Кузнецов В.Г. Литология. Осадочные горные породы и их изучение

Подождите немного. Документ загружается.

Таблица 6.1

Схема зональности коры выветривания гранитоидов в условиях гумидного климата

Зона по преобла-

дающему минералу

Преобладающие процессы

Физическое состояние

и минералогия

Зона по преобла-

дающему минералу

первичные

вторичные

Физическое состояние

и минералогия

Гиббситовая (лате-

ритная). Железня-

ков

Гидролиза (реакции с водой).

Окисления

" I

Опал

Вторичные

карбонатизация,

лимонитизация, окрем-

нение,

обычно

максимальные

внизу

Светлые или бурые бокситы.

Прочная железистая (лимони-

товая) шляпа

Каолинитовая

Интенсивное выщелачивание и

вынос катионов K

Na, Ca. На-

чало гидролиза и окисления

Опал, карбонаты,

соединения

железа

" I

Опал

Вторичные

карбонатизация,

лимонитизация, окрем-

нение,

обычно

максимальные

внизу

Светлая, обычно рыхлая бес-

структурная массивная глини-

стая порода. Преобладает као-

линит, реликты гидрослюид и

устойчивых минералов — квар-

ца, акцессориев

Гидрослюдистая Интенсивная гидратация (при-

соединение воды). Начало вы-

щелачивания

Опал,

карбонаты,

соединения

железа

Опал, карбонаты,

соединения

железа

" I

Опал

Вторичные

карбонатизация,

лимонитизация, окрем-

нение,

обычно

максимальные

внизу

Светлая бесструктурная глини-

стая масса, местами сохраняю-

щая реликтовую структуру под-

стилающих пород. Гидрослюды

(гидромусковит, гидробиотит).

Вверху появление каолинита.

Реликты устойчивых минера-

лов — кварца, акцессориев

Дезинтеграция Процессы механического раз-

дробления пород. Начало гид-

ратации. Начало обесцвечива-

ния биотита за счет выноса

хромофоров

Опал,

карбонаты,

соединения

железа

Опал, карбонаты,

соединения

железа

" I

Опал

Вторичные

карбонатизация,

лимонитизация, окрем-

нение,

обычно

максимальные

внизу

Обломочные продукты механи-

ческого раздробления исходных

подстилающих пород. Кварц,

микроклин, кислые плагиокла-

зы, муссковит, биотит. Возмож-

ны вторичные кальцитизация и

окремнение

Глубина процессов преобразования исходных минералов в

большой степени зависит от климата, который, в свою оче-

редь, определяет интенсивность развития растительности и

органического вещества в целом. В условиях относительно

холодного климата процессы могут останавливаться на уров-

не образования гидрослюд, в условиях субтропического и

тропического климата возможно образование каолинита и

даже боксита.

Рассмотренный тип выветривания характерен для облас-

тей гумидного климата, т.е. теплого и влажного, с обилием

растительности. Последняя генерирует большое количество

органического вещества, в том числе гумусовых кислот, ко-

торые не только нейтрализуют образующиеся в процессах

выветривания щелочи, но и создают кислотную среду, осо-

бенно в верхних горизонтах. Поэтому такой тип выветрива-

ния называется кислым. Другими словами — образование

каолинита как одного из важнейших глинистых минералов

происходит в кислой среде.

В условиях аридного климата, т.е. жаркого и сухого, где

растительность крайне скудная и соответственно нет или

очень мало органического вещества, образующиеся щелочи

не нейтрализуются и осуществляется так называемый щелоч-

ной тип выветривания. При этом образуются гидрослюды и

монтмориллонит, особенно по основным, богатым кальцием,

магнием и железом породам, в меньшей степени — палыгор-

скиты и хлориты.

Следует иметь в виду, что кроме климата минеральный со-

став образующихся при субаэральном выветривании глин

зависит и от состава исходных пород. Так, по основным маг-

матическим породам, богатым железом и магнием, формиру-

ются минералы группы смектитов, палыгорскит-сепиолитов и

хлоритов.

Своеобразное выветривание происходит и в подводных

условиях, когда морская вода с растворенными в ней газами,

и прежде всего CO

, который составляет более 66 % раство-

ренных в морской воде газов, а также ионами натрия, калия,

кальция и магния, реагирует с донными осадками, вызывая

их преобразование. Подобные процессы были в 1922 г. на-

званы К. Гуммелем гальмиролизом. Их нередко рассматрива-

ют и как процессы раннего диагенеза, когда существует об-

мен между наддонной водой и осадками. Последнее не со-

всем соответствует понятию диагенеза как стадии, когда про-

исходит физико-химическое уравновешивание сложной и

часто многокомпонентной системы реакционно способных

311

веществ уже собственно осадка и насыщающих его иловых!

вод.

Одним из наиболее значимых результатов гальмиролиза

является преобразование продуктов подводного вулканизма и

внесенного сюда пеплового материала с образованием толщ

монтмориллонитовых глин. Таковы упоминавшиеся выше ки-

лы, гюльаби, асканиты, гумбрины и т.д. В них в качестве ре-

ликтов сохраняются остатки вулканических витрокластов,

часто со следами замещения последних монтмориллонитом.

Имеются представления, согласно которым широко из-

вестная красная глубоководная глина, покрывающая дно

океанических абиссальных равнин на глубинах более

5 —

б км, имеющая цеолит-смектитовый состав, также является

продуктом аналогичной гальмиролитической переработки

подводной пирокластики (Дриц, Коссовская, 1990).

Существенно меньше глинистых минералов образуется

за счет химического синтеза, когда в бассейн в той или

иной, часто коллоидной форме поступают SiO

лН

0, Al(OH)

Fe(OH)

и другие компоненты, которые, соединяясь, и обра-

зуют глинистые минералы.

Надо сказать, что состав подобных аутигенных образова-

ний в значительной степени обусловлен геохимическими ус-

ловиями их формирования. Так, в болотах с их кислыми ус-

ловиями (низкими значениями рН) образуется каолинит и

минералы его группы. Поэтому, например, глины угленосных

толщ, особенно подугольные, обычно каолинитовые, в том

числе те самые сухарные, или тонштейны, о которых говори-

лось выше.

В щелочных (содовых) озерах аридной зоны, осолоненных;

лагунах с повышенными значениями рН образуются минера-|

лы группы смектитов, а также палыгорскит-сепиолитов.

По-видимому, одним из наиболее известных глинистых

минералов хемогенного происхождения, который, однако, не;

образует сколько-нибудь заметных глинистых толщ, является

глауконит. Образуется этот минерал почти исключительно в

морской среде, хотя отмечены редкие случаи его нахождения

в порах выветривания (Дядченко, Хатунцева, 1955; Кузнецов

и др., 1959). Морской глауконит образуется в процессах галь-

миролиза, или, скорее, в большем масштабе — раннего диа-1

генеза. С одной стороны, достаточно часто встречаются и хо-

рошо изучены процессы замещения глауконитом биотита,[

реже — зерен роговых обманок, обломков вулканического!

стекла. Более распространены глаукониты, синтезированные

в иловых растворах из коллоидов кремнезема, гидроксидов

312

д^юминия и железа, ионов калия. Эти первоначально колло-

идные образования замещают остатки раковин, особенно

редких фораминифер, образуют гнезда и стяжения, цемен-

тируют обломочный материал и в наиболее типичном виде

формируют комочки почковидной формы с радиально расхо-

дящимися от центра трещинами синерезиса. Последние фор-

мы как раз и являются типичными показателями первичного

коллоидного сгустка, который затем кристаллизуется в глау-

конит. Немаловажную роль в синтезе глауконита играет бак-

териальная жизнедеятельность, которая обеспечивает глав-

ные геохимические условия его образования — слабощелоч-

ные и слабоокислительные. Напомним, что в глауконите со-

держится как двухвалентное, так и трехвалентное железо.

В морских условиях в щелочной обстановке могут, видимо,

формироваться и минералы группы палыгорскит-сепиолита.

Они, например, обнаружены в глубоководных глинистых

океанических осадках, а в минералогических количествах, не

имеющих породообразующего значения, — в мергельно-

доломитовых отложениях карбона Подмосковья и других рай-

онов. Аутигенный характер этих минералов сомнений не

вызывает, но они в этих отложениях могут быть не только

диагенетическими, но и катагенетическими. При этом важны

не только и, видимо, не столько резко щелочные среды (рН

может быть и не очень высоким), но и повышенные содер-

жания магния.

6.5. ОБСТАНОВКИ ОБРАЗОВАНИЯ

И ФАЦИАЛЬНЫЕ ТИПЫ ГЛИНИСТЫХ ПОРОД

Глинистые породы, в том числе образующие су-

щественные скопления, а часто и мощные толщи широкого

площадного распространения, формируются в самых разно-

образных условиях. В целом по условиям образования глини-

стых отложений их можно разделить на две большие груп-

пы — остаточные и собственно осадочные. Первые — это

глины континентальных кор выветривания. Вторые в свою

очередь подразделяются по крайней мере на три части. Во-

первых, это механически переотложенные — размытые, пе-

ренесенные и вновь отложенные в виде осадков в различных

условиях. Такие глины, по-видимому, основная в количест-

венном отношении часть. Во-вторых, это продукты гальмиро-

литического преобразования осадков водоемов, и прежде

313

всего вулканических продуктов — своего рода остаточные

субаквальные отложения. Наконец, в-третьих, — это аутиген-

ные глины, образованные химическим путем в данном месте.

В связи с этим обычно выделяется несколько фациальных

типов глинистых пород, т.е. отложений, формирующихся Bi

тех или иных обстановках. j

На континенте это прежде всего элювиальные глины, т.е.|

глины кор выветривания, в том числе почв — как самой!

верхней и наиболее геохимически активной части этих кор.|

Вещественный состав элювиальных глин содержит генетиче-;

ски ценную информацию об обстановках их образования.;

Так, каолинитовые глины указывают на гумидный климат и

кислую в целом геохимическую обстановку, монтмориллони-

товые — на щелочные условия и чаще всего аридный климат.

Поскольку гидрослюды формируются в разных условиях, их

генетическое значение менее определенное.

Ледниковые (моренные), пролювиально-делювиальные,

речные и озерные (в значительной степени) глины — это

почти всегда глины переотложенные, т.е. их состав наследует

минералогию глин кор выветривания, хотя чаще всего это

полиминеральные глины с существенным, а нередко и преоб-

ладающим гидрослюдистым составом. Вместе с тем, некото-

рые специфические континентальные обстановки определяют

и своеобразный состав глинистых пород. Так, болотные гли-

ны имеют преимущественно каолинитовый состав, поскольку

формируются в кислых средах, примером чего могут быть

описанные выше сухарные глины. Озерные глины засушли-

вых областей часто имеют монтмориллонитовый, палыгор-

скит-сепиолитовый минеральный состав, поскольку эти озера

характеризуются, как правило, щелочными водами (так назы-|

ваемые щелочные озера). j

Как указывалось раннее, цвет глин определяется главным

образом наличием тех или иных примесей, состав и количе-j

ство которых зависит уже от обстановок осадконакопления. j

Разнообразие геохимических условий на континенте обу-|

словливает и разнообразие окрасок континентальных глин]

Глины болот и озер гумидной зоны могут быть темно-серымц

до черных, поскольку здесь присутствует органическое веще-

ство растительного происхождения. Нередко они имеют се-

рую или сизую окраску, так как в кислых восстановительных

средах этих водоемов происходит растворение и вынос глав-f

ного хромофора — железа (процессы оглеения) (Перельман*

1979). Очень часто, особенно в зонах аридного климата, озерт

ные и тем более субаэральные глины имеют бурую и крас-

314

ую окраску и содержат в существенных количествах карбо-

наты (кальцит, доломит), иногда сульфаты (гипс, ангидрит,

иногда целестин).

Наиболее широко распространены в осадочной оболочке

Земли морские глины, которые нередко образуют мощные

толщи очень широкого площадного распространения. При

этом глинистые породы формируются как в прибрежных ус-

ловиях, так и на шельфах и в океанических глубинах. Важ-

нейшим условием их накопления является спокойная обста-

новка, очень слабая гидродинамика, ибо только в этих усло-

виях могут осаждаться и фиксироваться на дне тончайшие

частички глинистых минералов, хотя далеко не всегда это

осаждение происходит по законам простой механической

седиментации. Дело в том, что при размерах частиц менее

0,01 мм их осаждение под действием силы тяжести, описы-

ваемое законом Стокса, не происходит. Частицы такого раз-

мера в результате броуновского движения будут постоянно

находиться во взвешенном состоянии. Для осаждения они

должны тем или иным образом соединиться в более крупные

образования. Этот процесс может быть чисто механическим,

когда частицы слепляются в хлопья, или происходить путем

биофильтрации. Многие организмы-фильтраторы пропускают

сквозь себя воду, усваивают питательные вещества, микро-

планктон, а находившиеся в воде глинистые частички склеи-

вают органическим веществом и выбрасывают в виде комоч-

ков — пеллет, которые осаждаются уже как более крупные

«зерна». Правда, и в этом случае необходимым условием

осаждения является очень слабая гидродинамика среды. В

осадке органическое вещество разрушается, комочки дест-

руктурируются и остается более однородная гомогенная мас-

са. Вместе с тем, реликтовая пеллетовая структура иногда со-

храняется и в глинистых породах.

Минеральный состав морских глин частично наследует со-

став механически перенесенного и переотложенного мате-

риала с суши, а частично формируется непосредственно в

морских обстановках, отражая их условия.

В самом общем, сильно генерализованном виде в профиле:

прибрежная зона — шельф — центральная часть бассейна

происходит смена каолинитовых глин гидрослюдистыми, а

затем монтмориллонитовыми. Но, подчеркнем еще раз, — это

очень и очень общая и упрощенная схема.

В опресненных лагунах гумидных побережий состав глин

в существенной степени каолинитовый. В прибрежных зонах,

куда каолинит поступает в виде механической взвеси с кон-

315

тинента, он частично сохраняется, но в значительной мере

трансформируется. Во-первых, относительно хорошо образо-

ванные кристаллы континентального каолинита подвергаются

механическому воздействию, расслаиваются на пластинки,

края которых разрываются, крошатся. Во-вторых, щелочные

среды ведут к его химическому изменению, разрушению и,

видимо, хотя бы частичной гидрослюдизации. В лагунах

аридных побережий с их повышенной соленостью, а главное,

щелочностью, равно как и в морях с повышенной щелочно-

стью, где осаждались доломиты, в ассоциации с ними форми-

руются магнезиальные палыгорскиты. Таковы, например, па-

лыгорскиты каменноугольных отложений Подмосковья

(Ферсман, 1952).

В собственно морских отложениях преобладают гидрослю-

ды и смектиты. Последние могут слагать мощные глинистые

толщи, образовавшиеся при подводном преобразовании вул-

канических продуктов в щелочных средах. Смектитовый или,

точнее, цеолит-смектитовый состав имеют и абиссальные

«красные глубоководные глины».

Цвет морских глин во многом зависит от количества и ха-

рактера хромофоров — органического вещества, соединений

железа разной валентности и др., что, в свою очередь, связа-

но с обстановками осадконакопления.

Морские темноцветные, почти черные тонкоотмученные

глины, обогащенные органическим веществом, отлагаются в

относительно глубоководных условиях. В этом случае волне-

ние не достигает дна, взмучивания не происходит и форми-

руется правильная тонкослоистая или даже микрослоистая,

текстура. Отсутствие волнения и определенная застойность |

ведет к некоторому дефициту в придонном слое кислорода,

который мог бы окислять накапливающийся в осадке органи-!

ческий материал. Вместе с тем, это не были полностью ана-

эробные бескислородные условия, поскольку здесь обитала и

донная фауна, представленная, в частности, пелециподами

и/или брахиоподами с тонкостенными слабоскулыггуриро-j

ванными раковинками. Такой характер створок подтверждает

спокойную гидродинамику придонных слоев, поэтому орга-

низмам не было необходимости строить массивную раковину, j

способную противостоять волнению или течению. Вместе с

тем, жизнь в таких водоемах была весьма активна, что опре-

делило и высокую биологическую продуктивность, и поступ-

ление в осадок значительного количества органического ма-

териала. Основным поставщиком его был планктон, чаще

всего бесскелетный, остатки которого поэтому не обнаружи-

316

ваК)Т

ся, но одновременно достаточно обильными были нек-

тонные активно плавающие организмы, например, мезозой-

ские головоногие — аммониты и белемниты. Примерами по-

добных толщ являются альбские глины Предкавказья и Сред-

лей Азии, майкопские глины Предкавказья, баженовская

свита Западной Сибири и др. На примере последней можно

говорить о тех факультативных, неглинистых компонентах,

содержание которых, однако, может быть достаточно велико.

Это кремнистый и карбонатный материал, в ряде других

толщ

—

фосфатный и др.

В обстановке аэрируемого придонного слоя, даже в глубо-

ководных условиях, окраски глин желтые, коричневые, крас-

ные, обусловленные наличием соединений трехвалентного

железа. Примером крайне глубоководных глин такого типа

является упоминавшаяся выше так называемая красная глу-

боководная глина. Вертикальный океанический водообмен

поставляет в придонные слои кислород, а остатки живших в

верхней фотической части водной толщи организмов, глав-

ным образом планктонных («дождь трупов»), сюда практиче-

ски не поступают, так как органическое вещество частично

усваивается нектоном, частично окисляется на путях осажде-

ния, и здесь существует окислительная обстановка, обуслов-

ливающая формирование оксидных форм.

6.6. ПОСТСЕДИМЕНТАЦИОННЫЕ

ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ГЛИНИСТЫХ ПОРОД

Наиболее ярким и осязаемым результатом пост-

седиментационных — диа- и катагенетических — изменений

глинистых пород является их уплотнение и переход от водо-

насыщенных илов к легко размокаемым глинам, далее к уп-

лотненным глинам, аргиллитам, и, наконец, на начальных

стадиях метаморфизма формируются глинистые сланцы. Этот

процесс внешне выглядит как чисто механическое «окамене-

ние», однако он сопровождается и очень важными химико-

минералогическими изменениями или, точнее сказать, эти

изменения столь же, если не более, важны и принципиальны,

чем простое уплотнение.

Уже в диагенезе происходит ряд важных преобразований,

например, перекристаллизация и дегидратация глауконита с

появлением типичных для этого минерала почковидных ок-

руглых форм с трещинами синерезиса, ориентированными от

317

центра к периферии. На этой стадии происходит и макси-

мальное удаление межзерновой и частично физически свя-

занной воды. В катагенезе уплотнение и обезвоживание ко-

личественно уменьшаются, но процесс приобретает принци-

пиально новое качество и ведет к трансформации глинистых

минералов, переходу одних минеральных видов в другие.·

Очень наглядно это было показано на примере распределе-

ния по глубинам разных минералов в разрезах мезозоя

;

Прикаспийской впадины (рис. 6.1). На основе многочислен-

ных анализов было установлено, что на глубинах около

1800 —

2000 м исчезает монтмориллонит, 3000

—

3200 м — као-

линит и смешанослойные, которые, как оказалось, переходят

в гидрослюды и, видимо, хлориты. Позднее это явление было

подтверждено на многочисленных примерах других регионов,

хотя сами значения глубин исчезновения минералов группы

смектитов и каолинита могут быть различны. Последнее со-

вершенно естественно, поскольку переход их в гидрослюды и

хлориты зависит от конкретных геологических условий —

геотермического градиента, скорости прогибания, т.е. време-

ни нахождения в определенных термодинамических условиях

и т.д. Важен сам факт подобной трансформации.

Установлено, что при температурах порядка

70 —

C из

кристаллических решеток смектитов начинают удаляться

межслоевые молекулы воды, ионы гидроксила и обменных

катионов, катионы Si

в тетраэдрах замещаются на обла-

дающие меньшим ионным радиусом катионы Al

", что conpo-i

вождается выносом кремнезема, а освободившиеся валентно-;

сти замещаются ионами K

. В итоге образуются минералы

группы гидрослюд. Это, кстати, одно из обстоятельств, опре-

деляющих количественное преобладание гидрослюд над дру-

гими глинистыми минералами в целом, и особенно в разре-

зах нефтяных месторождений, залегающих на значительных

глубинах.

Подобная трансформация глинистых минералов имеет:

важные последствия в нефтяной геологии. Дело в том, что

переход монтмориллонита в гидрослюду сопровождается вы-

делением энергии. Это тепло является дополнительным фак-

тором, ускоряющим созревание рассеянного органического

вещества (напомним, что средняя концентрация органическо-

го вещества в глинах в несколько раз выше, чем в других

распространенных осадочных породах — песчаниках и кар-!

бонатах, а многие глины содержат его существенно выше|

кларкового уровня) и преобразование его в углеводороды.

Последние отделяются от исходного вещества и, выделяясь из

318

Монтморил- Каоли- Смешано- Гидро-

лонит нит слойные Хлорит слюда

1000 -

2000 -

3000 -

4000 -

5000 -

6000 -

7000

Рис. 6.1. Изменение ассоциации глинистых минералов в мезозойских отло-

жениях Прикаспийской впадины с глубиной (по Б.К. Прошлякову)