Логвиненко ?. В., Орлова Л.В. Образование и изменение осадочных пород на континенте и в океане

Подождите немного. Документ загружается.

ралов (одновременная или последовательная кристаллизация из

расплавов) и осадочных—седиментогенных (одновременное или

последовательное выделение из растворов). В этих рядах воз-

можно существование реликтовых минералов, превращение кото-

рых произошло не полностью, т. е. на стадии более глубоких из-

менений встречаются минералы предыдущих стадий. Для примера

рассмотрим один характерный ряд превращений минералов: као-

линит^гидрослюда Ш^гидрослюда 2М1^серицит^мусковит.

При повышении давления и температуры изменение происходит

слева направо, при понижении (выветривание) — в обратном на-

правлении. Для стадии катагенеза характерны гидрослюда IM и

каолинит, для стадии метагенеза — гидрослюда 2Мь серицит,

мусковит.. Однако в породах стадии метагенеза (и даже зеленых

сланцев) встречаются каолинит и реликты гидрослюды 1М.

Описанные парагенезы минералов являются устойчивыми —

равновесными при данных условиях существования породы и из-

меняются— становятся неравновесными при изменении условий

среды (давление, температура, рН и Eh, состав и концентрация

поровых растворов). Так как термодинамические условия в пре-

делах зон (стадий) остаются неизменными продолжительное

время (в геологическом смысле) или изменяются медленно, то

в большинстве случаев преобразование минералов зависит от рН,

Eh, состава и концентрации растворов.

Как правило, мы здесь имеем дело с системами полуоткры-

того или открытого типа, когда минералообразование происходит

с привносом и выносом вещества. Это обстоятельство осложняет

физико-химическую интерпретацию минеральных парагенезов

различных стадий изменения осадочных пород.

Для терригенных пород стадии метагенеза можно наметить

следующий ряд дифференциальной подвижности компонентов:

O, CO

, K

O, Na

O, MgO, CaO, FeO, SiO

, Al

, TiO

. Этот

ряд занимает промежуточное положение между рядом для вы-

сокотемпературного процесса скарнообразования и рядом гидро-

термально-метасоматического процесса образования флогопито-

вых месторождений.

В заключение несколько резюмирующих замечаний о направ-

лении преобразования минералов в осадочном процессе.

Первичные — обломочные каркасные силикаты и кварц раст-

воряются и дают начало вторичным — кварцу, плагиоклазам, ще-

лочным полевым шпатам, преобразуются с гидратацией и измене-

нием координации алюминия (с 4 на 6) в гидратированные кар-

касные силикаты — цеолиты и сложные цепные силикаты —

пренит, пумпеллиит, эпидот или же замещаются слоистыми си-

ликатами— серицитом, мусковитом или хлоритом. Весьма веро-

ятно, что высокое давление способствует последнему процессу.

Первичные — обломочные слоистые силикаты — слюды на пер-

вой стадии изменения (катагенез) гидратируются и отдают кати-

оны раствору — переходят в три- и диоктаэдрические гидрослюды

и в каолинит. При этом часто возникают смешаннослойные фазы

141.

(переходные). По терминологии Ж. Милло [46] это деградацион-

ные изменения.

На второй стадии изменения (метагенез, а иногда еще на

этапе позднего катагенеза) процессы развиваются в противопо-

ложном направлении: дегидратация, внос и закрепление катио-

нов в решетке с образованием диоктаэдрических гидрослюд 2М

серицита, мусковита, пакетов мусковита и хлорита по обломоч-

ному биотиту или хлоритов (существенно магнезиальных поли-

типа lib, 14А, β = 97°).

, Аутигенные слоистые силикаты — глинистые минералы на про-

тяжении обеих стадий постепенно дегидратируются, адсорбируют

из растворов катионы и закрепляют их в решетке. Смешанно-

слойные минералы с разбухающими слоями с увеличением сте-

пени изменения исчезают — превращаются в слюды или хлориты.

Преобразование каолинита идет путем надстройки слоя крем-

некислородных тетраэдров (кремнезема в растворах всегда до-

статочно), привноса и закрепления в решетке калия или натрия,

в результате чего образуются гидрослюды мусковитового или па-

рагонитового ряда и мусковит или парагонит. Таким же путем

происходит превращение аутигенных гидрослюд IM в гидрослюды

2Мь мусковит или парагонит.

У монтмориллонита диоктаэдрического идет постепенное уве-

личение роли калия в обменном комплексе катионов (взаимодей-

ствие с растворами) и закрепление калия в реШетке (подогрев

в условиях высокого давления), в результате он превращается

в гидрослюду 2Мь серицит и мусковит. Монтмориллониты триок-

таэдрические в результате привноса магния и железа и фиксации

их в решетке аналогичным способом, вероятно, превращаются

в хлорит и стильпномелан. Вероятно, в большинстве случаев эти

превращения происходят через промежуточную смешаннослой-

ную фазу.

В группе хлоритов от стадии к стадии с увеличением степени

изменения наблюдается последовательная смена политипов: Ib,

7А, lb, 14А,

= 90°, lib, 14А,

= 97°. На самой высокой стадии

изменения (поздний метагенез) преобладает политип lib.

Изменение глинистых минералов в осадочных толщах от кем-

брия до неогена Франции и Северной Африки детально изучены

Г. Дуанье де Сегонзаком '[84]. С ростом глубины погружения

(Г и ρ) каолинит переходит в диккит и накрит. Как побочный про-

цесс преобразования каолинитовых минералов отмечается илли-

тизация (гидрослюдизация) (рис. 39). Монтмориллониты превра-

щаются в гидрослюды или хлориты, соответственно при наличии

калия или магния в поровых водах и практически исчезают в зоне

метагенеза (рис. 4.0). Смешаннослойные фазы типа гидрослюда —

монтмориллонит, монтмориллонит—вермикулит неупорядоченные,

через упорядоченные смешаннослойные фазы типа аллевардита

переходят в гидрослюду, а смешаннослойные фазы типа коррен-

сит — монтмориллонит и корренсит — вермикулит — в хлорит

(рис. 41).

142.

l-rfc. 39. Эволюция минералов группы каолинита. По Г. Дуанье де Сегонзак}

[84].

/ — седиментогенез; II — ранний диагенез; III — поздний диагенез; IV

—-

анхизона; V

—

эпизона; К—каолинит; D — диккит; N — накрит; структуры: рМ — псевдомоноклинные

pMd — неупорядоченные, T — триклинные.

Рис. 40. Эволюция монтмориллонитов. По [84].

/—V —см. рис. 39; / — деградация; 2 — дегидратация; 3 — аградацйя.

Наиболее подробно изучены иллиты (гидрослюды). Терриген-

ные и новообразованные гидрослюды 1М, IMd зоны начального

катагенеза в зоне позднего катагенеза и метагенеза трансформи-

руются в гидрослюды 2Mb Эти переходы хорошо аргументиро-

ваны наблюдениями над морфологией частиц, полиморфными

143.

Изменения

на

поберхноети

Рис. 41. Эволюция смешаннослойиых минералов. По [84].

Минералы: / — смешаннослойные неупорядоченные, 2 — смешаннослойные упорядоченные,

3 — простые упорядоченные; С — корренсит; V — вермикулит; / — иллит; M — монтморил-

лонит.

модификациями и степенью их кристалличности (ширина пика

IOA гидрослюд на половине его высоты) (рис. 42).

На этой же схеме автор допускает гидрослюдизацию каоли-

нита в зоне позднего катагенеза и в зоне метагенеза. Преобразо-

вание гидрослюд включает постепенный переход алюминия в чет-

верную координацию, магния—в шестерную и заселение межсло-

евых промежутков натрием и калием для компенсации возраста-

ющего заряда слоев.

Изменения хлоритов выражаются в возрастании их термиче-

ской устойчивости и улучшении окристаллизованности.

Как видно из этого, многие положения, установленные на

объектах Франции и Африки, близки к результатам, полученным

нами на материале по территории СССР и других стран мира.

Карбонатные минералы подвергаются перекристаллизации без

привноса и с привносом вещества. Одновременно на протяжении

144.

Рис. 42. Эволюция гидрослюд. По [84].

I—V— см. на рис. 39.

обеих стадий идет осаждение карбонатов из растворов и образо-

вание их как побочных продуктов при изменении каркасных си-

ликатов и цветных слюд.

Основная масса сульфатов является седиментогенными и ди-

агенетическими минералами. В стадию катагенеза образова-

ние сульфатов наблюдается сравнительно редко и происходит

путем осаждения из растворов по трещинам и пустотам. Вто-

ричные сульфаты чаще всего встречаются в соленосных отложе-

ниях.

Сульфиды железа и тяжелых металлов также главным обра-

зом диагенетические минералы. В катагенезе и метагенезе проис-

ходит их частичное растворение и переотложение, а также обра-

зование из растворов и как побочных продуктов изменения

цветных слюд и других фемических минералов, исключение со-

ставляют нефтеносные толщи, где в катагенезе наблюдается ин-

тенсивная пиритизации в области ВНК.

Окислы и гидроокислы в большинстве своем продукты преды-

дущих стадий породообразования, в катагенезе и метагенезе они

145.

подвержены перекристаллизации и дегидратации с образованием

наиболее устойчивых модификаций — кварца, гематита, рутила

и др.

OB ископаемых углей на протяжении обеих стадий стремится

постепенно к созданию наиболее плотной и ориентированной

структуры: плоские гексагональные сетки углерода закономерно

ориентируются параллельно друг другу,, теряют поперечные связи

(радикалы и функциональные группы) и на самой высокой ста-

дии изменения (поздний метагенез и фация зеленых сланцев ре-

гионального метаморфизма) графитизируются.

2. НЕКОТОРЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ

ИССЛЕДОВАНИЙ

Исследование трансформации глинистых минералов при по-

вышенных давлении и температуре в присутствии минерализо-

ванных растворов выполнено В. А. Франк-Каменецким, Н. В. Ko-

товым и Э. А. Гойло [70].

Как показали Опыты, в калий хлоридных, сульфатных и кар-

бонатных средах при температуре 290—490

C и давлении

100 МПа каолинит превращается в смешаннослойную бейделли-

топодобную фазу, калиевую слюду — монтмориллонит и муско-

вит. По каолиниту ITk образуются слюды с преобладанием поли-

типа IM над 2Мь по диккиту — слюды с 2Μι и IM при продол-

жительности опыта 3 сут.

В тех же ρ—Г-условиях, но вместо калия в растворы вводится

натрий, и по каолиниту образуется парагонит (конечный про-

дукт).

Подобные изменения описаны в природных условиях: образо-

вание парагонитовых гидрослюд и парагонита в среднекаменно-

угольных глинистых породах Донецкого бассейна [23], в каменно-

угольных отложениях Род-Айленда в США [98].

В хлоридных и сульфатных растворах с магнием при тех же

ρ—Г-условиях и выдержке по каолиниту образуются ректорит,

смешаннослойный хлорит—монтмориллонит, тальк и кварц

(рис.43).

Каолиниты, подвергнутые стрессовому давлению от 100—200

до 500—1100 МПа без минерализованных сред, обнаружили ухуд-

шение степени совершенства структуры — разупорядочение. Та-

кое же по значению гидростатическое давление не оказывает вли-

яния на структуру каолинита.

Подобные соотношения известны в природных объектах, на ко-

торые мы уже ссылались (см. выше филлиты в протерозое Укра-

ины и др.).

Монтмориллониты в калийхлоридных, сульфатных и карбонат-

ных средах при температуре 200—500

C, давлении 100 МПа и

выдержке 1—3 сут превращаются в смешаннослойные фазы ка-

лиевая слюда—монтмориллонит и в фенгит. В средах, содержа-

щих натрий, при тех же условиях монтмориллониты преобразу-

146.

Рис. 43. Трансформация каолинита при гидротермальной обработке при рщо —

IOO

МПа, 1—3 сут. По В. А. Франк-Каменецкому и др. [70].

Поля синтеза: 1 — исходный каолинит; 2 — тот же каолинит, разупорядоченный; 3 — упо-

рядоченный смешаннослойный пирофиллит — монтмориллонит; 4 — гидральсит; 5 — анда-

лузит; 6 — пирофиллит; 7 — бейделлитовая фаза; 8 — частично упорядоченная смешанно-

слойная фаза К-слюда—монтмориллонит; 9 — мусковит; 10 — частично упорядоченная сме-

шаннослойная фаза Na-слюдэ—монтмориллонит; // — парагонит; 12 — Са-ректорит; 15 —

кальсилит; 16 — альбит; 17 — нозеан; 18 — частично упорядоченный смешаннослойный

хлорит — монтмориллонит; 20 — тальк; 25 — лейцит; 26 — натродавин; 27 — анальцим;

28 — нефелин.

ются в алюминиевые монтмориллониты, анальцим, олигоклаз,

альбит, кристобалит.

В хлоридных и сульфатных средах в присутствии магния монт-

мориллониты превращаются в смешаннослойные фазы хлорит —

монтмориллонит, серпентин, триоктаэдри'ческий монтмориллонит

и кристобалит (рис. 44).

Авторы показали, что трансформация происходит путем струк-

турных перестроек, и новообразованные минералы наследуют

фрагменты структур исходных минералов.

«Детальные рентгеновские, электронно-микроскопические и

микродифракционные исследования продуктов фазовых преобра-

147.

Рис. 44. Трансформация диоктаэдрического монтмориллонита в гидротермаль-

ных условиях при рнгО —100 МПа, 1—3 сут. По [70].

Поля синтеза 8, 16—18, 25—28 см. на рис. 43; 19 — хлорит 14 А; 21 — кварц; 35 — А1-монт-

мориллонит; 36 — исходный Alt—Mg—Fe-монтмориллонит; 37 — триоктаэдрический монтмо-

риллонит; 38 — олигоклаз; 39 — К-полевой шпат; 40 — фенгит; 42 — кристобалит; 45 — час-

тично упорядоченный смешаннослойный Mg—Al-серпентин—триоктаэдрический монтморил-

лонит; 49 — сепиолит.

зований в опытах с различной экспозицией приводят к выводу

о трансформационном характере этих процессов, когда фраг-

менты структур, исходных материалов используются новообразо-

ваниями как готовый строительный материал. В частности, заме-

щение бейделлитоподобной фазой гексагонов каолинита без су-

щественного нарушения их габитуса свидетельствует о том, что

структура исходных материалов в гидротермальных условиях не

распадается на отдельные ионы или атомы, а реагирует на внеш-

нее воздействие таким образом, что сохраняется ее главный сло-

истый мотив, осуществляется лишь местное перераспределение

первоначальных Si—О, Al—ОН и прочих связей» [70, с. 146].

Таким образом, эксперименты в лаборатории в общем под-

тверждают и достаточно хорошо согласуются с наблюдениями

в природных условиях. Некоторые различия вполне естественны,

148.

так как гидротермальный синтез осуществляется в закрытой си-

стеме («бомбы»), а в природных условиях преобладают системы

открытого и полуоткрытого типа и возможно влияние фактора

времени.

Этим, вероятно, объясняются более высокие температуры пе-

рехода глинистых минералов в слюдистые, т. е. более высокие

температуры при кратковременном воздействии (лабораторные

опыты) приводят к тем же результатам, что и более низкие тем-

пературы в течение длительного времени (природные ус-

ловия).

Вторичные изменения осадочных пород происходят законо-

мерно, но эти закономерности еще недостаточно исследованы.

Изучение процессов изменения осадочных пород наталкивается

на целый ряд трудностей, которые отмечались неоднократно на

страницах этой книги.

Одно из затруднений заключается в наличии многих незави-

симых и изменчивых факторов, определяющих характер измене-

ний: первичный состав пород, температура, давление, состав и

минерализация поровых вод, рН и Eh среды.

Если первичный состав пород можно дифференцировать —

рассматривать породы определенного состава, а температура и

давление коррелируют между собой и зависят от глубины погру-

жения, то остальные факторы, хотя и подчиняются общим зако-

номерностям, но вместе с тем могут многократно изменяться на

протяжении времени существования осадочной породы.

Другая трудность заключается в том, что большая часть ми-

нералов полигенетична — одни и те же минералы могут образо-

ваться при различных процессах. Так, например, хлориты обра-

зуются при процессах выветривания, седиментогенеза и диаге-

неза, в стадию катагенеза и метагенеза, при процессах метамор-

физма и гидротермальной деятельности. Другим примером может

служить кварц, образование которого происходит почти при всех

эндогенных и экзогенных процессах. Полигенетичны также поле-

вые шпаты, слюды, гидрослюды, каолинит, диккит, смешанно-

слойные минералы и многие другие. И даже такой минерал, как

роговая обманка, возникающая главным образом при эндоген-

ных процессах, неоднократно описывался как новообразование

в осадочных породах (глаукофановый амфибол — родусит).

Однако это обстоятельство не должно обескураживать иссле-

дователей. Имеются достаточно надежные методы, помогающие

ориентироваться в такой «неразберихе». Это, во-первых, параге-

нетический анализ и, во-вторых, изучение политипии — структур

ных различий минералов.

Рассмотрим более подробно минералы группы цеолитов. Цео-

литы, как было показано выше, используются для характери-

стики и корреляции стадий и зон вторичных изменений осадоч-

ных пород. Выделяется анальцим-гейландитовая ассоциация цео-

литов, характерная для раннего катагенеза,— зона неизмененного

глинистого вещества и ломонтит — сколецитовая, встречающаяся

149.

в породах стадии позднего катагенеза с измененным глинистым

веществом.

Вместе с тем Н. В. Рентгартен [57] описала ломонтит сов-

местно с анальцимом в нижнеюрских отложениях бассейна

р. Малки на Кавказе. По условиям нахождения и парагенезам

минералов она пришла к выводу, что цеолиты образовались

в стадию седиментогенез-диагенеза, и предлагает выделять само-

стоятельную геохимическую фацию с цеолитами, близкую к гла-

уконитовой.

К. Крук [1963 г.] отмечает в вулканогенных граувакках неоге-

новых толщ о-вов Фиджи гейландит и анальцим совместно с пре-

нитом и пумпеллиитом, которые характерны для стадии раннего

метагенеза.

В. П. Шашкина [1958 г.] описала ломонтит совместно с гей-

ландитом, томсонитом и другими цеолитами в базальтах: Волыни.

Подобные парагенезы цеолитов известны и в других месторожде-

ниях гидротермального генезиса.

Как же объяснить приведенные факты и реабилитировать цео-

литы как индикаторы степени изменения осадочных пород?

В базальтах Волыни ломонтит выделяется обычно позже хло-

рита и раньше анальцима, так как содержит включения хлорита

и интенсивно замещается анальцимом. Несколько позже ломон-

тита выделяются натролит и томсонит. Последними образуются

анальцим, гейландит, птилолит. Обнаружены две генерации

анальцима: одна ранняя, до образования всех цеолитов, другая

поздняя — анальцим этой генерации замещает ломонтит, томсо-

нит и натролит. Автор пишет: «Как показывает анализ конкрет-

ных парагенетических схем, приведенных в литературе для раз-

личных месторождений цеолитов, такие отступления от правила

Корню не являются редкостью и служат признаком пульсирую-

щего неравномерно-ритмического изменения температуры и хи-

мизма растворов...». И далее: «Гейландит и птилолит во всех изу-

ченных нами базальтовых покровах встречаются обособленно от

других цеолитов: по соотношению с другими минералами гидро-

термального комплекса с несомненностью устанавливается, что

это наиболее низкотемпературные цеолиты» [В. Н. Шашкина,

1958, г., с. 343—344].

Таким образом, в этом случае имеется строго определенная

последовательность выделения минералов из гидротермальных

растворов, связанная с постепенным понижением температуры:

ломонтит, натролит, томсонит, гейландит, птилолит, анальцим.

В первом случае, описанном Н. В. Рентгартен, еще раз мы

наблюдаем полигенетичность минералов. Обстановка, в которой

найдены эти цеолиты, парагенезы минералов, характер вмещаю-

щих пород, степень их изменения свидетельствуют о том, что ло-

монтит и анальцим образовались в диагенезе.

И наконец, нахождение гейландита и анальцима в породах

зоны пренита и пумпеллита в вулканогенных граувакках и эффу-

зивных породах о-вов Фиджи также находит себе удовлетвори-

150.