Тема 5. Процессы и продукты преобразования осадочного материала на стадии катагенеза

Вспомним, что стадия катагенеза — это стадия литогенеза, которая следует за стадией диагенеза и предшествует либо стадии метагенеза, переходной к метаморфизму, либо гипергенным преобразованиям. Весьма длительная катагенетическая стадия преобразования осадочного вещества отвечает зоне катагенеза, которая представляет собой огромную область геологического пространства, характеризующуюся наличием и деятельностью собственно подземных вод, в отличие от зоны диагенеза, где воды — иловые, от зоны гипергенеза, где воды — вадозные, и зоны весьма глубоких преобразований осадочного материала (метагенеза и/или метаморфизма), где вода находится в надкритическом состоянии и не может быть названа жидкой водой в обычном понимании. Зона катагенеза простирается в недра Земли до отметок 5–25 км, а на докембрийских платформах её нижняя граница совпадает с кровлей кристаллического фундамента.

Подтема 5.1.  Факторы катагенеза

Традиционные представления о факторах катагенеза таковы, что если 100 геологам задать вопрос, каковы основные факторы катагенеза, то 90 из них ответят, что это температура и давление. Сейчас, однако, наступает всё большее и большее осознание того, что не менее важным фактором катагенеза являются подземные воды. Кроме того факторами катагенеза следует считать тектонические движения и время. Рассмотрим факторы катагенеза, уделив особое внимание рассмотрению подземных вод, поскольку практика показывает, что современные литологи весьма слабо знают состав, особенности движения и происхождения подземных вод. [А в доступной сегодня непосредственному изучению части геологического пространства нет породы без воды и нет воды без породы. Эти две природные субстанции являются объектами изучения разных наук (литологии и гидрогеологии) только потому, что находятся в разном физическом состоянии. Между тем они активно взаимодействуют и в первую очередь на стадии катагенеза. Изучение литологами только твёрдой, а гидрогеологами только жидкой части единой системы  порода – вода  не даёт адекватного представления об этих взаимодействиях.] Одним словом, новые литологи должны знать подземные воды лучше, чем их знают современные литологи.

1. Температура

Температура имеет очень большое значение для катагенетических преобразований пород. От температуры сильно зависит растворимость минералов и газов, а также скорость химических реакций. Растворимость большинства минералов увеличивается с ростом температуры, реже, например кальцита, снижается. Температура определяет фазовые переходы воды. При температуре более 75С замирает деятельность микроорганизмов. Изменение температуры сказывается на особенностях физической структуры воды. Это выражается, к примеру, в изменении её вязкости, важного параметра, определяющего движение воды, её проникающую способность. При увеличении температуры усиливается диссоциация воды, и область нейтральной реакции сдвигается в сторону меньших значений рН. Так при температуре 90С рН чистой воды будет равен не 7, как при 22С, а 6,2.

Если у 100 геологов спросить, при каких температурах протекают процессы катагенеза, то 90 из них ответят: при повышенных или высоких. Однако это не совсем так. Если мы примем температуру в 20С за нормальную, и посмотрим, где в геологическом разрезе она достигается, то мы увидим примерно такую температуру на глубине в 1 км в Припятском прогибе, в Камском Приуралье, в Башкирии, во многих других регионах. А в Оршанской впадине такая температура достигается только на глубинах около 1,5 км. Выше указанных отметок температура, естественно, ниже. Вместе с тем, очевидно, названные нами глубины, несомненно, отвечают зоне катагенеза. Поэтому надо полагать, что протекание процессов катагенеза при “комнатной” температуре — это рядовое явление. Вообще же диапазон температур в зоне катагенеза такой: от близких к поверхностным до 375–450С. Надо отметить, что температуры, отражающие нижнюю границу катагенеза, непосредственно замерены лишь в очагах современного вулканизма, где температура парогидротерм достигает 400С. В других регионах зоны с такими температурами скважинами пока не достигнуты. В Беларуси, например, максимальная замеренная температура составляет 116,5 С на глубине 3500 м в скважине Барсуковская-3 в Припятском прогибе. [Для интересующихся укажем, что минимальная температура подземных вод, зарегистрированная сегодня, отнюдь не 0 и не 4С, как можно было бы предположить, а –16С. Такова температура высокоминерализованных рассолов вечномерзлых пород].

Распределение и величина температур в геологическом разрезе зависят от многих факторов. Это тектонический режим региона, состав пород, слагающий разрез, гидрогеологические условия и др. Особенности распределения температур в недрах в общих чертах таковы. В самом верху геологического разреза находится слой, температура в котором меняется в зависимости от сезона. Ниже располагается слой постоянной температуры, которая примерно равна среднегодовой температуре воздуха в этом месте. Мощность этого слоя от 1 до 25 м в разных регионах. По мере углубления в недра от этого слоя температура повышается. Расстояние, необходимое для увеличения температуры на 1С, называется геотермической ступенью, а прирост температуры в пределах определённого интервала глубин (100, 1000 м) — геотермическим градиентом. Среднее значение геотермической ступени для Земли — 33 С, геотермического градиента — 30С/км. В геосинклинальных областях, особенно в молодых альпийских горных сооружениях, в современных рифтовых бассейнах геотермический градиент значительно выше, а на древних щитах — значительно ниже. На Канадском щите значение геотермического градиента составляет 8С/км, в тектонически активной Японии — 42–50С/км, в Северо–Мексиканском рифтовом бассейне достигает 100С/км, в разрезе современной рифтовой системы Красного моря он ещё выше. Геотермический градиент в Припятском прогибе равен 29С/км. В осадочном чехле океанов средний геотермический градиент около 60–70С/км.

Заканчивая рассказ о температуре как факторе катагенеза, отметим важный для понимания дальнейшего материала момент. Мы сейчас говорили только о современных температурах. Но литолог, восстанавливающий историю катагенеза, как правило, имеет дело с древними породами и с процессами, которые протекали в геологическом прошлом. Пластовые температуры в геологическом прошлом могли быть существенно отличными от современных. Так, Припятский прогиб сегодня является частью Припятско–Днепровской синеклизы — тектонически спокойной структуры Восточно–Евро­пейской платформы. Но в период с позднего франа по средний триас это был рифтовый бассейн, напоминавший современный рифт Красного моря. Температуры здесь должны были быть и были существенно выше, чем современные. Специальные палеотермические исследования, которые проводятся с использованием методов отражательной способности рассеянного органического вещества и термометрии газово–жидких включений в минералах и о которых мы ещё будем говорить, показали, что пластовые палеотемпературы в девонских отложениях Припятского прогиба достигали 200–220С.