геология

ДИАГЕНЕЗ И ПРОЧЕЕ!!

Диагенез – стадия превращения осадка в породу

Осадки, накопившиеся в конечных водоемах стока и в различных наземных обстановках, превращаются в осадочную породу лишь в ходе целого комплекса изменений, составляющих содержание стадии диагенеза. Сформированные осадочные породы при дальнейшем существовании попадают под воздействие меняющейся физико-химической, геолого-гидрогеологической ситуации, что провоцирует новые превращения породы, выделяемые в две остальные стадии – катагенез и метагенез.Диагенез, катагенез и метагенез включает целую серию разнообразных постседиментационных преобразований: при диагенезе изменяются осадки, а при катагенезе и метагенезе – сами породы.Для формирования соответственно осадочных горных пород наибольшее значение имеет стадия диагенеза, объединяемая вместе с седиментогенезом в понятие литогенез (по Н. М. Страхову). Учение о стадиях осадконакопления и породообразования с разработкой понятий, их определений развивалось длительное время. В зарубежной литературе «диагенез» (суть этого слова перерождение или преобразование) принимался как совокупность всех изменений осадка, вплоть до превращения в метаморфическую породу. Отечественные литологи (Н. Б. Вассоевич, Л. Б. Рухин и др.) более дифференцировано подходили к периодизации процессов породообразования, но зачастую с разной таксономией и некоторым смещением границ выделяемых подразделений. Так М. С. Швецов «диагенез» считал стадией образования породы, но со своей спецификой в разных природных обстановках (океанические глубины, русловые условия и др.). Л. Б. Рухин объединял осадконакопление, диагенез и постдиагенетические изменения в единую совокупность процессов, называемых окаменение. В таксономии стадий образования и бытия осадочных пород присутствовали термины сигенез и эпигенез.Термин «сингенез» использовался для обозначения процессов, минералообразования стадии, предшествующей диагенезу, т.е. стадии седиментогенеза. Термин эпигенез, ранее применявшийся для обозначения изменения осадочной породы после ее образования (т.е. после диагенеза), обычно используется в геологии и учении о рудных месторождениях для определения вторичных процессов, наложенных на породу. Это обусловило появление в литологии специальных терминов катагенез и метагенез, определяющих преобразования уже сформированной породы (постдиагенетические изменения), вплоть до начала метаморфизма.Процессы осадконакопления не прекращаются с осаждением твердой фазы. Свежеосажденный осадок представляет собой неравновесную систему взаимосвязанных веществ. В результате разнородных химических и биохимических реакций, происходящих в слое осадочного материала и составляющих содержание стадии диагенеза, осадок превращается в осадочную породу.Напомним, диагенезом называют совокупность всех процессов (химических, физических, физико-химических, биохимических и геологических), обуславливающих превращение осадков в горные породы. Превращение осадков, представляющих собой многофазную и многокомпонентную систему, в осадочные горные породы, является совокупностью саморазвивающихся в различных природных обстановках процессов. Их особенности определяются исходным составом осадка, условиями среды и эволюции. Эти процессы достаточно сложны, но их изучение для формирования пород различных типов и полезных ископаемых весьма актуально.

Субаквальный диагенез

Диагенез осадков, накопившихся в водном бассейне (бассейновых осадков), происходит под постоянным покровом воды и называется субаквальным. Осадок в водном бассейне это рыхлое обводненное тело, богатое микроорганизмами. Состоит из разнородного материала жидкого, твердого и газообразного. Это неуравновешенная и неустойчивая физико-химическая система. Процессы перевода этой системы в устойчивое состояние начинаются сразу же после фиксации частиц на дне.При диагенезе происходит гидрофильная коагуляция дисперсного материала, появляется вязкость, упругость, прочность, наблюдается дегидратация и переход в кристаллическую форму коллоидных соединений. Многообразные биогеохимические превращения, разложение органического вещества продуцируют редукционные (восстановительные) процессы окисных и гидроокисных соединений железа, марганца, других элементов, сульфат-ионов, сопровождаются увеличением роли его связанных форм и появлением углеводородов. Обменные реакции между поглощенным комплексом глинистых минералов и катионами иловых вод меняют минеральный состав и минерализацию поровых растворов. Отмечается уменьшение влажности, пористости, гидрофильности.С позиций биогеохимии выделяются аэробные и анаэробные процессы. Анаэробная обстановка приводит к деструкции первично захороненных органических соединений при участии микроорганизмов разных классов, в первую очередь сапрофитов (бактерии, грибы). Аэробное разложение органического вещества с потреблением молекулярного кислорода приводит к смене окислительной обстановки на восстановительную.

По представлениям Н. М. Страхова в диагенезе выделяются 3 основных группы процессов:

взаимодействие осадка с наддонной средой;

образование диагенетических (аутигенных) минералов;

процессы перераспределения вещества осадка.

На всем протяжении стадии диагенеза важно уплотнение осадка (литификация) , начинающееся после его перекрытия слоем вышележащих накоплений и продолжающееся в дальнейшем одновременно с перекристаллизацией дегидратацией минералов.Взаимодействие вещества осадка с наддонной водой происходит вследствие отсутствия физико-химического равновесия состава наддоной воды и осадка из-за идущих в нем (осадке) процессов. При отсутствии доступа свободного кислорода и наличии в осадочном материале органического вещества наступает вспышка деятельности сульфатредуцирующих бактерий. В осадке уменьшается содержание сульфат-ионов, появляется аммиак и метан. Уменьшение содержания сульфат-иона в осадке приводит к миграции его вследствие разности концентраций, из наддонной воды в осадок. Одновременно газы, образовавшиеся в осадке (метан, аммиак и др.), диффундируют в придонную воду. В морях кальцитовые частицы осадка взаимодействуют с морской водой. В результате растворенный в воде магний частично замещает кальций, образуя кальцит магнезиальный. Данные примеры демонстрируют первую группу процессов диагенетических преобразований осадков – их взаимодействие с наддонной водой. Этот обмен компонентами между наддонной водой осадком захватывает осадок на глубину нескольких метров. Отсутствие однозначной трактовки в обозначении границ стадии диагенеза, определяет отнесение рассмотренной группы процессов В. Т. Фроловым к явлениям гальмиролиза – подводного выветривания.Образование диагенетических минералов составляет вторую группу характерных для диагенеза процессов. Они обусловлены взаимодействием между компонентами осадка, а также вещества осадка с наддонной водой. В результате в отдельных участках водонасыщенного осадка некоторые растворенные соединения достигают предела насыщения, что приводит к образованию новых атигенных диагенетических минералов. Такими минералами являются лептохлориты; карбонаты железа, марганца; сульфиды железа, меди, свинца, цинка; фосфаты кальция, железа. Таким путем возникает подавляющее число аутигенных минералов. Лишь некоторые из них (кальцит, опал, галогениды и др.) возникают в стадию седиментогенеза.После образования основной массы аутигенных минералов в осадке продолжает оставаться пестрота физико-химических условий: кислотности-щелочности, окислительно-восстановительного потенциала, концентраций компонентов. Начинают действовать процессы перераспределения вещества осадка. Отдельные соединения под воздействием разности концентраций (градиент концентраций) начинают мигрировать из участков высоких содержаний в участки, где содержания более низкие. В результате происходит цементация осадка, образование стяжений, конкреций кальцита, сидерита, марказита, опала, фосфорита, а также образование отдельных слойков, обогащенных аутигенными минералами. Многие стяжения диагенетических минералов имеют вид неправильных желваков, ветвистых трубочек.Н. М. Страхов считает, что для диагенеза характерно сочетание грубой переработки вещества осадка со слабо выраженным общим уплотнением и спорадическим пятнистым окаменением. Средой интенсивного действия процессов диагенеза является иловая вода, насыщающая осадок. По мере его уплотнения происходит обезвоживание и существенное падение интенсивности диагенетических изменений. Иловая вода отжимается в песчаные пласты-коллекторы.Нельзя не отметить особенности действия микроорганизмов при диагенезе. Микробиологические процессы с участием аэробных и анаэробных организмов признаются в качестве универсального и распространенного механизма постседиментационного превращения осадков, и в первую очередь на стадии диагенеза. Наиболее интенсивна микробиологическая активность в верхнем слое осадка мощностью в нескольких десятков сантиметров.Общий ход диагенеза будет различным для разных комплексов осадков и для литогенетических типов в пределах комплекса. Установлено, что известняки, доломиты и многие силициты литифицируются, т.е. обезвоживаются, превращаясь в плотные породы быстрее, чем глины. Известковые отложения рифов литифицируются практически одновременно с их образованием. Интересны наблюдения над особенностями проявления диагенеза современных осадков, позволяющие определить нижнюю границу зоны его действия. Во внутриконтинентальных морях до глубин 300-320 м современные отложения сохраняют свойства осадка и имеют неупорядоченную структуру, в ряде прослоев текучую консистенцию с обилием гравитационной воды. Считается, что такое состояние осадка отвечает условиям раннего диагенеза. По мере погружения на глубину (прослеженный интервал составляет 1300 м) устанавливается вертикальная зональность степени проявленности изменений стадии диагенеза. Через зону с начальным проявлением диагенеза (ранний диагенез, интервал 300-320 м) наблюдается переход к зоне четко выраженных диагенетических изменений с переориентацией частиц осадка, образованием стяжений аутигенных минералов. Гравитационная вода присутствует в стабильном состоянии в виде выполнения поровых пространств, не проявляя видимой текучести. Подобная обстановка сохраняется и в нижележащей зоне оформления основных текстурно-структурных признаков и минерального состава формирующейся породы. Поровые воды находятся в состоянии стабильного равновесия с породой, которое еще, однако, отсутствует на отдельных участках. Скорее всего формирование состава пород и поровых растворов заканчивается на глубинах порядка 1000 м в условиях спокойной тектонической обстановки и относительной выдержанности литолого-фациального облика осадков. Давление, как фактор уплотнения, одного из признаков перехода осадка в породу, сказывается на физико-химических условиях процесса диагенеза, обособления воды в поровых пространствах формирующейся и сформированной породы. Именно на указанной глубине (1000 м и более) происходит четкое обособление водной и твердой фаз осадка с изменением той и другой в результате преобразований стадии диагенеза. Это явление окончательного разделения твердой и жидкой фаз осадка можно считать завершением основного комплекса явлений диагенеза. Конечная граница стадии диагенеза для разных пород и бассейнов может отличаться. Преобразование органического вещества, его минерализация – процесс более длительный, нежели изменение минеральной части породы.Условия диагенетических изменений морских и океанических илов батиальной и абиссальной области характеризуются давлениями порядка 20-30 кг/см2 и выше и температурой 40С. В ходе процесса превращения осадка в породу (субаквальный диагенез) реализуется зависимость структурных и вещественных свойств осадка от характера рельефа дна, его морфоструктурных особенностей и гидродинамической ситуации. Скорость превращения осадков в породу различна. Глинистые илы переходят в глину при погружении на первые десятки метров в течение 1-2 млн. лет. Диагенез океанических осадков протекает еще медленнее.Таким образом, диагенетические преобразования происходят в осадочных системах за счет энергии самой системы – твердое вещество – газово-жидкий раствор, накопившийся еще при седиментогенезе. Движущей силой являются внутренние противоречия в вещественном составе осадков. Известно, что неравновесная физико-химическая система, согласно законам термодинамики, будет подвергаться изменениям с самопроизвольным высвобождением энергии. Эта энергия определяется изменением энтальпии (ΔH) – величиной противонаправленных сил удержания и разрушения связей атомов, их групп и ионов. В процессе приведения системы в состояние равновесия при постоянном давлении выделяется энергия (ΔF), названая Гиббсом «свободной энергией» (изобарно-изотермический потенциал). Если при этом ΔF реакции величина отрицательная, то процесс идет самопроизвольно, а продукты реакции являются в данной обстановке более устойчивыми, нежели реагенты.В энергетике зон диагенеза большую роль играет окислительно-восстановительный потенциал, определяемый соотношением масс окислителей (кислород, оксиды, гидроксиды и др.) и восстановителей – сероводород, сульфиды, водород, в первую очередь органическое вещество. Биологические формы выступают в качестве биологических катализаторов и непосредственных участников процессов минералообразования, а концентрация в осадке органического вещества рассматривается как процесс накопления энергии.

Субаэральный диагенез

Субаэральные осадки – это слои осадочного материала, образовавшиеся в наземных обстановках, в условиях действия воздуха, метеорных вод и органического мира. В процессе накопления осадка и после его отложения атмосферная влага, проникая внутрь слоя, образует нисходящий сток. В гумидном климате этот сток действует постоянно, в аридном – периодически, сменяясь в засушливый период восходящим потоком почвенных вод. Близ поверхностные воды содержат кислород и углекислый газ, органические кислоты, т.е. компоненты, являющиеся главными факторами выветривания. Поэтому свежеотложенные слои осадков в субаэральной обстановке сразу же подвергаются выветриванию.Процессы выветривания, проявляющиеся близседиментационно, влияют на субстрат осадка. Пород, попадающих в термодинамические условия диагенеза по мере перекрытия вышележащими накоплениями, слоями с изоляцией от непосредственного влияния агентов поверхностного воздействия. На примере диагенеза осадков, накапливающихся в субаэральной обстановке, видно, что стадия диагенетических преобразований не всегда закономерно сменяет стадию седиментогенеза. Зачастую диагенетические изменения преобразует континентальные наземные осадки. В той или иной степени мобилизованные выветриванием, и в свою очередь отражают влияние климата и биологической жизни периода, соответствующего времени прекращения осадконакопления.Диагенез в субаэральных условиях характерно для всех климатических, геоморфологических зон, проявляется со своими специфическими особенностями и зависит в существенной степени от генетического типа осадка, условий его накопления и постседиментационного существования. Не случайно Н. М. Страхов считал, что единый принцип типизации литогенеза для всего многообразия и видов осадконакопления не приемлем.Из-за своеобразия наземных обстановок диагенез в субаэральных условиях протекает в другой форме и по-другому, нежели в субаквальных.Субаэральные осадки гумидных поясов наряду с выветриванием в той или иной степени изменяются под действием промывающей их воды. В аридных же условиях выветривание сопровождается засолением, огипсованием или карбонатизацией под действием восходящего тока почвенных вод. Только после перекрытия отложившегося слоя вышележащими осадками начинаются процессы уравновешивания компонентов с противоположными свойствами, которые еще сохранились в осадке после выветривания. Конечный результат диагенетических преобразований субаэрального осадка в определенной мере зависит от интенсивности прошедших процессов выветривания. Однако подобный вывод правомочен не всегда. Наблюдения показывают, что диагенетические изменения субаэральных угленосных аллювиальных толщ не отличаются от бассейновых. Они происходят с образованием тех же минеральных форм (сульфидов, силикатов, карбонатов, закисного железа и др.), что и в подвергнутых диагенезу осадках водных бассейнов. В толщах отложений аридных зон, содержащих малое количество захороненной органики, как животного, так и растительного происхождения, диагенез не приводит к существенному преобразованию осадков. Тем не менее, всегда диагенетическая стадия в субаэральных осадках проявлена и выражается в уплотнении, разрушении органического вещества, в появлении пятен, кайм окисления, восстановления и т.д. к субаэральным продуктам литогенеза относятся также коры выветривания, которые после и во время образования подвергаются уплотнению, например, латерит, каолинит, с некоторым перераспределением вещества под действием почвенных вод и атмосферных осадков.Основываясь на взаимосвязи условий осадконакопления и специфики диагенеза в разных обстановках, М. С. Швецов выделил, как своеобразную форму постседиментационных изменений осадков – экзодиагенез, осуществляющийся не под покровом воды, а в поверхностной среде. К данной категории процессов М. С. Швецов относил диагенез в отложениях русел и пойм рек, при формировании лёсса и различных других континентальных глин, суглинков, песков, высыхание поднявшихся над уровнем морского бассейна, натечно-туфовых образований. При этом были отмечены трудности в разграничении продуктов выветривания – элювия, в частности химического элювия – кор выветривания, и продуктов процессов экзодиагенеза. Но здесь есть два заметных отличия. Элювий, механический и химический, тесно связан с материнской породой, имея зачастую переходную зону структурного элювия. Экзодиагенез – это, прежде всего, превращение в породу переотложенного, подвергнутого переносу рыхлого материала, потерявшего связь с породившей его средой. Движущей силой экзодиагенеза, как и диагенеза любого другого вида, являются противоречия между средой отложения и привнесенными рыхлыми продуктами, а также изменения физико-химических параметров среды пребывания формирующейся породы по мере перекрытия новыми порциями осадка.Рыхлые же элювиальные продукты остаются в условиях своего образования, а развитие хемоэлювия, кор выветривания, идет по пути наращивания формирующихся зон за счет вовлечения в однонаправленный процесс новых порций вещества исходной породы. Своеобразен при этом и физико-химический процесс формирования конечного продукта, продолжающего оставаться на месте, и являющегося результатом метасоматоза.

ПОСТДИАГЕНЕЗ!

Изменения осадочных пород, происходящие после диагенеза и до метаморфизма, называются катагенезом. В нем различаются две стадии: катагенез и метагенез. На стадии катагенеза породы, преобразуясь под действием повышенного давления, температуры, подземных вод и поровых растворов, остаются собственно осадочными горными породами. При метагенезе происходят более интенсивные их изменения, приводящие к образованию метаморфизованных пород.В процессе катагенеза и метагенеза происходит уплотнение пород, отжатие из них воды, изменяется минералогический состав. Так, для глинистых минералов при этом характерны гидрослюдизация каолинитов, появление хлорита, исчезновение монтмориллонита. Все это приводит к увеличению объемного веса осадочных пород, уменьшению их пористости, снижению проницаемости, изменению физико-механических свойств.Особенно интенсивно уплотняются глинистые породы. К концу диагенеза пористость их в среднем достигает 40%, с глубиной она закономерно снижается, а максимально уплотненные аргиллиты без заметных признаков метаморфизма имеют пористость не выше 3—5%.Менее закономерно уплотняются песчано-алевритовые породы: кварцевые и кварцполевошпатовые пески с первоначальной пористостью 36—48% снижают ее под давлением 3000 кГ/см2 всего до 21—28%. Гораздо интенсивнее упрочнение этих пород происходит при цементации порового пространства. На больших глубинах возможно дробление песчаных зерен и превращение их в пыль.Существенные преобразования испытывают карбонатные породы.Для них характерно изменение минералогического состава вследствие окремнения или доломитизации, перекристаллизация, появление вторичных структур. Благодаря этому значительно меняется их прочность. Кристаллические доломитизированные известняки Енисейского кряжа имеют прочность на сжатие свыше 1500 кГ/см2, а прочность пелитоморфных известняков того же района редко превышает 600 кГ/см2 (Голодковская, 1968).Преобразование осадочных пород в процессе литогенеза можно подразделить на несколько стадий. Для каждой из них характерны свои изменения состава, структуры и свойств осадочных горных пород. Степень литификации глинистых грунтов существенно определяет их свойства. Еще в 1956 г. В. Д. Ломтадзе предложил инженерно-геологическую классификацию глинистых пород с учетом степени их литификации. Им выделено пять групп пород: предельно малой, малой, средней, высокой и предельно высокой степеней литификации и дана краткая характеристика инженерно-геологических особенностей каждой группы. K первой группе отнесены различные илы (супесчаные, суглинистые и глинистые, непылеватые и пылеватые). Обычно они имеют жидкую или вязко-текучую консистенцию, очень высокую пористость и влажность (75—80%). Свободная вода в илах преобладает над связанной и легко из них выжимается. Илы свободно уплотняются, имеют предельно малую прочность и обладают способностью тиксотропных превращений.Глинистые породы малой степени литификации имеют вязко-текучую или пластичную консистенцию, по-прежнему высокую пористость и влажность (40—80%); для них характерны явления ползучести. В эту группу входят мягкие, малоуплотненные глинистые породы и лёссы.Третью группу составляют уплотненные разности глинистых пород, для которых характерны умеренная естественная влажность (до 25—30%) и значительная плотность (пористость не превышает 40—45%). Породы имеют пластичную или полутвердую консистенцию, содержат только связанную воду.К четвертой группе отнесены породы высокой степени литификации, типичными представителями которых являются аргиллиты. Они характеризуются невысокой влажностью (до 12—15%), значительной плотностью (объемный вес скелета достигает 2,40—2,50 Г/см2), обладают прочными кристаллизационно-конденсационными связями. Породы обладают некоторой жесткостью, но иногда тугопластичны; временное сопротивление сжатию не превышает десятков кГ/см2.К группе пород предельно высокой степени литификации отнесены сланцеватые аргиллиты и некоторые глинистые сланцы. Естественная влажность их не превышает 3—4%, объемный вес скелета близок к удельному весу. Породы обладают прочными кристаллизационно-конденсационными связями; их временное сопротивление сжатию измеряется сотнями кГ/см2.И. Г. Коробанова (1965) и Г. Г. Ильинская (1969) в своих исследованиях показали, что наибольшее влияние на прочность глин первых трех групп литификации оказывает их влажность. С повышением степени литификации величина прочности в значительной мере зависит от микротекстуры. Кроме того, значительное влияние на прочность глин оказывает присутствие в них рассеянных соединений железа, карбонатов, органических веществ. Все это свидетельствует о сложности процессов, протекающих в глинистых породах в процессе их формирования.