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

Подождите немного. Документ загружается.

Глава

7 КАРБОНАТНЫЕ ПОРОДЫ

Карбонатные породы вместе с глинистыми и об-

ломочными образуют триаду наиболее важных и распростра-

ненных пород осадочного чехла Земли. По эмпирическим

данным различных авторов содержание карбонатных пород

колеблется от 18 до 29 % от общего количества осадочных

пород; согласно А.Б. Ронову (1993) они составляют 20,4 %

объема всех осадочных образований неогея, при этом объем

карбонатных пород равен

200,6· IO

км

Карбонатные породы — это породы, более чем на 50 %

сложенные минералами — солями угольной кислоты. Мине-

ралов такого состава в земной коре достаточно много (в

крупных справочниках приводится описание не менее 70 ми-

нералов), однако набор пород резко ограничен. Как правило,

это более или менее мономинеральные породы, поэтому их

название — это, по сути дела, названия минералов во множе-

ственном числе или с добавлением суффикса «лит»: сидериты

(сидеролиты), магнезиты (магнезитолиты), родохрозиты (ро-

дохрозитолиты), трона, состоящая из минерала — природной

соды, однако абсолютно преобладают две породы: известня-

ки, состоящие в основном из кальцита, и доломиты, состоя-

щие из одноименного минерала. В группе известняков в виде

самостоятельной породы иногда выделяют мел — породу

специфическую по своим физическим свойствам, происхож-

дению и распространению. В составе карбонатных пород

обычно рассматриваются мергели — породы переходные к

глинистым.

Для более глубокого изучения карбонатных пород можно

ознакомиться с книгами В.Г. Кузнецова (1992, 2003), Дж. Пет-

тиджона (1981), Дж. Уилсона (1980), И.В. Хворовой (1958),

В.Т. Фролова (1993), Э. Флюгеля (Fluegel, 1982, 2004), М. Так-

кера и Райта (Tucker, Wright, 1990), а также обратиться к

справочным изданиям («Атлас текстур...», 1969; «Атлас струк-

330

турных компонентов...», 2005; «Карбонатные породы», 1970,

1971; Adams, MacKenzie, 1998; «Α Collor Illustrated...», 1978;

«Carbonate Depositional...», 1983; Scholle, Ulmer-Scholle, 2003).

7.1. ОСНОВНЫЕ ТИПЫ КАРБОНАТНЫХ ПОРОД

Известняки — это породы, на 50 % и более со-

стоящие из минерала кальцита. Современные известковые

осадки в значительной мере сложены арагонитом (напом-

ним, что арагонит имеет тот же химический состав, что и

кальцит, но в отличие от тригонального кальцита имеет ром-

бическую сингонию) и высокомагнезиальным кальцитом, т.е.

кальцитом с неупорядоченной кристаллической решеткой, в

котором содержание магния иногда достигает 8 %), однако

эти минералы, особенно последний, неустойчивы, метаста-

бильны и достаточно быстро уже в диагенезе переходят в

кальцит, поэтому известняки, по сути дела, сложены каль-

цитом.

Кроме основного породообразующего минерала, в извест-

няках в качестве примесей могут присутствовать доломит,

глинистый материал, кремнезем (обычно в виде опала, халце-

дона, реже кварца), глауконит, обломочный материал алеври-

товой и песчаной размерности, оксиды и гидроксиды железа,

пирит, органическое вещество и др.

Частое наличие в известняках того или иного количества

доломита требует отмечать его при описании породы; при

этом очень важно различать два понятия: «доломитность» и

«доломитизация». Первое характеризует лишь наличие доло-

мита в породе, поэтому термины «доломитовый известняк»

или «доломитистый известняк» отражают то или иное содер-

жание в известняке доломитовой составляющей, что может

быть определено химическим анализом, но не указывает на

происхождение этого доломита. Второе же понятие указыва-

ет, во-первых, на процесс и, во-вторых, на его вторичность,

наложенность на первичную породу (или осадок). В связи с

этим термин «доломитизированный известняк» четко указы-

вает на происхождение породы за счет постседиментацион-

ного изменения первичного известняка, что очень важно при

реконструкциях условий карбонатонакопления и для харак-

теристики породы как коллектора. В связи с этим использо-

вание термина «доломитизированный» возможно только по-

сле детального литологического, в том числе в шлифах, изу-

331

чения породы и достоверного установления вторичности

появления доломита в результате метасоматических про-

цессов.

Доломиты как породы не менее чем на 50 % состоят из

минерала доломита. Кроме этого доминирующего и опреде-

ляющего само название породы минерала, в породах нередко

присутствуют кальцит, глинистый материал, кремнезем, об-

ломочный материал, оксиды и гидроксиды железа, реже па-

лыгорскит, гипс, ангидрит, целестин, флюорит (в виде ратов-

кита), барит, пирит, органическое вещество.

Собственно терригенные обломочные примеси в виде

алевритовых, песчаных и более крупных зерен в известняках

и доломитах встречается довольно редко и в относительно

небольших количествах, поэтому при их наличии к основно-

му названию добавляется соответствующее прилагательное,

образованное по правилам, изложенным в гл. 1.

Известняки и доломиты обычно светлые породы — от чис-

то белого мела до светло-серых, серых, зеленовато-серых или

розовато-серых окрасок, обусловленных наличием примесей

глинистого материала, а также оксидов железа разной ва-

лентности. Более редки темно-серые и почти черные породы.

Цвет последних обычно определяется присутствием значи-

тельных количеств дисперсного органического вещества, а

иногда и появлением пирита (что обусловлено наличием этого

органического вещества) и значительно реже — других суль-

фидов (например, галенита в стратиформных полиметалличе-

ских месторождениях).

Прочность известняков и доломитов различна и зависит от

их структуры и степени цементации слагающих их фрагмен-

тов (см. далее). Существуют очень мягкие породы — мел, не

очень прочные слабо сцементированные известняки био-

морфной структуры и, напротив, весьма прочные кристалли-

ческие разности; доломиты обычно породы более прочные.

Столь же велик диапазон и плотности карбонатных пород —

от высокопористых до сплошных монолитных, практически

не пористых и очень плотных пород.

Мергели — тонкозернистые обычно мягкие светлоокра-

шенные породы. Это не просто породы, переходные от гли-

нистых к карбонатным, — эти породы характеризуются спе-

цифическими структурами и самим принципом их выделе-

ния. Если основанием обособления тех или иных типов кар-

бонатных пород, как и большинства других пород, является

содержание основного породообразующего минерала не ме-

нее 50 %, то мергели — это породы, где содержание глини-

332

стого материала колеблется в пределах

25 — 75

%, а карбонат-

ного соответственно от 75 до 25 %. Более того, само по себе

наличие соответствующего количества глинистого материала

в известняке (доломите) не делает породу мергелем. В мерге-

лях структура карбонатной части пелитоморфная или микро-

зернистая (т.е. размер кристалликов по крайней мере менее

0,01 мм) и глинистая и карбонатная части образуют равно-

мерную гомогенную смесь. Если карбонатная составляющая

мергеля представлена кальцитом, то породу называют просто

мергелем или, реже, известковым мергелем, если доломи-

том

—

то доломитовым мергелем или домеритом.

Важным диагностическим признаком карбонатных пород

является их реакция с 10%-ной, реже 5%-ной соляной кисло-

той. Известняки активно вскипают при взаимодействии с ка-

плей кислоты, доломиты в массе практически не реагируют

или реагируют очень слабо, но в порошке реакция идет дос-

таточно активно. Аналогичным образом с кислотой взаимо-

действуют известковые и доломитовые мергели, но после ре-

акции остается грязное пятно нерастворимого в кислоте гли-

нистого материала.

7.2. ОСНОВНЫЕ СОСТАВНЫЕ (СТРУКТУРНЫЕ)

ЧАСТИ КАРБОНАТНЫХ ПОРОД

В самом общем виде карбонатная порода струк-

турно представляет собой ассоциацию двух разнородных

компонентов: форменных элементов и связующей кристалли-

ческой массы. Имеются и крайние случаи, когда порода

практически полностью состоит из кристаллов (кристалличе-

ские доломиты, реже известняки, часто в той или иной сте-

пени доломитистые) или, реже, форменных элементов (ко-

ралловые известняки, чисто отмытые оолитовые известняки

и др.).

Форменные элементы в западной литературе, а иногда и в

отечественной, называют зернами (grains) или частицами

{particles). Отсюда и другое название этих элементов — гра-

номорфные.

Форменые элементы прежде всего можно разделить на

две большие группы: скелетные и нескелетные; именно по-

следние часто называют форменными элементами.

Скелетные зерна — это остатки организмов, как целые,

так и в виде обломков. Раковинки мелких организмов — фо-

раминифер, остракод, мелких гастропод и некоторых других

ззз

форм — могут встречаться в виде целых ненарушенных ос-

татков. Чаще же, особенно в случае крупных организмов, в

породе находятся их обломки — детрит. Значительно раз-

дробленные мелкие (обычно менее 0,1 мм) остатки, принад-

лежность которых тому или иному организму часто не опре-

делима, называются шламом.

Органогенная природа этих форменных элементов не вы-

зывает сомнений, важно установить, остатки каких именно

организмов встречены в данной породе, так как это часто по-

зволяет более точно определить условия осадконакопления.

Весьма разнообразны нескелетные зерна. К ним относятся

оолиты, пизолиты, сферолиты, онколиты, сгустки (пелоиды),

пелетоиды, пеллеты, различные литокласты и др.

Оолиты — это округлые или эллиптические образования

размером менее 2 мм с характерной внутренней структу-

рой — наличием центрального ядра и концентрически-

слоистой и часто одновременно радиально-лучистой оболоч-

кой (рис. 7.1). В последнем случае аналогично сферолиту

Рис. 7.1. Оолит. Отчетливо видно концентрическое и радиально-лучисгое

внутреннее строение. В центре оолита обломок кварца. Без анализатора·

Северная Фергана. Палеоген

334

(см. далее) при введении и анализатора образуется темный

крест. Подобные же образования размером более 2 мм назы-

ваются пизолитами. В ряде оолитов в их центрах может на-

ходиться обломок раковинки, некарбонатные частицы —

обычно зернышки кварца алевритовой размерности, иногда

кристаллик кальцита — по-видимому, результат перекристал-

дизации или постседиментационного заполнения первичной

полости — пузырька воздуха. Оолиты обычно считались хе-

могенными образованиями, однако получены многочислен-

ные и достаточно убедительные свидетельства биогенного

или, точнее, биохемогенного их происхождения (см. далее). В

зарубежной литературе употребляется также термин ооид,

который практически синонимичен оолиту.

Сферолшпы — округлые или, реже, эллипсовидные обра-

зования с отчетливо радиально-лучистой внутренней струк-

турой, образованной радиальным расположением тончайших

игольчатых кристаллов. В связи с этим при введении анали-

затора кристаллы, ориентированные параллельно нитям оку-

ляра, угасают, в результате чего появляется темный крест.

При вращении столика микроскопа эти темные кристаллики

выходят из положения угасания и осветляются, но на их ме-

сто приходят другие, которые в этом положении угасают; в

итоге темный крест сохраняется. Аналогичная картина часто

видна и в оолитах, где имеется подобное радиальное строе-

ние. Сферолиты встречаются неизмеримо реже оолитов и,

по-видимому, имеют диагенетическое происхождение.

Онколиты неправильной, но в целом округлой формы —

образования размером от долей миллиметров до нескольких

сантиметров с неправильно концентрической внутренней

структурой (рис. 7.2). Образуются за счет жизнедеятельности

обволакивающих цианобактерий, последовательно обрастаю-

щих со всех сторон перекатывающийся по дну обломок (см.

таже гл. 3).

Сгустки и комки — округлые или удлиненные стяжения

микрозернистого или чаще пелитоморфного карбоната (см.

рис. 7.2). Границы сгустков либо отчетливые, резкие, либо

расплывчатые, контуры комков обычно неровные, с выступа-

ми и вмятинами. Происхождение подобных сгустков самое

разнообразное — это могут быть фекальные остатки иглоко-

жих, моллюсков, рыб (копролиты — рис. 7.3), цианобактери-

альные стяжения, результат переработки осадка илоедами,

грануляции и микритизации органических остатков и др. В

значительной степени синонимами сгустков и комков явля-

ются входящие в русскую научную литературу тер-

335

Рис. 7.2. Известняк сгустково-онколитовый (пеллетово-онкоидный грейн-

стоун, оопельспарит).

Форменные элементы составляют 50

—

60 % площади шлифа и представлены

сгустками и онколитами. Онколиты размером от 0,1 до 0,4 мм. В крупных

онколитах иногда концентрические оболочки обволакивают более мелкие

онколиты и сгустки (показано стрелкой). Цемент мелко- и среднекристалли-

ческий базального типа. Без анализатора. Военно-Грузинская дорога. Титон.

Размер длинной стороны снимка 11 мм

мины «пеллеты», «пелоиды», «пелетоиды» (см. словарь тер-

минов).

Литокласты — обломки иных карбонатных пород, пере-

отложенные в данной породе. Подразделяются на интракла-

сты — обломки, образовавшиеся вскоре после отложения и

консолидации и переотложенные вблизи от места их образо-

вания, т.е. в пределах соседних участков морского дна, и эк-

зокласты — обломки более древних карбонатных пород, при-

несенные в бассейн седиментации извне.

При стандартных петрографических описаниях различить

интракласты и экзокласты далеко не всегда удается.

Вторая составная часть карбонатных пород, а, как было

указано выше, иногда и единственная — это кристалличес-

кие — кристалломорфные образования. Последние подразде-

ляются по степени однородности, правильности формы, раз-

меру кристаллов и т.д.

Среди кристаллических структур достаточно четко разли-

чаются две группы: пелитоморфные (рис. 7.4) с очень мелким

336

Рис. 7.3. Известняк копролитовый (копролитовый грейнстоун, пельспарит).

Хорошо видны удлиненные с более широким одним и более узким другим

концом продольные сечения и округлые поперечные сечения. Цемент каль-

цитовый мелкозернистый базального и порового типов. Таджикистан. Сред-

ний эоцен. Без анализатора («Атлас...», 1969)

размером кристаллов (в отечественной литературе обычно

менее 0,005 мм, в западной, где они называются микритом,

часто менее 0,0062 мм) и более крупнокристаллические —

примерно от 0,1 мм и более. Промежуточные размеры, как

правило, более редки.

Пелитоморфный, или микритовый, материал либо целиком

образует породы (пелитоморфные известняки и доломиты,

или кальцимикриты и доломикриты), либо располагается ме-

жду форменными элементами, выполняя функцию цемента.

До сравнительно недавнего времени считалось, что механизм

формирования карбонатов с такой размерностью кристалли-

ков — чисто хемогенный, однако теперь установлено, что они

образуются биохемогенным путем: за счет бактериальной

деятельности и деструкции органических остатков и другими

способами (см. далее). Что касается более крупнокристалли-

ческого карбоната, или спарита (от англ. spar — дословно

«шпат»; термин употребляется для обозначения прозрачных,

обычно легко раскалывающихся кристаллических минералов;

в русском языке примерно соответствует понятию яснокри-

сталлический кальцит или доломит), то он имеет постседи-

ментационное происхождение. Частично он образуется в диа-

337

Рис. 7.4. Известняк пелитоморфный с единичными остатками тонкого дет-

рита (мадстоун, дисмикрит).

Видны отдельные поры и единичные ромбические кристаллы доломита. С

анализатором. Западный Узбекистан. Келловей

—

оксфорд

генезе, когда из иловой воды химическим путем осаждаются

карбонатные минералы, обычно кальцит или арагонит, сла-

гающие крустификационные и регенерационные каемки во-

круг форменных элементов, заполняющие пустотки, интер-

стиции между форменными элементами, внутренние полости

раковинок после разложения органического вещества от-

мершего организма и др. Аналогичное заполнение пустот и

каверн, инкрустация полостей происходит и в катагенезе.

Значительная часть яснокристаллического карбоната — ре-

зультат катагенетической перекристаллизации первичного

более мелкозернистого, в том числе пелитоморфного мате-

риала, а также метасоматического доломитообразования (см.

далее).

Наличие тех или иных форменных элементов, их количе-

ство и соотношение друг с другом и с кристаллической, в том

числе микритовой массой, по сути дела, определяет структуру

карбонатной породы и является важным классификационным

признаком, а также генетическим показателем.

338

7.3. ПРИНЦИПЫ И СХЕМЫ КЛАССИФИКАЦИИ

КАРБОНАТНЫХ ПОРОД

Как и все осадочные породы, карбонатные поро-

ды могут подразделяться и подразделяются по разным пока-

зателям. Практически общепринято первое подразделение

проводить по вещественному — минеральному составу на

известняки, доломиты и смешанные глинисто-карбонатные

породы — мергели. Следующий уровень деления может быть

основан на структуре, генезисе, физико-механических, кол-

лекторских и технологических свойствах и т.д. Не затрагивая

сугубо прикладных аспектов, в данной главе рассмотрены

только вещественные, структурные и генетические класси-

фикации.

Принципы и схема вещественного подразделения карбо-

натных и глинисто-карбонатных пород в нашей стране были

разработаны С.Г. Вишняковым, и его классификация с не-

большими изменениями практически используются и поныне.

С.Г. Вишняков считал «чистыми» породами те, в которых

примеси составляют не более 5 %; в настоящее время, как

отмечалось выше, для всех «чистых» пород, и не только кар-

бонатных, принято значение в 10 %. Далее названия пород

образуются с учетом принятого в петрографии словообразо-

вания с суффиксами «-ист» и «-ов».

С учетом этого, названия пород ряда известняк—доломит

и их состав приведены в табл. 7.1.

Для классификации трехкомпонентных пород С.Г. Вишня-

ков использовал треугольную диаграмму; этот опыт оказался

очень удачным, хотя имелись и некоторые противоречия и

непоследовательность в выделении типов пород внутри этого

треугольника (подробнее плюсы и минусы систематики см. в

книге «Систематика и классификация...», 1998). В настоящее

Таблица 7.1

Классификация известково-доломитовых пород

по химико-минералогическому составу

Порода

Содержание, %

CaO/MgO

Порода

CaCO

CaMg(CO

)

CaO/MgO

Известняк

90-100

10-0 24,6 и более

Известняк доломитистый 75-90 25-10

9,1-24,6

Известняк доломитовый

50-75 50-25

4,0-9,1

Доломит известковый 25-50 75-50 2,3-4,0

Доломит известковистый

10-25

90-75 1,7-2,3

Доломит

0-10

100-90

1.4-1.7

339