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

Подождите немного. Документ загружается.

8.3. СПОСОБЫ ОБРАЗОВАНИЯ

СОЛЯНЫХ ПОРОД

Способы образования минералов, образующих

соляные породы, и соответственно способы образования этих

пород, как практически и всех других осадочных пород, дос-

таточно разнообразны, но абсолютно преобладает чисто хи-

мическое выпадение из растворов по мере достижения пре-

дела растворимости тех или иных солей. Общая последова-

тельность в целом достаточно определенная — вначале выпа-;

дают сульфаты кальция (гипс и ангидрит), затем хлориды на-

трия (галит), затем хлориды и сульфаты калия и магния

(сильвин KCl

карналлит КС1-МдС1

-6Н

0, полигалит —;

MgS0

-2CaS0

-2H

0 и др.) и, наконец, хлориды магния;

(бишофит МдС1

-6Н

0).

Конкретные значения солености, при которых происходит

осаждение тех или иных солей, зависят от ряда причин. Дело

в том, что природные рассолы — это сложные системы, в ко-

торых присутствуют самые разнообразные соединения в виде

наборов катионов и анионов. Растворимость конкретного со-

единения и соответственно возможность его нахождения Ц

растворе или, напротив, осаждения зависит от присутствия и

концентрации других ионов. Последние либо снижают пре-

дел растворимости, и тогда вещество осаждается при более

низких концентрациях, либо, напротив, повышают его, и то-

гда для осаждения необходима более высокая концентрация;

этого вещества. Более того, в процессе осаждения какие-тр

вещества удаляются из раствора, соотношение ионов меняет-}

ся, что оказывает воздействие на всю систему и изменяет!

пределы растворимости остающихся в растворе веществ.]

Аналогичным образом воздействует и изменение температуч

ры. Другими словами, природные рассолы — это весьма ди-

намичная система.

Процессы образования минералов при последовательном

испарении воды, по-видимому, впервые начал изучать в серег

дине 19 в. Ж. Узильо, но исследование процессов кристалли-

зации из сложных по составу растворов при разных темпера-

турах справедливо связывается с именами Я.Г. Вант-Гоффа и

Н.С. Курнакова и их школ, работы которых стали классиче-

скими.

Приведем несколько примеров подобного взаимного влия-f

ния состава растворов и температуры на осаждение минера-

лов. При выпаривании водного раствора сернокислого каль-

1974)

ция при температуре ниже 63

C осаждается только гипс и

лишь при более высокой температуре — ангидрит. В случае

же насыщенных по NaCl растворов температура выпадения

ангидрита снижается до 38

C. Если же раствор насыщен по

MgCl

, сульфат кальция осаждается только в виде ангидрита

даже при температуре

C. При одновременном присутствии

в растворе хлоридов натрия и магния, что наблюдается в

морской воде, ангидрит выпадает при температуре

25 — 30

°С.

Другой показательный пример — осаждение хлоридов на-

трия и калия при разных температурах. Известно, что рас-

творимость веществ, в том числе и этих соединений, повы-

шается с температурой. При этом растворимость хлорида на-

трия повышается незначительно, а хлорида калия — весьма

существенно (рис. 8.11). В смешанных растворах картина да-

же обратная — растворимость хлорида натрия понижается, а

калия — еще более повышается (табл. 8.1). В этой ситуации

при понижении температуры зимой из раствора будут выпа-

дать соединения хлора с натрием и калием в виде галита и

сильвина, а при повышении температуры летом — только га-

лит (рис. 8.12). Именно этим сезонным изменением темпера-

Рис. 8.11. Зависимость раство-

римости (%) галита (J

) и силь-

вина (2) от температуры

0 20 40 60 80 100

1974)

Таблица 8.1

Растворимость хлоридов натрия и калия при различных температурах

в однородных и смешанных растворах (Швецов, 1958)

Температура,

Растворимость, г/л

Температура,

NaCl

KCl

В смешанном растворе

NaCl

KCl

NaCl

KCl

100

356,5

391,8

283,7

562,5

321

259

106

359

туры объясняется отмеченная выше отчетливая слоистость

красных сильвинитов.

Таким образом, мощность слойков

7 — 8

см пары «силь-

вин

—

галит»

—

это скорость накопления сильвинита в год, 4TQ

было показано еще в 1930-х гг. академиком Г.Г. Уразовым,

см

1 I I

Рис. 8.12. Сильвинит. Сезонное переслаивание светлого сильвина и темного

галита. Цвет последнего определяется примесью ангидрита и пелитового

материала. Казахстан. Верхняя пермь («Атлас структур...», 1974)

412

В природных условиях с учетом взаимодействия отдельных

ионов и температуры сульфаты кальция осаждаются, когда

концентрация морской воды повышается в

4 —5

раз, т.е. со-

леность достигает 14,0-18,0 % (напомним, средняя соленость

морской воды — 35 г/л, или 3,5 %), а плотность воды (рассо-

ла) составляет 1,10—1,13 г/см

(при средней плотности мор-

ской воды 1,03 г/см

). Галит осаждается при 8—10-кратном

увеличении солености — до 26,0

—

32,0 % и плотности

1,20 —

1,25 г/см

, и, наконец, при более высокой концентрации, при

выпаривании 50

— 60

объемов воды начинается осаждение

растворимых солей калия и магния, в том числе сильвина

(соленость 33,0

—

35,0 %, плотность рассола 1,28—1,3 г/см

Схематическая зависимость порядка выпадения различных

соединений от количества испарившейся воды и плотности

раствора показана на рис. 8.13.

Кроме этого основного способа осаждения солей при упа-

ривании растворов и образования соляных пород, существу-

ют и другие, реализуемые в специфических условиях, коли-

чественное значение которых крайне невелико.

Так, существуют обломочные сульфатные породы — гип-

совые пески; это эоловые образования, представляющие со-

бой продукт разрушения и переотложении первичных гипсо-

вых пород в условиях резко аридного климата.

Другой пример — так называемое инсоляционное образо-

вание сульфатов и даже более растворимых пород (от лат.

insolatio — облучение поверхности Земли солнечной радиа-

цией, дословно — «выставлять на солнце»). В континенталь-

ных обстановках в условиях аридного климата грунтовые во-

ды, а они в той или иной, часто существенной, степени ми-

нерализованы, подтягиваются капиллярными силами к по-

верхности, испаряются, а содержащиеся в них соли осажда-

ются в поверхностной зоне. Если процесс подтягивания вод и

испарения происходит достаточно длительное время, то та-

ким образом выделяется относительно большое количество

солей. Чаще всего это относительно слабо растворимые

сульфаты кальция, которые образуют гипсовый цемент пес-

чано-алевролитовых пород, своеобразные стяжения — друзы

кристаллов гипса (так называемые розы пустыни), но иногда

формируют и горизонты относительно чистых гипсов мощно-

стью в несколько метров. Более растворимые минералы —

галогениды, нитраты — образуют, как правило, лишь отдель-

ные выделения, «выцветы» солей, имеющие, скорее, минера-

логическое значение. Правда, имеется мнение, что уникаль-

ные чилийские месторождения селитры образованы именно

1974)

1,05 1,10 1,15 1,20 1,25

Плотность воды, г/см

Рис. 8.13. Изменение объемов и плотности

сгущающейся морской воды и последова-

тельность кристаллизации отдельных

минералов.

а - по Р.Ф. Шмальцу (1972); б - по

М.Г. Валяшко (1962). / — изменение объе-

мов выделяющихся из морской воды со-

лей

Состав океани-

ческой воды

Объем

Область кристаллизации солей

процессе сгущения

океанической воды

Форма выделения

Содержа-

ние, г в

кг

воды

Соли

Объем

Область кристаллизации солей

процессе сгущения

океанической воды

Форма выделения

0,12

CaCO

1000-

Кальцит

0,12

CaCO

1000-

Кальцит

1Д7

CaSO

900-

Гипс, полигалит

27,21 NaCl

δδό-

Галит

0,09 (Na Br)

700"

600.

Л%

сз»

СХОО

В виде тверды! раство-

ров

хлоридами, начи-

ная

галита

2,25 MgSO

500-

Эпсомит

Сакнит

0,74

KCl

400-

\ *

Сильвин

300-

Л>

<Х

Бишофит

0,01 Бораты

200-

-- .

Звтоннческий

борат магния

35,05

100 -

...

Объем кристаллизую-

^ ицихся твердых солей

ПлОТНОСТ!

юшейся

ческой

ь сгуща-

жеани-

воды

1,1 u U 1

Стадии Подготовительная

Самосадочная

Тип бассейна

Рапного озера "Сухого" озера

Области

формирования

зон

Гипсово-ангндри-

товой

Галитовой

Силь-

BHHH-

тоаой

Kap-

HUUlH-

тоаой

- Бишофнтовой

таким путем, т.е. являются инфляционными. Одно из значе-

ний слова «каличе» (caliche) — это селитра или порода, со-

держащая селитру, хотя обычно оно означает известковые

или доломитовые корки в почве.

8.4. ОБСТАНОВКИ СОЛЕОБРАЗОВАНИЯ

Явное преобладание одного — хемогенного

механизма осаждения определяет и столь же явное преобла-

дание водных обстановок соленакопления, причем абсолют-

ное большинство соленосных толщ — это отложения мор-

ские, однако моря эти весьма специфические. Для образова-

ния значительных масс солей необходимы, по крайней мере,

два условия — аридный климат и наличие полуизолирован-

ных, но не теряющих связей с Мировым океаном водоемов.

Аридный климат определяет интенсивное испарение и, как

следствие, повышение концентрации солей в бассейне. В ус-

ловиях такого климата практически отсутствуют или крайне

редки и ограничены по масштабу метеорные осадки и посту-

пление пресных вод с суши, которые могли бы вести к рас-

преснению водоема.

Второе условие — специфический палеогеографический

тип бассейна. Дело в том, что в полностью изолированном

водоеме при полном испарении воды среднеокеанической

солености останется лишь относительно тонкий пласт солей.

Так, из 100-метровой толщи морской воды образуется макси-

мум 1,65—1,75 м осадка, в котором на долю каменной соли

приходится 1,29—1,35 м. Для формирования же мощных толщ

необходимо постоянное поступление солей, что и обеспечи-

вается таким полуизолированным характером бассейна. В

этом случае интенсивное испарение ведет к понижению

уровня моря, особенно в удаленной от Мирового океана ку-

товой зоне, и формированию наклонной водной поверхности,

отклоняющейся от поверхности геоида. Это, в свою очередь,

определяет постоянный приток океанических вод и, следова-

тельно, постоянное пополнение этого водоема солями. Одно-

временно такое понижение водного зеркала исключает об-

ратный водоток из бассейна в океан, т.е. существует лишь

одно направленное течение, которое и поставляет необходи-

мые соли в бассейн. Постоянное испарение и поступление

материала ведет к тому, что концентрация солей повышается,

в конце концов достигает предела растворимости, и соли на-

чинают выпадать в осадок (рис. 8.14).

1974)

рис. 8.14. Схема течений и гидрологии полузамкнутого котловинного бас-

сейна аридной климатической зоны.

1 —

3 — воды: 1 — среднеокеанической солености, 2 — повышенной солено-

сти, 3 — высокоминерализованные рассолы; 4 — поверхностные течения;

5 — донные противотечения; 6 — положение поверхности водного зеркала

относительно поверхности геоида

Представления о том, что соленосные отложения форми-

руются при испарении морской воды, возникли очень давно

и основывались как на натурных наблюдениях, так и на

практическом опыте солеварен.

Мнение о сгущении морской воды в участках бассейна,

отгороженных песчаными косами, одним из первых выдви-

нул, по-видимому, Г. Бишоф в 60-х гг. 19 в., но более подроб-

но эти представления разработал К. Оксениус в 1887 г., бла-

годаря чему они часто называются теорией баров Оксениуса

(бары как элемент изоляции бассейна от основного водоема).

Классическим примером современного соленакопления

такого типа является залив (лагуна) Кара-Богаз-Гол (рис. 8.15).

В середине 1960-х гг., т.е. до перекрытия дамбой пролива,

соединяющего залив с Каспием, в результате чего он превра-

тился в полностью изолированный водоем с соответствую-

щими негативными последствиями для окружающей среды,

площадь водного зеркала залива составляла несколько более

12000 км

, протяженность пролива около 10,5 км при ширине

у выхода из моря всего 120—130 м. В проливе образовалось

уникальное природное явление — морской водопад с высотой

порога

3,0 —

3,5 м (Дзенс-Литовский, 1966).

Такая ситуация приводила к последовательному осолоне-

нию вод залива за счет постоянного притока каспийских

вод и одновременно активного испарения с его поверхности.

Так, с 1897 по 1961 г. плотность рассола —рапы увеличилась с

1974)

5 S-

в a

t 2.

Кальцит

Гидро магнезит

Целестин

Гипс

Мирабилит

Глауберит

Галит

Астрахаиит

Эпсомит

Магнезит

Доломит

Глауберит

Астрахаиит

Геке»

гид ρ ит

Карналлит

Полигалит

рис. 8.15. Распределение осадков в лагуне Кара-Богаз-Гол (по М.Ф. Фивегу

„ В.П. Федину, 1977):

— геолого-гидрохимическая схема; б

—

геологический профиль; β — схема

распределения минеральных седиментационных и диагенетических параге-

дезов в зонах смешения (/), центральной (II)

прибрежной

(III)

и засухи (JV).

Коренные подстилающие образования: 1 — гипсовые с примесью песка, 2 —

песчаники, 3 — известняки и мергели; современные отложения: 4 — гипсо-

о-карбонатные, 5 — галитовые, 6 — гипсово-глауберитовые, 7 — астраха-

нит-галитовые (этсомитовые); границы: 8 — коренного берега, 9 — аквато-

рии залива, 10 — фациальных зон, 11 — стратиграфические; 12 — изобаты

глубин акватории, м; рассолы зон: 13 — прибрежной, 14 — центральной,

/5 — смешения; 16 — изолинии концентрации рапы, г/кг; 17 — станции

опробования; 18 — линия профиля

1,136 до 1,362 г/см

, а соленость достигла 28,0

—

31,0 %. Все это

вызывало осаждение разнообразных солевых минералов —

гипса, галита, астраханита, мирабилита, эпсомита (см.

рис. 8.15). Важно отметить, что питание залива Кара-Богаз-

Гол осуществляется водами резко опресненного Каспийского

моря, средняя соленость которого составляет 1,27—1,28 %, т.е.

почти в 3 раза меньше средней солености Мирового океана.

И даже при этом в заливе соленость повышается столь зна-

чительно, что появляется возможность садки легко раствори-

мых солей.

Модель соленакопления, прекрасным примером чему слу-

жит лагуна Кара-Богаз-Гол, оказалась весьма удачной, «жиз-

неспособной», логично объясняющей многие вопросы соле-

накопления.

Вместе с тем наличие столь представительного современ-

ного примера, подтвердив правомочность таких обстановок

соленакопления, в определенной мере сыграло и негативную

роль. Дело в том, что Кара-Богаз-Гол — это типичная лагуна

с присущими лагунам характерными чертами — кроме соле-

ности, отклоняющейся от таковой основного питающего во-

доема, это относительно малые размеры и краткое время

существования. Только за позднечетвертичное время — хва-

лынское и новокаспийское по каспийской хронологии, или

вюрм-голоценовое по европейской шкале, т.е. менее чем за

100

ООО

лет, за время существования Homo sapiens, этот водо-

ем четырежды был обычным заливом Каспия с соленостью и

с осадками, близкими каспийским, и четырежды превращался

в изолированную лагуну с нарушенным гидрологическим ре-

жимом и осаждением пачек солей мощностью

6 —10

м каж-

дая. При этом подобная изоляция связана не с тектонически-

ми причинами, а с колебаниями уровня Каспийского моря.

По прямой аналогии с Кара-Богаз-Голом все солеродные бас-

1974)