Sedimentologie Literatura: Kukal, Z.: Základy sedimentologie, Academia Praha, 1986 Hsu, K. J. (2004): Physics of Sedimentology Tato prezentace, zimní semestr 2006 Sedimentology, sedimentary geology Definitions • Sedimentology = the study of the processes of formation, transport and deposition of material which accumulates as sediment in continental and marine environments and eventually forms sedimentary rocks • Stratigraphy = the study of rocks to determine the order and timing of events in Earth history • Sedimentary geology » sedimentology + stratigraphy Úvod Sedimenty: ► 72% povrchu souše (bez kvartéru) ► 99% povrchu dna moří a oceánů ► Mohou být užitečné: § nejdůležitější nerudní suroviny § velmi důležitá rudní surovina (menší koncentrace kovů – obrovské objemy) § drtivá většina ložiskových pastí na ropu a zemní plyn § obsahují záznam událostí na Zemi § záznam vývoje života na Zemi ► Mohou být i nebezpečné: § absorbují polutanty § Padají, klouzají, sesouvají se a ničí … na souši … na ještě sušší souši … … i pod mořem … různě staré, ale všudypřítomné vodorovné, i šikmé … a ještě šikmější … Úvod vztah sedimentologie k jiným geologickým disciplínám: ► ložisková geologie, ► stratigrafie, ► paleontologie ► mořská geologie, ► geochemie, ► mineralogie, ► petrografie(logie) Sedimenty v horninovém cyklu Historical development of sedimentary geology and key concepts • Principle of superposition (Nicolas Steno, 1669) • Stratigraphy developed already around 1800 • Uniformitarianism (“the present is the key to the past”) (Charles Lyell, 1830), “modern processes constitute the basis for interpreting ancient products“ (uniformitarianism works in many cases, but not always) • Principle of facies, A. Gressley, pol. 19. století • Jonathan Walther´s law of facies successions • Late 1980s and 1990s: revival of stratigraphy (sequence stratigraphy) ► Sedimentology is a relatively new discipline (1960s and 1970s) ► Poptávka po fosilních palivech - průzkum na ropu a zemní plyn – 50. léta 20. stol. ► DSDP, ODP – Glomar Challenger, Joides Resolution, od 1968 Temporal and spatial scales • Sedimentology focuses primarily on facies and depositional environments (how were sediments/sedimentary rocks formed?) • Smaller temporal and spatial scales • Stratigraphy focuses on the larger scale strata and Earth history (when and where were sediments/sedimentary rocks formed?) • Larger temporal and spatial scales • The stratigraphic record is nearly always very incomplete due to a limited preservation potential, that decreases with increasing time scales Primary data sources for sedimentologic/ stratigraphic studies • Outcrops (consolidated vs. unconsolidated sediments) Primary data sources for sedimentologic/ stratigraphic studies • Cores (hand-operated vs. power-driven) Primary data sources for sedimentologic/ stratigraphic studies • Geophysical data (e.g., wireline logs, seismic, ground-penetrating radar) Contents ► Unconsolidated clastic sediments ► Sedimentary rocks ► Diagenesis ► Sediment transport and deposition ► Sedimentary structures ► Facies and depositional environments ► Glacial/eolian/lacustrine environments ► Fluvial/deltaic/coastal environments ► Shallow/deep marine environments ► Stratigraphic principles ► Sequence stratigraphy ► Sedimentary basins ► Models in sedimentary geology ► Applied sedimentary geology ► Reflection Procesy vzniku sedimentů ► ZVĚTRÁVÁNÍ ► UVEDENÍ ČÁSTIC DO VZNOSU A TRANSPORT ► USAZENÍ Zvětrávání Chemické (chemický rozklad hornin) Mechanické (mechanický rozpad hornin při zachování jejich původního chemického složení a snižování velikosti zrna materiálu) Součinnost mechanického a chemického zvětrávání Biologické (činností živých organismů, živočichů, rostlin) CHEMICKÉ ZVĚTRÁVÁNÍ Rozpouštění rozpustnost ve vodě (halit) polární molekuly vody - na straně vodíku v H[2]O je kladný náboj, na straně kyslíku v H[2]O je záporný náboj, rozbití iontové vazby -> roztok většina minerálů ve vodě nerozpustné ► rozpustnost závislá na pH, čím nižší pH vody, vyšší kyselost roztoku (obsah kationtu H+), tím rozpustnější ► obsah kyselin ve vodě - rozklad organické hmoty v půdě, obsah CO[2] v atmosféře ► rozpouštění karbonátů ve slabých kyselých roztocích CaCO[3] + 2[H^+ + (H[2])O] -> Ca^2+ + CO[2] + 3(H[2])O kalcit + vodný roztok kyseliny -> iont vápníku (rozpustný) + oxid uhličitý + voda Oxidace a redukce OXIDACE: zvyšování oxidačního čísla /valence/ ► zpravidla kyslík rozpuštěný ve vodě, působí společně s hydrolýzou ► rozklad minerálů obsahujících železo - olivín, pyroxen, amfibol ► konečné produkty - oxidy a hydroxidy železa (hematit, goethit, limonit) 4Fe + 3O[2] -> 2Fe[2]O[3] krystalové železo + kyslík -> hematit 4Fe[2]O[3] . FeO + O[2] –> 6Fe[2]O[3] (Fe^3+) (Fe^2+) –> (Fe^3+) ^ REDUKCE: snižování oxidačního čísla /valence/ Např. vznik pyritu redukcí železitého iontu na železnatý ion Hydrolýza (disociace molekuly + nahrazení kladných iontů v mřížce kladnými produkty disociace) Disociace kyseliny hydrogenuhličité: H[2]CO[3] -> H^+ + HCO^3- Kys. hydrogenuhličitá -> vodíkový kation + hydrogenuhličitanový anion Hydrolýza ortoklasu: 2KAlSi[3]O[8] + 2(H^+ + HCO^3-) + H[2]O -> Al[2]Si[2]O[5](OH)[4] + 2K^+ + 2HCO^3- + 4SiO[2] ortoklas + kys. hydrogenuhličitá + voda -> kaolinit + draselný kat. + hydrogenuhličitan. an. + křemíkový gel Hydratace Příjem molekuly vody Fe[2]O[3] + H[2]O –> 2FeOOH Hematit + voda –> goethit Produkty chemického zvětrávání Minerál podléhající zvětrávání Produkty zvětrávání Křemen křemen, rozpuštěný křemík (molekula kyseliny křemičité) Živce jílové minerály, Ionty Ca, Na, K, rozpuštěný křemík Muskovit jílové minerály, Ionty Na, K, rozpuštěný křemík, gibsit Biotit jílové minerály, oxidy železa, K, Mg, Fe, rozpuštěný křemík Amfiboly oxidy železa, ionty Na, Ca, Fe, Mg, jílové minerály, rozpuštěný křemík Pyroxeny oxidy železa, ionty Ca, Fe, Mg, Mn, jílové minerály, rozpuštěný křemík Olivín oxidy železa, ionty Fe, Mg, rozpuštěný křemík, jílové minerály Granáty ionty Ca, Mg, Fe, oxidy železa, rozpuštěný křemík Alumosilikáty jílové minerály, křemík, gibsit Magnetit hematit, goethit, limonit Kalcit ionty Ca, ionty HCO3- Dolomit ionty Ca a Mg, ionty HCO3- Železité karbonáty (siderit, ankerit) ionty Ca, Mg, Fe, oxidy železa, ionty HCO3- Goldrichovo schéma Stabilní minerály (Q, muskovit) nestabilní minerály (ostatní) MECHANICKÉ ZVĚTRÁVÁNÍ Mrazové zvětrávání § opakovaný cyklus mrznutí (zvětšování objemu o 9%) a tání (snižování objemu) vody Teplotní výkyvy § teplotní výkyvy > 30 stupňů Celsia, bez přítomnosti vody - různé koeficienty tepelné roztažnosti u různých minerálů, problém s laboratorním potvrzením Odtížení horninových komplexů § vyvřelé horniny - odstranění tíhy nadloží vede k roztažení horniny a odlučování, viz situace v nově ražených důlních chodbách Abraze (koraze, eroze) § Obrušování hornin dynamikou nějakého média (voda, vzduch, led), které obsahuje pevné částice Sedimentární částice (zrna) v přírodě Částice mechanicky unášené kapalinami– sedimentární částice: Křemen, živce, kalcit, aragonit, jílové minerály: (r = 2650 kg/m3) – nejčastější Další: slídy, amfibol, pyroxeny, olivín Faktory, které ovlivňují uvedení částice do pohybu: Tvar částic určený : § Krystalizací z magmatu nebo vodného roztoku (tvar krystalů, tabulkový, sloupcovitý, apod.) § Vulkanogenní činností (pyroklastika – lapilli, prach, popel, písek, velmi nepravidelný) § Zvětráváním hornin (nepravidelný tvar – zaoblení, koule, trojosý elipsoid) § Organickou aktivitou (schránky, ooidy, klacíky, apod. – koule, válec, destičkovitý tvar) Velikost částic Vytřídění částic Kapaliny v přírodě Kapaliny Faktory, které ovlivňující uvedení částice do pohybu: hustota a dynamická viskozita Vzduch (r = 12,2 kg/m3), dynamická viskozita (h) vzrůstá se vzrůstající teplotou Voda (r = 1000 kg/m3, r = 1025 kg/m3), dynamická viskozita (h) klesá s vzrůstající teplotou Magma (r = 2700 = 3100 kg/m3), viskozita (h) závislá na složení, obsahu vody FLUID PROPERTIES ► DENSITY ρ = m / v = mass / unit volume of fluid (g / cm^3) air = 1.3 kg / m^3 water = 1000 kg / m^3 (1 g / cm^3) ► Fluid Density affects amount and size of particles transported and the rate at which they settle out. ► VISCOSITY μ = τ / du/dy ratio of shear stress (τ = stress per unit area) to the rate of deformation caused by the shear stress (du/dy) (= Dynamic Viscosity) measure of substance's ability to flow or its resistance to changing its shape. Fyzikální principy transportu: laminární proudění mezi 2 paralelními deskami Smykové napětí (smyková síla na jednotku plochy) je lineárně úměrné rychlostnímu gradientu dU/dy - smykové rychlosti dU t = h-------- dy kde h = dynamická viskozita newtonovská kapalina (běžná směs voda-sediment, např. v řekách), dU t = tcr + h-------- dy kde tcr= mezní (kritické) smykové napětí binghamovská plastická látka (bahnotoky, lahary) Fyzikální principy transportu hraniční vrstva (boundary layer) HRANIČNÍ VSTVY Hraniční vrstva: zóna zpomalení kapaliny v blízkosti kontaktu s pevnou látkou, se kterou je kapalina v relativním pohybu Hraniční vrstvy v newtonovských kapalinách § rotující Země § odstředivá síla: v = mrr2, m = hmotnost částice, r = poloměr, r = úhlová rychlost § koriolisova síla: F = 2mrUsinQ, U = rychlost částice, Q = zeměpisná šířka (0 na rovníku, max. na pólu) § přímočarý pohyb na rovné desce (laboratorní modelování) Reynoldsovo číslo: laminární vs. turbulentní proudění - přímočarý pohyb na rovné desce (laboratorní modelování) smykové napětí hraniční vrstvy: n t[0] = 0,332 r U (-----) kde U = rychlost, x = vzdálenost, Ux r = hustota, n = kinematická viskozita Ux / n Reynoldsovo číslo (Re): poměr inertních sil k viskózním silám v hraniční vrstvě Přechod od laminárního k turbulentnímu proudění, Re = cca 10^5, v závislosti na vzdálenosti, viskozitě, rychlosti proudění LAMINAR vs. TURBULENT FLOW REYNOLDS NO. LAMINAR vs. TURBULENT FLOW REYNOLDS NO. Separace toku V hraniční vrstvě částice kapaliny, které jsou nejblíže podloží (dnu) nebo přímo na dně, mají nejnižší kinetickou energii Tyto částice budou silně ovlivněny při změně rychlosti toku (zpomalení, zrychlení) nebo v místě změny sklonu dna Zpomalení / ohyb dna směrem dolů -> tyto částice se zastaví nebo se dokonce začnou pohybovat zpět, nahromaděná kapalina nutí hlavní tok téci výše ode dna a vyvine se zpětný proud – separace proudu Proudnice se oddělí ode dna Hraniční vrstva v binghamovských kapalinách Debris flow (úlomkotok): Smykové napětí na dolní hraniční vrstvě oblast smykového toku (smykové napětí > 0) oblast rigidního toku (smykové napětí = 0) Uvedení částic do pohybu Mechanismy uvádění částic do vznosu ► strhávání částic z nesoudržného podloží (nezpevněný písek) § smykové napětí na prahu pohybu (t[cr]) stoupá se stoupajícím hustotním rozdílem částica a vody, průměrem (velikostí) částice D[1], poměrem průměrů D[0]/D[1] a volnou vzdáleností (s) § stálé (laminární proudění), nestálé turbulentní proudění LIFT & DRAG FORCES ► Drag acts parallel to bed = shear stress on grain ► Lift Bernouilli effect of flow over projecting grains, causes pressure decrease above grain (as for plane wing) ► Particle motion when: Lift + Drag > Gravity ► When lifted into fluid, flow becomes symmetrical around grain, and lift component is eliminated Uvedení částice do pohybu Hjulströmova křivka Rychlost proudění vody vs. velikost zrna Uvedení částic do pohybu Mechanismy uvádění částic do vznosu ► strhávání částic ze soudržného (kohezního) podloží (jíl, pevné horniny) KORAZE Laminární proudění vs. Turbulentní proudění ENTRAINMENT Voda v otevřených kanálech: Froudovo číslo V případě zanedbatelné hloubky kanálu vzhledem k šířce hw t[0] = rg (----------) sinb kde r = hustota, b = sklon svahu 2h + w h = hloubka, w = šířka kanálu substitucemi -> při výpočtu smykového napětí a rychlosti: 8g ݣ U = (----rS) kde f = Darcy-Weisbachův koeficient f tření, S = sklon, r = hydraulický poloměr U Fr = -------- Froudovo číslo (Fr), poměr inertních sil ke gravitačním gh silám během toku Froudovo číslo Fr = 1; kritický tok Fr < 1; subkritický tok, povrchové vlny mohou cestovat, tlumit se nebo mizet směrem po proudu i proti proudu Fr > 1; superkritický tok, příkré, stabilní povrchové vlny o trvalé amplitudě, rychlost proudění je vyšší než rychlost vln Režim toku s volným povrchem: subkritický laminární - řeky subkritický turbulentní – většina řek superkritický laminární – toky tenkého filmu kapaliny na povrchu pevné látky superkritický turbulentní Superkritický tok FROUDE NO. RAPID vs. TRANQUIL FLOW TRANQUIL vs. RAPID FLOW Sedimentární textury: síla proudění (smykové napětí . u) vs. velikost zrna ► DUNY: § Čeřiny § Megačeřiny ► LAMINÁRNÍ ZVRSTVENÍ ► ANTIDUNY Rychlost částice klesající ke dnu: Stokesův zákon [► ] 1 r[s] - r[f] ^► u = ---- ----------- g D^2 ► 18 h ► u = rychlost usazování ► r[s] = hustota pevné částice ► r[f] = hustota kapaliny ► g = gravitační zrychlení ► D = průměr částice ► h = dynamická viskozita STOKES LAW OF SETTLING STOKES LAW OF SETTLING HOW DOES CLAY SETTLE? FLOCCULATION: FUNDY Dynamic and Kinematic Viscosity of Water in SI Units: Režim proudění Vlnění, klasifikace vln Povrchové vlny (hladina kapalin na styku s plynem: voda – vzduch) § větrné vlny (perioda do 20 s) § přílivové vlny (perioda 12 nebo 24 hodin) § kapilární vlny (perioda 0,1 s) poměr h/L0 (hloubka dna / vlnová délka) § krátké (hlubokovodní) vlny h/L0 > 25 větrné vlny § střední vlny 0,25 > h/L0 > 25 § dlouhé (mělkovodní) vlny 0,025 > h/L0 přílivová vlna Interní vlny Vlny na styku dvou kapalin s různou hustotou a viskozitou (termoklina) Rychlost větru a výška vln na volném moři Vlny reálné a ideální Reálné vlny Spektra vlna o různých vlnových délkách, periodách a výškách – statistické zpracování § Význačná vlnová výška H1/3 § Význačná vlnová perioda T1/3 Průměrná výška a perioda jedné třetiny všech vln s nejvyšší výškou a periodou Ideální vlny Airyho vlny (sinusoidní profil) Stokesovy vlny (trochoidní profil) Solitérní vlny Airyho vlny Rychlost šíření vlny g c^2 = ----- tanh (kh) h = hloubka vody, k = 2p/L, g = gravitační zrychlení k L = vlnová délka Rychlost postupu vln: roste s hloubkou h (klesá s klesající hloubkou), Maximální horizontální orbitální rychlost pH U[max] = ------------- kde H = amplituda vlny, h = hloubka, T = perioda, k = 2p/L T sinh(kh) Báze vlnění: orbitální rychlost klesá rychle s hloubkou, při hloubkách L/2 (báze vlnění) je zhruba 4% orbitální rychlosti na povrchu Příliv a odliv Denní příliv: mělkovodní vlna (h/L < 0,025) Rychlost: c = 0,1 – 0,6 m/s Vlnová délka: extrémně velká Průměr orbity: cca 10 km, rotační proud Hustotní proudy Vzniká při vtoku kapaliny o určité hustotě do jiné kapaliny o jiné hustotě § hyperpyknický proud (r1>r2) (underflow) § mesopyknický proud § hypopyknický proud (r1= duny až několik stovek m Eolické duny, barchany, příčné duny ► jednosměrné větrné proudění ► eroze na návětrné straně a sedimentace na závětrné straně ► migrace po směru proudění Iniciace: ► Místní nerovnosti na granulárním povrchu v podmínkách proudění newtonovské kapaliny ► Zpomalení a separace proudu na závětrné straně Antiduny ► Jednosměrné vodní proudění s volným povrchem – ve fázi s povrchovým prouděním kapaliny ► Stacionární (nemigrují) nebo migrují proti směru proudění ► Sedimentace na návětrné straně, eroze na závětrné straně ► L <= 10m Soustavy dun (čeřin) Dělení podle úhlu vertikální akrece (rychlosti sedimentace) ► Superkritické : úhel vertikální akrece (šplhání) > sklon náběhové hrany ► Subkritické : úhel vertikální akrece (šplhání) < sklon náběhové hrany Šikmé zvrstvení: soustavy čeřin (dun) Šikmé zvrstvení: laminy /\ k vrstevním plochám Dělení podle tvaru mateřského vrstevního tvaru (dun, čeřiny) ► Planární ► Výmolové Typy šikmého zvrstvení ► Superkritické výmolové ► Superkritické planární ► Subkritické výmolové ► Subkritické planární ► Forms sets (zvrstvení zachovávající původní vrstevní tvary) Další typy šikmého a čeřinového zvrstvení ► Čočkovité zvrstvení ► Mázdřité zvrstvení Symetrické (vlnové) čeřiny Protisměrná oscilace vodních částeček Soustavy čeřin ► Subkritické ► Superkritické Hřbítkovité zvrstvení Hummocky cross- Stratification (HCS) Interpretace depozičního prostředí Textury na vrstevních plochách Proudové textury Jazykovitý tvar, spodní plochy vrstev, výlitky, smysl proudění Turbulentní proudění, eroze nezpevněného podloží, vyplnění nadložním sedimentem Rýhování (vlečné rýhy) Spodní plochy vrstev, výlitky, směr proudění Vtisky Boulovitý tvar, vtiskování hrubozrnnějšího materiálu do jemnozrnnějšího vlivem tlaku nadloží Pseudonodule (ball and pillow) Bahenní praskliny Vysoušení jemnozrnného sedimentu rychlé odvodnění sedimentu pod hladinou Otisky dešťových kapek Proudové stopy, prod marks, bioglyfy Prod marks Textury vzniklé únikem vody ze sedimentu ► Miskovité textury ► Pilířové textury Tee-pee struktury Konvolutní zvrstvení Biogenní textury Různé Sedimentární petrografie sedimentární struktury Struktura – vztahy mezi zrny, zpravidla mikroskopické měřítko ► Velikost zrna ► Tvar zrna ► Vytřídění ► 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 : § Krystalizací z magmatu nebo vodného roztoku (tvar krystalů, tabulkový, sloupcovitý, apod.) § Vulkanogenní činností (pyroklastika – lapilli, prach, popel, písek, velmi nepravidelný) § Zvětráváním hornin (nepravidelný tvar – zaoblení, koule, trojosý elipsoid) § Organickou aktivitou (schránky, ooidy, klacíky, apod. – koule, válec, destičkovitý tvar) Sedimentární struktury porozita a permeabilita Porozita § Objem prostor vyplněných plynem nebo kapalinou (pórů) vůči celkovému objemu horniny § ps = (V[p]/V[T]) x 100 § ps = porozita, V[p] = objem pórů, V[T] = celkový objem vzorku horniny § maximální porozita – > 35% Permeabilita § Míra toho, jak rychle může horninou protékat kapalina § Závisí na porozitě, velikosti pórů a propojení pórů Klasifikace sedimentů Typy materiálu sedimentárních horninách ► Fragmenty (klasty) převážně silikátových minerálů a hornin (zpravidla derivované z oblastí mimo depoziční pánev) § Stabilní minerály křemen, jílové minerály – kaolinit, smektit, illit, karbonáty (kalcit, dolomit), chalcedon, zirkon, muskovit, hematit § Nestabilní minerály živce, chlorit, biotit, aragonit, magnetit, ilmenit, granát, titanit, epidot § Litické fragment úlomky jiných hornin ► Chemické a biochemické precipitáty, (zpravidla vytvořeny uvnitř sedimentační pánve) § kalcit, aragonit, dolomit, opál, chalcedon, křemen, halit, sádrovec, anhydrit, goethit, apatit ► Alochemy – fragmenty (klasty) dříve vytvořených precipitátů, fosílie, ooidy, organický materiál, fragmenty chemických a biochemických precipitátů (zpravidla vytvořeny uvnitř depoziční pánve) § kalcit, aragonit, dolomit, opál, chalcedon, křemen, halit, sádrovec, anhydrit, goethit, apatit Klasifikace podle materiálu Klastické (siliciklastické) (skupina S, siliciklastika) Chemogenní nebo cementační (skupina P, precipitáty) Biogenní nebo organogenní (skupina A, alochemické horniny) Klastické sedimenty Psefity Psamity Aleurity Pelity Psefity Základní charakteristika ► > 50% (nezpevněné) / 25% (zpevněné) / 10% (zpevněné) klastů > 2 mm v a-ose ► Konglomeráty (zaoblené), brekcie (nezaoblené klasty) Řada slepenec – pískovec ► slepenec -50- písčitý slepenec -25- valounový pískovec -10- pískovec Klasifikace podle zpevnění ► zpevněné – slepenec, brekcie ► nezpevněné – štěrk Klasifikace podle podílu klastů > 2 mm a matrix < 2 mm ► s podpůrnou strukturou klastů > 50% klastů (> 2 mm) ► s podpůrnou strukturou matrix > 50% matrix (< 2 mm) Klasifkace podle složení klastů > 2 mm ► monomiktní – (převaha klastů stabilních hornin nebo minerálů > 2 mm– křemen, kvarcit, silicit) – adjektivum „křemenný“ ► polymiktní (= petromiktní) – (> 10% klastů nestabilních materiálů – hornin > 2 mm) Klasifkace podle velikosti ► drobnozrnný (2-10mm) ► střednozrnný (10-50mm) ► hrubozrnný (50-250mm) ► balvanitý (> 250mm) Psamity Základní charakteristika ► 0,063 – 2 mm ► > 50% / 25% / 10% klastů > 0,063 mm v a-ose Řada psamit - pelit ► pískovec -50%- jílovitý pískovec -25- písčitý jílovec -10- jílovec (jílovitá břidlice) Hlavní komponenty: ► klasty (> 0,063 mm), křemen, živce, horninové fragmenty ► matrix (< 0,063 mm), ► cement (precipitát, výplň pórů) Klasifikace podle zpevnění ► zpevněné- pískovce ► nezpevněné – písky Klasifikace podle velikosti zrna ► jemnozrnné (> 10%: 0,063 – 0,25) ► středně zrnité (> 10%: 0,25 – 0,5) ► hrubozrnné (> 10%: 0,5 – 2,0) Psamity Klasifikace podle složení klastů ► pískovec ► arkóza ► droba trojúhelníkový diagram (Petránek 1963) § křemen + stabilní zrna --- živce + nestabilní minerály --- matrix (< 0,063 mm) Křemenný pískovec, arkózový pískovec, drobovitý pískovec, arkóza, droba trojúhelníkový diagram (matrix je ignorována) § křemen --- živce --- fragmenty hornin (nestabilní) Geotektonická provenience trojúhelníkový diagram (matrix je ignorována) § křemen --- živce --- fragmenty hornin (nestabilní) provenience ► trojúhelníkový diagram QFL Tektonické prostředí zdroje, § Kraton § Přechodný kontinentální zdroj § Recyklovaný orogén § Magmatický oblouk (arc) § rychlý výzdvih (basement uplift) Pelity Základní charakteristika > 75% / 90% jílové frakce ► Jílovce (claystone) sedimenty pouze jílové frakce ► Kalovce (mudstone) směs sedimentů jílové a prachové frakce Prach (> 0,004 mm) prachovec Kal kalovec (jílovec, mudstone) Jíl (< 0,004 mm) břidlice (laminovaná nebo štěpná) Jíl (< 0,004 mm) jílovec (claystone) Složení ► Jílové minerály (> 50%), křemen (Æ 20%), živce (< 10%), karbonáty (< 10%), oxidy Fe (< 3%), ostatní minerály (< 3%), organické látky (< 1%) Klasifikace chemogenních (cementačních) sedimentů Podle minerálního složení: Minerál hornina kalcit: chemogenní vápenec, travertin, pěnovec, kaliče dolomit: chemogenní dolomit evapority halit: kamenná sůl sádrovec: sádrovec anhydrit: anhydrit křemen: rohovec radiolarit diatomit goethit: chemogenní seimentární železné rudy apatit: fosfority Klasifikace biogenních (alochemických) sedimentů Základní komponenty: ► Alochemy: § skeletální zrna: vápnité schránky organismů a jejich fragmenty, karbonátové objekty organismy vysrážené (řasy) § neskeletální zrna: chemogenně nebo chemobiogenně vysrážená zrna, ► povlékaná zrna: ooidy a pisoidy, onkoidy, ► peloidy: fekální pelety, peloidy, ► polyagregátová zrna: lumps, grapestones ► Extraklasty ► Matrix § mikrit, menší než 4 mikrony, původ do určité míry zastřený - rozrušování zelených řas, bioeroze karbonátového materiálu převážně rybami, chemogenní srážení ► Sparit (včetně cementu) Další klasifikace Klasifikace podle zdroje materiálu § Extrabazinální sedimenty (siliciklastika) § Intrabazinální sedimenty (karbonáty, evapority, silicity, organolity) Genetické klasifikace § Konturity (sedimenty uložené nebo přepracované konturovými proudy) § Turbidity (sedimenty uložené turbiditními proudy) § Tempestity (sedimenty uložené během velkých bouří) § Tidality (sedimenty tvořené v příbřežní zóně ovlivňované slapovými jevy) § Inundity (sedimenty usazované vlivem střídání povodňoého a normálního stavu řek) Diageneze Soubor fyzikálních, chemických a biologických procesů, které vedou k přeměně sedimentu na sedimentární horninu Diageneze může pokračovat i po zpevnění horniny a měnit její strukturu a mineralogické složení Diageneze vzniká, pokud se minerály sedimentu v důsledku změny podmínek nebo chemismu stanou chemicky nestabilní (hranice mezi zrny a vodou nebo vzduchem –změna chemismu, měna tlaku, změna teploty) Cílem systému je dosáhnout stabilního ekvilibria ► Diagenetické procesy: § Kompakce § Rekrystalizace § Rozpouštění (včetně tlakového) § Cementace (tmelení) § Nahrazování (+ neomorfismus) § Bioturbace Diagenetické procesy Kompakce § Zvýšení tlaku nadloží § Snížení porozity § Faktory, které ovlivňují možnou míru kompakce - velikost zrna, tvar zrna, zaoblení, třídění, původní porozita, objem fluid v pórech ► Mechanická kompakce (necementované horniny) ► Chemická kompakce (rozpouštění, cementované horniny) Rekrystalizace § Reorientace krystalovýc mřížek minerálů (chemismus se nemění) § Tlak, teplota, fluidní fáze § Obecně zvyšování velikostí zrna – snížení povrchu zrn – snížení povrchové volné energie – ekvilibrium Diagenetické procesy Rozpouštění § Podsycení pórových fluid vzhledem k okolním minerálům, nestabilní minerály § Zvýšená teplota, tlak § Tlakové rozpouštění – v místě maximálního kontaktu – krystalizace v místě menšího tlaku Cementace § Krystalizace nových minerálů z roztoků v pórech horniny – křemen, kalcit, hematit, aragonit, sádrovec, dolomit, § Snižování porozity, zpevňování Podmínky § Průchod fluid póry, přesycení fluid vůči cementačnímu minerálu § Absence kinetických faktorů zabraňujících cementaci Autigeneze § Krystalizace nových minerálů mimo póry v sedimentu – zpravidla nahrazení § křemen, živce, jíly, zeolity, kalcit, hematit, aragonit, sádrovec, dolomit, fosfáty (apatit) § Snižování porozity, zpevňování Diagenetické procesy Nahrazování § Nové minerály krystalizují na místě původních minerálů § Neomorfismus – nové zrno je stejné fáze jako původní (sejný minerál) § Pseudomorfismus – nové zrno napodobuje vnější tvar původního zrna § Alomorfismus – nový minerál o jiném tvaru nahrazuje původní minerál Dolomit, opál, křemen, illit Bioturbace § Zvíření sedimentu v důsledku činnosti živých organismů § Při povrchu sedimentu § Někdy doprovodná cementace Fáze diageneze ► Raná diageneze (eogeneze) ► Středí fáze diageneze (mesogeneze) ► Pozdní diageneze (telogeneze) ► Mělká diageneze (shallow-water) ► Diageneze pohřbením (burial) Fluida při diagenezi Fluida přítomna v každém sedimentu Funkce fluid § Srážení cementů § Tvorba autigenních a náhražkových minerálů § Rozpouštění změna složení fluid během diageneze Typy fluid § syndepoziční (voda) § meteorická fluida (sladká voda) § mořská voda § dehydratační rozklad minerálů – další voda § metan § uhlovodíky Diageneze psamitických a psefitických klastických sedimentů Porozita a kompakce ekonomické hledisko – ropa a zemní plyn § snižování porozity, deformace plastických litických zrn (droby), porozita (po uložení cca 40%), po diagenezi mnohem méně, minimum cca 3% Bioturbace – místy hojná Rekrystalizace Rozpouštění § snižování porozity nebo zvyšování sekundární porozity § Změna minerálního a chemického složení horniny § Stabilní minerály (křemen) à nestabilní minerály (živce) Autigeneze § Fylosilikáty, chlorit, živce, zeolity Cementace § Křemen, kalcit, živce, dolomit, illit, kaolinit, hematit Typy cementu: § Vláknité § Mikritické § Izometrické zrnité (equant) Diageneze pelitických hornin Minerální složení: § Illit, smektit, kaolinit, chlorit, křemen, živce, kalcit Bioturbace: § eogeneze, velmi hojná Porozita a kompakce: § uspořádání tabulkovitých zrn kolmo k tlaku nadloží, značná kompakce Autigeneze, nahrazování, rozpouštění, rekrystalizace, cementace § Nahrazování smektitu illitem („krystalinita illitu“) § Nahrazování kaolinitu jinými fylosilikáty (dickit) § Rozpouštění a nahrazování živců § Rozpouštění a narazování kalcitu a dolomitu § Snížení obsahu organického uhlíku Diageneze karbonátů Procesy směřující k ustanovení chemické rovnováhy: Nestabilní minerály (aragonit, high-Mg kalcit) -> stabilní minerály (low-Mg kalcit, dolomit) Procesy: § Cementace § mikrobiální mikritizace § Neomorfismus § Rozpouštění § kompakce (+ tlakové rozpouštění) § dolomitizace Prostředí diageneze: § Mořské § Meteorické § Hluboké pohřbení (burial) Cementace Výplň pórů minerálními fázemi Cementační minerály: ► Běžně: Aragonit, kalcit, dolomit, ► Méně často: Ankerit, siderit, kaolinit, Q, anhydrit, sádrovec, halit Původ iontů ve fluidech: ► z mořské vody ► z rozpuštěné horniny Morfologie cementu (tvar krystalových individuí): Jehlicovitý, izometrický (equant), mikritový Geometrie cementu (uspořádání krystalů v prostoru): Izopachový, meniskový, polygonální, syntaxiální Mikrobiální mikritizace Chemické leptání substrátu mikroorganismy Výplň leptaných dutin mikritem mikritické obálky, úplné nahrazení zrna Substrát: skeletální alochemy (echinodermata, mollusca), ooidy Vrtavé mIkroorganismy: (vápnité houby /Cliona/, endolitické řasy, aktérie) Rozpouštění Nestabilní minerály: aragonit, high-Mg kalcit Cementy: izopachový, blokový (vlevo), meniskový (vpravo) Syntaxiální cement Diagenetická prostředí Procesy: cementace, mikritizace, Typy cementu: aragonitové (vějířový, jehlicový) High-Mg kalcit (blokový izometrický) Hardground: zpomalení sedimentace, diageneze v přípovrchové zóně sedimentu, mikritizace, bioturbace Beachrock (peritidální karbonáty): cementované sedimenty pláží, vrtání, mikritické a jehlicovité cementy, Nodulární textura (karbonáty s obsahem mikritu a vyšším obsahem nečistot /pelity/) Procesy: rozpouštění, cementace, Typy cementu: Mikritové, low-Mg kalcit, meniskové Kalkrety: V půdních horizontech, Mikritické – mikrosparitické cementy, výplň pórů nebo nahrazování Různá morfologie Dolomitizace Nahrazování CaCO[3] dolomitem 2CaCO[3] + Mg^2+ ß  CaMg(CO[3])[2] + Ca^2+ CaCO[3] + Mg^2+ + CO[3]^2- ß  CaMg(CO[3])[2] Zdroj Mg^2+: mořská voda, jíly obohacené o Mg^2+ Procesy dolomitizace: § Cementace (vzácně) § Nahrazování Modely dolomitizace Míšení mořských a terigenních podzemních vod Mg z mořské vody Terigenní voda: hybný mechanismus, pumpuje dolomitizující fluida horninou ► Nahrazování dolomitu low-Mg kalcitem Facie a depoziční prostředí soubor charakteristických znaků sedimentu: § sedimentární textury (vrstevnatost, zvrstvení, textury na vrstevních plochách) a sedimentární struktury (zrnitost, vytřídění, zaoblení) -> hydrodynamické podmínky ukládání – směr, rychlost proudění, laminární / turbulentní proudění, vlnění, příliv, atd. § minerální složení sedimentu (zdrojová oblast sedimentu, podmínky diageneze) § paleontologický obsah a (ekologie, funkční morfologie fosílií) § tafonomie (podmínky zachování fosílií po odumření) Princip laterální změny facií Facie Waltherův zákon „facie ležící v daném časovém okamžiku vedle sebe jsou ve vertikálním profilu viditelné nad sebou“. Umožňuje studovat časoprostorové vztahy mezi faciemi Spolupůsobení dvou procesů: § laterální posun procesů sedimentace (např. rozšiřování říčních meandrů, překládání říčních koryt, posun pouštních dun) které vedou ke vzniku facií, § nepřerušované vertikální ukládání facií. Progradace / retrogradace Sedimentační prostředí Sedimentační prostředí Terrestrická sedimentační prostředí Soubor terestrických sedimentačních prostředí zahrnuje prostředí sedimentace mimo dosah mořské vody. Jednu kategorii terestrických prostředí představují prostředí subaerická, kdy sedimentace probíhá na rozhraní vzduch-sediment. Tato kategorie zahrnuje prostředí – § eolická, § glaciální § aluviální. subakvatická, kdy sedimentace probíhá na rozhraní voda-sediment, která zahrnují prostředí § říční (fluviální) § jezerní. Eolické prostředí ► aridní oblasti s nedostatkem srážek a nesouvislým pokryvem vegetace ► Transportním a ukládajícím médium: vítr ► Duna § návětrná strana (eroze písku) § závětrná strana. (sedimentace písku) ► Migrace duny – změny směru § výmolové šikmé zvrstení ► Systémy dun vytváří rozsáhlá (n x 105 km2) tělesa, nazývaná ergy, které migují podobně jako duny. ► Eolické sedimenty jsou dobře vytříděné a jejich zrna se vyznačují velmi dobrým zaoblením. Málo fosílií – jen stopy a výhraby. Glacigenní prostředí Prostředí sedimentace geneticky vázané na kontinentální nebo horský ledovec. ► Horské ledovce - eroze. ► Kontinentální ledovce. Erozní činnost, erozní rýhy Depoziční činnost § Subglaciální prostředí: souvky, till, tillit § Proglaciální prostředí: odtok tavných vod, zvrstvené štěrky a písky, špatně odlišitelných od sedimentů divočících řek fluviálního prostředí. § Glacilakustrinní prostředí, sedimentace jedmozrnných paralelně laminovaných sedimentů - varvity. Jemná laminace je způsobena sezónním odtáváním ledovce, v zimě jsou ukládány relativně jemnozrnnější laminy s množstvím organického materiálu, v létě sedimentují laminy relativně hrubozrnnějšího materiálu, uvolňovaného při tavení ledovce. § Glacimarinní prostředí: Kry odtržené z ledovce, plovoucí na hladině, uvolňují odtáváním valouny a balvany, které padají ke dnu jezera nebo moře a jsou začleněny do jemnozrnnýc sedimentů ze suspenze. Tyto valouny se nazývají dropstony Fluviální prostředí ŘÍČNÍ SYSTÉMY PODLE SPÁDU ► Aluviální systémy ► Divočící řeky ► Meandrující řeky ► Říční delty Stavební prvky fluviálních systémů Aluviální vějíř ► Intenzivní akumulace materiálu v subaerickém prostředí probíhá na okrajích horských pásem, v piedmontních (úpatních) oblastech. ► Aluviální kužely jsou vějířovitá tělesa, jejichž povrch má mnohdy značný sklon a je pokryt sítí koryt říčních toků. Hrubozrnné, špatně vytříděné a chemicky nezralé klastické sedimenty Základní procesy: § 1) sedimentace z vodních toků, První typ sedimentu zahrnuje relativně dobře vytříděné štěrky s výmolovým šikmým zvrstvením a písky s čeřinovým zvrstvením. § 2) sedimentace z gravitačních toků. Druhý typ sedimentu je výsledkem gravitací vyvolaných sesuvů a skluzů na ukloněném nestabilním svahu vějíře, a následného pohybu materiálu ve formě úlomkotoků a bahnotoků. Sedimenty úlomkotoků a bahnotoků vytvářejí vrstvy chaotické netříděné směsi balvanů, štěrku, písku a jílu. ► Aluviální kužely jsou ve své proximální části zpravidla kontrolovány okrajovými poklesovými zlomy horského pásma, a neustálá subsidence podél těchto zlomů vede k akumulaci obrovských mocností sedimentu (10 km i více). ► Většina aluviálních kuželů přechází ve své distální (vzdálené) části do říčních systémů specifického prostředí divočících řek. Sedimentární produkty obou prostředí jsou tak špatně rozlišitelné. Aluviální vějíř • Lateral accretion (boční akrece) involves higher-order bounding surfaces dipping perpendicular to paleoflow direction and associated lower-order bounding surfaces; in the case of downstream accretion higher-order bounding surfaces dip parallel to paleoflow direction • Kanály • Gravitační sedimenty (úlomkotoky) Divočící řeky • Braided rivers are characterized by a dominance of braid bars exhibiting both lateral and downstream accretion; meandering rivers primarily contain point bars with lateral accretion; in straight (and most anastomosing) rivers bars are commonly almost absent • Bars (valy) are sandy or gravelly macroforms in channels that are emergent, mostly unvegetated features at low flow stage, and undergo submergence and rapid modification during high discharge Meandrující řeka ► Na rovinatém území v nížinách jsou říční toky omezené do jediného řečiště, které vytváří zákruty, neboli meandry. Vznik meandrů v původně rovném toku je vysvětlován pomocí odchylující síly zemské rotace - Coriolisovy síly. Meandry jsou postupně dále rozšiřovány laterální erozí vyvolanou odstředivou silou vody. ► Meandrující řeka vytváří tři základní geomorfolgické tvary s charakteristickými sedimenty. § Při vnějších okrajích meandru, kde má voda největší energii, dochází k laterální erozi břehů a na dně říčního koryta k ukládání reziduálních štěrků, často imbrikovaných, zatímco menší sedimentární částice zůstávají ve vodní suspenzi. § Při vnitřních okrajích meandrů voda vlivem odstředivé síly ztrácí energii a ukládá relativně jemnozrnější sedimenty na jesepním valu. Sedimenty jesepních valů představují převážně písky s křížovým zvrstvením. Sedimentace jesepních valů probíhá mechanismem bočního nárůstu - laterální akrece. § Širší okolí řeky a vnitřní výplň oblouků tvoří niva někdy s vyvinutými močály. Jemnozrnné sedimenty nivy jsou produktem záplav a jsou ukládány mechanismem vertikální akrece. ► Migrace meandrů v prostředí meandrující řeky vytváří charakteristické nahoru zjemňující cykly. Na bázi cyklu jsou reziduální štěrky koryta řeky, v jejich nadloží křížově zvrstvené sedimenty jesepních valů a cyklus je zakončen sedimenty nivy a náplavy (organické zbytky, rašelina, otisky kořenů). Meandrující řeky • Point bars (jesepní valy) form on inner banks and typically accrete laterally, commonly resulting in lateral-accretion surfaces; mid-channel or braid bars accrete both laterally and downstream • Kanály, opuštěné kanály • Přelivové sedimenty • Povodňové roviny Meandrující řeka Delty Morfologie a procesy ► Při ústí říčních toků, nesoucích značné množství sedimentu, do moře dochází ke zpomalování až úplnému zastavení proudu řek. Ztráta energie vede k vypadávání sedimentárních částic z vodní suspenze a rychlé akumulaci uloženin většinou v tělesech vějířovitého tvaru - deltách. Z postupným zpomalováním toku sedimentují nejblíže řečišti hrubozrnná klastika, a dál směrem do otevřeného moře potom jemnozrnné písky, silt a jíly. V podélném průřezu od řečiště do moře dělíme delty na tři části - deltová platforma (čelo delty), deltový svah a prodelta. ► Deltová platforma je budována sítí rozvětvených říčních kanálů, vyplněných pískem a siltem s křížovým zvrstvením. Písky se také akumulují mimo kanály ve formě valů a plochých písčin na čele delty. Rozsáhlé plošiny mezi kanály jsou však většinou pokryty hustou vegetací, která vede k sedimentaci uhlonosných uloženin. Deltový svah se sklání od čela delty směrem do moře. Hloubky dosahují pod bázi vlnění, a proto se ukládají jemnozrnné sedimenty, silty a jíly. Na rozdíl od deltové platformy je deltový svah obydlen čistě marinní faunou. Navíc sedimenty svahu obsahují hojné úlomky rostlinného původu. Na prodeltě se úklon svahu opět zmenšuje, a dochází k ukládání jílů. Pobřežní profil ► Báze vlnění ► Báze bouřkového vlnění Progradující delta ► PROGRADUJÍCÍ DELTA ► V případě, že hladina moře zůstává ve stejné pozici, musí být materiál nepřetržitě přinášený řekou ukládán stále dále a dále směrem do moře, a delta prograduje. Ve vertikálním sledu progradující delty se objevuje nahoru hrubnoucí sled od bazálních jílů prodelty, siltů a jílů deltového svahu až k pískům, siltům, jílovcům a uhlonosným sedimentům deltové platformy. Nahoru hrubnoucí cykly se vertikálním průřezu často opakují, což je způsobeno plynulým poklesáváním delty v důsledku přetížení přinášeným sedimentem. Vertikální CU trendy na progradující deltě Progradační (R) /retrogradační (T) sedimentační systémy na pobřeží Typy delt Na tvar delty a faciální charakteristiku sedimentu mají zásadní dopad tři faktory: přísun sedimentu řekou, mořské vlnění a mořské dmutí (příliv a odliv). Podle významu jednoho z nich se delty dělí na : delty s převažujícím vlivem řeky (například Mississippi, Pád), delty s převažujícím vlivem vlnění (např. Rhóna) a delty s převažujícím vlivem dmutí (např. Ganga). Bariérové ostrovy Morfologie ► Ústí řek tvoří jen menší procento délky pobřeží, větší část pobřeží je lemována komplexy bariérových ostrovů. Ty jsou vytvářeny akumulací marinních písků mořskými proudy běžícími podél pobřeží. Směr těchto proudů udává orientaci bariérových ostrovů podél pobřeží. Malá část ostrovů může být také dotována pískovým materiálem z delt s převládajícím vlivem vlnění. ► Zóna mezi ostrovem a pevninou je zalita vodou a nazývá se laguna. Laguny jsou typické nedostatkem hrubozrnnějšího materiálu, protože jsou od vysokoenergetického prostředí pláží chráněny komplexem ostrovů. ► Břehy lagun jsou většinou ploché a plošně rozsáhlé a jsou okupovány přílivovými plošinami Facie: ► Břehy ostrovů sklánějící se k moři jsou charakteristické plážovými písčitými sedimenty s horizontálním zvrstvením nebo šikmým zvrstvením o malém úhlu úklonu. Směrem do moře je časté čeřinové zvrstvení. V centrální části ostrova se akumulují eolické písky ve formě dun. ► V lagunách dochází k akumulaci jílů a písčitých jílů. Pokud je laguna cílem přínosu většího množství sladké vody z aktivní říční sítě, jsou její vody brakické což se odráží v charakteru fauny. V aridním klimatu s nedostatkem přísunu říční vody mají vody laguny tendenci k hypersalinitě a srážení evaporitů. ► Na přílivových plošinách (tidal flats) se ukládají písky a jílovité písky s množstvím charakteristických sedimentárních textur (tepee textury, kanály, brekcie, otisky dešťových kapek atd.). Spojení laguny s otevřeným mořem je zajištěno tzv. přílivovými vtoky (inlets), což jsou úžiny mezi jednotlivými ostrovy. Dno vtoků je pokryto písčitými valy běžícími zhruba kolmo ke komplexu ostrovů. Sekvence ► V oblastech s dostatečným přísunem terigenního klastického materiálu komplex bariérových ostrovů s lagunou prograduje, což vede k charakteristické vertikální sekvenci (ostrov, laguna, tidální plošina). Klastické šelfy Podle toho, kterými silami je šelf ovlivněn nejvíce lze klastické šelfy rozdělit na ► šelfy s převažujícím vlivem dmutí a U prvního typu se ve vysokoenergetické zóně vytvářejí výčasové písčité hřbety ve směru rovnoběžném s přílivovými a odlivovými proudy. Hřbety jsou budovány dobře tříděnými písky s šikmým zvrstvením; jejich výška dosahuje několika metrů. Dobrým recentním příkladem šelfu s výčasovými písčitými hřbety je Severní moře. ► šelfy s převažujícím vlivem bouřkové činnosti. Druhý typ je charakteristický výskytem bouřkových resedimentovaných vrstev - tempestitů. Tempestity se řadí mezi tzv. událoství sedimenty. Jejich vznik je vázán na silné tropické bouře, během kterých voda o vysoké energii eroduje již jednou usazený sediment, zvíří jej do suspenze a opětovně ukládá. Pro tempestity jsou charakteristické erozní výmoly na bázi vrstev, gradační zvrstvení a především tzv. hřbítkovité zvrstvení neboli HCS (hummocky cross stratification). Tempestity se dělí na proximální a distální. Distální tempestity se ukládají v hloubkách 30 až 100 nebo i více metrů. Hlubokomořské prostředí Procesy resedimentace a facie Gravitační transport a sedimentace: topografický gradient (např. svah platformy) Procesy sedimentace a facie Bahnotoky, úlomkotoky Binghamovské plastické látky, soudržné Uvedení do pohybu: překonání prahového napětí – přetížení svahu, zemětřesení, likvefakce (zkapalnění), Ukládání: zpomalení toku (snížení kinetické energie toku) Facie: ostré spodní a svrchní hranice vrstev, inverzní gradace, špatné vytřídění, floatstone, rudstone, hojné intraklasty Turbiditní proudy Newtonovské kapaliny, vyšší hustota v důsledku nasycení sedimentárními částicemi, převažuje turbulentní proudění, Uvedení do pohybu: zemětřesení, zvíření části v důsledku bouřky, převýšení kritického sklonu svahu Ukládání: zpomalení proudu Facie: ostré spodní a svrchní hranice vrstev, normální gradace, Boumova sekvence, grainstone, packstone, wackestone, lime mudstone, cizorodé alochemy Sesuvy, skluzy Elastické pevné látky, turbulentní pohyb, laminární pohyb Ukládání: zmírnění sklonu svahu Facie: zvrásněné a zprohýbané vrstvy pelagických karbonátů (lime mudstone, wackestone s pelagickou faunou), Zrnotoky Nesoudržné, převýšení prahového sklonu svahu, turbulentní pohyb Ukládání: zmírnění sklonu svahu Facie: inverzní gradace, velmi dobré vytřídění, grainstone Podmořský vějíř Prostředí sedimentace: ► Podmořský vějíř § Vnitřní vějíř (proximální, úlomkotoky, hrubozrnné turbidity, sesuvy, skluzy) § Střední vějíř § Vnější vějíř (distální, jemnozrnné turbidity) Procesy sedimentace: progradace vějíře (do nadloží: distální -> proximální) ► Svahový osyp § Svrchní svah (proximální, úlomkotoky, hrubozrnné turbidity, sesuvy, skluzy) § Spodní svah (distální, jemnozrnné turbidity) Procesy sedimentace: progradace osypu (do nadloží: distální -> proximální) Pelagické prostředí ► Pelagické sedimenty: § > 95% materiálu ze suspenze (spad z vodního sloupce) ► Karbonátový materiál biogenního původu - planktonní a nektonní organismy ► Eolický materiál (zrnka Q siltové frakce) ► Kosmogenní materiál (kosmický prach) ► Vulkanogenní materiál (jílové mnerály a zeolity – produkty rozkladu vulkanických hornin oceánské kůry) § < 5% terigenního materiálu ► Prostředí vzniku pelagických sedimentů: § Oceánské pánve § potopené karbonátové platformy a aseismické podmořské hřbety § šelfy a intrakratonní pánve Faktory limitující pelagickou karbonátovou sedimentaci ► Rozpouštění CaCO[3] v závislosti na hloubce (CCD, lysoklina, ACD) (Obsah CO[2] ve vodě: závislost na teplotě vody, proudění) ► Produkce CaCO[3] v přípovrchové zóně oceánů § Klima § Biotické krize a vymírání [ ] ► Hydrodynamická energie prostředí u dna (proudění) Lyzoklina a CCD Karbonátová sedimentační prostředí Minerály karbonátových hornin: Aragonit: § biomineralizace, chemické srážení § chemicky nestabilní -> rekrystalizace na kalcit 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: [§ ]Ca,Mg(CO[3])[2] [§ ]rekrystalizace, chemicky stabilní[] Biomineralizace Minerály: produkty metabolismu organismů: § Jednobuněční (Protozoa) § Bezobratlí mnohobuněční § 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) § Teplota § Zakalení § Salinita ► Hloubka vody § Fotická zóna § Kompenzační hloubka karbonátu (CCD) § Kolísání hladiny moře (sekvenční stratigrafie) ► Hloubka vody § Fotická zóna ► Geotektonické prostředí § Přísun klastického materiálu (zakalení vody) § 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 § precipitation is biotically controlled mostly by autotrophic organisms. Organisms: corals, green algae, foraminifers and molluscs. § warm (more than 20°C) and sunlit waters § high in oxygen § low in nutrients § between 30° north and 30° south of the equator § most widespread today, and is often found fossilised. Cool-water factory § cooler waters § higher latitudes than tropical factories § Precipitation is biotically controlled by heterotrophic organisms, sometimes in association with photo-autotrophic organisms such as red algae. § higher amount of nutrients than in tropical factories. Mud-mound factory § abiotic precipitation and biotically induced precipitation § waters high in nutrients and low in oxygen § 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 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“ Rychlost akumulace karbonátových systémů Tektonický rámec sedimentace Snížený přísun klastického materiálu – § Velká a malá bahamská lavice § Velký bariérový útes § Rudé moře Morfologie karbonátových těles § Lemový šelf (Velký bariérový útes) § Rampa (Žraločí zátoka, Yucatán) § Izolovaná lavice (platforma) (Bahamy) § Epeirická platforma (pouze fosilní příklady, Muschelkalk, Dinant platform) § Potopená platforma (Blake plateau) Typy platforem Lemový šelf § přilehlý k pevnině § plochý povrch (sklon < 0,2°) § hrana šelfu – útesová bariéra, oolitové písčiny § 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 § přilehlá k pevnině § povrch mírně svažitý do oceánu (sklon < 2°) § 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 Mělkomořská depoziční prostředí § Pobřežní a příbřežní prostředí § Prostředí okraje šelfu § Prostředí přílivově-odlivových plošin (peritidální) § Organické útesy Pobřežní a příbřežní prostředí Střední až vysoká energie vlnění Zpravidla karbonátové rampy ► Komplex plážové ostrovní bariéry ► Plážová pobřežní plošina Komplex plážové ostrovní bariéry Morfologické prvky: § Plážová ostrovní bariéra § Přílivové kanály § Laguna Výška dmutí > 3m Vysoká produkce karbonátového písku Predispozice topografií podloží Procesy sedimentace: § Podélné pobřežní proudy („longshore currents“), § Boční akrece písčitých těles § Progradace bariéry (do nadloží: příbřežní písky -> ostrovní bariéra -> sedimenty laguny (evapority, přílivové plošiny)) Facie: § Grainstone se skeletálními alochemy (mlži, ježovky, koráli, foraminifery, řasy), ooidy, peloidy, mikritizace alochemů § Planární šikmé zvrstvení, asymetrické čeřiny, § Peritidální sedimenty Plážová pobřežní plošina Morfologické prvky: § Hřbety dun § Pláž § Příbřežní plošina (nad bází normálního vlnění – cca 10-15m) Výška dmutí < 3m Vysoká produkce karbonátového písku Procesy sedimentace: § Progradace pobřeží (do nadloží: subtidální sedimenty -> příbřežní plošina -> pláž) Facie: § Grainstone se skeletálními alochemy (mlži, ježovky, koráli, foraminifery, řasy), ooidy, peloidy, mikritizace alochemů § Křížové zvrstvení, horizontální zvrstvení, planární šikmé zvrstvení, primární proudová lineace, asymetrické čeřiny, symetrické čeřiny, § Raná cementace Šelfová sedimentace pod bází normálního vlnění Nízká hydrodynamická energie prostředí Občasné bouřky Procesy sedimentace: Vertikální akrece subtidálních sedimentů, Facie: § Vyšší podíl mikritu – packstone, wackestone, lime mudstone § Bouřkové sedimenty (tempestity): § Ostré bazální hranice vrstev, normální gradace, alochemy obdobné jako v okolních nebouřkových sedimentech, HCS (hřbítkovité zvrstvení) ► Proximální (blíže k pobřeží, méně hluboko pod bází normálního vlnění): Více alochemů, větší podíl bouřkových vrstev, vyšší mocnosti bouřkových vrstev, HCS ► Distální (dále od pobřeží, hlouběji pod bází normálního vlnění): Více mikritu, menší podíl bouřkových vrstev, nižší mocnosti bouřkových vrstev, bez HCS Tempestit, normální gradace, II laminace Tempestit, HCS, Písčitá tělesa okraje šelfu ► Morfologické prvky (Velká Bahamská lavice): § písčité valy (0,5 – 1,5 x 12 – 20km) § duny § přílivové kanály (šířka 1 – 3 km, hloubka < 7m) ► Vysoká produkce karbonátového písku ► Sedimentace závislá na § dmutí, § energii vlnění, § pozici k převládajícím větrům ► Procesy sedimentace: § Migrace písčitých valů – směrem na platformu (návětrná strana platformy) § Migrace písčitých valů - směrem do moře (závětrná strana platformy) § Gravitační resedimentace do hlubokého moře ► Facie: § Oolitové písky - grainstone s ooidy, peloidy, agregáty, méně skeletálními alochemy (ježovky, koráli, foraminifery, řasy), ooidy, peloidy, mikritizace alochemů § Planární šikmé zvrstvení, asymetrické čeřiny, symetrické čeřiny, Organické útesy (biohermy) ► Rigidní topografická elevace biogenního původu, rezistentní vůči vlnění ► Klasifikace podle morfologie : § okrajové (fringing) § skvrnové (patch) § bariérové § Hlubokovodní kupy (knoll) § atoly ► Klasifikace podle procesů sedimentace: § Skeletální útesy “Frame-Built“ (s pevnou vápnitou kostrou ze skeletů organismů) § Útesové kupy “Reef Mounds“ (bez pevné vápnité kostry, pasivní zachytávání materiálu organismy) Procesy ovlivňující růst útesu ► Konstruktivní procesy: růst organismů ► Destruktivní procesy: mechanický a biogenní rozpad útesu ► Cementace: ve fázi rané diageneze ► Sedimentace: procesy eroze, transportu a sedimentace materiálu útesu Konstruktivní procesy Skupiny organismů podílejících se na stavbě útesu ► Stavitelé kostry (frame builders) § Šestičetní koráli, řasy, Hydrozoa (recentní) § Šestičetní koráli, Rugosa, Tabulata, Stromatoporoidea, řasy (fosilní) ► Povlékači (encrusters) § Řasy, Serpulida, mechovky, koráli ► Kontributoři § Řasy (Halimeda) ► Ostatní § Cyanobaktérie, řasy Konstruktivní procesy Destruktivní procesy ► Vrtavá činnost: řasy, cynobaktérie, Porifera, měkkýši ► Hrabavá činnost: sesilní bentos, infauna, u útesových kup ► Oškrabování: Gastropoda, Echinodermata Sedimentace Zdroje sedimentu: ► Rozrušování vlastního útesu ► Rozpad schránek organismů žijících na útesu ► Přínos materiálu zvenčí Procesy sedimentace a facie Procesy sedimentace: § Progradace útesu na okraji platformy Facie ► Převaha destruktivních procesů na konstruktivními: rozpad útesu § Floatstone, rudstone ► Převaha konstruktivních procesů nad destruktivními § Bafflestone (zachycování sedimentu, větevnatí koráli, Amphipora) § Bindstone (převažuje činnost povlékačů – encrusters – řasy, mechovky) § Framestone (převažuje činnost stavitelů kostry – koráli, řasy, stromatoporoidea) Sedimenty přílivově-odlivových plošin (peritidální sedimenty) Facie peritidálních sedimentů Facie peritidálních sedimentů Pelagické prostředí ► Pelagické karbonáty: § > 95% materiálu ze suspenze (spad z vodního sloupce) ► Karbonátový materiál biogenního původu - planktonní a nektonní organismy ► Eolický materiál (zrnka Q siltové frakce) ► Kosmogenní materiál (kosmický prach) ► Vulkanogenní materiál (jílové mnerály a zeolity – produkty rozkladu vulkanických hornin oceánské kůry) § < 5% terigenního materiálu ► Prostředí vzniku pelagických karbonátů: § Oceánské pánve § potopené karbonátové platformy a aseismické podmořské hřbety § šelfy a intrakratonní pánve Faktory limitující pelagickou karbonátovou sedimentaci ► Rozpouštění CaCO[3] v závislosti na hloubce (CCD, lysoklina, ACD) (Obsah CO[2] ve vodě: závislost na teplotě vody, proudění) ► Produkce CaCO[3] v přípovrchové zóně oceánů § Klima § Biotické krize a vymírání [ ] ► Hydrodynamická energie prostředí u dna (proudění) Pelagické karbonáty Resedimentované karbonáty Gravitační transport a sedimentace: topografický gradient (např. svah platformy) Procesy sedimentace a facie Bahnotoky, úlomkotoky Binghamovské plastické látky, soudržné Uvedení do pohybu: překonání prahového napětí – přetížení svahu, zemětřesení, likvefakce (zkapalnění), Ukládání: zpomalení toku (snížení kinetické energie toku) Facie: ostré spodní a svrchní hranice vrstev, inverzní gradace, špatné vytřídění, floatstone, rudstone, hojné intraklasty Turbiditní proudy Newtonovské kapaliny, vyšší hustota v důsledku nasycení sedimentárními částicemi, převažuje turbulentní proudění, Uvedení do pohybu: zemětřesení, zvíření části v důsledku bouřky, převýšení kritického sklonu svahu Ukládání: zpomalení proudu Facie: ostré spodní a svrchní hranice vrstev, normální gradace, Boumova sekvence, grainstone, packstone, wackestone, lime mudstone, cizorodé alochemy Sesuvy, skluzy Elastické pevné látky, turbulentní pohyb, laminární pohyb Ukládání: zmírnění sklonu svahu Facie: zvrásněné a zprohýbané vrstvy pelagických karbonátů (lime mudstone, wackestone s pelagickou faunou), Zrnotoky Nesoudržné, převýšení prahového sklonu svahu, turbulentní pohyb Ukládání: zmírnění sklonu svahu Facie: inverzní gradace, velmi dobré vytřídění, grainstone Turbidity Resedimentované karbonáty Prostředí sedimentace: ► Podmořský vějíř § Vnitřní vějíř (proximální, úlomkotoky, hrubozrnné turbidity, sesuvy, skluzy) § Střední vějíř § Vnější vějíř (distální, jemnozrnné turbidity) Procesy sedimentace: progradace vějíře (do nadloží: distální -> proximální) ► Svahový osyp § Svrchní svah (proximální, úlomkotoky, hrubozrnné turbidity, sesuvy, skluzy) § Spodní svah (distální, jemnozrnné turbidity) Procesy sedimentace: progradace osypu (do nadloží: distální -> proximální) Sedimentační pánve ► Oblasti, ve kterých se akumuluje sediment a může být zachován po delší časové období § Tvar: kruhový, podlouhlý, lineární, nepravidelný § Nemusí se jednat o topografické deprese (aluviální vějíř) ► POSTTEKTONICKÉ (PREDEPOZIČNÍ) PÁNVE (Aralské jezero) ► SYNTEKTONICKÉ (SYNDEPOZIČNÍ) PÁNVE (Česká křídová pánev) ► PRETEKTONICKÉ (POSTDEPOZIČNÍ) (Pražská pánev) Subsidence vs. přísun sedimentu § morfologii pánve § Rychlost denudace ve zdrojové oblasti: ► Výpočet objemu přinášeného sedimentu ► Výpočet rychlosti sedimentace Subsidence: teorie izostáze Mechanismy subsidence Termální subsidence Flexurální subsidence Subsidence Dekompakce Tektonická klasifikace pánví Strike-slip (transtenzní a transpresní pánve)