo akumulacji osadu - tempo gromadzenia osadu w skali całego basenu sedymentacyjnego. Uwzględnia cały profil osadów, włączając w to luki stratygraficzne (okresy erozji, braku depozycji).

Tempo depozycji ≥ tempo akumulacji

Powierzchnia sedymentacji - współczesna powierzchnia, na której dochodzi do deponowania materiału osadowego.

Powierzchnia sedymentacyjna - kopalna powierzchnia sedymentacji.

Materiał osadowy - skąd się bierze?

Początkiem każdego typu sedymentacyjnego i powstania materiału sedymentacyjnego jest powstanie pokrywy zwietrzelinowej.

Pokrywa zwietrzelinowa - pierwszy osad in situ, jaki powstaje na powierzchni wskutek działania czynników atmosferycznych, bez udziału procesów sedymentacyjnych. Dotyczy to skał okruchowych.

Typy pokryw zwietrzelinowych:

• ilaste (sialitowe: Si + Al) - reziduum stanowią: wolna krzemionka, minerały ilaste, wodorotlenki i tlenki Fe; charakterystyczne dla naszych szerokości geograficznych

• laterytowe (alitowe: Al) - reziduum stanowią: wodorotlenki Al i Fe; klimat tropikalny i subtropikalny, rozkład materii organicznej → dużo CO₂ w wodach → tworzenie agresywnych węglanów

Pokrywa zwietrzelinowa (regolith) a gleba (soil):

Pokrywa - to co powstaje wyłącznie w wyniku wietrzenia, substancja mineralna

Gleba - obecność materii organicznej

Początek cyklu sedymentacyjnego

1. skały podłoża wystawione zostają na działanie czynników atmosferycznych - wietrzenie → pokrywa zwietrzelinowa

2. zwietrzały materiał skalny zostaje poddany procesom sedymentacyjnym (erozja, transport, depozycja):

* stożek usypiskowy (talus cone, colluvial cone)

* stożek aluwialny (alluvial fan)

Rodzaje składników w materiale osadowym:

Ze względu na sposób powstania wyróżnia się:

• składniki strątowe:

• krystaliczne (kalcyt) lub bezpostaciowe (opal)

• organiczne (aragonit) lub nieorganiczne (ewaporat)

• składniki okruchowe (litoklasty, bioklasty)

• składniki płynne (płyny porowe)

Ze względu na pochodzenie w odniesieniu do basenu sedymentacyjnego wyróżnia się:

• składniki allochtoniczne (spoza basenu)

• składniki autochtoniczne

Ze względu na genezę wyróżnia się:

• składniki litogeniczne

• składniki biogeniczne

• składniki hydrogeniczne

• składniki kosmiczne

Ze względu na czas w odniesieniu do samego procesu sedymentacyjnego wyróżnia się:

• składniki „presedymentacyjne” :

• okruchy, fragmenty skał (w wyniku wietrzenia starszych skał; zależą od tego, jaka była skała macierzysta, jaki był typ wietrzenia)

• kwarc

• skalenie (słabo odporne na wietrzenie, szybko wietrzeją, im dłużej obróbka trwa, tym jest ich mniej - wskaźnik dojrzałości)

• krzemiany warstwowe

• minerały ciężkie (pow. 2,9 g/cm³)

Kwarc, skalenie, krzemiany warstwowe i minerały ciężkie to często minerały wskaźnikowe, które wskazują, z jakich skał materiał pochodzi.

• składniki synsedymentacyjne - nie istnieją przed procesem

• szkielety i okruchy szkieletów

• uwęglone i zmineralizowane szczątki organizmów

• ziarniste elementy złożone (peloidy, agregaty, ziarna obleczone (ooidy, onkoidy, rodoidy))

• nieorganiczne ziarna mineralne (glaukonit)

• materiał wlkanogeniczny

---