SEDYMENTOLOGIA

SEDYMENTOLOGIA
Wykład: dr hab. Anna Wysocka, prof. UW
Ćwiczenia: dr Marcin Górka (koordynator)
Sposób zaliczenia
Ćwiczenia
-
Zaliczenie wszystkich operatów graficznych
Kolokwium z materiału ćwiczeniowego
10 ćwiczeń po 3h – rozpoczynają się od 7 października
-
Wykład
Egzamin z całości materiału wykładowego oraz
ćwiczeniowego (!!!)
Źródła
Zarys sedymentologii – Gradziński i in., 1986
Sedimentary Environments: Processes, Facies and Stratigraphy
- Reading H.G. 1996
Sedimentology and Sedimentary Basins – Leeder M., 1999
Sedimentology & Stratigraphy – Nichols G., 1999
Physics of Sedimentology – Hsu K.J., 2004
The geology of fluvial deposits – Miall A. D., 1996
Principles of sedimentary basin analysis - Miall A.D., 2000
W ybrane materiał
materiały do pobrania
pobrania z: http://www.geo.uw.edu.pl
http://www.geo.uw.edu.pl//annaanna-wysockawysocka-str_pracownika
Ścieżka sedymentologiczna
na naszym Wydziale
Współczesne procesy w strefie brzegowej Bałtyku i ich zapis kopalny – wdw 30h (5 dni)
Nowe trendy w sedymentologii – proseminarium dla III r., 30h
Analiza basenów sedymentacyjnych – spec. 60h
Geologia morza, oceanologia – spec. 30h
Studia II stopnia
Klastyczne systemy depozycyjne – spec. 30h
Geologia stratygraficzna i sedymentologia
(SiS)
Sedymentologia ewaporatów – wdw 30h
Wapienie i środowiska ich powstawania – praktikum z analizy mikrofacjalnej – spec. 30h
Praktikum z sedymentologii skał klastycznych – spec. 30h
Sedymentologia
nauka badająca procesy powstawania, transportu i osadzania materiału,
który gromadzi się w postaci osadów w środowiskach kontynentalnych i
morskich, tworząc skały osadowe
Aktuosedymentologia
Sedymentologia eksperymentalna
Analiza basenów
sedymentacyjnych
After Press & Siever, 98
Dlaczego warto badać osady oraz
skały osadowe?
Zjawiska powierzchniowe w historii Ziemi
Zmiany klimatu i zmiany poziomu Oceanu
Światowego
Procesy tektoniczne
Wyjaśnianie genezy i poszukiwanie złóż
Pojęcia podstawowe:
- Środowisko sedymentacji
- Procesy sedymentacyjne
- Osad
- Diageneza
- Skała osadowa
- Warstwa
- Warstwowanie
Środowisko sedymentacji
Procesy sedymentacyjne
Obszar akumulacji i charakterystyczne dla niego warunki
fizyczne, chemiczne i biologiczne, które wpływają na
zachodzące na tym obszarze procesy sedymentacyjne i
gromadzone w ich wyniku osady (Gradziński i in., 1986)
Osad
Diageneza
Skała osadowa
Jankowski, 2008
„Materia” gromadzona w wyniku procesów
sedymentacyjnych, która znajduje się w kontakcie ze
środowiskiem sedymentacji
Zespół procesów prowadzący do przemiany luźnych
osadów w zwięzłą skałę
Skała osadowa jest kopalnym osadem, w różnym stopniu
zdiagenezowanym, odciętym od wpływu środowiska
sedymentacji wskutek pogrzebania
Warstwa
Występowanie indywidualizujących się nagromadzeń osadu, oddzielonych od
siebie granicami powstałymi w wyniku procesów sedymentacyjnych. Termin
ogólny, nie precyzujący rozmiarów, składu mineralnego, cech teksturalnych,
etc. Nie wyklucza występowania w obrębie danej warstwy mniejszych
podrzędnych warstw.
Warstwy mogą różnić się:
- składem mineralnym
- frakcją
- upakowaniem
- orientacją składników
- typem i charakterem spoiwa
- strukturami sedymentacyjnymi
Krzyżewski, 2005
POLE GRAWITACYJNE
ZIEMI
HYDROSFERA
ATMOSFERA
KLIMAT
GRADIENT ENERGII
POTENCJALNEJ
ENERGIA KINETYCZNA
ATMOSFERY I HYDROSFERY
LITOSFERA
EROZJA
WIETRZENIE
PROMIENIOWANIE
SŁOŃCA
ŚRODOWISKO
Biogeniczny
materiał osadowy
FOTOSYNTEZA
BIOSFERA
Łańcuchy pokarmowe
Związki organiczne
Mineralizacja związków
organicznych
Roztwory
DIASTROFIZM
(energia wewnętrzna
Ziemi)
Materiał
hydrogeniczny
EWAPORACJA
Materiał klastyczny
SEDYMENTACYJNE
DIAGENEZA
Przepływ energii
ENERGIA
WIĄZAŃ CHEMICZNYCH
Przepływ materiału
wg. Gradziński, 1986
Obieg tlenu
Grawitacja
Przyśpieszenie ziemskie
g = GMz/rz2 = 9,81m/s2
Obieg wody
Obieg węgla
Główne grupy procesów
sedymentacyjnych:
Fizyczne
Chemiczne
Biologiczne
Fizyko-chemiczne
Biochemiczne
Geomorfologia
erozja
OBSZAR DRENAŻU
źródło
(obszar alimentacyjny)
TRANSPORT OSADÓW
depozycja
BASEN SEDYMENTACYJNY
Geologia
pogrzebanie
(subsydencja)
wg. Leeder, 1999
wg. Nichols, 1999
Częstość występowania osadów utworzonych przez różne procesy
Produkty są
w środowisku
Procesy
Środowisko
normalne
przeważające
katastroficzne
rzadkie
wyjątkowe
wyjątkowe
Gradziński, 1986
Zależność między środowiskiem sedymentacyjnym, procesami
sedymentacyjnymi i osadami
ŚRODOWISKO SEDYMENTACYJNE
PROCESY SEDYMENTACYJNE
OSADY
zależność bezpośrednia
zależność zwrotna
Gradziński, 1986
Jednostki czasu
Jednostki czasu używane w życiu codziennym
sekundy
minuty
godziny
dni
tygodnie
miesiące
lata
wieki
Jednostki czasu geologicznego
Wiek (1,000,000 do 10,000,000 lat)
Epoka (10 do 20 milionów lat)
Okres (23 do 80 milionów lat)
Era (65 do 300 milionów lat)
Eon (więcej niż 500 milionów lat)
Przestrzeń
106km
1015s
105km
---- Ukł
yc
Układ ZiemiaZiemia-Księż
Księżyc
104km
Procesy geotektoniczne
1000km
Szerokość
Szerokość basenó
basenów sedymentacyjnych
10km
Głęboko
ść basenó
łębokość
basenów
sedymentacyjnych
sedymentacyjnych
Zespoł
Zespoły warstw
(sekwencje)
10m
106s
Struktury
sedymentacyjne
sedymentacyjne
Żwir
1mm
1µ m
107s
Warstwy
100mm
10µm
Wiek
Ma
Piasek
Ił
ka
109s
108s
100m
100µm
1011s
1010s
1km
10mm
1013s
Wypeł
Wypełnianie
basenó
basenów
1012s
100km
1m
1014s
Okres
105s
lata
miesią
miesiące
dni
104s
1000s
godziny
100s
minuty
10s
1s
Cykle klimatyczne
1016s
---- Wiek Ziemi
Era
Zmiany polaryzacji
magnetycznej
107km
Ga
Specjacja gatunków
1017s
---- Ukł
Układ sł
słoneczny
Życie organizmów
108km
Czas
Przerwy mię
między gł
głównymi
zdarzeniami depozycyjnymi
--- Cykle roczne
Cykle pł
pływowe
Ruchy masowe
sztormy
Powstawanie struktur
sedymentacyjnych
Lawiny, obrywy skalne
wg. Nichols, 1999
Osad przejściowo deponowany
(A) i trwale akumulowany (B)
Nieciągła i ciągła depozycja osadu
miąższość osadu
B
miąższość osadu
A
czas
czas
Tempo akumulacji osadów – stosunek miąższości osadu do czasu jego tworzenia; termin stosowany w
odniesieniu do dawnych basenów sedymentacyjnych
Tempo depozycji osadu – stosunek miąższości jednej warstwy osadu do czasu nieprzerwanej depozycji
tej warstwy
wg. Gradziński, 1986
Pochodzenie materiału osadowego
PRODUKTY
WIETRZENIA
I EROZJI
METEORYTY
I MIKROMETEORYTY
MATERIAŁ
WULKANICZNY
ROZTWORY
MATERIAŁ
ZIARNISTY
TRANSPORT
SORTOWANIE
ROZTWORY
POROWE
HYDROGENICZNE
BIOLOGICZNE
LITOGENICZNE
KOSMICZNE
SKŁADNIKI OSADÓW
wg. Gradziński, 1986
Skały osadowe
NIEKLASTYCZNE
KLASTYCZNE (okruchowe)
PIROKLASTYCZNE
TERYGENICZNE
WĘGLANOWE
INNE
tufy
ignimbryty
mułowce
piaskowce
zlepieńce
wapienie
węgle
fosforany
skały krzemionkowe
Ziarna
mineralne
Różne skały
mogą zawierać:
kwarc
miki
skalenie
kalcyt
etc.
Ziarna
lityczne
Różne skały
mogą zawierać
fragmenty:
wapieni
mułowców
skał wulkanicznych
skał metamorficznych
czertów
etc.
Materiał
biogeniczny
Różne skały
mogą zawierać:
muszle
elementy szkieletowe
Detrytus roślinny
Glony/bakterie
kości
etc.
EWAPORATY
Związki
wytrącone
chemicznie
Różne skały
mogą zawierać:
węglany
chlorki
siarczany
krzemionkę
etc.
Główne składniki
Wg Nichols, 1999
Ziarna mineralne
Podatność na wietrzenie chemiczne wybranych
minerałów skałotwórczych
Produkty wietrzenia
oliwiny
Ca-skalenie
pirokseny
Minerały ilaste:
amfibole
Na-skalenie
biotyt
K-skalenie
kaolinit
illit
montmorillonit
chloryt
muskowit
kwarc
Indeks dojrzałości
F/(F+Q)
<50 skały osadowe
(>20-25 niedojrzałe, np. arkozy)
„… materiał ziarnowy dostarczony z obszarów na których dominuje wietrzenie chemiczne jest dojrzały i zasobny w kwarc” (Hsu, 2004)
Zmiana zawartości skaleni w osadach Mississippi (Russell, 1937 w: Hsu, 2004)
Zawartość skaleni w piaskach plażowych, N wybrzeże zatoki Meksykańskiej (Hsu, 1964)
Ziarna mineralne, cd.
Minerały ciężkie
Gęstość (masa właściwa) ρ =m/V
2,5 - 3,5 g/cm3 – gęstość większości minerałów skałotwórczych
Minerały ciężkie ρ> gęstości kwarcu (2,65 g/cm3)
Rutyl (4,3), cyrkon (4,7), tytanit (3,45), ilmenit (4,7), granat (3,54,3), epidot (3,5), apatyt (3,2), etc
C
B
A
C
B
A
web.uct.ac.za/.../dlr/hons1998/nksands3.jpg
Piaski plażowe wzbogacone w minerały ciężkie
(ilmenit i granaty) – Geelwal, RPA
C
A B
C
A+B+C
web.uct.ac.za/.../dlr/hons1998/nksands3.jpg
C+B
C
Zmarszczki eoliczne, na stokach dowietrznych
wzbogacone w minerały ciężkie (ilmenit) – Namakwa
Sands, RPA
Materiał biogeniczny
np.plankton
http://pl.wikipedia.org/wiki/Promienice
www.fathom.com/course/10701050/foraminifera.jpg
www.jochemnet.de/fiu/sed1.jpg
www.jochemnet.de/fiu/sed1.jpg
www.daviddarling.info/images/diatoms.jpg
Woda morska
Rozpuszczone
jony
ClNa 2+
SO42Mg 2+
Ca 2+
K+
HCO3BrH3BO3
Sr 2+
FH4SiO4
Woda rzeczna
ppm
%
(uśrednione)
18 000
10 770
2715
1290
412
380
140
67
26
8
1,3
1
55,05
30,61
7,68
3,69
1,16
1,10
0,41
0,19
0,07
0,03
0,005
0,004
7,8
6,3
11,2
4,1
15,0
2,3
58,4
0,02
0,1
0,09
0,09
13,1
Skład jonowy wody morskiej
i rzecznej (wg.
wg. Nichols,
Nichols, 1999)
1999)
wg. Gradziński, 1986
Pola trwał
trwałości minerał
minerałów wystę
występują
pujących w morskich osadach biogenicznych i hydrogenicznych w
zależ
zależnoś
ności od pH i Eh (Gradziń
Gradziński,
ski, 1986)
Basen euksyniczny
Basen
słabo redukcyjny
Basen o swobodnej
cyrkulacji wód
Stosunek powierzchni o zerowej wartości Eh do powierzchni depozycyjnej
Skały piroklastyczne
Luź
Luźne
Bomby
Bloki
> 64 mm
Lapille
2 – 64 mm
Piaski wulkaniczne
Popioł
Popioły wulkaniczne
fizar.pu.kielce.pl/.../piasek/pliki/rysunek.jpe
Zwię
Zwięzłe
0.06 – 2 mm
< 0.06 mm
Brekcje wulkaniczne
Tufy (piaskowce wulkaniczne)
Tufy (muł
(mułowce wulkaniczne)
http://volcanoes.usgs.gov/Products/Pglossary/tephra.html
Islandia – wybuch wulkanu Eyjafjalla, kwiecień-maj 2010
47649497_1000bm_ash_fgh06371_10
Jon Gustafsson AP
http://www.youtube.com/wat
ch?v=fJII-u-41Lg
z7777929Z,Sobota--godz-12
Pettijohn, 1975
Nichols, 1999
Teksturalna dojrzałość piaskowców
Zawartość mułu
Wysortowanie
< 15%
< 0,5
(arenity)
(dobrze
wysortowane)
> 15%
> 0,5
(waki)
(źle
wysortowane)
Niedojrzałe
Średnio dojrzałe
Kształt ziaren
zaokrąglone
Super dojrzałe
kanciaste
Dojrzałe
wg. Nichols, 1999
Wg. UNIS, course AG328, 2006
Układ CaCO3 – H2O
CO2gaz
pH typowe dla
wody morskiej
pH typowe dla
wody rzecznej
H2O gaz
100%
roztwór
CO2 + H2 CO3
CO2
CO32-
H2CO3
OH-
HCO3-
H+
HCO3
50%
Ca2+
CO3 20%
CaCO3 stałe
5
Trójfazowy układ CaCO3 – H2O (wg Hsu, 2004)
7
9
11
pH
13
Zależność stężenia jonów węglanowych od pH (wg Hsu, 2004)
(Ca2+)(CO32-) = KCaCO3
CO2 rozpuszczone + H2O = H2CO3
H2CO3 = H+ + HCO3H2CO3 + CaCO3 =
Ca2+
+
KH2CO3 =
2HCO3-
HCO3- = H+ + CO32HCO3- + OH- = H2O + CO32-
-)
(H2CO3)
(CO2)(H2O)
(CO3 = k
(CO2)
(H+)2
Układ CaCO3 – H2O
CO2gaz
pH typowe dla
wody morskiej
pH typowe dla
wody rzecznej
H2O gaz
100%
roztwór
CO2 + H2 CO3
CO2
CO32-
H2CO3
OH-
HCO3-
H+
CaCO3 stałe
HCO3
50%
Ca2+
CO3 20%
(CO2)
(CO3 ) = k
(H+)2
5
Trójfazowy układ CaCO3 – H2O (wg Hsu, 2004)
7
9
!!!
pH
11
13
Zależność stężenia jonów węglanowych od pH (wg Hsu, 2004)
(Ca2+)(CO32-) = KCaCO3
CO2 rozpuszczone + H2O = H2CO3
H2CO3 = H+ + HCO3H2CO3 + CaCO3 =
Ca2+
+
KH2CO3 =
2HCO3-
HCO3- = H+ + CO32HCO3- + OH- = H2O + CO32-
-)
(H2CO3)
(CO2)(H2O)
(CO3 = k
(CO2)
(H+)2
wg. Leeder, 1999
~ 1000 m
http://www.tolweb.org/Heteroteuthis/20030
http://pl.wikipedia.org/wiki/Wielka_Rafa_Koralowa
~ 500 m
www.safmc.net/Portals/0/May-June-2005-067.jpg
http://www.geolsoc.org.uk/gsl/geoscientist/features/page1137.html
CCD – Calcite Compensation Depth
Leeder, 1999
Konkrecje manganowe
Konkrecje syderytowe
www.jochemnet.de/fiu/sed1.jpg
www.soton.ac.uk/~imw/jpg/2YS-siderite-nodule.jpg
Glaukonit
www.earth.ox.ac.uk/.../greensand_pm13-30.jpg
Ooidy szamozytowe
www.smenet.org/opaque-ore/48dx.jpg
Wpływ
powierzchniowy
Zbiornik
oceaniczny
PAROWANIE
Basen
ewaporatowy
Odpływ
przydenny
WYTRĄCANIE
Basen
ewaporatowy
Ocean
Ewaporaty
ANHYDRYT
60
50
40
GIPS
30
Zapoczątkowanie
wytrącania gipsu
HALIT
wg. Leeder, 1999
Temperatura (oC)
70
20
0
0
2
4
6
8
10
Stężenie jonów w wodzie morskiej
wg. Leeder, 1999
Skład wody
morskiej
Obję
Objęt
ość
%o
Sole
Minerał
Minerały
0,12
CaCO3
1,27
CaSO4
900
Gips, polihalit
27,21
NaCl
800
Halit
0,09
NaBr
Kalcyt
1000
700
Inne chlorki
600
Epsomit
2,25
MgSO4
500
Kainit
0,74
KCl
400
Sylwin
300
Karnalit
Biszofit
3,35
MgCl2
0,01
Borany
200
Borany magnezu
100
Suma
= 35,05
Gęstość
stość cieczy
1000
1100
1200
1300
1400
wg. Leeder, 1999