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

Подождите немного. Документ загружается.

В.И. Вернадским. Дело в том, что содержание кремнезема в

морских водах колеблется в пределах

0,1 —

10 мг/л (в речных

до 13 мг/л), в то время как растворимость в морской воде

кремневого геля составляет 100—140 мг/л, а опала — 105—

110 мг/л. Другими словами, современная морская вода прак-

тически в

100 —

200 раз недосыщена кремнеземом, и хемоген-

ное его осаждение нереально. Другое дело, если имеются ло-

кальные или относительно незначительные по отношению к

площади морского биогенного кремненакопления участки

значительного повышения концентрации кремнезема, что

возможно в зонах активного вулканизма. Так, при изверже-

нии вулкана Капилиньюш в группе Азорских островов Се-

верной Атлантики содержание кремнезема даже в поверхно-

стном слое океанической воды возросло в

20 —

40 раз по срав-

нению с фоновыми значениями, причем повышенные;

концентрации распространились на расстоянии до 200 км от

вулкана. Эти значения все равно недостаточны для химиче-

ской садки, но непосредственно в придонных зонах они мо-

гут превысить предел растворимости и обеспечивать непо-

средственное осаждение кремнезема, особенно в форме

кварца (растворимость последнего

5 — 6

мг/л).

Таким образом, в районах активного подводного вулка-

низма вынос значительных масс кремнезема повышает его;

концентрацию в морской воде, что, с одной стороны, обу-

словливает или, по крайней мере, благоприятствует интен-

сивному развитию организмов с кремневым скелетом, глав-

ным образом радиолярий, а с другой — может обеспечить

химическую садку этого соединения. Последний механизм,

по мнению большинства литологов, имеет второстепенное

значение. Скорее всего, именно таково — за счет двух меха-

низмов осаждения — происхождение яшм, в которых доста-

точно много остатков радиолярий. Что касается кремнистых

сланцев, фтанитов, то, вероятно, дополнительные порции

вулканогенного кремнезема вызывают активное развитие ор-

ганизмов, которые обеспечивают поступление в осадок как

кремнезема в виде их скелетов, так и органического вещест-

ва, определяющего темный цвет пород, и фосфора. При этом

сами вулканы, как источники кремнезема, могут быть распой

ложены достаточно далеко от областей образования этих;

пород.

Что касается обстановок накопления, то, -как уже отмеча-

лось, абсолютное большинство пластовых кремнистых no

род — образования морские. Среди континентальных извест-

ны лишь скромные по масштабам озерные диатомиты. Как

470

правило, это отложения морей нормальной среднеокеаниче-

ской солености. Относительно климатических условий можно

сказать, что они различны.

Напомним, что в современном Мировом океане установ-

лено три пояса кремненакопления (см. рис. 9.2). Экватори-

альный представлен серией разрозненных пятен разного

размера, которые связаны с наибольшими глубинами, по

крайней мере, ниже критической глубины карбонатонакоп-

ления. Здесь преобладают радиоляриевые, реже диатомово-

радиоляриевые илы. Он располагается примерно между

20° с.ш. и 20° ю.ш. в пределах Тихого и Индийского океанов.

Южный, самый широкий пояс тяготеет к Антарктиде и

протягивается в южной части всех океанов — Тихого, Ин-

дийского и Атлантического — и представлен преимуществен-

но диатомовыми илами. Центр пояса располагается примерно

в районе 60° ю.ш., а ширина в ряде мест достигает 2000 км.

Северный пояс развит практически только в Тихом океа-

не, по сравнению с южным смещен ближе к экватору и

представлен диатомовыми и радиоляриево-диатомовыми

илами.

Для древних бассейнов образования опаловых пород —

диатомитов, опок, трепелов — устанавливаются в общем

также достаточно умеренные широты и соответственно не

очень высокие температуры. Что касается глубин образова-

ния, то они изменяются от небольших и умеренных для тре-

пелов и опок, до умеренных (видимо первые сотни метров)

для спонголитов и до глубоководных, вплоть до абиссальных

для радиоляритов, фтанитов и особенно яшм.

Глубоководность многих кремнистых пород является, если

можно так выразиться, пассивной. Дело в том, что кремни-

стый материал сохраняется ниже критической глубины кар-

бонатонакопления, где карбонатный материал растворяется и

не оказывает разбавляющего влияния на кремнистый, ско-

рость седиментации которого ниже, чем карбонатного.

Как правило, общим условием для накопления кремнистых

пород является ограниченный или, скорее, ничтожный при-

нос терригенного материала, который, как и карбонатный,

разбавляет кремнистый осадок, в результате чего образуются

в лучшем случае кремнистые глины или кремнистые извест-

няки.

В этом отношении весьма интересные результаты получе-

ны при использовании так называемого метода абсолютных

масс, т.е. учета не процентного содержания компонента в

осадке (породе), а его абсолютных количеств. Оказалось, что

471

значительная часть поступающего в океан кремнезема осаж-

дается с другими компонентами, наибольшее его количество

находится в осадках континентального склона, хотя концен-

трации его здесь обычно существенно ниже 50 %, в то время

как в наиболее «чистых» собственно кремнистых осадках со-

держится не более

10 —

15 % от суммарного количества по-

ступающего в океан кремнезема.

Поскольку многие кремнистые толщи формируются на

значительных глубинах, т.е. в холодных водах, а кремневые

губки — вообще обитатели холодных вод, в том числе глу-

бинных, температурный режим поверхности, по-видимому,

не является определяющим.

9.4. НЕКОТОРЫЕ ЧЕРТЫ ЭВОЛЮЦИИ

КРЕМЕНАКОПЛЕНИЯ В ИСТОРИИ ЗЕМЛИ

Кремненакопление в геологической истории

Земли отчетливо изменялось. Проблемы эволюции этих пород

подробно рассмотрены Г.А. Каледой (1987), И.В. Хворовой

(1968, 1983), В.Н. Холодовым (1987). Эта эволюция ясно видна

по изменению во времени типов пород и их минералогии, что

в схематическом и обобщенном виде показано на рис. 9.11.

Прежде всего, установлена смена минеральных ассоциа-

ций — кварцевой в докембрии, халцедон-кварцевой в палео-

зое и частично мезозое на опал-кристобалитовую со второй

половины мезозоя, которая стала практически единственной

в кайнозое.

В настоящее время основной причиной этого считается

переход опала в древних толщах в устойчивые минералы, по-

скольку предполагается, что первичное осаждение кремнезе-

ма происходило в основном в форме опала.

Что касается смены одних пород другими, то тут измене-

ния уже не столь просты и «прямолинейны» и связаны с об-

щей эволюцией осадочного процесса.

В докембрии практически единственным представителем

кремнистых пород являются джеспилиты, широко развитые

на древних платформах — на Канадском щите (США и Кана-

да), в Африке, Бразилии, Австралии, Индии. В пределах Рос-

сии и Украины — это громадные железорудные месторожде-

ния Курской магнитной аномалии и Кривого Рога, месторож-

дения Карелии — Оленегорское, Костомукша и др. Установ-

лено три этапа образования этих пород — середина архея

472

Рис. 9.11. Схема эволюции кремненакопления в истории Земли

(3,5 —

3,0 млрд лет), самая грандиозная эпоха в раннем проте-

розое

(2,5 —

2,0 млрд лет) и небольшая венд-кембрийская

(675 —

570 млн лет), причем небольшие месторождения име-

ются и в палеозое — Батерст в Канаде (ордовик) и Тайнаф в

Ирландии (карбон).

В вопросах происхождения подобных пород очень много

спорного и неясного. В настоящее время исследователи скло-

няются к мнению о подводно-вулканическом поступлении

кремнезема и железа и их осаждении, в том числе за счет

микробиальной деятельности. Важен, однако, сам факт мощ-

ного развития таких специфических пород в относительно

узких временных интервалах, практически только в докем-

брии и особенно раннем протерозое.

Палеозой — это эра развития яшм, фтанитов и вообще

кремнистых сланцев, хотя появились они, видимо, в верхах

докембрия (яшмы Казахстана, фтаниты Западных Саян). При

этом фтаниты закончили свое развитие практически в дево-

не, а наиболее молодые яшмы известны даже в низах палео-

гена (Карпаты, Новая Каледония, Греция). Как уже отмеча-

лось, кайнозойские радиоляриты не могут быть прямыми

аналогами яшм и кремнистых сланцев. Поэтому можно ду-

мать, что радиоляриты, известные с начала кембрия — это

своя ветвь развития кремнистых пород, а яшмы и фтаниты —

две другие независимые линии, образование которых связано

с иными геологическими условиями. Эти три группы пород

формировались в океанах, но в разных обстановках. Так,

яшмы тесно ассоциируют с подводно-вулканическими обра-

зованиями, т.е. развиты в относительно узких, видимо, трого-

образных областях с интенсивным вулканизмом, почему и

считаются геосинклинальными образованиями начальных

этапов формирования этих геоструктур, когда активно про-

являлся подводный вулканизм спилит-кератофорового соста-

ва. Кремнистые сланцы и фтаниты занимают значительно

большие площади, не имеют столь отчетливой связи с вулка-

низмом и, видимо, более разнообразны по глубине образова-

ния. Они формируются как на начальных этапах геосинкли-

нального развития, так и на более поздних — островодуж-

ных. Древние радиоляриты развиты сейчас спорадически,

хотя иногда достаточно обильны, например, в юре Тетиса в

пределах современного Средиземноморья. Возможно, это

связано с субдукцией, коллизией и ликвидацией древних

океанов; в современных же океанах они представлены доста-

точно широко вне всякой связи с вулканизмом, но в целом

значение радиолярий в общем балансе осаждения крем-

474

незема снизилось и более важную роль стали играть диато-

мовые.

Кремненакопление на платформах четко разделяется на

два этапа — в докембрии формировались железистые квар-

циты, со второй половины мела и особенно кайнозое — диа-

томиты, трепелы, опоки, которые обусловили появление спе-

цифической — опоковой формации. Отдельные палеозойские

толщи повышенной кремнистости известны и на платформах,

например, доманик востока Восточно-Европейской платфор-

мы, но здесь формируются преимущественно конкреционные

кремни. Палеозойские толщи развиты в краевых частях

платформ и в какой-то степени являются «отголоском» крем-

ненакопления в смежных океанах. Существенную роль в

осаждении кремнезема здесь играли губки. Вообще спонго-

литы известны с нижнего палеозоя в бассейнах разного тек-

тонического положения, но количественное значение их в

общем балансе кремненакопления весьма скромное.

Обобщая материалы по эволюции кремненакопления

можно отметить, во-первых, снижение роли вулканизма —

прежде всего как поставщика материала и, возможно, как

процесса, обеспечивающего его ограниченное по масштабу

хемогенное осаждение. Во-вторых, эволюцию основных

кремнийосаждающих организмов, что, возможно, и привело

к некоторому смещению кремненакопления на платформы. В

палеозое и частично мезозое ведущей группой были радиоля-

рии, с мела — диатомеи. Последние оккупировали обширные

пространства, в том числе эпиконтинентальных морей, что

привело к массовому развитию платформенных диатомитов,

трепелов и опок.

9.5. МЕТОДЫ ИЗУЧЕНИЯ КРЕМНИСТЫХ

ПОРОД

Как и для других осадочных пород обязательны-

ми являются макроскопическое определение и описание, а

также микроскопическое изучение породы в шлифе. Другие

методы могут использоваться для получения дополнительной

информации, более точного определения минерального со-

става и количественного соотношения различных минералов.

Макроскопическое изучение имеет важное значение для

первичного определения породы. Опаловые или, точнее, опал-

кристобалитовые породы — самые легкие из всех осадочных

пород. Это определяется малой плотностью минерала опала

475

(2,2 — 2,3

г/см

), но главное, высокой пористостью (до

70 —

90 %), что обусловливает низкую объемную плотность

(0,4 —

1,8 г/см

). Благодаря этой капиллярной пористости породы

липнут к языку. От мела, как указано выше, они отличаются

отсутствием взаимодействия с кислотой, а похожий на них

каолинит — жирный на ощупь и размокает в воде. Среди

опаловых пород опока наиболее плотная и не царапается ног-

тем. Разделить породы с биоморфной структурой (диатомиты,

радиоляриты, спонголиты) и с абиоморфной (трепелы и опо-

ки) можно практически лишь под микроскопом. Халцедон-

кварцевые породы прочные, крепкие, афанитовой структуры,

часто с характерными окрасками и изломами.

Микроскопическое изучение — основной метод определе-

ния и описания кремнистых пород. При этом общая стан-

дартная схема исследования шлифа модифицируется и адап-

тируется именно к этой группе пород и несколько упрощает-

ся. Можно рекомендовать примерно следующую схему изу-

чения и описания.

1. Общая характеристика породы, ее предварительное оп-

ределение.

2. Минеральный состав — опаловый или халцедон-

кварцевый.

3. Структура — соответственно биоморфная или абио-

морфная; в последнем случае — аморфная или кристалличе-

ская.

4. Факультативные составные части — примеси и включе-

ния: биогенные, абиогенные, их состав, количество, характер

распределения в породе и т.д.

5. Развернутое название породы и выводы о возможных

условиях ее образования.

В случае биоморфной структуры определяется состав ор-

ганизмов (прежде всего основных — диатомеи, радиолярии,

спикулы, губки), их количество и соотношение. Далее описы-

вается характер вмещающей, цементирующей массы — со-

став, структура, количество. Наконец, определяются и описы-

ваются различные примеси — количество, состав, характер

распределения и т.д.

По сути дела, это схема описания диатомитов, радиоляри-

тов и спонголитов.

В случае абиогенных структур в зависимости от мине-

рального состава это будут либо трепелы и опоки, либо одна

из халцедон-кварцевых пород. В первом случае описывается

основная масса опалового состава — количество, по возмож-

ности структура (однородная бесструктурная масса, глобу-

476

лярная и т.п.), затем различные остальные составные части.

Это могут быть обломочные зерна и глауконит, их состав,

количество, характер распространения в породе, размер,

морфология и т.д. При наличии органических остатков — их

состав, количество, степень сохранности, характер распреде-

ления в породе и т.д.

Во втором случае — халцедон-кварцевых пород — описы-

ваются структуры основной кристаллической массы, при на-

личии тех или иных примесей — их состав, количество, ха-

рактер распределения в породе и т.д., а в случае наличия ор-

ганических остатков

—

состав организмов.

Очень важно не просто охарактеризовать кристалличе-

скую структуру с точки зрения размеров и морфологии кри-

сталлов, но и проследить изменения этих показателей по

площади шлифа, ибо они часто наследуют, фиксируют пер-

вичную структуру породы. Тем самым, во-первых, выявляется

наложенный, вторичный характер окремнения и, во-вторых,

появляется возможность установить по каким именно поро-

дам прошло это окремнение.

Для более точной диагностики минералов — опала (или

опала-Α), кристобалита (опала-С или опала-К), тридимита,

халцедона и кварца — применяется рентгеноструктурный

анализ.

Сканирующий (растровый) электронный микроскоп по-

зволяет устанавливать структуру сколов, а по ней — мине-

ральный состав, структурные соотношения и т.д.

9.6. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ И ПРАКТИЧЕСКОЕ

ЗНАЧЕНИЕ КРЕМНИСТЫХ ПОРОД

Фациальное значение кремнистых пород, т.е.

возможность использования их для восстановления условий

осадкообразования, относительно невелико, на что указыва-

лось выше. Вместе с тем некоторые выводы все же сделать

можно. В большинстве случаев (за исключением, видимо,

опоковый формации) они указывают на относительно глубо-

ководный характер бассейна, невысокую в целом температу-

ру воды, по крайней мере в придонном слое. Это особенно

касается радиоляритов, яшм, многих кремнистых сланцев.

Наличие таких отложений, да еще в ассоциации с некоторы-

ми эффузивными образованиями, позволяет реконструиро-

вать древние океаны.

477

Многие кремнистые породы являются важными полезны-

ми ископаемыми. Начать с того, что само становление чело-

веческого общества связано с использованием кремней; уже

на заре цивилизации кремни, наряду с обсидианом, который

встречается несоизмеримо реже кремней, использовались

первобытным человеком для получения огня и производства

первых орудий — ножей, скребков, наконечников стрел и

копий и т.д.

Ясно, что «историческое» значение кремней осталось в

глубокой истории, но и в современной экономике кремни-

стые породы используются достаточно широко. Все опаловые

породы — диатомиты, трепелы, опоки — используются как

очень легкие и высококачественные наполнители в бумажной

и резиновой промышленности, в качестве адсорбентов и

фильтров, в том числе как основа бактериальных фильтров в

пищевой, нефтяной промышленности. Они применяются при

производстве специальных кислотоупорных марок цемента и

как тепло- и звукоизоляционный материал. Опаловые породы

используются как тонкий и высококачественный абразив при

шлифовке и. полировке не очень прочных материалов, а

кварц-халцедоновые

—

и для более крепких и прочных.

Целый ряд кремнистых пород используется в строительст-

ве, причем некоторые из них являются прекрасным облицо-

вочным и даже поделочным материалом, используются в

технических целях — яшмы, кремни (агаты). Благородный

опал — драгоценный камень первого класса, хотя справедли-

вости ради надо сказать, что его выделения — это, скорее,

минеральные формы, а не породы, и происхождение его не

строго осадочное.

Наконец, с кремнистыми толщами связаны некоторые

важные полезные ископаемые. Прежде всего это уникальные

по запасам железорудные месторождения железистых квар-

цитов — джеспилитов. С кремнистыми сланцами венда—

кембрия ассоциируют пластовые фосфориты, ряд фтанитов

содержит редкометалльное оруденение (ванадий, молибден и:

др.). Некоторые кремнистые толщи содержат промышленные

месторождения нефти и газа (Сахалин, Аляска, Калифорния

и др.).

Глава

ФОСФАТНЫЕ, АЛЛИТОВЫЕ

И ЖЕЛЕЗИСТЫЕ ПОРОДЫ

Количественная роль этих пород в земной коре

крайне невелика и не сопоставима с их экономическим

значением. По сути дела, это важнейшие полезные ископае-

мые — сырье для получения фосфора, алюминия и железа,

причем для алюминия и фосфора именно эти породы явля-

ются основным источником их получения. Осадочные руды

железа в этом отношении уступают метаморфическим джес-

пилитам, хотя первично последние — тоже осадочные обра-

зования.

Благодаря своему экономическому значению эти породы,

равно как и рассмотренные выше сильвиниты, обособляются

в качестве индивидуальных пород, хотя содержание основ-

ных компонентов, дающих название породам, очень редко

достигает 50 %.

Литература по этим породам весьма обширна, но специ-

фична. Краткая, но достаточно полная литологическая харак-

теристика этих пород с современных позиций изложена в

книге «Систематика и классификация...» (1998).

10.1. ФОСФАТНЫЕ ПОРОДЫ,

ИЛИ ФОСФОРИТЫ

К фосфатным относятся породы с содержанием

пентоксида фосфора (P

), как правило, не менее

15 — 20

а иногда и менее. Содержание же фосфатных минералов су-

щественно выше и иногда может превышать 50 %.

Главные породообразующие минералы фосфоритов —

это кальциевые соли фосфорной кислоты: гидроксилапатит

(PO

)

(OH), фторапатит Ca

(PO

)

более редкий хлорапа-

тит Ca

(PO

)

Cl, а также более сложные соединения перемен-

ного состава коллофан Cai

[PO

]

, (OH)

, CO

), О] (колло-

479