Текст книги "Геологические формации"

Р. А. Цыкин, Е. В. Прокатень
ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ФОРМАЦИИ

Введение

Вещество земной коры исследуют различные науки геологического цикла. Земные атомы и ионы подвергают геохимическому анализу, молекулы – минералогическому, скопления одного или нескольких минералов – литологическому или петрографическому, ассоциации горных пород – формационному, ряды и латеральные наборы, а также структуры формаций – геотектоническому. Для осуществления анализа геологических формаций, предусмотренного учебным планом специальности 130301 – «Геологическая съемка, поиски и разведка месторождений полезных ископаемых», необходимо освоить основы учения о геологических формациях (формациологии).

Цель дисциплины «Анализ геологических формаций» состоит в изучении подходов к выделению геоформаций, в освоении принципов классификации этих объектов, развитии навыков распознавания семейств, родов и видов геоформаций по геологическим картам, стратиграфическим колонкам и условным обозначениям, сопровождающим карты. Студенты получают знания по рудоносным и продуктивным формациям и субформациям.

Задачи преподавания дисциплины следующие:

1) знакомство с историей становления формациологии и ролью отечественных ученых в разработке ее основ;

2) усвоение методов формационного анализа;

3) знание принципов классификации геоформаций;

4) изучение главнейших формаций литологического (осадочного) типа;

5) изучение наиболее распространенных магматических формаций;

6) ознакомление с проблемой типизации метаморфитов и характерными формациями классов метаморфизованных, метаморфических и ультраметаморфических формаций;

7) обсуждение вопросов систематики гидротермально-метасоматических породных ассоциаций;

8) рассмотрение группы специфических формаций, «выпадающих» из разработанной классификации;

9) ознакомление с главнейшими рудными (рудоносными) и продуктивными формациями и субформациями.

Формациология наиболее тесно связана с такими дисциплинами геологического цикла, как литология и основы анализа фаций, петрография, учение о месторождениях твердых полезных ископаемых, нефтегазовая геология, геологическое картирование, геотектоника и геодинамика. Судя по приведенному перечню, изучать данную дисциплину рационально не ранее 7–8 семестров подготовки студентов. Объем учебной дисциплины невелик, в то же время она имеет существенное значение для выработки профессионального мировоззрения будущих инженеров-геологов.

Задача формациологии состоит в свертывании (генерализации) обширной информации о горных породах различного происхождения с учётом их продуктивности на скопления минерального сырья. Это дает возможность взамен описания разрезов осадочных горных пород, плутонов моно– и полифазового строения, фаций и субфаций метаморфитов оперировать ассоциативными понятиями, состоящими из одного-трех терминов.

Например, флишевая, гранитная, терригенно-карбонатная, габбро-диоритовая, вулканогенно-кремнисто-карбонатная формации. За каждым термином стоит эталон, описываемый в справочной литературе и данном учебном пособии. При этом формациологи полагают, во-первых, что выделяемые объекты являются не случайными, недостоверными сообществами, а реально существующими в эталонных местонахождениях и в других участках недр крупными телами с определенным внутренним строением и, во-вторых, что они порождены реконструируемыми геологическими процессами внутренней или внешней групп. Соответственно многие формациологии говорят о закономерных породных ассоциациях, включающих во многих случаях залежи минерального сырья. Вопрос о естественности и закономерном возникновении выделяемых формаций является спорным.

Литература, посвященная геологическим формациям, обширна. Главнейшие публикации для углубленного ознакомления студентов и аспирантов приведены в конце учебного пособия. Основной литературой являются [8] и [9]. Формациология, как и другие науки геологического цикла, является развивающейся и совершенствующейся предметной областью. Поэтому призываем студентов, аспирантов и преподавателей, особенно молодых, следить за издаваемой специальной литературой, особенно за периодическими изданиями, через библиотечную сеть и интернет.

1. История становления формациологии и ее теоретические основания

Термин «формация» впервые применил А. Г. Вернер (1781 г.). Но несколько ранее Г. Фюксель (1762 г.) писал о «горных сериях» – прообразах будущих формаций. В начале ХIХ столетия европейские геологи (А. Броньяр, Ж. Кювье, К. Прево) вкладывали в понятие «формация» генетический смысл. Но постепенно в качестве формаций стали рассматривать крупные стратиграфические подразделения. В 1881 г. II Международный геологический конгресс не рекомендовал использовать этот термин в стратиграфическом аспекте.

Русские ученые ХХ века неоднократно пользовались данным термином в целях историко-генетического (Д. В. Наливкин, Н. Б. Вассоевич, Л. Б. Рухин, Н. М. Страхов), тектонического (Н. С. Шатский), металлогенического (Ю. А. Билибин) и других исследований преимущественно слоистых толщ. Выделение и обоснование магматических формаций является заслугой Ф. Ю. Левинсона-Лессинга и Ю. А. Кузнецова. Основы формациологии как самостоятельной науки геологического цикла заложены в трудах В. И. Попова, В. И. Драгунова, О. А. Вотаха, В. М. Цейслера и др. [8, 10, 17, 21]. Критический обзор современного состояния фациального и формационного анализов был сделан Ю. А. Ворониным и Э. А. Егановым [5].

За более чем двухсотлетний период оперирования формационными единицами наметилось 6 подходов (направлений) к основной задаче формациологии.

1. Стратиграфический подход применен А. Г. Вернером, считавшим формацией комплекс одновозрастных пород. Спустя почти 50 лет А. Грессли назвал формациями стратиграфические системы (триасовая, юрская, меловая формация). Такого же взгляда придерживался А. Гумбольдт. В конце ХIХ в. Международный геологический конгресс принял решение об исключении формаций из стратиграфической терминологии. Однако геологи США традиционно применяют данный подход. Например, Ф. Кинг в книге «Геологическое развитие Северной Америки» (1961) в Центральных Скалистых горах выделяет формации Ливингстон (андезитовые туфы маастрихт-палеоцена), Уосатч (красноватые песчаники эоцена), Грин-Ривер (песчаники, аргиллиты, алевролиты с линзами горючих сланцев олигоцена) и др.

Академик М. А. Усов в 30-е годы ХХ века пытался модернизировать стратиграфический подход, используя американский опыт, для Западной Сибири. Под формацией он подразумевал последовательность отложений, которая образуется в промежутке времени между двумя тектоническими фазами. В подошве и кровле формация ограничена поверхностями перерывов и несогласий. Выделенные М. А. Усовым формации лишь частично подтвердились (как местные стратоны) последующими работами.

Интуитивно на позиции данного подхода становятся те геологи, которые выделяют формации исключительно в ранге свит и ярусов осадочных и вулканогенно-осадочных отложений.

2. Генетический подход является одним из наиболее распространенных и применяется с 20-х годов ХIХ в. (Ж. Кювье, К. Прево и др.).

А. Г. Вернер (1750–1817)

В конце ХIХ в. Э. Реневье предложил использовать термин «формация» по отношению к наиболее существенным различиям комплексов пород (морские, континентальные, вулканические и др.), а термин «фация» – для обозначения деталей генетической характеристики (шельфовые, озерные, дельтовые и т. п.). В дальнейшем генетический подход применялся академиком Д. В. Наливкиным (он различал иерархическую последовательность: фация – сервия – нимия – формация), академиком Н. М. Страховым, В. И. Поповым и многими другими. Так, Н. М. Страхов под формацией понимает комплекс фаций, выделяемых по типу создавшего его литогенеза (гумидного, аридного, ледового и вулканогенно-осадочного).

3. Тектонический подход заложен исследованиями М. Бертрана, который в 1897 г. отнес гнейсы, флиш и молассы к формациям, свойственным определенным стадиям «цикличной истории гор» (стадиям развития геосинклинали). В последующем его развивали В. В. Белоусов, А. В. Пейве, В. Е. Хаин и другие. Так, В. Е. Хаин в 1964 г. заявил, что формация «это закономерное и естественное сочетание (парагенезис, комплекс, ассоциация) определенного набора горных пород – осадочных, вулканогенных, интрузивных, образующихся на конкретных стадиях развития основных структурных зон земной коры» [8; Т. 1; С. 16]. Позднее (1985 г.) В. Е. Хаин несколько изменил свою формулировку, внеся в нее и генетический смысл («общность условий образования»).

4. Эмпирический подход сформулирован академиком Н. С. Шатским, относившим к формациям «естественные ассоциации горных пород, отдельные члены которых (породы, слои, толщи и т. д.) парагенетически связаны как в пространственном, так и в возрастном отношении» [8; Т. 1; С. 16]. В этом определении парагенетическая связь обозначает устойчивое, многократно повторяющееся сонахождение. Н. С. Шатский подчеркивал, что формации должны выделяться на основании полевых наблюдений, а не в результате построения надуманных классификаций (генетических, тектонических и др.). Методически грамотно выделенные формации, по его убеждению, неизбежно обнаружат связь с тектоническими структурами, т. к. тектоника, обусловливающая рельеф, вулканизм и условия осадконакопления, повлияет на состав, структуру мощность и другие особенности слоистой толщи. Этот подход отечественными исследователями применяется достаточно широко, уступая, однако, генетическому.

5. Иерархический подход пропагандировался И. В. Крутем, В. И. Драгуновым, О. А. Вотахом и другими. Он основывается на идее многоуровневой организации вещества Земли. Н. П. Херасков писал: «Если горная порода – это парагенез минералов, то формация – парагенез горных пород» [8; Т. 1; С. 28].

В. И. Драгунов [10], исходя из идеи структурной организации вещества любого уровня, предлагает применять в отношении формаций системные принципы массового производства (Томсона), физической непрерывности (Пуанкаре) и смешения («всюдности» Вернадского).

Н. С. Шатский (1895–1960)

Из первого принципа следует, что формация, как сложное естественное тело, должна повторяться в пространстве и геологическом времени, из второго – что внутри формации повсеместно должны сохраняться ее существенные свойства, а из третьего – что в теле формации могут встречаться породные включения, которые не должны учитываться при идентификации. Из вышеназванного складывается системный подход, развивавшийся академиками Ю. А. Косыгиным, В. А. Соловьевым и др. По Ю. А. Косыгину, формации – это «крупные геологические тела, структуры которых обладают свойством периодичности, что позволяет выделять формации по структурно-вещественным признакам подобно тому, как выделяются горные породы» [8; Т. 1; С. 85]. Как минерал и многие горные породы имеют структурные ячейки, состоящие соответственно из атомов (ионов) и зерен минералов, так и для формации эти исследователи рекомендуют выделить ячейку, включающую главнейшие (патрические) горные породы. Близко к двум вышеназванным определение В. М. Цейслера, рассматривающего формацию как «закономерно повторяющуюся во времени и пространстве ассоциацию горных пород, обладающую особенностями состава и строения и образующую крупное геологическое тело» [20].

6. Целевой подход предложен Ю. А.Ворониным и Э. А. Егановым [5]. Критикуя представления о естественности формаций (существование вне зависимости от исследующего породные ассоциации субъекта), эти ученые показали, что формационные тела выделяются в зависимости от целевых установок и научных представлений авторского коллектива. Во многом такое мнение оправдано, что видно прежде всего из приведенного многообразия теоретических подходов к объекту формациологии.

Каждый из подходов имеет достоинства и недостатки. Так, если бы получил международное признание подход такого научного авторитета, как А. Гумбольдт, то вместо стратиграфии расчленением и корреляцией слоистых толщ занималась бы формациология, а породные ассоциации исследовала бы другая (по названию) дисциплина. Генетический (иногда именуемый историко-геологическим, геогенерационным) подход многим ученым представляется предпочтительным, так как с возможностью ответа на вопросы о том, как и почему, ученые связывают надежды расшифровать сокровенные тайны недр, в частности, выявить минерагенический потенциал геоформаций.

К сожалению, генетические представления часто оказываются сугубо предположительными из-за конвергенции (такого развития, когда разные геологические процессы дают один конечный продукт), неотчетливости признаков и т. д. Конвергенция является серьезным препятствием в условиях тектонического подхода, т. к. очень схожие (и часто отождествляемые) формации обнаруживаются в разных геотектонических зонах (областях). Кроме того, геотектонический анализ зачастую столь же ненадежен и спорен, как и историко-генетический.

Эмпирический, иерархический и системный подходы схожи в том, что провозглашающие их ученые пытаются опереться на поиск неслучайных наборов пород и изучение их структурных соотношений. Существовавшие на первых порах противоречия совместными усилиями ученых сглаживаются – и эти подходы сближаются. Догадка о многоуровневой организации вещества земной коры подтвердилась лишь частично. Так, структурные ячейки выделяются для минералов с кристаллическим строением и достаточно гипотетически – для планет (оболочки) и Солнечной системы (планеты-ячейки). Ассоциации горных пород зачастую не обнаруживают устойчивой регулярности в пространственном положении породных тел.

В процессе формационного анализа ученые и практики используют элементы большинства перечисленных подходов, учитывая геологический возраст, генезис, палеотектонический режим, целевые установки. Но исследования проводятся под определенным «флагом», детерминируя исходное понимание формации. Нам представляется, что предпочтительным является формализованное феноменологическое определение: геологическая формация – это ассоциация (парагенезис) горных пород с определенной структурой, устойчиво образующаяся в пространстве и времени и слагающая крупное тело. Акцентирование естественности и закономерности состава и строения считаем излишним, т. к. было указано Ю. А. Ворониным и Э. А. Егановым [5].

Идентификация (поименование) геологических формаций осуществляется несколькими способами. Укоренились некоторые исторически сложившиеся названия (аспидная, лептитовая, рапакиви и др.). В ходу географические и этнографичекиие наименования (гондитовая, эвксинская, доманиковая). Новые формации чаще всего обозначаются петрографическими и литологическими терминами. В. И. Драгунов для выделяемой ассоциации рекомендовал употреблять не более двух терминов (известняково-доломитовая, песчано-алевролитовая и т. п.). Но допустимо тройное словосочетание (сланцево-мергельно-известняковая). Развернутые обозначения типа «морская битуминозная известняково-алевролито-сланцевая формация» являются громоздкими, и по сути, представляют собой краткое описание. Иногда для выделяемых ассоциаций применяются палеотектонические, палеогеографические и другие термины (например, геоантиклинальная рифовая известняковая). Формации могут быть названы и по особым свойствам (черносланцевая, платобазальтовая и т. п.). Для формационного вида предлагаем дополнительно собственное название в соответствии с серийными легендами.

Множественность способов детерминации геоформаций как бы унаследована от других наук, исследующих вещество земной коры, например минералогии и петрографии. Каждая формация в ранге рода должна быть охарактеризована эталоном, чего пока нет, а также описана в справочной литературе.

2. Методика формационного анализа

Минералы и горные породы можно непосредственно наблюдать в обнажениях, керне скважин, в отобранных штуфных образцах. Последние могут быть описаны визуально, изучены микроскопически в шлифах, подвергнуты разнообразным видам физико-химических исследований. Геоформации являются крупными телами, которые вскрыты в обнажениях лишь частично и далеко не всегда могут быть надежно оконтурены. Полные пересечения формаций лишь в ограниченном числе случаев могут быть получены колонковыми скважинами. В большинстве случаев в целях формационного анализа на уровне эрозионного среза земной коры могут быть использованы государственные геологические карты среднего (1:200 000) или мелкого (1: 1 000 000) масштабов, а также сводные карты регионов мелкого (вплоть до 1: 2 500 000) масштаба и сопровождающиеся полистные карты построения (модели), включая стратиграфическую колонку, разрезы и условные обозначения (главным образом для класса интрузивных формаций).

Для геоформаций определяющими являются ассоциации (парагенезис) горных пород и строение породных тел. Для осадочных формаций оно может быть однородным (однообразные песчаники, каменная соль, доломит и др.), хаотично неоднородным (органогенные постройки и окружающие их зернистые известняки, брекчии, олистолиты) и ритмичным. Ритмичность может быть направленной (трансгрессивной и регрессивной) или единообразной (градационной во флише). Особенности строения (структуры) не обязательно включать в название формации, если оно соответствует эталону (моласса, флиш, паралическая угленосная и др.).

Вулканогенные формации могут состоять из чередования (часто изменяющегося от места к месту) эффузивов разного состава, туфов, туффитов, игнимбритов и т. п. либо направленной смены пород – гомо– и антидромной. Более редки сравнительно однородные тела (базальты, траппы).

Интрузивные формации чаще всего обладают хаотичной (массивной) текстурой, или строением, но могут быть и с включениями, пересечениями, расслоенностью пород.

Метаморфические формации имеют разные структуры: реликтовые слоистые и новообразованные сланцеватые, повторноскладчатые, син– и антиформные. Обычно их не вводят в название формации, а описывают при ее характеристике.

Гидротермально-метасоматические формации имеют однородную (вторичных кварцитов), линзовидно-ленточную (скарновую), штокверковую (золото-кварцевую), жильную, гнездовую (березитовую, пропилитовую и др.), линзово-столбовую и другие структуры.

Состав формации определяют главные виды горных пород. Их содержание в формационном теле должно превышать 10 %. Обычно таких пород – от одной до трех. Второстепенные породные и минеральные составляющие считаются примесными, за исключением продуктивных нерудных (флюорит, барит, асбест, апатит и др.) и рудных минералов. Соответственно формация получает статус продуктивной или рудной.

Границы формационного тела далеко не всегда могут быть определены надежно. По типу границ, обоснованных Ю. А. Косыгиным, они могут быть резкими (чаще при складчато-боковом строении и наличии структурных этажей), постепенными (например, переходы известняковой формации осадочного чехла в мергельно-алевролитовую формацию) и условными. Последние соответствуют границам топографо-геодезической разграфки (листам) геологических карт, административным и государственной.

Проведением границ достигают определения формы (формы залегания, по В. М. Цейслеру) геологического тела надпородного уровня. Осадочные формации характеризуются пластовой формой: первичной в осадочных чехлах и вторичной, деформационной складчатой и складчато-блоковой. Вулканогенные формации залегают в виде потоков, покровов, массивно-слоистых залежей. Интрузивные формации имеют описанные в учебниках по структурной геологии формы штоков, батолитов, лакколитов, силлов и других тел. Для гидротермально-метасоматических формаций понятия формы залегания и структуры обычно изоморфны.

Геоформации могут залегать открыто и полностью изображаться на картографических моделях, быть частично или полностью погребенными (например, формации осадочных чехлов платформ). Распространение последних может быть отображено на погоризонтных срезах и специальных картах (например нефтегазоносности территории).

Как любое геологическое тело, формация имеет объем, выражаемый в кубических километрах или более мелких единицах. Этот показатель достаточно точно рассчитывают для продуктивных и рудных формаций с использованием данных бурения и геофизических (особенно магнитного и сейсмического) методов.

При описаниях формаций следует учитывать площадь их распространения. На картах крупных государств и регионов можно определить с той или иной достоверностью полную площадь распространения геоформации, обусловленную процессами накопления слоев земной коры и их последующими деформациями. На полистных картах эта величина может быть подсчитана в границах соответствующей трапеции. Более надежны оценки площади распространения формаций для чехлов древних и молодых платформ. Например, для Сибирской платформы площадь распространения эвапоритовой формации нижнего-среднего кембрия составляет около 1,0 млн км², площадь, занимаемая платобазальтовой формацией перми и триаса, – порядка 1,5 млн км² , а терригенной угленосной формации верхнего карбона-перми – 2,0 млн км².

Геологический возраст – важный фактор выделения формационного вида. В разрезе того или иного региона аналогичные по литологическому составу и структуре геоформации могут располагаться на разных стратиграфических уровнях. Если интервал времени между аналогичными формационными телами велик (десятки и сотни миллионов лет), то нужно выделять разные геоформации. Это обусловлено необратимыми изменениями среды осадконакопления, органического мира, состава вод бассейна осадконакопления, палеотектоники и др. Для их детерминации на уровне вида (конкретной ассоциации) можно добавлять название соответствующего стратона.

Например, в Енисейском кряже различают три доломитовые формации среднего-верхнего рифея, соответственно аладьинскую, джурскую, подъемскую. Сходные по составу интрузии разновозрастных комплексов также надо относить к различным формационным видам. В том же Енисейском кряже на протяжении рифея произошло становление гранитовых формаций (снизу вверх): татаро-аяхтинской, гаревской и глушихинской. Они отличаются морфологией тел и петрохимией, но близки по геодинамическим условиям становления (пассивная континентальная окраина).

Структурно-геологический (геотектонический) фактор также необходимо учитывать при формационном анализе. Не следует объединять в формации толщи разных структурных этажей, для которых существенны различия складчато-блоковых деформаций, иногда – гидротермальной минерализации, малых интрузий (штоков, даек).