Literatura:

• „Zarys sedymentologii”, Gradziński, Kostecka, Radzimski, Unruk - jedyny podręcznik do sedymentologii po Polsku

• Tłumaczenie z angielskiego Philipa Allena „Procesy kształtujące powierzchnię Ziemi”, 2000

• Dużo podręczników anglojęzycznych Earth surface processes, landforms itd. Te książki można uzyskać do wglądu w pokojach Rotnickiej i Skolasińskiej

• Są różne czasopisma sedymentologiczne, np. „Sedimentology”, “Sedimentary Geology”, “Journal of sedimentary research”

Przedmiot sedymentologii

Sedimentum to po łac. osadzanie. Pierwotna definicja Wadell’a (1832) mówi, że sedymentologia to naukowe badanie osadu. Była ona bardzo ogólna.

Także współcześnie definicja jest dość ogólna. Mówi, że sedymentologia to nauka o skałach powstających na powierzchni Ziemi, ich rodzajach oraz warunkach powstawania. Część badaczy uważa, że sedymentologia patrzy na współczesne procesy sedymentacyjne. Patrzy w jakich warunkach zachodzą, jakie jest natężenie, ile materiału zostało przetransportowane i zdeponowane. Skupia się na tym co dzieje się współcześnie, aczkolwiek daje podstawy do interpretacji osadów kopalnych.

W większości przypadków musi funkcjonować z innymi działami geologii:

• Interesuje nas z czego osad jest zrobiony i skąd się w danym miejscu znalazł. Oprócz rozpoznania musimy zatem zbadać skąd pochodzi. Patrzymy jak to się stało że się zamienił w skałę. Patrzymy czy składniki są pierwotne czy powstałe w diagenezie. Włącza się zatem petrologia.

• Każde osady muszą być umieszczone w czasie- nawiązanie do stratygrafii.

• W obszarach aktywnych tektonicznych ważne jest jak tektonika, poprzez uskoki czy subsydencję basenu wpływa na procesy sedymentacyjne.

• Celem końcowym wszystkich rozważań jest interpretacja samego środowiska sedymentacyjnego i przedstawienie jego ewolucji w ciągu dziejów, odtworzenie paleogeografii obszaru. Zahaczamy zatem o ekologię i paleoekologię. Sedymentologia sama jako taka niewiele nam powie.

Historia rozwoju sedymentologii

Współcześnie obowiązuje ewolucyjny model powstania świata. Początek wszystkiego, w tym istot żywych można wyjaśnić działaniem praw przyrody bez udziału ingerencji Boga. Ziemia została ukształtowana przez stopniowe procesy trwające miliony lat kierowane przypadkowymi wydarzeniami.

Jeszcze 200 – 150 lat temu współczesne teorie sedymentologiczne zostałyby uznane za herezję. Sedymentologia mogła się rozwinąć dopiero 100 lat temu, a gwałtownie rozwinięta od 50 lat.

Podwaliny sedymentologii

Zawdzęczamy je Jamesowi Huttonowi (1727-1797) – koncepcja uniformitarianizmu. Theory of the Earth (1785, 1795). Hutton stwierdził, że historię rozwoju Ziemi można studiować z następujących po sobie warstw. Biorąc odsłonięcie, studiujemy kolejne warstwy. Hutton stwierdził, że osady budujące każda warstwę były deponowane przez procesy działające także dzisiaj. Nigdzie nie widać początku Ziemi. Wychodził poza biblijną liczbę 6.000 lat i skłaniał się raczej do przekonania o nieskończoności wieku Ziemi.

Studiując odsłonięcia w klifach Szkocji (Jedburgh wybrzeże Berwick) stwierdził, że dużo jest zapisane w niezgodnościach. Np. poziome warstwy leżące na pionowych . To jest słynna niezgodność Huttona.

Dalej bardzo ważne, że Hutton przedstawił koncepcję plutonizmu. On wyróżnił trzy grupy skał: osadowe, magmowe i metamorficzne. To było w opozycji do neptunizmu Wernera. Hutton uważał że skały magmowe i metamorficzne nie powstają w wyniku wytrącania z wody morskiej jak sugerowali neptuniści.

John Palyfair, 1802: Illustration of the Huttonian Theory. – łatwiej było przekonać do teorii Hutton’a, bo było lepiej napisane.

Koncepcja uniformitarianizmu mimo że przedstawiona mętnie musiała się zmierzyć koncepcjami dyluwializmu i katastrofizmu. Diluvium to z łacińskiego potop. Ona wyjaśniała formowanie Ziemi na podstawie łączenia badań geologicznych z interpretacją Biblii. Oczywiście nadal uważano, że świat został stworzony prze Boga (kreacjonizm). Według opisu z księgi Rodzaju wiek Ziemi szacowano wtedy na 6.000 lat.

Okazało się że coraz to nowych odkrywanych licznych wydarzeń nie da się zmieścić w 6.000 latach. Uważano zatem, że zmiany na naszej planecie były efektem licznych kataklizmów zsyłanych przez Boga (kiedy ludzie osiągali szczyt uległości wobec szatana). Niemniej jednak nawet katastrofiści musieli przyznać, że czasu na to było zbyt mało

Dwie kolejne koncepcje próbowały rozwiązać ten dylemat czasu. Koncepcja dni biblijnych polegała na wydłużeniu normalnych dni biblijnych do rang epok. To nie zostało jednak przyjęte przez kościół.

W związku z tym pojawiła się koncepcja kompromisu Cuviera (1769 – 1832). Podzielił on Historię Ziemi na 3 okresy: przed potopem, wielki potop (okres dyluwialny) oraz okres po potopie. Uważał on że okres dyluwialny i po potopie można badać nowoczesnymi metodami naukowymi. Okresem przed potopem nie można się zajmować wykorzystując nauki nowoczesne. Ziemia wtedy nie była zamieszkana przez ludzi, a jedynie przez potwory. Cuvier uważał, że nauki starodawne, takie jak geologiczne mogą się zajmować tyko okresem przed potopem, a skala czasu geologicznego stosuje się tylko do okresu przed katastrofą. A zatem to, co Hutton osiągnął zostało zepchnięte na margines.

Tym który na nowo wskrzesił koncepcję Huttona był Charles Lyell. Stworzył on koncepcję aktualizmu geologicznego w trzytomowym dziele Principles of geology (1830-33). Postulował on stworzenie geologicznej skali czasu i wprowadził koncepcję aktualizmu geologicznego. Słynne są jego słowa „teraźniejszość kluczem do przeszłości”.

Uniformitarianizm jest czasami traktowany jako aktualizm. Inni traktują go jako skrajną odmianę aktualizmu – że wszystko co było kiedyś jest takie samo jak współcześnie. Dziś wiemy, że nie wszystko było takie same, np. tempo osadzania się było inne, morza epikontynentalne były kiedyś większe niż teraz. Cały interior Ameryki Północnej był pod morze epikontynentalnym. Aktualizm geologiczny mówi że procesy były podobne, ale ich natężenie mogło być różne.

Przed ekspedycją Challengera (do 1872)

Wówczas badania skupiały się na określeni nowych szklaków nawigacyjnych i kładzeniu kabli telegraficznych. Badania dotyczyły głównie:

• cyrkulacji wód i jej wpływu na osady

• fal i prądów morskich

• natury raf koralowych i kopalnych utworów zawierających korale

• biogeografii morskich bezkręgowców (Fobes)

Ekspedycja Challenger’a (1872 do 1876)

Wyruszyła z Wielkiej Brytanii i w 1873 dopłynęła do Ameryki Północnej, potem do Antarktydy, Australii, Południowo-Wschodniej Azji, przez Pacyfik do Ameryki Południowej i z powrotem do Europy.

• Wykonano pomiary głębokości,

• pomiary temperatury wody na różnych głębokościach,

• określono skład wody morskiej,

• opisano mikroorganizmy,

• pobrano próbki osadów powierzchniowych - pierwsza klasyfikacja osadów pelagicznych.

• Odkrycie konkrecji Mn – Fe po raz pierwszy.

Nadal twierdzono jednak, że osady głębokomorskie to osady homogeniczne (niewarstwowane muły)

Po wyprawie Challenger’a do II wojny światowej

• ogłoszenie zasady Walthera (1893-94), tzw. prawo facji (łac. twarz, wygląd) – facja to skała o określonym zespole cech możliwych do rozpoznania i wyodrębniających ją z masy skalnej. Osady laminowane makroskopowo mogą stanowić jedną fację, ale mikroskopowo mogą znowu się różnicować. Możemy wtedy mówić o mikrofacjach.

Prawo facji Walthera mówi, że następstwo facji w pionie w profilach ciągłych (!) odzwierciedla ich sąsiedztwo boczne (1). Sekwencja (od dołu) do góry /piaski muły iły/ oznacza transgresję morską, a sekwencja /iły muły piaski/ regresję morską. Zgodnie z prawem Walthera sekwencje w profilu pionowym możemy obserwować także obocznie.

• Kolejnym wydarzeniem była niemiecka ekspedycja południowo polarna z 1903. Pobrała po raz pierwszy rdzenie osadów głębokomorskich – odkryto wśród nich piaski. Odkryto także zróżnicowanie otwornic wraz z temperaturą wody morskiej

• Niemiecka ekspedycja Atlantycka Meteor (1925-1927) - wykorzystanie fal dźwiękowych, odkryto grzbiet śródatlantycki i liczne kaniony podmorskie Opracowano pierwszą mapę dna morskiego (opublikowana przez Veatch’a i Smitha w 1939).

• Opracowanie techniki pobierania rdzeni osadów głębokomorskich bez naruszenia ich struktury wewnętrznej. Pobrano osady głębokomorskie o nienaruszonej strukturze. Stwierdzono, że osady głębokomorskie są warstwowane i odkryto uziarnienie frakcjonalne.

Po II wojnie światowej

Po przerwie związanej z wojną prowadzono badania stymulowane przez wojsko i poszukiwanie złóż. Udoskonaliły się metody fizyczne takie jak echosonda.

Potem udoskonalenie technik pobierania rdzeni (ewing piston core) – zwalniany jest obciążnik po wbiciu do osadu.

Dalej wynaleziono kamery podwodne, rozwinęła się sejsmika i skonstruowano sonary do skanowania dna morskiego.

W okresie powojennym w końcu zestawiono wszystkie dotychczasowe informacje. Wyjaśniono zagadkę piasków, kanionów podmorskich i warstwowania frakcjonalnego. Zjawiska te przypisano prądom zawiesinowym.

Wielkie projekty badawcze w ostatnich latach

• Deep Sea Drilling Project (1970- 1985) pierwszy międzynarodowy projekt wierceń i badań oceanicznych

• Ocean Drilling Project (1985-2003)

• Integrated Ocean Drilling Program (2004 – do dziś). Wciąż mamy miejsca, które nie zostało jeszcze opróbowane i to na nich obecny projekt się skupia. To tyle jeśli chodzi o historię. Podsumowując, dopiero po wojnie mamy znaczący i szybki rozwój.

Podstawowe pojęcia:

• Skała osadowa – skała powstała w wyniku naturalnego nagromadzenia materiału osadowego na powierzchni Ziemi. Stanowią 5% objętości litosfery i aż 75% powierzchni litosfery. Dlatego jest to ważne

• Materiał osadowy to stałe lub płynne substancje, pochodzące z wietrzenia starszych skał, erupcji wulkanicznych (okruchowe), wytrącanie z roztworów naturalnych (chemogeniczne, ewaporaty) i produkcji organicznej (skały biogeniczne).

W obrębie każdej z grup mamy jeszcze dalsze podziały.

• Procesy sedymentacyjne – procesy fizyczne, chemiczne i biologiczne prowadzące do nagromadzenia osadu / uformowania skały osadowej.

Czas w jakim działają procesy sedymentacyjne może być bardzo różny (minuty, godzimy, dni, lata, setki, tysiące, miliony lat). Czas w skałach osadowych jest bardzo nierównomiernie rozłożony. Często w powierzchniach granicznych warstw jest schowane więcej czasu niż w samych warstwach.

Sedymentacja normalna (Reading, 1986) – wszystkie procesy, które działają przez znaczną część czasu geologicznego, np. sedymentacja osadów pelagicznych, pływy, procesy rzeczne

Sedymentacja epizodyczna (katastroficzna) (Dott, 1983) - procesy sedymentacyjne działające chwilowo i których poziom energetyczny jest często o kilka rzędów wielkości większy niż procesów normalnych, np. prądy zawiesinowe, ekstremalne powodzie i tsunami.

Sedymentacja wydarzeniowa (wyjątkowa) (Dott, 1983) – proces produkujący pojedyncze warstwy o unikalnym charakterze. Stanowią one dobre markery stratygraficzne. Przykładem jest warstwa irydowa na pograniczu K/Tr (2).

To jest ważne, że jeżeli jakiś osad nam się pojawia, to często nie możemy go od razu interpretować jako normalny (2). Może być epizodyczny (por. przykład z turbidytami) W Karpatach fliszowych są przewarstwienia osadów pelagicznych z turbidytami.

Przykład:

Mamy sekwencję 100 przewarstwień: 5 cm mułu i 10 cm turbidytu.

Założenia:

1. średnie tempo depozycji mułu pelagicznego 5 cm/1000 lat

2. prądy zawiesinowe: sedymentacja epizodyczna rzędu kilku godzin

Stąd:

1. czas zapisany w całej sukcesji 5 cm -1000 lat, więc 500 cm – 100 000 lat

2. przez okres 100 00 lat zapisanych zostało 100 prądów zawiesinowych

Wnioski:

1. 2/3 całej sukcesji zostało zdeponowane przez procesy epizodyczne

Obszar alimentacyjny, basen alimentacyjny i środowiska sedymentacyjne

• Obszar alimentacyjny – to obszar, z którego pochodzi materiał osadowy badanej skały

• Basen sedymentacyjny – obszar, w którym jest deponowany i akumulowany materiał osadowy. Basen sedymentacyjny niekoniecznie musi być miską, może być też równią.

• Środowisko sedymentacyjne - jest to basen sedymentacyjny wraz z działającymi w nim procesami i panującymi warunkami fizyko – chemicznymi i biologicznymi .

Generalnie można podzielić środowiska sedymentacyjne na lądowe, morskie i przejściowe. W lądowych oczywiście mamy środowiska rzeczne, w tym stożki aluwialne oraz środowiska lodowcowe itd. Środowiska przejściowe to plaże, delty, bariery czy laguny. Morskie to szelfy, dalej skłon kontynentalny, głębokie równie abisalne, stożki głębokomorskie i kaniony. Będziemy mówić o procesach i przypisywać do nich środowiska. Bo niewiele procesów jest charakterystycznych tylko dla jednego środowiska.

Tempo przyrostu (depozycji) osadu – tempo nieprzerywanego odkładania (przyrastania) konkretnego typu osadu wyrażone wzorem: miąższość osadu/czas, w którym został zdeponowany.

Tempo akumulacji osadu – tempo gromadzenia osadu w skale basenu sedymentacyjnego. Uwzględnia cały profil osadów, włączając w to luki stratygraficzne (okresy erozji, braku depozycji). O tempie akumulacji zawiera okresy, gdy osadu nie przybywa albo też ubywa.

Tempo akumulacji jest zawsze mniejsze od tempa depozycji

Powierzchnia sedymentacji to współczesna powierzchnia, na której dochodzi deponowania materiału osadowego.

Powierzchnia sedymentacyjna – kopalna powierzchnia sedymentacji.

Geneza materiału osadowego

Początkiem każdego cyklu sedymentacyjnego jest powstanie pokrywy zwietrzelinowej – to pierwszy osad in situ jaki powstaje na powierzchni wskutek działania czynników atmosferycznych, bez udziału procesów sedymentacyjnych. To się tyczy skał okruchowych.

Typy pokryw zwietrzelinowych:

• ilaste (sialitowe: Si + Al) – rezyduum stanowią wolna krzemionka, minerały ilaste oraz wodorotlenki i tlenki Fe.

• laterytowe (alitowe: Al) – rezyduum stanowią wodorotlenki Al i Fe, powstające w klimatach tropikalnych i subtropikalnych, gdzie w glebie mamy dużo dwutlenku węgla, który rozpuszcza agresywnie krzemionkę.

Pokrywa zwietrzelinowa (regolit) powstaje tylko w wyniku wietrzenia. Jeżeli zostanie zasiedlona przez roślinność i pojawi się materia organiczna, to mówimy o glebie.

Po przygotowaniu zwietrzeliny może się rozpocząć cykl sedymentacyjny. Zwietrzały materiał skalny poddany zostaje procesom sedymentacyjnym – erozja, transport, depozycja. Tworzy się stożek usypiskowy (talus cone, colluvial cone) lub stożek aluwialny (alluvial fan).

Składniki materiału osadowego

Ze względu na sposób powstawania wyróżnią się różne składniki materiału osadowego:

• składniki strątowe (wytrącone z wody) –

  • krystaliczne (np. kalcytu) lub bezpostaciowe (np. opal)

  • organiczne (np. aragonit) lub nieorganiczne (ewaporaty),

• składniki okruchowe (np. litoklasty, bioklasty)

• składniki płynne (płyny porowe)

Ze względu na pochodzenie w odniesieniu do basenu sedymentacyjnego wyróżnia się składniki:

• allochtoniczne

• autochtoniczne

Ze względu na genezę:

• fitogeniczne

• biogeniczne

• hydrogeniczne

• kosmiczne

Ze względu na czas w odniesieniu do samego procesu sedymentacyjnego wyróżnia się

• presedymentacyjne

  • okruchy, fragmenty skał

  • kwarc

  • skalenie- w magmowych i metamorficznych dużo, potem mało, więc bada się nimi dojrzałość osadu. Dużo skaleni oznacza niską dojrzałość.

  • krzemiany warstwowe;

  • minerały ciężkie

Ważne, że te minerały są często minerałami wskaźnikowymi. Kwarc może wskazać z jakich skał to pochodzi, czy ze starszych osadowych czy z magmowych. Minerały ciężkie pokazują z jakich skał metamorficznych pochodzą skały.

• synsedymentacyjne – nie istnieją przed procesem

  • szkielety i okruchy szkieletów (bioklasty)

  • uwęglone i zmineralizowane szczątki organizmów

  • ziarniste elementy złożone (peloidy, agregaty, ziarna obleczone – ooidy, onkoidy, rodoidy¹)

  • nieorganiczne ziarna mineralne (np. glaukonit)

  • materiał wulkanogeniczny

---

1. ziarna obleczone podobne do onkoidów, których powłoki powstały w wyniku wzrostu kolonii krasnorostów; kolejne stadia przyrostowe dają efekt nieregularnej laminacji↩