Литология

Мелководные морские карбонатные обстановки

Карбонатное осадконакопление на континентальном шельфе в настоящее время непосредственно связано с двумя основными факторами:

• отсутствием терригенного осадконакопления;
• высокой биологической продуктивностью.

Все современные карбонатные осадки распространены в районах, которые не получают больших количеств терригенного обломочного материала. Большая часть карбонатного материала на современных шельфах имеет преимущественно органическое происхождение – либо непосредственное как скелетный материал, либо косвенное как побочный продукт органической деятельности. Основная масса осадка образуется на месте на «литоральной фабрике карбоната».

Факторы, контролирующие накопление карбонатов

Карбонатная седиментация на шельфе контролируется

• температурой,
• солёностью,
• балансом СО₂,
• глубиной воды,
• местным режимом течений,
• проникновением света,
• продолжительностью светового дня,
• характером субстрата,
• мутностью воды.

Но главнейшими контролирующими факторами являются температура и солёность. Карбонатные осадки можно разделить на две крупные ассоциации в зависимости от температуры воды: ассоциацию форамол (фораминиферовая), типичную для умеренных и полярных вод, и хлорозойную ассоциацию, типичную для теплых вод.

Хлорозойная ассоциация состоит в основном из зеленых водорослей и герматипных кораллов и, кроме того, бентосных фораминифер, моллюсков, мшанок, известковых красных водорослей и морских уточек. Эта ассоциация образует современные рифы в тропических и субтропических водах. Наряду с биогенными зернами, присутствуют оолиты и их агрегаты (грейпстоны), а также пеллетовые карбонатные илы. Хлорозойная ассоциация процветает в морской воде нормальной солености. Если вода становится солоноватой или гиперсоленой, преобладают водоросли (хлоральгальная ассоциация, Lees, 1975).

В ассоциации форамол преобладающим компонентом является детрит раковин бентосных фораминифер, моллюсков, водорослей; остатки иглокожих, остракод и спикул губок относятся к акцессориям.

Организмы производят не только разнообразные скелетные части различного размера и формы, но и карбонатные минералы различного состава и термодинамической стабильности. Тропические карбонаты хлорозойской ассоциации, богатые арагонитом и кальцитом с высоким содержанием магния, относительно легко растворяются и перекристаллизовываются во время раннего диагенеза в отличие от карбонатов умеренного и полярного поясов, в которых преобладает кальцит с низким содержанием магния. Таким образом, тепловодные карбонаты легко могут литифицироваться и образовывать твердое основание (хардграунд).

Многие из современных отложений карбоната на шельфе содержат ил (<60 мкм), он образуется в результате дезинтеграции остатков скелетов при механическом истирании или под воздействием сверлящих организмов. В ряде случаев наблюдается и прямое химическое осаждение микроскопических частиц арагонита.

Современные субтропические карбонатные шельфы

Три крупномасштабных обстановки способствуют накоплению значительных карбонатных тел:

1. Карбонатные рампы.
2. Огражденные карбонатные шельфы.
3. Изолированные карбонатные платформы.

В то время как карбонатные рампы и шельфы примыкают к суше, типичные карбонатные платформы изолированы от материковых побережий и поэтому идеально соответствуют условию низкого или отсутствующего терригенного привноса. Карбонатные рампы могут развиваться без значительного участия рифов, в то время как окаймленные карбонатные шельфы и платформы нуждаются в рифовых структурах для создания и поддержания сравнительно крутых склонов.

Огражденные шельфовые лагуны – мелководные бассейны (в среднем 10 м), окруженные барьерами (рифами, островами и банками). Край шельфа, обычно крутой, достигает абиссальных глубин. Действие волн ограничено только на внешними краями барьеров. Внутри лагуны действуют ветровые и приливные течения. На большей части лагун происходит накопление карбонатных илов.

Открытые шельфы не защищены от воздействия волн и течений. На них обильно представлен крупнозернистый детрит. Отложение тонкозернистого карбоната в основном приурочено к более глубоким наружным краям шельфа.

Рампы погружаются к кромке шельфа, под углом около 1°. Дно внутреннего рампа подвержено действию волн и приливно-отливным течениям. На побережьях с сильным воздействием волн может образоваться бар из карбонатных песков, отделяющий узкую лагуну, где накапливаются карбонатные илы. Средний рамп лежит ниже базы волн спокойной погоды. Здесь отлагаются илы. Во время штормов сюда выносится биокластический материал с внутреннего рампа, образуя темпеститы. Внешний рамп лежит ниже базы штормовых волн. Здесь отлагаются илы, часто с признаками турбидитов.

Безбарьерные шельфы представляют собой почти горизонтальную платформу с резким перегибом к континентальному склону. Они не имеют барьера на краю шельфа и подвержены действию волн и приливно-отливным течениям. Осадки постоянно перерабатываются волнами, отлагаются грейнстоны. Тонкозернистый материал выносится на внешний шельф, где отлагаются вакстоны и мадстоны.

Обстановки и фации «тепловодных» карбонатных систем

Можно выделить пять крупных зон:

• супралиторальная зона,
• литоральная зона,
• морской шельф (сублиторальная зона),
• пояс карбонатных песков,
• рифовый пояс.

Супралиторапьная зона лежит выше уровня самых высоких приливов. Процессы, действующие в надлиторальной зоне, сильно зависят от климата, особенно от количества осадков.
В гумидном климате развиваются водорослево-мангровые марши. Поверхность маршей колонизуется цианобактерияи, образующими «водорослевые» маты. Вследствие распада органического материала внутри матов образуются заполненные газом полости. В осадке такие полости заполняются кристаллическим кальцитом и могут сохраняться в ископаемом состоянии, образуя текстуры «птичьего глаза» (фенестры). Также могут присутствовать признаки субаэрального диагенеза – карбонатные почвенные корки (каличе, калькреты) и карстовые поверхности.
В очень аридных регионах в супралиторальной зоне формируются себхи с эвапоритами. В аридных районах значительную роль в переработке осадка играет ветер и могут образовываться эоловые дюны. Переотложенные ветром карбонатные пески после цементации образуют «эолианиты». И в аридных, и в гумидных районах там, где после отлива начинается сильное испарение, могут быть участки, где арагонит в процессе раннего диагенеза замещается доломитом.

Литоральная зона включает приливно-отливные равнины, каналы, намывные валы, «пруды» и береговые валы. Литоральную зону характеризуют:

• 1) водорослевые маты,
• 2) пористость типа «птичий глаз» (фенестры),
• 3) признаки осушения.

В нижней литорали присутствуют зарывающиеся организмы и соскребатели, которые сдерживают развитие водорослевых матов (за исключением тех мест, где соленость повышена). В верхней литоральной зоне растут водорослевые маты и хорошо развита пористость типа фенестры. Осадочный материал внутри водорослевых матов имеет черный цвет вследствие сильно восстановительных условий.

Морской шельф. В зависимости от энергетического режима платформа может быть либо известково-песчаной либо известково-илистой. Если шельф широкий и мелкий или он рассечен рифами или песчаными намывными косами, то морская платформа представляет собой замкнутую морскую среду, подверженную сильным сезонным и суточным вариациям температуры и/или солености.

Пояса карбонатных песков распространены преимущественно вдоль краев платформ. Они состоят как из не-оолитовых зерен (биокластов, интракластов,пелоидов), так и из оолитов, причем первые более распространены. Форма этих тел и состав зерен контролируются в основном уровнем энергии волн или приливов и ориентировкой края платформы. Во многих районах одновременно с активным намывом происходит подводная цементация зерен. Сцементированные корки (хардграунды) также могут быть источником эродированных обломков – интракластов. Подвижные песчаные пояса обычно бедны бентосной фауной из-за неустойчивости субстрата. Районы активных песков постепенно переходят в краевые участки, где мобильность песков меньше. Они заселяются сообществом мелководных бентосных организмов с обилием зарывающихся форм.

Несмотря на большую изменчивость сообществ рифообразующих организмов в пространстве и времени и сложное внутреннее строение рифов, большинство рифовых тел можно довольно просто классифицировать в соответствии с их внешней формой (по Einsele, G., 2000).
Плоские иловые банки длиной от одного до нескольких километров возвышаются на несколько дециметров или метров над окружающим морским дном. Они частично построены прирастающими организмами, такими как водоросли, ветвистые кораллы, моллюски и многие другие группы. Карбонатные банки могут стабилизироваться путем ранней цементации, создавая устойчивые к эрозии поверхности (хардграунды), особенно в теплых водах. Рифовые банки современных океанов считаются аналогами биостромов в древних отложениях. По определению, это слоистые образования, такие как слои раковин или кораллов, однако они в центральной части не росли настолько быстро, чтобы образовать линзовидные или бугристые тела – биогермы.
Иловые холмы представляют собой плоские, длинные линзы или более крутые конические скопления. Они различаются по размеру, но чаще имеют длину порядка 100 м. Они состоят из плохо отсортированного биокластического известкового ила с незначительным количеством тонких или ветвистых скелетов организмов, нарастающих поверх илистой основы (губки, водоросли, мшанки, мелкие ветвистые кораллы, двустворчатые моллюски). Более крупные скелеты типичных каркасных рифостроителей, как правило, не встречаются. По этой причине иловые холмы не дорастают до зоны сильной волновой активности.
Бугристые и лоскутные рифы представляют собой изолированные округлые биогермы. Лоскутные рифы обычно растут в мелководной внешней части защищенной рифовой лагуны за большим рифовым барьером. В глубоких лагунах лоскутные рифы могут превратиться в изолированные конические высокие рифовые пики (пиннакли) среди пелагических карбонатных илов.
Рифы и атоллы. Современные коралловые рифы – твердые устойчивые к действию волн структуры, образованные и частично скрепленные организмами. Они представляют собой устойчивые «оазисы» органической продуктивности с высокой плотностью населения, интенсивным метаболизмом карбонатов и сложными пищевыми цепями, окруженные водами с относительно низким содержанием планктона и минеральных веществ. В рифах отражается баланс между нарастанием вверх каркаса и его разрушением сверлильщиками, соскребателями и физическими процессами. Сверлильщики (черви, губки, двустворчатые моллюски и др.) образуют большое количество ила. Хищные рыбы соскребают кораллы и формируют детрит песчаной или алевритовой размерности. Ил и детрит фильтруется сквозь промежутки в каркасе, где процветает множество других организмов, образующих осадок.
Если преобладает нарастание в сторону моря, а карбонатное тело примыкает к суше, то образующиеся платформы называются окаймляющими рифами. Широкие структуры такого типа образуются, когда выработка карбонатов превышает оседание, а относительный уровень моря остается постоянным. И наоборот, быстрое повышение уровня моря или сильное погружение основания приводит к вертикальному наращиванию рифового фронта и образованию барьерных рифов и атоллов, отделяющих лагуны от открытого моря.

Основные экологические требования для роста современных герматипных кораллов следующие:

• 1) мелкие воды (до примерно 80 м);
• 2) тепло (температура воды 18—36 °С);
• 3) нормальная соленость (27—40‰);
• 4) сильная освещенность;
• 5) обилие пищевых веществ, поставляемых зоопланктоном микрохищникам-полипам;
• 6) стабильный субстрат для прикрепления;
• 7) низкая мутность воды.

Основные биологические и морфологические зоны рифового комплекса имеют постепенные границы и представлены: передовой частью рифа, фронтом рифа с рифовым гребнем, рифовой платформой, тыловой частью рифа.

В передовой части рифа (глубина 100—200 м), где склон положе, располагается пояс нелитифицированного детрита, сносимого с рифа. В сторону рифа склон становится круче (50—90°) и представляет собой стенку и склон рифа. Освещенность и энергия волн здесь низкие. Зона наибольшего скелетного роста простирается от зоны прибоя до глубины менее 100 м и представлена фациями фронта рифа и рифового каркаса. Здесь создается твердый органический каркас рифа. Ниже рифового гребня уже на глубине 1‑5 м энергия волн и течений уменьшается. Этот район называется рифовой отмелью.

Атоллы распространены не только внутри крупных барьерных комплексов, но и образуют районы мелководного карбонатного осадконакопления в открытом океане. Большинство атоллов состоит из кольцевой полосы рифов, окружающих круглую или прямоугольную лагуну с плоским дном, на котором могут располагаться изолированные коралловые холмы. Подветренные края могут иметь крутой и неровный склон, что обусловлено оползнями, вызванными штормами. Действием волн рифовые пески выносятся в лагуну, и в этой зоне часто обильно представлены бентосные фораминиферы. Карбонатная надстройка океанических атоллов обычно развивается на погруженном основании из вулканических пород. Сложная история атоллов, как это установлено путем картирования и бурения, включает повторяющиеся эпизоды поднятия и погружения. Фаза воздымания приводит к развитию карста и образованию почвы, накопление фосфатного гуано может приводить к образованию в дальнейшем фосфоритов в виде слоев, корок, оолитов.

Древние карбонатные фации

Карбонатные фации распространены в отложениях эпиконтинентальных бассейнов, на склонах различной крутизны и на прилегающих к ним платформах. Распределение фаций на основе исследования эпиконтинентальных карбонатов Уилсон (Wilson, J.L., 1975) представил в виде девяти стандартных поясов. Все девять поясов не обязательно присутствуют. В настоящее время отсутствуют аналоги крупных эпиконтинентальных морей, которые покрывали обширные пространства на протяжении продолжительных периодов палеозоя и мезозоя.

Выводы

1. Большая часть карбонатного материала на современных шельфах имеет преимущественно органическое происхождение – либо непосредственное как скелетный материал, либо косвенное как побочный продукт органической деятельности.
2. Карбонатное осадконакопление на континентальном шельфе контролируется, главным образом, температурой и соленостью.
3. Три обстановки способствуют накоплению значительных карбонатных тел: 1)карбонатные рампы, 2) огражденные карбонатные шельфы, 3) изолированные карбонатные платформы.
4. Огражденные шельфовые лагуны – мелководные бассейны (в среднем 10 м), окруженные барьерами (рифами, островами и банками). На большей части лагун происходит накопление карбонатных илов.
5. Открытые шельфы не защищены от воздействия волн и течений. На них обильно представлен крупнозернистый детрит.
6. Процессы, действующие в надлиторальной зоне, сильно зависят от климата. В гумидном климате развиваются водорослево-мангровые марши. В очень аридных регионах в супралиторальной зоне формируются себхи с эвапоритами и могут образовываться эоловые дюны.
7. Литоральную зону характеризуют: 1) водорослевые маты, 2) пористость типа «птичий глаз» (фенестры), 3) признаки осушения.
8. В зависимости от энергетического режима карбонатный шельф может быть либо известково-песчаным либо известково-илистым.
9. Пояса карбонатных песков распространены преимущественно вдоль краев платформ. Они состоят как из не-оолитовых зерен (биокластов, интракластов,пелоидов), так и из оолитов.
10. Большинство рифовых тел можно классифицировать в соответствии с их внешней формой на 1) иловые банки, 2) иловые холмы, 3) бугристые и лоскутные рифы, 4) рифы и атоллы.
11. Основные биологические и морфологические зоны рифового комплекса представлены передовой частью рифа, фронтом рифа с рифовым гребнем, рифовой платформой, тыловой частью рифа.
12. В настоящее время отсутствуют аналоги крупных эпиконтинентальных морей, которые покрывали обширные пространства на протяжении продолжительных периодов палеозоя и мезозоя.

Вопросы для самопроверки

1. Какие факторы контролируют накопление карбонатов?
2. Какие организмы формируют ассоциацию форамол? В какой обстановке она образуется?
3. Какие организмы формируют хлорозойную ассоциацию? В какой обстановке она образуется?
4. Что представляют собой огражденные шельфы?
5. Что представляют собой рампы?
6. Где и как образуется текстура «птичьего глаза»?
7. Что представляют собой иловые банки, иловые холмы, бугристые и лоскутные рифы, барьерные рифы и атоллы?