Sedimentární petrologie I. Úvod https://knihy.heureka.cz/sedimentary-petrology-m-tucker-m-tucker/ Maurice Tucker University of Durham •Petrografie – popis a klasifikace hornin (z řečtiny, petra – kámen; grafein – psát) •Litologie – petrografie sedimentární hornin (ačkoli můžeme na termín narazit i jinde) • • • •Petrologie – komplexní studium hornin (… logos – znalost) •Sedimentologie – studium procesů transportu a ukládání horninového, biologického, antropogenního materiálu a jeho složení • • •Stratigrafie – studium časoprostorových vztahů horninových těles a událostí, které vedly k jejich uspořádání • •Sediment s.s. – nezpevněný sedimentární materiál •Sedimentární hornina – zpevněný sedimentární materiál • •Často je vágně používán termín sediment i pro zpevněné sedimentární horniny • •Terestrické sedimenty • • • • Význam sedimentárních hornin •Cca 70% hornin na povrchu Země je sedimentárního původu •Geologický záznam sedimentárních hornin zahrnuje celou škálu depozičních prostředí, která můžeme nalézt na Zemi ve fosilním záznamu tak v současnosti •Terestrické sedimenty • • • • trek_vh_kalapattar5 •Terestrické sedimenty • • • • •Marinní sedimenty • • • • •Marinní sedimenty • • • • •Marinní sedimenty • • • • •Antropogenní sedimenty • • • • •Marťanské sedimenty • • • • •Ložiková geologie • •Inženýrská geologie •Pedologie • •Environmentální geologie a hydrogeologie • •Paleoklimatologie • •Paleobiologie •… • • • • Význam sedimentárních hornin Význam sedimentárních hornin •Studium recentních sedimentárních systémů a procesů umožňuje dešifrovat sedimentární geologický záznam a rekonstruovat změny paleoprostředí •Některé typy sed.hornin, vznikajících v minulosti, v současnosti nevznikají Význam sedimentárních hornin •sedimentární horniny jsou hlavním zdrojem/matečnou horninou celé řady nerostných surovin, nezbytných pro fungování lidské civilizace •V první řadě to jsou uhlovodíky (ropa, zemní plyn) a uhlí • - pokroky ve studiu vlastností sed.hornin umožňují jejich efektivnější vyhledávání a využívání • •Sed.horniny jsou take hlavním zdrojem: • -Železa • -Ledku • -Soli • -Stavebních surovin • Význam sedimentárních hornin •Většina povrchu kryta sedimentem/sed.horninami = výzva pro inženýrskou geologii •Často mohou představovat geohazardy Základní koncepty Klasifikace sedimentárních hornin •Sed.horniny vznikají fyzikálními, chemickými a/nebo biologickými procesy • •Na základě převládajícího procesu jsou klasifikovány do 4 základních kategorií 1) klastické = siliciklastické, terigenní, detritické, epiklastické 2) biogenní, biochemické a organické 3) chemogenní 4) vulkanoklastické • •Mnoho sedimentárních hornin vykazuje přechodní charakteristiky mezi zmíněnými kategoriemi Prostředí sedimentace •Prostředí s převládající erozí / transportem / depozicí • •Většina zvětrávacích a transportačních procesů, uvolňujících sedimentární částice (zrna) nebo ionty do roztoku, probíhá na kontinentech • •Klima, místní geologická situace a topografie řídí kvalitu a kvantitu sedimentárních komponent a rozpuštěných látek Prostředí sedimentace •Kontinentální (terestrická) prostředí: nejzásadnější jsou fluviální systémy, lakustrinní, glaciální a eolická prostředí - nižší potenciál pro zachování sedimentu v geologickém záznamu https://geologycafe.com/erosion/deposition.html Prostředí sedimentace •Marinní prostředí: pobřežní a deltové systémy, šelfy a epeirická moře, pevninské svahy, batiálně-abysální prostředí - vyšší potenciál pro zachování sedimentu v geologickém záznamu https://geologycafe.com/erosion/deposition.html Depoziční mechanizmy •Sediment může být uložen v různých prostředích různými mechanizmy •Transport • - Proudící voda, vzduch (trakce, saltace, transport v suspenzi …) • - Gravitační pohyby směsi sediment/voda nebo čistě jen sediment In situ - biogenní činnost (biogenní nárůsty) - chemogenní precipitace (autigneze) Depoziční mechanizmy •Zanechávají záznam ve formě charakteristických struktur a textur •Některé depoziční procesy jsou typické pro specifická prostředí / proudové režimy / klimatická pásma / atd., • jiné se vyskytují napříč různými prostředími https://www.researchgate.net/profile/Antje_Voelker/publication/230729644/figure/fig3/AS:30064183140 7618@1448690006679/Bedform-velocity-matrix-for-deep-water-bottom-current-systems-showing-mean-grain -size.png Tektonický kontext •nejzásadnější parametr určující vznik sedimentárních pánví / hornin •Určuje základní charakter sedimentárních pánví: např. pánev na stabilním kratonu, zaoblouková pánev, riftová pánev … •Dále určuje vrcholně významné parametry modulující vznik sedimentů: - subsidenci, výzdvih, seismickou a vulkanickou aktivitu https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/e/ea/Cross-section_of_a_subduction_zone_and_back-arc _basin.jpg Klima •Hlavní faktor ovlivňující kvalitu subaerického zvětrávání, eroze •Silně ovlivňuje složení klastických hornin •Ovlivňuje také množství materiálu transportovaného do pánví - zvýšení odnosu a splachu např. během pluviálů - nízký přínos klastik např. umožňuje vznik vápenců, evaporitů, fosfátů … •Milankovičovy cykly – orbitální cykly - cyklostratigrafie (orbitální ladění – astrochronometrie) • Precesní maxima - silnější letní monzuny v tropické Africe, větší odvodnění Nilu Klima •Řídí míru organické produktivity (Corg) v oceánech i sladkých vodách • - vysoká úroveň bioproduktivity je významná pro vznik vápenců, fosfátů, křemičitých sedimentárních hornin, uhlí, ropy … Klima •Řídí vznik sedimentů, které jsou vázány na určité klimatické pásy – např. vápence, evapority, uhlí … Facie •Sedimentární facie je těleso / soubor sed.hornin se znaky, které ho odlišují od okolních hornin •facie je „otiskem“ uplatněného depozičního mechanizmu, prostředí sedimentace, jeho bioty … •Faciální znaky: složení (litologie), zrnitost a další strukturní znaky, textury, obsah fosilií, barva … Litofacie (litologické znaky) vs. Biofacie – (paleontologické znaky) • • • https://www.wired.com/2007/08/friday-field-foto-28-thin-bedded-turbidites/ https://www.alamy.com/cross-bedding-navajo-sandstone-at-horseshoe-bend-glen-canyon-national-recreat ion-area-page-arizona-image213936745.html Facie •Příklady přístupů k vymezování facií: objektivní - strukturně-texturní znaky: facie šikmo zvrstvených hrubozrnných pískovců - složení: arkózové facie - biofacie (tafonofacie): biofacie s hojnými silicifikovanými kmeny jehličnanů interpretativní - depoziční proces: proudové povodňové facie - depoziční prostředí: fluviální korytové facie https://www.alamy.com/cross-bedding-navajo-sandstone-at-horseshoe-bend-glen-canyon-national-recreat ion-area-page-arizona-image213936745.html Facie •detailnějším studiem a klasifikací můžeme vyčlenit subfacie a mikrofacie (především u karbonátových horniny) – často až na základě použití laboratorních metod mikroskopie Facie •Faciální asociace –různé, avšak geneticky spjaté facie, běžně se vyskytující společně ve stratigrafickém (a tím i laterálně souvisejícím) smyslu •= sledy facií běžně vytvářejí x-metrové cykly, které se opakují v určitých vzorech (parasekvence) http://sp.lyellcollection.org/content/specpubgsl/403/1/185/F7.large.jpg https://www.researchgate.net/profile/Karin_Goldberg/publication/274097402/figure/fig3/AS:5496951108 28033@1508068935877/Description-and-interpretation-of-the-facies-association-observed-in-the-Barbal ha.png https://sp.lyellcollection.org/content/specpubgsl/403/1/185/F14.large.jpg Facie •změny facií - - změnou externích podmínek (např. eustází, klimatem, tektonikou) = alocykly – nucené změny (značný prostorový dosah / globální) http://www.sepmstrata.org/CMS_Images/20FigForced-Regression.gif Facie •změny facií - bez změn externích podmínek, vliv změny geometrie sedimentárního tělesa (např. vývoj biogenního útesu, progradace delty při stálé hladině = autocykly (lokální, jen v rámci pánve / její části) http://www.sepmstrata.org/CMS_Images/highstand.jpg http://marineandthedolphins.weebly.com/uploads/2/4/2/3/24230887/6958787.jpg?599 Faciální modely •Faciální asociace indikují prostředí vzniku •Na základě studia recentních i fosilních facií, prostředí a procesů vznikají faciální modely •Vysvětlují laterální i vertikální vztahy těles – Waltherovo pravidlo •Dovolují predikci geometrií a rozšíření facií a jejich paleoenvironmentální interpretace https://media.springernature.com/original/springer-static/image/art%3A10.1007%2Fs10347-018-0523-6/M ediaObjects/10347_2018_523_Fig11_HTML.gif Změny úrovně mořské hladiny •Výrazně ovlivňují vznik sedimentárních facií a posuny faciálních pásů •Změny úrovně mořské hladiny jsou spojené s 1) klimatem – často globální – eustatické (glacioeustáze, krátkodobé změny v řádu 105 – 107 let 2) tektonikou - lokální (rychlost subsidence/výzdvihu vs. množství přinášeného sedimentu, 105 - 107 let) - regionální – nadregionální – např. rifting, termální subsidence 107 let - globální – eustatické (tektonoeustáze, dlouhodobé změny v řádu 108 let) Sekvenční stratigrafie •Změny výšky hladiny 2. a 3. řádu nutí vznik sedimentárních sekvencí •Změny výšky hladiny 4. řádu - parasekvence parasekvence Sekvenční stratigrafie •sedimentární sekvence = soubory geneticky spjatých sedimentů, oddělené nekonformitami a korelativními konformitami (povrchy, time lines) •Soubory sedimentů – trakty – vzniklé za: 1) nízké hladiny 2) růstu hladiny 3) vysoké („ustálené“) hladiny •mezi nimi klíčové povrchy, nad kterými dochází ke změnám vzorů faciálních asociací - progradace - agradace - retrogradace těles sedimentů • Diageneze •Sekvence procesů, které probíhají v horninovém prostředí od usazení nezpevněného sedimentu, přes vznik zpevněné horniny, až do nástupu metamorfózy •Raná diageneze - mezi momentem uložení a mělkým pohřbením • •Pozdní diageneze - během hlubokého pohřbení a následného výzdvihu • Flügel (2010) Diageneze •Znalost diagenetických procesů je důležitá protože mohou výrazně měnit složení a stavbu sedimentu (někdy mohou zcela zastřít původní stav) • •- Ovlivnění porozity a permeability - klíčové parametry určující potenciál hornin být rezervoáry ropy, plynu nebo vody • Metody - terén •Pečlivé pozorování a jeho přesné zaznamenání - poloha + popis + náčrt + fotografie + odběr vzorku •Znalost diagnostických znaků sedimentů umožní se na ně při pozorování zaměřit - potřeba „vědět, co, kde a jak hledat “ • Metody - terén •Potřeba prvotní identifikace litologie (např. za pomoci lupy) – složení, struktura (hlavně zrnitost), fosilie - tyto atributy mohou být později přesně kvantifikovány v laboratoři • • Metody - terén •Textury (a mnohé struktury) lze nejlépe studovat přímo v terénu, kvůli jejich velikosti + paleoproudové informaci •Geometrie těles – onlapy, offlapy, downlapy (důležité parametry povrchů sekvenční stratigrafieú -nejlépe pozorovatlené („seismic-scale“) na velkých odkryvech v horách • Metody - terén •Vertikální popis a zaznamenání sekvence vrstev = kreslení a popis profilů / sedimentárních logů; profilování / logování •Popis bed-by-bed, zaměření mocnosti každé vrstvy, jejího složení, zrnitosti … •Potřeba sledovat laterální stálost těles (geometrii) – mnoho těles může vykliňovat (čočkovitá tělesa) • Obsah obrázku text Popis byl vytvořen automaticky Obsah obrázku text Popis byl vytvořen automaticky Metody - terén •Mapování rozšíření facií •Pomáhají pochopit vztahy mezi faciemi ve větším měřítku • Obsah obrázku text, mapa Popis byl vytvořen automaticky Metody - terén •Ideální je studované lokality navštívit opakovaně •Často je pak zjištěno, nalezeno více a více informací, „člověk se rozkouká“ a později vidí více a více znaků (od prvotní rekognoskace lokality až např. po detailní studium cyklicity) •Zároveň je potřeba se snažit pokaždé zdokumentovat lokalitu tak, jako bychom ji už podruhé nikdy nemohly navštívit (tím víc to platí v činných lomech, horském a jiném geologicky dynamickém prostředí) • Metody - terén •Sběr fosilií, ichnofosilií … • Metody - terén •Gamaspektrometrická měření - měření nestabilních izotopů K, U, Th (např. pro sekvenčně strati. Interpretace / korelace) • • Metody - laboratoř •Práce se vzorky: - detailnější makropopis - zhotovení nábrusů – leštěním nebo leptáním jsou lépe pozorovatelné mnohé znaky, složení …. - nezpevněný sediment – síťovací a další zrnitostní analýzy, separace těžkých minerálů - výbrusy – umožňuje velmi detailní zhodnocení studovaných hornin • Metody - laboratoř •výbrusy – umožňují velmi detailní zhodnocení studovaných hornin - kvalitativně: identifikace zrn (typů minerálů, hornin, zbytků bioty), základní hmoty, cementu, diagenezi … - kvantitativně: point-counting = metoda počítání bodů za účelem zjištění procentuálního zastoupení komponent horniny (důležité pro klasifikaci podle složení u pískovců: q-pískovce : droby : arkózy) • Metody - laboratoř •Katodoluminiscence (na leštěných výbrusech) – využívá luminiscence vyvolané bombardováním povrchu materiálu elektrony • - studium cementů - studium organické hmoty • Obsah obrázku text, kniha, interiér, fotka Popis byl vytvořen automaticky Metody - laboratoř •Elektronová / skenovací mikroskopie (SEM) - především pro jemnozrnné materiály (od 0,1 mikrometru) • Obsah obrázku jídlo, exteriér Popis byl vytvořen automaticky Metody - laboratoř •Prášková rentgenová difrakce - zjištění mineralogického složení - např. využíváno pro sledování změn přítomnosti jílových minerálů v sedimentech • Metody - laboratoř •Studium prvkové geochemie: • - AAS: atomová absorpční spektrofotometrie - XRF: rentgenová fluorescence - ICP-OES: hmotnostní spektrometrie s optickou emisní spektroskopií - ICP-MS: hmotnostní spektrometrie s indukčně vázaným plazmatem - LA-ICP-MS: laserová ablace s ICP-MS • •Prvky využívané jako zástupné proměnné (proxy data) některých chemofyzikálních a biochemických procesů - detritické prvky (např. Al, Si, Zr, Ti, K) - redoxně senzitivní prvky (např. U, Mo, Mn, Fe, S) - prvky související s bioproduktivitou (např. C, Ca, P, Ba, Si) - prvky hydroterm (např. Mn, Eu) - vulkanogenní prvky (např. Zr, Ti, Hg) • Metody - laboratoř •Studium izotopové geochemie - stabilní izotopy C, O, S, N … - díky frakcionaci během různých fyzikálněchemických procesů můžeme na základě izotopového záznamu tyto procesy rekonstruovat •Např. δ13C – globální korelace (záznam změn glob. Výkyvu v uhlíkovém cyklu) Metody – studium literatury •Nezbytné pro nabytí potřebných vědomostí, často podepřených experimenty nebo dekádami pozorování a dokládání •Základní učebnice •Odborné články v periodikách: - procesní studie - případové studie •Hlavní sed. časopisy: Sedimentology, Sedimentary Geology, Journal of Sedimentary Research - dále Geology, Facies, Marine and Petroloeum Geologym, Palaeogeography, Palaeoecology and Palaeoclimatology, Bulletin of Geosciences, Geobios, atd. atd. • •Mezinárodní sedimentologická asociace (INTERNATIONAL ASSOCIATION OF SEDIMENTOLOGISTS) • https://www.sedimentologists.org/ - členové mají přístup k: časopisu Sedimentology, k workshopům, cestovní granty, levnější IAS konference - příští rok IAS meeting Prague, 2020 (http://www.iasprague2020.com/ ) – dobrovolníci-pomocníci, ozvěte se vyučujícímu ;)