SEDYMENTOLOGIA. ad: dr hab. Anna Wysocka,, prof. UW (koordynator)

Transkrypt

1 SEDYMENTOLOGIA Wykład ad: dr hab. Anna Wysocka,, prof. UW Ćwiczenia: dr Marcin Górka G (koordynator)

2 Sposób b zaliczenia Ćwiczenia - Zaliczenie wszystkich operatów w graficznych - Kolokwium z materiału ćwiczeniowego 10 ćwiczeń po 3h rozpoczynają się od 7 października Wykład - Egzamin z całości ci materiału u wykładowego oraz ćwiczeniowego (!!!)

3 Źródła Zarys sedymentologii Gradziński i in., 1986 Sedimentary Environments: Processes, Facies and Stratigraphy - Reading H.G 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 Wybrane materiały do pobrania p z: str_pracownika

4 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 w sedymentacyjnych spec. 60h Geologia morza, oceanologia spec. 30h Klastyczne systemy depozycyjne spec. 30h Sedymentologia ewaporatów wdw 30h Studia II stopnia Geologia stratygraficzna i sedymentologia (SiS) Wapienie i środowiska ich powstawania praktikum z analizy mikrofacjalnej spec. 30h Praktikum z sedymentologii skał klastycznych spec. 30h

5 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

6 After Press & Siever, 98

7 Dlaczego warto badać osady oraz skały y osadowe? Zjawiska powierzchniowe w historii Ziemi Zmiany klimatu i zmiany poziomu Oceanu Światowego Procesy tektoniczne Wyjaśnianie genezy i poszukiwanie złóżz

8 Pojęcia podstawowe: - Środowisko sedymentacji - Procesy sedymentacyjne - Osad - Diageneza - Skała osadowa - Warstwa - Warstwowanie

9 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 Materia gromadzona w wyniku procesów sedymentacyjnych, która znajduje się w kontakcie ze środowiskiem sedymentacji Diageneza Zespół procesów prowadzący do przemiany luźnych osadów w zwięzłą skałę Skała a osadowa Skała osadowa jest kopalnym osadem, w różnym stopniu zdiagenezowanym, odciętym od wpływu środowiska sedymentacji wskutek pogrzebania Jankowski, 2008

10 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

11 POLE GRAWITACYJNE ZIEMI KLIMAT HYDROSFERA ATMOSFERA GRADIENT ENERGII POTENCJALNEJ ENERGIA KINETYCZNA ATMOSFERY I HYDROSFERY LITOSFERA EROZJA WIETRZENIE PROMIENIOWANIE SŁOŃCA Biogeniczny materiał osadowy ŚRODOWISKO SEDYMENTACYJNE Materiał klastyczny Roztwory DIASTROFIZM (energia wewnętrzna Ziemi) FOTOSYNTEZA BIOSFERA Łańcuchy pokarmowe Związki organiczne Materiał hydrogeniczny EWAPORACJA Mineralizacja związków organicznych DIAGENEZA ENERGIA WIĄZAŃ CHEMICZNYCH Przepływ energii Przepływ materiału wg. Gradziński, 1986

12 Grawitacja Przyśpieszenie ziemskie Obieg tlenu g = GM z /r z 2 = 9,81m/s 2 Obieg wody

13 Obieg węglaw

14 Główne grupy procesów sedymentacyjnych: Fizyczne Chemiczne Biologiczne Fizyko-chemiczne Biochemiczne

15 Geomorfologia erozja OBSZAR DRENAŻU (obszar alimentacyjny) źródło TRANSPORT OSADÓW depozycja BASEN SEDYMENTACYJNY pogrzebanie (subsydencja) Geologia wg. Leeder, 1999 wg. Nichols, 1999

16 Często stość występowania osadów w utworzonych przez różne r procesy Środowisko Procesy normalne katastroficzne wyjątkowe Produkty są w środowisku przeważające rzadkie wyjątkowe Gradziński, 1986 Zależno ność między środowiskiem sedymentacyjnym, procesami sedymentacyjnymi i osadami ŚRODOWISKO SEDYMENTACYJNE PROCESY SEDYMENTACYJNE OSADY zależność bezpośrednia zależność zwrotna Gradziński, 1986

17 Jednostki czasu Jednostki czasu używane u w życiu codziennym sekundy minuty godziny dni tygodnie miesiące lata wieki Jednostki czasu geologicznego Wiek (1,000,000 do o 10,000,000 lat) Epoka (10 do o 20 milion onów w lat) Okres (23 do o 80 milion onów w lat) Era (65 do o 300 milionów w lat) Eon (wi( więcej niż 500 milionów w lat)

18 10 8 km km 10 6 km ---- Układ słonecznys 10 5 km km 1000km 100km 10km 1km 100m 10m 1m 100mm 10mm 1mm Warstwy Żwir Piasek 100µm 10µm Ił 1µm Przestrzeń ---- Układ Ziemia-Ksi Księżyc Procesy geotektoniczne Szerokość basenów w sedymentacyjnych Zespoły y warstw (sekwencje) Głębokość basenów sedymentacyjnych Struktury sedymentacyjne yjne s ---- Ga s s s s s s s 10 9 s 10 8 s Era Okres ---- Wiek Ziemi Wiek 10 7 s Cykle p s 10 5 s 10 4 s 1000s 100s 10s 1s Ma ka lata miesiące dni godziny minuty Czas Życie organizmów Specjacja gatunków Zmiany polaryzacji magnetycznej Wypełnianie basenów Przerwy między głównymig zdarzeniami depozycyjnymi --- Cykle roczne Cykle pływowe Ruchy masowe sztormy Powstawanie struktur sedymentacyjnych Lawiny, obrywy skalne Cykle klimatyczne wg. Nichols, 1999

19 Nieciągła a i ciągła a depozycja osadu Osad przejściowo deponowany (A) i trwale akumulowany (B) B miąższość osadu A miąższość osadu 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

20 Pochodzenie materiału u osadowego PRODUKTY WIETRZENIA I EROZJI MATERIAŁ WULKANICZNY METEORYTY I MIKROMETEORYTY ROZTWORY MATERIAŁ ZIARNISTY TRANSPORT SORTOWANIE ROZTWORY POROWE HYDROGENICZNE BIOLOGICZNE LITOGENICZNE KOSMICZNE SKŁADNIKI OSADÓW wg. Gradziński, 1986

21 Skały y osadowe KLASTYCZNE (okruchowe) NIEKLASTYCZNE PIROKLASTYCZNE TERYGENICZNE WĘGLANOWE INNE EWAPORATY 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. Związki wytrącone chemicznie Różne skały mogą zawierać: węglany chlorki siarczany krzemionkę etc. Główne składniki Wg Nichols, 1999

22 Ziarna mineralne Podatność na wietrzenie chemiczne wybranych minerałów skałotwórczych oliwiny pirokseny amfibole biotyt muskowit kwarc Ca-skalenie Na-skalenie K-skalenie Produkty wietrzenia Minerały ilaste: kaolinit illit montmorillonit chloryt 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)

23 Zmiana zawartości skaleni w osadach Mississippi (Russell, 1937 w: Hsu, 2004) Zawartość skaleni w piaskach plażowych, N wybrzeże zatoki Meksykańskiej (Hsu, 1964)

24 Ziarna mineralne, cd. Minerały y cięż ężkie Gęstość (masa właściwa) ρ =m/v 2,5-3,5 g/cm 3 gęstość większości minerałów skałotwórczych Minerały ciężkie ρ> gęstości kwarcu (2,65 g/cm 3 ) Rutyl (4,3), cyrkon (4,7), tytanit (3,45), ilmenit (4,7), granat (3,5-4,3), epidot (3,5), apatyt (3,2), etc web.uct.ac.za/.../dlr/hons1998/nksands3.jpg Piaski plażowe wzbogacone w minerały ciężkie (ilmenit i granaty) Geelwal, RPA C B A C C B A C + B C A B C A + B + C web.uct.ac.za/.../dlr/hons1998/nksands3.jpg Zmarszczki eoliczne, na stokach dowietrznych wzbogacone w minerały ciężkie (ilmenit) Namakwa Sands, RPA

25 Materiał biogeniczny np.plankton

26 Rozpuszczone jony Cl - Na 2+ SO 2-4 Mg 2+ Ca 2+ K + HCO 3- Br - H 3 BO 3 Sr 2+ F - H 4 SiO ,3 1 Woda morska ppm % 55,05 30,61 7,68 3,69 1,16 1,10 0,41 0,19 0,07 0,03 0,005 0,004 Woda rzeczna (uśrednione) 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. Nichols,, 1999) wg. Gradziński, 1986

27 Pola trwałości minerałów w występuj pujących w morskich osadach biogenicznych i hydrogenicznych w zależno ności od ph i Eh (Gradziński,, 1986)

28 Basen euksyniczny Basen słabo redukcyjny Basen o swobodnej cyrkulacji wód Stosunek powierzchni o zerowej wartości Eh do powierzchni depozycyjnej

29 Skały y piroklastyczne Luźne Bomby Bloki > 64 mm Zwięzłe Brekcje wulkaniczne Lapille 2 64 mm Piaski wulkaniczne mm Tufy (piaskowce wulkaniczne) Popioły y wulkaniczne < 0.06 mm Tufy (mułowce wulkaniczne) fizar.pu.kielce.pl/.../piasek/pliki/rysunek.jpe

30 Islandia wybuch wulkanu Eyjafjalla, kwiecień-maj _1000bm_ash_fgh06371_10 Jon Gustafsson AP ch?v=fjii-u-41lg z z,sobota--godz-12

31 Nichols, 1999 Pettijohn, 1975

32 Teksturalna dojrzałość piaskowców Zawartość mułu Wysortowanie Kształt ziaren < 15% (arenity) < 0,5 (dobrze wysortowane) zaokrąglone Super dojrzałe > 15% (waki) > 0,5 (źle wysortowane) kanciaste Niedojrzałe Średnio dojrzałe Dojrzałe wg. Nichols, 1999

33 Wg. UNIS, course AG328, 2006

34 Układ CaCO 3 H 2 O CO 2 gaz H 2 O gaz 100% ph typowe dla wody rzecznej CO + H CO ph typowe dla wody morskiej roztwór CO 2 CO 3 2- H 2 CO 3 OH - Ca2+ HCO - 3 H + 50% HCO 3 CO 3 2- CaCO 3 stałe Trójfazowy układ CaCO 3 H 2 O (wg Hsu, 2004) 0% ph Zależność stężenia jonów węglanowych od ph (wg Hsu, 2004) (Ca 2+ )(CO 3 2- ) = K CaCO3 CO 2 rozpuszczone + H 2 O = H 2 CO 3 H 2 CO 3 = H + + HCO - 3 H 2 CO 3 + CaCO 3 = Ca HCO - 3 HCO - 3 = H + + CO 2-3 HCO OH - = H 2 O + CO 2-3 (H 2 CO 3 ) K H2 CO 3 = (CO 2 )(H 2 O) (CO 3- ) = k (CO 2 ) (H + ) 2

35 Układ CaCO 3 H 2 O CO 2 gaz H 2 O gaz 100% ph typowe dla wody rzecznej CO + H CO ph typowe dla wody morskiej roztwór CO 2 CO 3 2- H 2 CO 3 OH - Ca2+ HCO - 3 H + 50% HCO 3 CO 3 2- CaCO 3 stałe Trójfazowy układ CaCO 3 H 2 O (wg Hsu, 2004) (CO (CO - 3 ) = k 2 ) (H 0% !!! ph Zależność stężenia jonów węglanowych od ph (wg Hsu, 2004) (H + ) 2!!! (Ca 2+ )(CO 3 2- ) = K CaCO3 CO 2 rozpuszczone + H 2 O = H 2 CO 3 H 2 CO 3 = H + + HCO - 3 H 2 CO 3 + CaCO 3 = Ca HCO - 3 HCO - 3 = H + + CO 2-3 HCO OH - = H 2 O + CO 2-3 (H 2 CO 3 ) K H2 CO 3 = (CO 2 )(H 2 O) (CO 3- ) = k (CO 2 ) (H + ) 2

36 wg. Leeder, 1999

37 ~ 1000 m ~ 500 m

38 CCD Calcite Compensation Depth Leeder, 1999

39 Konkrecje manganowe Konkrecje syderytowe Glaukonit Ooidy szamozytowe

40 Wpływ powierzchniowy PAROWANIE Zbiornik oceaniczny Basen ewaporatowy Odpływ przydenny WYTRĄCANIE Basen ewaporatowy Ocean wg. Leeder, 1999 Ewaporaty Temperatura ( C) o GIPS Zapoczątkowanie wytrącania gipsu ANHYDRYT HALIT Stężenie jonów w wodzie morskiej wg. Leeder, 1999

41 Skład wody morskiej %o Sole 0,12 CaCO 3 Objęt ość 1000 Minerały Kalcyt 1,27 CaSO Gips, polihalit 27,21 0,09 2,25 0,74 3,35 0,01 Suma NaCl NaBr MgSO 4 KCl MgCl 2 Borany = 35,05 Gęstość cieczy Halit Inne chlorki Epsomit Kainit Sylwin Karnalit Biszofit Borany magnezu wg. Leeder, 1999