Sedimentologie karbonátů Literatura: *Tucker, M.E. – Wright, V.P. (1990) Carbonate Sedimentology), Blackwell Oxford *Kukal, Z. (1986): Základy Sedimentologie. Academia, Praha Usazené horniny Roční přísun sedimentu do oceánu (10^9 tun) 1. Základní charakteristika Biochemogenní sedimenty Tvorba pevného materiálu „in situ“ (x klastické sedimenty) Prostředí vzniku: n Vodní prostředí: mořské, sladkovodní n Souš: půdy (kalkrety) Minerály: n Kalcit /CaCO[3]/ n aragonit /CaCO[3]/ n Dolomit /CaMg(CO[3])[2]/ Horniny: n Vápenec: > 50% CaCO[3] (kalcit, aragonit) n Dolomit: > 50% CaMg(CO[3])[2] (minerál dolomit) n Travertin, pěnovec, speleotémy, atd. Vznik: n Biomineralizace CaCO[3] organismy n Přímé chemické srážení n Rekrystalizace (kalcit -> dolomit) Karbonátová ekvilibria na hranici vzduch voda CO[2](g) = CO[2](aq) (1) CO[2](aq) + H[2]O = H[2]CO[3] (2) H[2]CO[3] = H^+ + HCO[3]^- (bikarbonátový anion) (3)^ HCO[3]^- = H^+ + CO[3]^2- (karbonátový anion) (4) Ca^2+ + CO[3]^2- = CaCO[3](s) (kalcit) (5) Rovnovážné konstanty, závislé nepřímo úměrně na teplotě: vzrůst teploty = posun k levé straně rovnováhy (rovnice), pokles teploty = posun k pravé straně rovnice (CO[2]) KCO[2] = ---------- ; pro (1) pCO[2] CO[2](g) = CO[2](aq) ; čím nižší teplota, tím více rozpuštěného CO[2] Ekvilibrium na hranici vzduch oceán, oceány jsou mírně zásadité (pH = 7,9 – 8,1) Karbonátová ekvilibria na hranici vzduch voda CO[2](g) = CO[2](aq) (1) CO[2](aq) + H[2]O = H[2]CO[3] (2) H[2]CO[3] = H^+ + HCO[3]^- (bikarbonátový anion) (3)^ HCO[3]^- = H^+ + CO[3]^2- (karbonátový anion) (4) Ca^2+ + CO[3]^2- = CaCO[3] (s) (5) Rovnovážné konstanty, závislé nepřímo úměrně na teplotě: vzrůst teploty = posun k levé straně rovnováhy (rovnice), pokles teploty = posun k pravé straně rovnice (CO[3]^2-) (H^+) K = ----------------- ; pro (2)(3)(4) (CO[2])(H[2]O) (CO[2])(H2O) (CO[3]^2-) = k ---------------- ; čím více CO[2], tím kyselejší prostředí à rozpouštění CO[3]^2- (H^+) ; čím méně CO[2], tím zásaditější prostředí à precipitace CO[3]^2- Karbonátová ekvilibria na hranici vzduch voda Hloubková distribuce karbonátových specií a CO[2] v oceánech Minerály karbonátových hornin: Aragonit: n rombický n biomineralizace, chemické srážení n chemicky nestabilní (metastabilní) -> rekrystalizace na kalcit n Izomorfní příměsi: Sr (stroncianit) Kalcit: n Klencový n chemicky stabilní n Izomorfní příměsi: Mg (magnezit), Mn, Fe Vysokohořečnatý kalcit: * > 4 mol% MgCO[3] * biomineralizace, chemické srážení * chemicky málo stabilní -> rekrystalizace na kalcit Nízkohořečnatý kalcit: [* ]< 4 mol% MgCO[3] * Biomineralizace, chemické srážení * chemicky stabilní Dolomit: [n ]Ca,Mg(CO[3])[2] [n ]rekrystalizace, chemicky stabilní[] Biomineralizace Minerály: produkty metabolismu organismů: n Jednobuněční (Protozoa) n Bezobratlí mnohobuněční n Nižší rostliny *Aragonit *Vysoko-Mg kalcit *Nízko-Mg kalcit Biomineralizace ve fosilním záznamu P = paleozoikum M = mesozoikum C = kenozoikum * Aragonit * Vysoko-Mg kalcit * Nízko-Mg kalcit 2. Hlavní faktory řídící sedimentaci karbonátů *Fyzikálně –chemické parametry prostředí (vody) n Teplota n Zakalení n Salinita *Hloubka vody n Fotická zóna n Kompenzační hloubka karbonátu (CCD) n Kolísání hladiny moře (sekvenční stratigrafie) *Hloubka vody n Fotická zóna *Geotektonické prostředí n Přísun klastického materiálu (zakalení vody) n Pohyby litosféry v podloží karbonátů Klima (teplota) a salinita Subtropické pásmo (30 ° s. a j. zem. šířky) Asociace organismů produkujících CaCO3 *CHLOROZOAN (hermatypní koráli, zelené vápnité řasy), t>15°C, salinita: 32-40%o *CHLORALGAL (zelené vápnité řasy) t>15°C, salinita: >40%o, <52%o *FORAMOL (bentické foraminifery, měkkýši, mechovky, červené řasy) t:0-32°C, salinita: 25-35%o Karbonátové „továrny“ Tropical factory n precipitation is biotically controlled mostly by autotrophic organisms. Organisms: corals, green algae, foraminifers and molluscs. n warm (more than 20°C) and sunlit waters n high in oxygen n low in nutrients n between 30° north and 30° south of the equator n most widespread today, and is often found fossilised. Cool-water factory n cooler waters n higher latitudes than tropical factories n Precipitation is biotically controlled by heterotrophic organisms, sometimes in association with photo-autotrophic organisms such as red algae. n higher amount of nutrients than in tropical factories. Mud-mound factory n abiotic precipitation and biotically induced precipitation n waters high in nutrients and low in oxygen n known only from the fossil record, especially Paleozoic and Mesozoic. Recentní karbonátové systémy Hloubka moře * Účinná fotická zóna * Vysoká alkalinita a nízké pH * Hloubkový gradient produktivity Hloubkový gradient produktivity: kenozoikum vs. svrchní karbon Základní procesy depozice v karbonátovém prostředí Kolísání hladiny světového oceánu Catch-up systémy „dohánějí“ hladinu Keep-up systémy „drží tempo“ s hladinou Catch-up systémy: pomalý vs. rychlý vzestup hladiny moře Reakce systému na vzestup mořské hladiny Hloubka moře 2: ACD, lyzoklina a CCD * CCD (karbonátová kompenzační hloubka): rychlost rozpouštění > rychlost sedimentace kalcitu * ACD (kompenzační hloubka aragonitu): rychlost rozpouštění > rychlost sedimentace aragonitu * Lyzoklina: rychlost rozpouštění rychle vzrůstá CCD „sněžná čára“ Tektonický rámec sedimentace Snížený přísun klastického materiálu – n Velká a malá bahamská lavice n Velký bariérový útes n Rudé moře Morfologie karbonátových těles n Lemový šelf (Velký bariérový útes) n Rampa (Žraločí zátoka, Yucatán) n Izolovaná lavice (platforma) (Bahamy) n Epeirická platforma (pouze fosilní příklady, Muschelkalk, Dinant platform) n Potopená platforma (Blake plateau) Typy platforem Lemový šelf n přilehlý k pevnině n plochý povrch (sklon < 0,2°) n hrana šelfu – útesová bariéra, oolitové písčiny n prudký svah (sklon až 40°) -> hluboké moře Floridský šelf: Florida Keys Izolovaná platforma: velká bahamská lavice Růst Velké bahamské lavice: progradace klinoforem v seismickém profilu Izolované platformy: Dolomity, trias Reakce na relativní vzestup hladiny moře: „kbelík“ Karbonátová rampa n přilehlá k pevnině n povrch mírně svažitý do oceánu (sklon < 2°) n bez výrazné hrany Perský záliv, homoklinální rampa Západní Yucatan: distally-steepened ramp Rampy v geologickém záznamu Rampa à lemový šelf Potopená platforma Potopení platformy * The sediment surface leaves the realm of shallow-water carbonate sedimentation altogether and becomes submerged below the euphotic zone (right figure). The onset of drowning is expressed by a change from shallow-water faunas to deeper-water communities in reefs and on lagoonal floors. Buildups truly abandoned by a rising sea are commonly capped by a submarine hardground and enveloped by a shale cap or deepwater limestone. An example of a drowned ramp reservoir is the Devonian Onadaga of New York. Potopení platformy Mokrá Hranice F/F v Mokré, potopená platforma * Hiát * Změna litologie * Prohloubení depozičního prostředí * Uranová anomálie Diskuze: řídící faktory potopení platformy Diskuze: řídící faktory potopení platformy 3. Petrografie karbonátových hornin Klastické sedimenty 1. sedimentární textury (interpretace hydrodynamických podmínek -> depoziční prostředí) 2. petrografie: provenience, klima Karbonáty 1. petrografie: n Zachování schránek z CaCO3 (paleoekologie, tafonomie) n Vznik materiálu v místě sedimentace – depoziční prostředí 2. sedimentární textury (hydrodynamické podmínky méně důležité) Petrografie (metodika): *Optický (polarizační) mikroskop pro pozorování v procházejícím světle: (výbrusy, acetátové otisky) *Binokulární lupa (nábrusy) *CL mikroskop (výbrusy) *SEM (leptané povrchy, povrchy na čerstvém lomu) Komponenty karbonátových hornin v mikroskopickém měřítku *Zrna n Alochemy *neskeletální alochemy *skeletální alochemy n Terigenní (detritická) zrna *Mikrit (micrite = microcrystalline calcite) *Sparit (sparite = sparry calcite) Mikrit („základní hmota“) * zrna < 4 mikrony (usazování v málo turbulentním prostředí) * Mikrosparit (4 – 15 mikronů) * různý původ n Bioeroze n Mechanický rozpad karbonátových zrn n Rozpad vápnitých řas n Chemické a biochemické srážení (mikritizace) Sparit * Čirý kalcit (aragonit) * Diagenetický původ n Cementace (výplň pórů – kalcit, aragonit) n Rekrystalizace (reorientace krystalových mřížek minerálů – kalcit) n Nahrazování (krystalizace nových minerálů /kalcit/ na místě původních /aragonit, vysoko Mg kalcit, chalcedon, evapority/) Neskeletální alochemy * Ooidy * Pisoidy * Onkoidy * Peloidy * intraklasty Neskeletální alochemy Ooidy * Kortex * radiální nebo koncentrická struktura * laminy (průběžné po celém obvodu * zpravidla < 2 mm * turbuletní prostředí Onkoidy, pisoidy * Kortex * Laminární struktura * Laminy neprůběžné * Zpravidla >2 mm Neskeletální alochemy Peloidy * Nemají vnitřní strukturu (tvořeny mikritem) * pravidelný nebo nepravidelný tvar * Různý původ (mikritizace alochemů, fekální pelety, cyanobakteriální původ) * Zpravidla < 2 mm Intraklasty (agregáty) * Intrabazinální klasty (úlomky hornin ze stejné sedimentační pánve) * Vnitřní struktura se liší od struktury okolí * Jasně vymezené hranice vůči okolní hornině * Nepravidelný tvar * Různá velikost Skeletální alochemy Skeletální alochemy Vápnité řasy * Dasycladaceae (aragonit) Vápnité řasy * Corallinaceae (vysoko-Mg kalcit) Skeletální alochemy Vápnité řasy *Coccolithophorida (nízko-Mg kalcit) Skeletální alochemy Foraminifera *Globorotalia (nízko-Mg kalcit) Skeletální alochemy Foraminifera * Fusulinida (nízko – vysoko Mg kalcit) Foraminifera * Fusulinida (nízko – vysoko Mg kalcit) Skeletální alochemy Vápnité houby (Porifera) * Spikuly (jehlice hub) (nízko – vysoko Mg kalcit) Koráli (Anthozoa) * Favosites (vysoko Mg kalcit ?) Skeletální alochemy Koráli (Anthozoa) * Syringopora (kolonie) (vysoko Mg kalcit ?), aragonit -> (recentní koráli – Scleractinia) Mechovky (Bryozoa) * Fenestrátní mechovka (nízko - vysoko Mg kalcit) Skeletální alochemy brachiopodi * Terebratulida (nízko - vysoko Mg kalcit) mlži (aragonit, nízko - vysoko Mg kalcit) Skeletální alochemy gastropodi (aragonit, nízko - vysoko Mg kalcit) hlavonožci (Cephalopoda) (aragonit) Skeletální alochemy Členovci: trilobiti (nízko Mg kalcit) Členovci: ostrakodi (nízko – vysoko Mg kalcit) Skeletální alochemy Ostnokožci (vysoko Mg kalcit) Radiolárie (SiO[2] – rekrystalizace na kalcit) Sedimentární struktury (analogické klastickým sedimentům) * Velikost zrna n Kalcilutit (karbonát pelitické frakce) n Kalciarenit (karbonát psamitické frakce) n Kalcirudit (karbonát psefitické frakce) * Vytřídění n Míra podobnosti velikostí zrn ve vzorku horniny n Reciproká hodnota standardní odchylky souboru dat velikostí zrn, S[0] = Q[3]/Q[1]½ Kde S[0] = třídění, Q[3] = třetí kvartil (75% nejmenších zrn), Q[1] = první kvartil (25% nejmenších zrn) * Tvar zrn n Forma – (celkový tvar) – izomorfní, tabulkovitý, tyčovitý n Sféricita – jak moc se zrna tvarově blíží kouli n Zaoblení – míra zakřivení hran zrna –> více = angulární, méně = zaoblený n Vizuální odhad * Porozita * Permeabilita Sedimentární struktury velikost zrna (zrnitost) Částice mechanicky unášené kapalinami– sedimentární částice: Křemen, živce, kalcit, aragonit, jílové minerály: (r = 2650 kg/m3) – nejčastější Další: slídy, amfibol, pyroxeny, olivín Wenworthova zrnitostní klasifikace F = -log2d ; d = průměr zrna v mm kontrolována * velikostí 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 Sedimentární struktury vytřídění Vytřídění: Míra podobnosti velikostí zrn ve vzorku horniny * Kvalitativní odhad * Reciproká hodnota standardní odchylky souboru dat velikostí zrn, S[0] = Q[3]/Q[1]½ Kde S[0] = třídění, Q[3] = třetí kvartil (75% nejmenších zrn), Q[1] = první kvartil (25% nejmenších zrn) Střední velikost zrn Gaussovy křivky, kumulativní křivky Kontrolováno * vytříděním klastů generovaných během zvětrávání ve zdrojové oblasti * abrazní a třídící schopností transportního média (vítr, voda, led) Vytřídění: kvalitativní odhad Sedimentární struktury tvar zrna * Tvar zrna Tvar částic určený : n Krystalizací z magmatu nebo vodného roztoku (tvar krystalů, tabulkový, sloupcovitý, apod.) n Vulkanogenní činností (pyroklastika – lapilli, prach, popel, písek, velmi nepravidelný) n Zvětráváním hornin (nepravidelný tvar – zaoblení, koule, trojosý elipsoid) n Organickou aktivitou (schránky, ooidy, klacíky, apod. – koule, válec, destičkovitý tvar) Porozita (V[pórů] / V[horniny + pórů ]x 100%) * Intergranulární * Intragranulární * Fenestrální * Mezi krystaly * Moldická * Puklinová * Kavernózní * Brekciová * Ve výhrabech * Ve vrtbách Permeabilita n Míra toho, jak rychle může horninou protékat kapalina n Závisí na porozitě, velikosti pórů a propojení pórů Klasifikace karbonátových hornin Kritéria: * Přítomnost / nepřítomnost mikritu (hydrodynamické prostředí sedimentace) * Vytvoření podpůrné struktury zrn / mikritu (poměr mikritu a zrn, tvar zrn – sférická zrna podpůrná kostra při 60%, větevnatá zrna (korály) podpůrná kostra při 20%) * Velikost zrn (není příliš zohledňována, relevantní pouze v případě transportu alochemů) * Klasifikace alochemů (prostředí vzniku sedimentu) Folkova klasifikace (Folk, J.R. 1959) n Sparit / mikrit n Klasifikace alochemů (+/- prostředí sedimentace) n Není zohledněna podpůrná struktura n Není zohledněna velikost zrn Folkova klasifikace (Folk, J.R. 1959) n Sparit / mikrit n Podpůrná struktura (hydrodynamické podmínky) n Klasifikace alochemů (+/- prostředí sedimentace) n Třídění (hydrodynamické podmínky) n Příliš dlouhé názvy hornin Dunhamova klasifikace (Dunham, 1962) Rozšířená Dunhamova klasifikace (Embry a Klovan, 1974) lime mudstone (Dunham) fossiliferous micrite (Folk) wackestone (Dunham) (sparse) biomicrite (Folk) packstone (Dunham) packed biopelmicrite (Folk) grainstone (Dunham) biopelsparite(1), biosparite(2) (Folk) crystalline (dolomite) (Dunham) Standardní mikrofacie (Flügel 1972, Wilson 1975) *Mikrofacie (24 standardních mikrofacií): kvalitativní soubor znaků horniny pozorovatelných ve výbruse: n klasifikace horniny (zpravidla Dunhamova klasifkace) n popis sedimentárních struktur (velikost a tvar zrna, vytřídění, porozita, atd.) n popis mikrotextur (laminace, gradace) n klasifikace alochemů (ekologické skupiny skeletálních alochemů,neskeletální alochemy, atd) n Mikrofacie: kvalitativní soubor znaků *Faciální pásma (9 standardních pásem) - Interpretace prostředí sedimentace Environmentální význam neskeletálních klastů a textur Standardní mikrofacie - příklady *SMF 3 n lime mudstone a wackestone s mikritickou matrix s pelagickou mikrofaunou (např. radiolárie, globigeriny) nebo makrofaunou (graptoliti, fragmenty tenkostěnných mlžů) n Pánevní, hlubokomořské prostředí s pomalou sedimentací *SMF 15 n Grainstone s dobře vytřídnými ooidy a šikmým zvrstvením n Vysokoenergetické prostředí oolitických písčin na okraji šelfu, pláže a valy na přílivových plošinách Použití mikrofacií: mapování paleoprostředí Použití mikrofacií: mapování paleoprostředí Stratigrafický význam mikrofacií: identifikace cyklů, trendů a událostí na časové ose Semikvantitativní MF analýza *14 mikrofacií *Prostředí od dysoxického prostředí pánve (MF1-4) po svrchní část svahu (MF10-14) *Alochtonní vrstvy vs. „pozadí“ (MF kontrasty) *Progradace, cyklicita