Седиментология – ключ к прошлому Земли

В прошлое нельзя возвратиться, и картины смены условий окружающей среды на нашей планете так и остались бы тайной, если бы не сохранились на природном «носителе информации» – осадочном материале, несомом водными потоками. Миллиметр за миллиметром, год за годом, столетие за столетием накапливаются разнообразные частички, ранее слагавшие горные кряжи и речные долины. Сегодня осадочные породы на поверхности Земли слагают километровые толщи и распространены практически повсеместно.

Седиментология – раздел геологии, изучающий состав, строение, механизмы возникновения и закономерности пространственного размещения осадочных пород

Изучением осадочных систем занимается особый раздел геологии – седиментология. Sediment в переводе с английского означает «осадок». Специалисты-седиментологи способны, как книгу, читать зашифрованную в толще осадка летопись прошлых событий и воссоздавать картину произошедших на поверхности планеты изменений. Работа эта не так проста, как может показаться на первый взгляд, и требует не только воображения, но немалых знаний и комплексного подхода.

Так как же протекает сам процесс «чтения» осадочной летописи? Чтобы узнать это, отправимся по следам группы специалистов из лаборатории седиментологии Института нефтегазовой геологии и геофизики им. акад. А. А. Трофимука СО РАН, занимающихся обработкой кернового материала из юрских отложений Западно-Сибирского седиментационного бассейна.

Все начинается с керна

... Мы находимся посреди лесотундры где-то в центральном районе Западной Сибири. Неподалеку катит свои воды Обь, а вокруг типичный пейзаж северных равнин: низкорослые деревья, множество озер и заросших топей. Но это сейчас, а как выглядел этот край в юрское время, или 150 млн лет назад? Чтобы выяснить это, нужно проникнуть на глубину порядка 2 км, ведь именно такой толщины осадочный слой отложился здесь с тех времен.

Добраться до таких глубин можно с помощью буровых скважин. Поднятую в процессе бурения породу называют керном, он-то и станет основным объектом нашего исследования. Аккуратно разложенный по коробкам керн доставляют в кернохранилище, где и происходит обычно первая встреча седиментологов с посланцем из прошлого. В отличие от выходящих на поверхность древних пород, где все слои отложений полностью обнажены и доступны для специалиста, керновый материал представляет узкие, зачастую прерывистые фрагменты осадочной толщи. Однако приходится быть благодарным и этим, несущим в себе бесценную информацию, образцам.

Итак, вереница ящиков с интересующими нас керновыми интервалами выстроена, можно приступать к работе. На начальном этапе проводится так называемое макроскопическое описание керна, с отбором образцов для различных анализов, позволяющих больше узнать о природе отложений. Шаг за шагом, ящик за ящиком мы продвигаемся вверх по разрезу, разбивая его на все более дробные составляющие, которые характеризуются специфическим набором признаков – серии, пачки, слои и слойки. Все особенности состава и внешнего вида встреченных пород тщательно документируются.

Уже на начальном этапе работы с керном хороший специалист способен в общих чертах представить, какие условия господствовали на планете во времена образования того или иного слоя. Описав, сфотографировав и отобрав образцы для дальнейшего изучения, группа возвращается в институт, чтобы продолжить работу с помощью различных методов, в том числе микроскопического. При большом увеличении открывается множество нюансов, скрытых от невооруженного глаза. О многом может рассказать размер, состав и форма слагающих породу обломков, характер скрепляющего их материала, а также вторичные изменения, произошедшие с породой под действием меняющейся температуры и давления.

Размер, состав и форма слагающих осадочную породу обломков, а также характер скрепляющего их материала могут многое рассказать опытному взгляду, к тому же вооруженному современной исследовательской техникой

Размер частиц, слагающих породу, определяет ее название: от крупнозернистых гравилитов и песчаников до мелкозернистых алевролитов и тонкозернистых аргиллитов. Информацию об источниках сноса осадочного материала несет в себе состав обломков, которые могут быть представлены как отдельными зернами минералов, так и фрагментами различных пород, подвергшихся разрушению. Информацию о пути, пройденном частичками разрушенных пород, – расстоянии и характере переноса – может дать их форма. Например, округлость обломков указывает на долгий путь, тогда как угловатость и выступающие края говорят о близости источника сноса.

Очень тонкозернистые глинистые породы, малоинформативные даже при микроскопическом изучении, исследуются другими методами. Так, рентгенографический анализ таких пород позволяет определить их минеральный состав, а микроэлементный – дает представление о солености водного бассейна, где происходило осадконакопление, и окислительно-восстановительных условиях среды.

Как мозаичную картину…

На следующем этапе специалист приступает к более детальному изучению текстурных особенностей выделенных ранее элементов разреза. Для этого он использует фотографии и записи, сделанные в кернохранилище, результаты инструментального исследования образцов, а также проводит поиск и анализ всех опубликованных в научной литературе сведений по интересующей теме.

В процессе аналитического исследования определяется природа, механизмы и обстоятельства образования отдельных тонких слойков, более крупных слоев и сложенной ими пачки в целом.

Особый интерес представляют следы жизнедеятельности различных организмов, нередко встречающиеся в осадочных отложениях. Ведь различные виды донных животных, зарывающихся в грунт или ползающих по его поверхности, жили при определенных и вполне благоприятных для них условиях. Знания о среде обитания этих представителей древней фауны помогают исследователям составить представление о существовавших в то время режимах активности водной среды, т. е. скорости, турбулентности и прочих гидродинамических свойствах потока, а также других особенностях водоема. Такой ихнофациальный анализ наряду с данными палеонтологических исследований, имеющих дело с найденными в отложениях ископаемыми, – хорошее подспорье при комплексном седиментологическом изучении пород.

Разобравшись с механизмами формирования отдельных слойков, слоев, пачек, серий и сгруппировав их в отдельные ассоциации, можно приступать к следующему этапу, одному из самых творческих, требующему от специалиста широких и глубоких знаний. Нужно определить, в каких же все-таки природных условиях образовались исследуемые осадки и как эти условия менялись с течением времени.

Изучение следов жизнедеятельности древних организмов, встречающихся в осадочных отложениях, наряду с палеонтологическими находками помогают ученым в реконструкции природных условий, существовавших на Земле в далеком прошлом

Комплекс отложений, сформировавшийся в обстановках осадконакопления с характерными особенностями среды, ученые называют фациями, а метод их разностороннего изучения – фациальным, или седиментологическим, анализом. Цель подобного анализа – построить полную картину смены фациальных ассоциаций пород по вертикали и по латерали. И здесь мы сталкиваемся с определенными трудностями.

Дело в том, что расстояние между пробуренными скважинами, из которых был поднят изучаемый керн, зачастую достаточно велико. Поэтому проследить смену отдельных фаций на изучаемой территории бывает трудно.

На помощь приходят данные геофизических исследований: как правило, на исследуемом участке бывают скважины, керн из которых по каким-то причинам не был извлечен, но где проводилось изучение толщи пород геофизическими методами. Результаты таких исследований в виде каротажных диаграмм, отражающих изменение характеристик отложений по глубине, позволяют получить своеобразный портрет пород, что помогает достроить общую картину.

Зачем это нужно?

Работа постепенно близится к завершению… Чтобы поставить точку в наших палеогеографических реконструкциях, воспользуемся результатами специалистов-геологов, занимающихся тектоническими исследованиями в нашем ареале. Получив информацию о том, на каких участках в древности поверхность поднималась, а на каких опускалась, можно составить общее представление о палеорельефе и наметить основные пути, по которым происходила миграция осадочного материала.

Наглядным представлением результатов успешно завершенной работы седиментологов является итоговая карта или серия карт, отражающих палеогеографиче­ские условия, существовавшие на период формирования отложений. И теперь любой желающий, взглянув на карту, может практически воочию увидеть картины далекого прошлого. Мы все-таки сумели заглянуть в «память» планеты сквозь миллионы лет!

Но столько усилий и времени было затрачено вовсе не из простого любопытства: жизнь полученных результатов только начинается. Став частью других исследований, они будут способствовать решению как некоторых фундаментальных вопросов науки, так и практических задач.

В нашем случае построенные карты будут использованы для выявления наиболее благоприятных для накопления залежей нефти или газа геологических тел. В каждой из выделенных фаций происходило формирование отложений с характерными признаками. Некоторые из таких отложений, как, например, песчаники речных русел, способны вмещать мигрирующие в толще пород углеводороды, тогда как другие, такие как тонкозернистые морские глины, наоборот, являются непроницаемым барьером.

Вот так данные о смене древних ландшафтов будут способствовать более эффективному поиску новых месторождений углеводородного сырья, столь необходимого сегодня человечеству. Ну, а наша группа… Седиментологи отправляются исследовать новый район, чтоб прочитать в каменной летописи еще одну страницу.

В публикации использованы фотографии П. Яна

Литература:

Алексеев В. П. Литологические этюды. Екатеринбург: Изд-во УГГУ, 2006. 149 с.

Обстановки осадконакопления и фации. В 2 т. (Под ред. Х. Рединга). М.: Мир, 1990.

Рейнек Г.-Э., Сингх И. Б. Обстановки терригенного осадконакопления. М.: Недра, 1981. 440 с.

Рухин Л. Б. Основы литологии. Л.: Гостоптехиздат, 1961. 671 с.

Селли Р. Ч. Древние обстановки осадконакопления. М.: Недра, 1989. 294 с.