Аккумуляция – это процесс накопления вещества, элементов, соединений, минералов, частиц, органических остатков. Аккумулятивный процесс противоположен денудации накопление осадков происходит в различного рода понижениях. Мощности аккумулированных толщ зависит от интенсивности денудации и активности прогибания, т.е. определяется соотношением, балансом между поступающим количеством осадков и амплитудами прогибания. Интенсивность акумуляции и состав осадков закономерно неравномерны, что находит отражение в ритмичной изменчивости осадконакопления.

Благодаря аккумуляции заполняются тектонические и эрозионные прогибы и на их месте образуются низменные равнины. Но аккумуляция может не компенсировать прогиб и тогда он заполняется водной массой с образованием водного бассейна седиментации.

Различают два типа аккумуляции – наземную и подводную.

Наземная аккумуляция подразделяется на гравитационную, речную, ледниковую, эоловую, биогенную, техногенную и вулканогенную. Подводная аккумуляция может быть гравитационной, биогенной, техногенной, вулканогенной, а также локальной и площадной.

Локальная аккумуляция обуславливается:

• гравитационными движениями (оползневая), течениями, мутевыми потоками, выносом материала реками с возникновением дельт;
• жизнедеятельностью организмов (биогенная аккумуляция, например, формирование рифовых построек);
• вулканической деятельностью (аккумуляция вулканогенная).

Площадная аккумуляция является основным наиболее масштабным видом накопления осадочного материала и приводит к образованию терригенных, органогенных, вулканогенных, полигенных осадков, развитых на больших площадях.

Процессы аккумуляции осадков действуют в определенном пространстве, представляющем собой седиментационный бассейн, или бассейн осадконакопления. Иногда бассейн осадконакопления называют осадочно-породный бассейн (по Ч. Лайелю). Особенности этого пространства ограничивают или составляют обстановку осадконакопления.

Между осадками и обстановкой аккумуляции существует взаимосвязь. Для иллюстрации данного положения характерен такой пример. Рост коралловых колоний у берега континента (накопление биогенного материала) приводит к возникновению известкового рифа (осадок). Появление рифа препятствует росту кораллов со стороны суши. При дальнейшем росте рифа он переходит в барьерный риф, что в свою очередь превращает прибрежную часть моря в лагуну. Это означает переход прибрежной части открытого моря в относительно замкнутый водоем.

Ход процессов аккумуляции и характер образующихся осадков зависят от факторов среды. Зависимости эти сложны, так как одновременно в ходе осадконакопления взаимодействуют разнообразные факторы. Показательно в этом отношении образование карбонатных осадков различного сложения. Карбонат кальция, растворенный в морской воде (фактор, связанный с веществом), осаждается в мелководной прибрежной обстановке в виде различных по структуре образований в зависимости от наличия и интенсивности волнений и турбулентности (фактор энергетики гидродинамической обстановки). На участках с сильной турбулентностью – в виде известкового ила. Расположение же зон с отличающейся турбулентностью в свою очередь зависит от глубины, особенностей рельефа дна и направления господствующих ветров.

Физико-химические и динамические условия аккумуляции. Типы аккумуляционных барьеров

В различных водных средах – воды морские, озерные, речные, выпадение твердой фазы, обломочного, биогенного и хемогенного материала подчиняется определенным правилам. Эти правила диктуются физико-химическими и биохимическими условиями, а также динамикой водной среды. Важное значение имеет появление зоны резких или заметных изменений параметров состояния, называемых барьерами.

В зависимости от природы среды с меняющимися параметрами барьеры могут быть разных видов. Выделяются динамический, геохимический, физико-химический, биохимический барьеры.

Условия, приводящие к появлению барьеров и вызывающие накопление обломочного материала, химических соединений, остатков организмов, отличаются разнообразием.

Так изоляция бассейнов благодаря морфологическому барьеру (намыв песчаных гряд – баров, образование барьерного рифа) может из-за изменения циркуляции в поверхностном слое воды привести к возникновению в нижних частях бассейна восстановительной обстановки при сохранении в верхнем слое окислительных условий. Смена кислородной окислительной обстановки на восстановительную обуславливает появление зоны геохимического восстановительного барьера.

Эта же изоляция части бассейна, отделение лагуны, в аридном климате из-за действия испарительной концентрации может привести к достижению предела насыщения применительно к отдельным растворенным в воде компонентам. Возникает физико-химический барьер концентраций и происходит осаждение соединений, достигших предела насыщения.

Появление морфологических барьеров может повлиять на ход транспортировки и вызывать отложение материала вследствие изменения динамики водной среды. По своей физической сути такие морфологические препятствия, барьеры, воздействуют на транспортировку и осаждение через влияние на скорость течения, соотношение скоростей движения жидкости и осаждения частиц, с расслоением жидкости по плотности, изменением траектории движущихся частиц. Это так называемые динамические барьеры. Морфологические образования, влияющие на появление динамического барьера, имеют отличия по своему типу и способу действия возникающего динамического барьера. Барьерный риф препятствует выносу в море движущихся путем волочения по дну, либо во взвешенном состоянии обломков. Они в основном осядут перед рифом, а за его пределами будут накапливаться, преимущественно, хемогенные и биогенные осадки. Барьер в виде понижения дна действует как ловушка для терригенного материала. Применительно к нему существует термин вогнутый барьер. В зоне динамических барьеров возрастают затраты на преодоление сопротивления по отношению к движущимся частицам за счет вихревой вязкости или появления турбулентных вихрей.

В целом динамический барьер – явление достаточно сложное. На его появление влияет не только режим и энергия потока, но и различные формы сил сопротивления. Совокупное действие этих сил выражают математическими формулами, включая уже рассмотренные закон Стокса и закон Толчка, а также уравнение Бернулли и число Фруда.

Возникновение геохимического и биогенного барьера зависит от известных параметров, отражающих кислотно-щелочные (величина pH) и окислительно-восстановительные условия (величина Eh).  В координатах pH-Eh высчитывают поля устойчивости соединений, слагающих осадочные породы, либо входящих в их состав.

В биогенном осадочном материале установлено преобладание карбоната кальция, который поглощают из морской воды водоросли, иглокожие, моллюски, мшанки, кораллы и другие  группы животных. Известковый материал слагает рифовые, биогермные массивы органогенного происхождения. Биогерм – известковый нарост на дне водоема, образованный прикрепленными формами – кораллами, мшанками. Накопление разнородного биогенного материала связано с изменчивостью физико-химических условий в морской воде, в частности с изменениями гидродинамики.

В глубоководных частях бассейнов биогенный осадочный материал поставляется планктонными организмами. Породообразующими являются преимущественно фитопланктоновые формы, в том числе, диатомеи, а среди зоопланктона – радиолярии и фораминиферы.

Развитие организмов ограничено количеством питательных веществ в воде. Главными являются соединения углерода, азота и фосфора, находящиеся соотношении 100 (углерод) : 15 (азот) : 1 (фосфор). Нарушение этого равновесия создает биогенный барьер, приводя к массовой гибели организмов.

Необходимо отметить источники этих элементов в водах бассейна. Углерод, благодаря растворенному углекислому газу, является характерной газовой составляющей водной массы бассейнов, присутствует всегда в больших количествах. При бактериальном разложении и гидролизе органических соединений в водную среду поступают нитраты и аммиак. Фосфор входит в состав белков, липидов, в протоплазму фитопланктона. Усваивается из воды живыми организмами и накапливается в раковинах моллюсков, в костной ткани позвоночных животных. При их отмирании снова переходит в раствор в форме фосфат-иона. Возможно поступление в воды бассейна всех элементов биогенного комплекса в зонах спрединга, разломов срединно-океанических хребтов, в связи с вулканической деятельностью, в структурах островных дуг.

Выявлена существенная роль микроорганизмов (водорослей, бактерий) в изменении физико-химических параметров среды, с которыми связана биогенная аккумуляция, создание биологических барьеров. Микроорганизмы присутствуют и устойчивы в широком диапазоне физико-химических условий, охватывая все поле изменчивости кислотности-щелочности и окислительно-восстановительного потенциала.

Для деятельности бактерий необязательно наличие органического вещества. Автотрофные организмы развиваются на неорганическом основании. К ним относятся железобактерии, марганцевые, азото- и серобактерии, которые окисляют соединения данных элементов, из-за чего, вследствие изменения их миграционной способности, они переходят в осадок. Гетеротрофные организмы живут за счет органического вещества. Разлагая органику, гетеротрофные бактерии выделяют водород, являющийся сильным восстановителем, способствующим осаждению соединений железа, марганца, других элементов с переменной валентностью.

Поступление в осадок биогенных продуктов осуществляется в результате прекращения жизнедеятельности организмов и бактерий. Факторы, определяющие вымирание организмов и деятельность бактерий, обеспечивают возникновение биологического барьера. К таким факторам относятся температура, освещенность, аэрируемость водной среды или отсутствие таковой, газовый состав, отсутствие, либо истощение питательной среды.

Аккумуляция и полезные ископаемые

Процессы аккумулирования осадочного материала лежат в основе формирования полезных ископаемых осадочного генезиса.

Глауконит, используемый в производстве калийных удобрений, образуется в морской воде в результате гальмиролиза глинистых минералов, полевых шпатов, обломков пород, опала органогенного и иного происхождения. При гальмиролизе происходит гидратация материала, высвобождение окиси алюминия, кремнезема, адсорбция гелеобразными продуктами железа, калия, марганца.

Для образования глауконита благоприятна среда, близкая к нейтральной и слабо восстановительные условия. Отмечается обломочный глауконит, вымытый из древних пород суши, дна океана, берега моря, а также гидротермальный в гидротермальных жилах, в пустотах базальтов областей подводного вулканизма.

С осадочной аккумуляцией связано формирование оолитовых железных руд палеозойского и мезозойского возраста и накопление материала для образования докембрийских железистых кварцитов – джеспилитов.

Оолитовые руды железа формируются в корах выветривания и в водных бассейнах за счет привноса железа с суши, в основном, в форме коллоидных растворов гидроксида железа Fe(OH)₃, либо гидрокарбоната железа Fe(HCO₃)₂. Железо высвобождается из материнских пород при выветривании. Рудные концентрации железа в виде бурожелезняковых руд, состоящих из гетита, гидрогетита, лептохлорита, сидерита, возникают в зонах морского прибрежья, окисные бобовые, оолитовые руды образуются в озерно-болотных условиях, гидрогетит-лептохлоритово-сидеритовые руды – накапливаются в речных, дельтовых, лиманных осадках. Скопления железа (оолиты, ооиды) образуются в осадке вокруг колоний железобактерий, а также в результате метасоматической минерализации обломков раковин, копролитов и путем осаждения коагулятов окислов железа на зернах кварца. Железные руды формируются также в зонах окисления сульфидных месторождений (железная шляпа).

Оолитовые железные руды, относящиеся к мелководным и наземным отложениям, сформировались в неогене (Керченское месторождение), в олигоцене (Халиловское месторождение), в карбоне (руды Подмосковного бассейна). Наибольшие скопления руд железа представлены джеспилитами, связаны с докембрийскими метаморфизованными толщами, являясь в большей своей части морскими, биохемогенными, хемогенными осадками. В России это Криворожское, Кременчугское месторождения и Курская магнитная аномалия. Состав руд гематит-сидерит-магнетитовый. Период образования осадочных скоплений железа в джеспилитах связан с ранним отрезком геологической истории (докембрий), когда в атмосфере при дефиците кислорода было много углекислого газа и кислотность-щелочность речных вод составляла 4-6. Это способствовало переносу железа на значительное расстояние. По Н. М. Страхову накопление железа происходило в спокойных частях океанических бассейнов с охватом больших площадей.

Процесс образования основной массы руд железа – коагуляция, включая коагуляцию с осаждением при взаимодействии железосодержащих вод, поступающих с суши, с морской водой вблизи береговой линии. В зависимости от окислительно-восстановительных условий в диагенезе, железо остается в окисной форме при окислительной обстановке в осадке и входит в состав хлоритов, сидеритов при слабо восстановительных условиях. Последние создаются за счет развития на органических соединениях бактериальной микрофлоры.

Марганцевые осадки. В современных осадках глубоководных частей океана на поверхности наблюдаются скопления оксидов марганца, железо-марганцевых конкреций в областях с активной вулканической деятельностью, в зонах срединно-океанических хребтов. Марганцевые корки и конкреции оксидов марганца устойчивы в окислительных условиях, а их распространение совпадает с границами проникновения насыщенных кислородом донных вод. При отсутствии кислорода и наличии органического вещества оксиды марганца могут восстанавливаться, с переходом марганца в раствор и выносом его в верхний слой с последующим удалением за пределы площади первоначального распространения. В дальнейшем, подвергаясь окислению, марганец вновь осаждается. Осадочные марганцевые руды образуются за счет выноса метала из кор выветривания, размыва пород области сноса, подводного выветривания, а также в результате поступления марганца при вулканической и гидротермальной деятельности.

Крупные скопления марганца формируются при биогенном и хемогенном осаждении в мелководных морских заливах, в прибрежной области моря и в озерно-болотных условиях на суше. Перенос марганца происходит в коллоидных растворах гидроксидов марганца, в меньшей мере в ионной форме. Причина осаждения – коагуляция и деятельность бактерий.

Месторождения марганцевых руд образовались в олигоцене (Никопольское, Чиатура), в неоген-палеогеновый период. По составу руды марганца карбонатные, карбонатно-манганитовые, окисно-карбонатные и смешанные.

Промышленными марганцевыми рудами являются также регионально метаморфизованные окисные и карбонатные разности пород известняково-доломитовой формации раннего кембрия (Биджанское железо-марганцевое месторождение).

Обогащение осадков фосфором с формированием фосфатных пород происходит биогенным и хемогенным путем, в меньшей степени участвует кластогенная компонента. С фосфоритами ассоциируют железо-марганцевые карбонаты, одновременно формируются ванадиеносные слои. Главная область фосфоритогенеза – мелководная часть морского бассейна. Фосфоритоносные слои, свиты обычно размещаются в нижней части мощных карбонатных или терригенно-карбонатных толщ.

Источниками фосфора служат глубинные воды восходящих течений и речные воды. В бассейнах, воды которых обогащены фосфором, развит фитопланктон, поглощающий фосфор и обогащающий фосфатами осадок после отмирания. Поступления фосфора в осадок происходит и чисто хемогенным путем. Концентрирование фосфора в осадке процесс медленный. Он требует небольшой скорости накопления осадков.

Развивая концепцию рудообразования в осадочных толщах, Н. М. Страхов выделил пять главных факторов, обеспечивающих его максимальную эффективность:

• интенсивное действие хемогенного и биогенного осаждения;
• усиленная подача рудного материала с берега;
• положительное влияние гидродинамического режима и палеогеография;
• дополнительное влияние перераспределения вещества осадка при диагенезе;
• перемыв рудного пласта с выносом из него тонкого терригенного материала.

Наряду с формированием руд железа марганца в процессе осадконакопления в веществе осадка аккумулируются в заметных количествах такие элементы и минералы, как ванадий, уран, редкие земли, медь, золото, цеолиты, сера.

В распределении элементов в осадочных породах важную роль, наряду с индивидуальными свойствами элемента, играет физико-географическая среда осадкообразования, определяющая формирование дочернего ряда (по Л. Б. Рухину) осадочных пород – медоносных, ванадиеносных, ураноносных, битуминозных, редкометальных и д