Лекция 5.3.3. Преобразование карбонатных и эвапоритовых отложений

Главная особенность карбонатных и особенно эвапоритовых отложений, которая существенна для их катагенеза, это более высокая по сравнению с терригенными отложениями растворимость слагающих их минералов. Поэтому карбонаты и эвапориты отличаются повышенной предрасположенностью к катагенетическим преобразованиям.

Преобразование карбонатов

Основными процессами катагенеза, которые управляются преимущественно термобарическим фактором, для карбонатных отложений являются различные виды уплотнения (механическое уплотнение, растворение под давлением), перекристаллизация, цементация, гидролиз. Причём, ведущую роль во всех преобразованиях, за исключением последнего, играет давление.

1.  Механическое  уплотнение  и  растворение  под  давлением.  Выделяется два типа уплотнения карбонатных отложений, оба из которых обусловлены ростом нагрузки накапливающихся пластов или, реже, тангенциальными напряжениями, связанными с тектоническими дислокациями. Первый — механическое уплотнение, которое заключается в более плотной упаковке зёрен, их деформации и переориентации без участия химических процессов. Второй тип — растворение под давлением, которое приводит к уменьшению объёма зёрен и кристаллов цемента и таким образом обусловливает более плотную упаковку зёрен.

Ранее мы рассмотрели процесс уплотнения глинистых отложений и убедились, что для них, в связи с очень медленной литификацией, процесс механического уплотнения на стадии катагенеза весьма существенен. Как же обстоит дело с карбонатами, многие фациальные типы которых (рифогенные, надприливные, межприливные, подприливные мелководные) литифицируются быстро? Насколько важен процесс механического уплотнения для понимания их катагенетических изменений?

Есть три стороны ответа на этот вопрос.

1) При накоплении толщи карбонатных отложений в устойчиво прогибающихся бассейнах развиваются столь высокие давления нагрузки вышележащих пластов, что процесс механического уплотнения проявляется даже в консолидированных карбонатных породах. Кроме того, протекающие на стадии катагенеза процессы растворения карбонатов с образованием полостей, ослабляя каркас породы, дают дополнительную возможность для механического уплотнения.

2) Рассматривая гравитационное уплотнение глинистых отложений, мы отмечали, что присутствие карбонатной примеси ускоряет завершение этого процесса. Точно так же, добавка глинистой примеси к карбонатному материалу способствует растягиванию процесса механического уплотнения на больший диапазон глубин и на больший отрезок времени. Типичное выражением процесса механического уплотнения являются, например, часто встречающиеся уплощённые форменные элементы карбонатных пород, например оолиты (рисунок 1 из Chanda).

3) Во многих случаях карбонатные отложения, накапливающиеся в любых фациальных условиях, достаточно неоднородны по составу, что может быть связано как с условиями осадконакопления, так и диагенеза. Следствием этого бывает разная скорость литификации в разных зонах пласта. Поэтому в одних зонах пласта механическое уплотнения может быть проявлено сильнее, в других слабее. Типичный пример такого неоднородного распределения процесса механического уплотнения можно наблюдать в пластах содержащих конкреции (рисунок 2 из Chanda).

Таким образом, процесс механического уплотнения играет важную роль в катагенезе карбонатных отложений.

Не менее важную роль играет процесс растворения под давлением. Он, подобно аналогичному и рассмотренному выше процессу в песчаных породах, является результатом повышенной растворимости карбонатов в водной плёнке на контактах между их зёрнами. Поскольку карбонатные минералы растворимы значительно лучше кварца и полевых шпатов, то в карбонатных отложениях процесс растворения под давлением начинается уже в диагенезе и активно развивается в начальном катагенезе т.е. значительно раньше, чем в терригенных породах. Так же, как и в песчаниках, в карбонатных породах можно наблюдать конформные, выпукло–вогнутые и сутурные контакты между зёрнами (рисунок 3 из Bathurst).

В связи с неоднородностью пород и неоднородным распределением в них давления процессу растворения могут подвергнуться а) отдельные зёрна, б) форменные элементы (оолиты, желваки, раковины и проч.) пород, в) значительные участки породы, включая и форменные элементы, и цементирующую массу. В последнем случае образуются стилолиты, хорошо заметные в образцах невооруженным глазом, так как в стилолитовых швах концентрируется нерастворимый рассеянный в породе глинистый материал. Масштабы проявления процесса растворения в трёх указанных случаях разные, но суть явления одна и та же. В тех случаях, когда отложения ещё не вполне литифицированы, места проявления процесса растворения могут быть ограничены стыками наиболее твёрдых компонентов, например оолитов (рисунок 4 из Chanda). Когда порода уже полностью консолидирована, процесс распространяется и на цементирующую массу с образованием настоящего стилолита (макростилолита) (рисунок 5 из Chanda).

Американские литологи Т.М. Бакстон и Д.Ф. Сибли предлагают различать три основных типа форм растворения под давлением: собственно стилолиты, швы растворения и “армированную” текстуру (рисунок 6 Buxton, Sibley в комбинации с Bathurst). Собственно стилолиты, среди которых встречаются формы с разной амплитудой и частотой зубцов, характерны для массивных, почти без глинистой примеси, быстро литифицирующихся карбонатов. “Арматурная” текстура в сочетании со швами растворения присуща слоистым, более глинистым, медленно литифицирующимся карбонатным отложениям.

Процесс растворения под давлением может приводить к растворению значительных объёмов карбонатного материала, к изменению структуры и текстуры отложений, к образованию своеобразной неседиментационной слоистости пород. Рисунок 7 (Beiersdorf) демонстрирует, как в результате этого процесса происходит сокращение карбонатного разреза и слияние нескольких стилолитовых швов в один.

Поскольку растворение под давлением — это процесс, который протекает главным образом в литифицированных (твёрдых) зонах карбонатных пластов, именно в таких зонах создаются условия для развития давления на межзерновых контактах, то механическое уплотнение часто предшествует растворению под давлением (рисунок 8 Moller). С другой стороны, в неоднородных карбонатных породах разные составные части характеризуются разной податливостью растворению и механическому уплотнению. Поэтому нередко обнаруживаются признаки одновременнного (параллельного) протекания процессов и механического, и химического уплотнения. Такой случай показан на рисунке 9 (Meyers).

Процесс растворения под давлением чаще всего протекает под воздействием давления перекрывающих отложений, т.е. под влиянием давления, которое направлено нормально или почти нормально к горизонтальной поверхности (слоистости пород). Однако этот процесс развивается и при развитии бокового (тангенциального) давления. Это бывает в зонах тектонических нарушений. Свидетельством такого явления бывают, к примеру, негоризонтальные стилолиты (рисунок из моих архивов) и своеобразная форма карбонатных желваков (рисунок 10 Moller) в карбонатных породах.

2.  Перекристаллизация.  Это метасоматическое замещение одних кристаллических зёрен другими кристаллическими зёрнами того же химического состава. Процесс протекает через фазу растворения, которое сопровождается немедленной кристаллизацией. Чаще всего перекристаллизация ведёт к укрупнению кристаллической структуры породы. Этот тип процесса обычно называют просто перекристаллизацией. Реже применяют термин “собирательная перекристаллизация”, тем самым подчеркивая, что малые зёрна как бы собираются в большие. В зарубежной литературе в таких случаях говорят об “аградационном неоморфизме”. В тех случаях, когда перекристаллизация сопровождается уменьшением размера зерна, в русскоязычной литературе применяется термин “грануляция”, а в западной — “деградационный неоморфизм” (или “микритиза­ция”).

Собирательная перекристаллизация.  Для описания процесса важно знать морфологические типы перекристаллизации. Существует ряд классификаций морфологических типов перекристаллизации. Рассмотрим одну из наиболее удачных схем, разработанную Г.А. Каледой и Е.А. Калистовой (рисунок). [Кстати важно заметить, что заведомо не перекристаллизованной считается карбонатная порода пелитоморфной структуры, т.е. с размерами кристаллов <0,01 мм; такие кристаллы неразличимы в поляризационном микроскопе при любых увеличениях].

Рассеянная перекристаллизация характеризуется тем, что среди микрозернистой или пелитоморфной массы наблюдаются отдельные более крупные карбонатные зёрна. Довольно часто этот тип перекристаллизации наблюдается в пелитоморфных и микрозернистых тонкослоистых известняках с примесью мелкодетритового материала.

Агрегатно–рассеянная перекристаллизация отличается от предыдущего типа тем, что более крупные зёрна карбоната образуют скопления (агрегаты) среди микрозернистой и/или пелитоморфной массы. Этот тип перекристаллизации характерен для тех же типов пород, что и рассеянная, и представляет собой её развитие.

Прожилковая перекристаллизация свойственна таким породам, в которых среди микрозернистого карбонатного материала наблюдаются прожилки более крупнозернистой структуры. Прожилки перекристаллизации отличаются нечёткостью ограничений от обычно чётко обособленных в породе трещин, выполненных карбонатными минералами. Вместе с тем, надо себе представлять, что в ряде случаев прожилковая перекристаллизация развивается по тонким трещинам.

Кружевная перекристаллизация — это дальнейшее развитие агрегатно–рассеян­ной и прожилковой перекристаллизации. Скопления более крупных карбонатных кристаллов в виде различных узоров разъединяют микрозернистую массу на отдельных участках.

Пятнистая перекристаллизация выражается в возникновении сравнительно крупных скоплений перекристаллизованных зёрен среди микрозернистой массы. От агрегатно–рассеянной перекристаллизации она отличается более крупным размером участков, сложенных перекристаллизованным карбонатом.

Сплошная перекристаллизация — результат наиболее далеко зашедшего процесса. При этом порода оказывается перекристаллизованной полностью. Иногда в ней остаются реликты неперекристаллизованного или слабо перекристаллизованного карбоната, в частности в виде форменных элементов таких, как,например, пеллеты.

Пойкилитовая перекристаллизация характеризуется тем, что отдельные, порой весьма значительные, участки породы оказываются сложенными монокристаллическим карбонатом или зёрнами с одинаковой оптической ориентировкой, в которые включены фрагменты более мелкозернистого карбоната.

Основными факторами собирательной перекристаллизации являются а) содержание примеси глинистого и органического вещества; б) структурно–текстур­ные особенности пород; в)  давление и температура; г)  подземные воды.

Примесь глинистого материала и органического вещества оказывают тормозящее влияние на перекристаллизацию, так как затрудняет доступ к зёрнам водных растворов, в среде которых происходят процессы растворения и осаждения вещества, составляющие суть перекристаллизации. Кроме того, глинистая и органическая примесь обладая по своей природе пластическими свойствами, затрудняет развитие давления на контактах между карбонатными зёрнами, что необходимо для развития перекристаллизации.

Структурно–текстурные особенности пород тесно связаны с содержанием в них некарбонатных примесей. Относительно глубоководным тонкослоистым известнякам, которые обычно бывают глинистыми, битуминозными и изначально обладают пелитоморфной структурой, присуща зачаточная перекристаллизация или даже её полное отсутствие. Для мелководных массивных известняков с органогенными текстурами, которые, как правило, содержат мало глинистой примеси и ещё от стадии диагенеза наследуют больший размер зерна и большую пористость, чем тонкослоистые депрессионные известняки, характерна более развитая перекристаллизация.

Комбинированное влияние термобарического фактора (главным образом давления) и фактора подземных вод на катагенетическую перекристаллизацию выражается, прежде всего в том, что она инициируется процессом растворения под давлением в водной межзерновой плёнке.

Рост давления и температуры способствуют развитию перекристаллизации. Роль этого фактора особенно отчётливо проявляется в зоне метаморфизма, где в результате этого процесса осадочные карбонатные породы превращаются в мраморы.

[В данной лекции мы рассматриваем перекристаллизацию, которая имеет место в процессе погружения пород. В верхних частях зоны катагенеза, где функционируют быстро движущиеся пресные инфильтрационные подземные воды, также протекает процесс преобразования карбонатных пород с увеличением размера зёрен. Однако перекристаллизация ли это? Здесь укрупнение структуры карбонатов не связано с процессом растворения под давлением и выражается в растворении и переотложении карбонатного материала движущимся водным потоком. Этот процесс, по–видимому, представляет собой не перекристаллизацию, а комбинацию разорванных во времени процессов растворения и цементации].

Грануляция.  Процесс грануляции, т.е. перекристаллизации с уменьшением размера зерна, распространён гораздо реже, чем собирательная перекристаллизация. Грануляция неоднократно описывалась для органогенных отложений, где она затрагивает обычно скелеты животных и растительные остатки и выражается в замещении крупнозернистого материала морских лилий, мшанок и водорослей мелкими карбонатными зёрнами и агрегатами или даже бурой изотропной массой. Однако такие преобразования в основном свойственны обстановкам диагенеза, протекают при низких температурах и давлениях.

Вместе с тем, установлены подобные явления и для разных, в том числе весьма глубоких частей зоны катагенеза. (Рисунок для книги можно взять из Dixon, Wright, 1983). Причём, нередко существенную роль в грануляции играют тектонические напряжения. Перекристаллизация с уменьшением размеров крупных кристаллов сопровождает их деформацию, которая проявляется в волнистом погасании, искривлении и развитии двойников. Грануляция в значительной мере связана с разрядкой напряжений, длительное время накапливающихся в кристаллах.

3.  Цементация.  Под цементами понимают вещество, заполняющее пустотное пространство пород, включая поры, каверны и трещины. Карбонатные отложения могут цементироваться материалом разного минералогического состава. Это, в первую очередь, карбонатные минералы, а также ангидрит, гипс, галит и др. Образование большинства видов цемента в карбонатных породах обусловлено процессами катагенеза, управляемыми преимущественно фактором подземных вод. Это ангидритовый, гипсовый, галитовый цемент и некоторые виды карбонатных цементов. Эти виды цементов мы будем рассматривать в соответствующей части курса.

Здесь же важно отметить, что существуют карбонатные цементы, образование которых является реакцией породы на переработку преимущественно под действием термобарического фактора и, прежде всего, результатом растворения под давлением. Растворение под давлением приводит к переходу в растворённое состояние большого количества карбонатного материала, который в разных участках карбонатных пластов может вновь отлагаться, формируя цемент.

Цементы карбонатных пород, возникающие как следствие растворения под давлением, очень трудно отличить от структур перекристаллизации. По–видимому, не будет большой ошибкой представлять себе процессы растворения под давлением, перекристаллизации и цементации, развивающиеся в карбонатных породах при погружении и росте давления и температуры, как составные части единого процесса растворения — переотложения карбонатного материала.

Учитывая сказанное выше, ограничимся ознакомлением с часто встречающимися морфологическими типами карбонатного цемента: а) гранулярного, или зернистого, б) друзового, или друзовидной мозаики, в) друзовидного волокнистого, г) каёмочного, или крустификационного (рисунок типов 1–4 из Петтиджона, стр.458).

4.  Гидролиз.  Важным процессом катагенетического преобразования карбонатных пород является гидролитическое разложение карбонатных минералов. Экспериментально установлено, что при температурах 75–200С различные карбонатные минералы, в том числе смешанные с глинистым материалом, взаимодействуют с дистиллированной водой и растворами разного состава. При этом активно выделяется углекислый газ. Реакция идет по следующей схеме:

CaCO₃ + H₂O = Ca(OH)₂ + OH^– + CO₂.

твердая раствор газ

фаза

Процесс гидролиза карбонатов наиболее активно протекает в подзоне глубинного катагенеза. Его следствиями являются коррозия, растворение и перераспределение карбонатных минералов, обогащение подземных растворов углекислым газом, что придаёт им большую агрессивность и способность интенсивно перерабатывать не только карбонатные, но и имеющиеся в разрезе терригенные породы.

Преобразование эвапоритов

Процессы изменения эвапоритовых пород (сульфатных и хлоридных) в зоне катагенеза весьма разнообразны. Многие из них, например карстовое растворение, связаны с действием подземных вод, а не температуры и давления. Рассмотрим основные процессы и тенденции преобразования эвапоритов под влиянием температуры и давления.

Ангидритовые  породы  в зоне катагенеза перекристаллизуются, хотя многие из них, особенно залегающие в мощных пластах, сохраняют в основном мелкочешуйчатую структуру. Перекристаллизованнными оказываются лишь наиболее неплотно уложенные фрагменты пород (рисунок из Припяти). Ангидриты подвергаются уплотнению. В связи с тем, что ангидритовые кристаллы имеют игольчатую, тонкопластинчатую форму, они, как и глины, имеют способность сильно уплотняться за счет механического сжатия и часто в них совершенно отсутствует пористость. Вместе с тем, в ангидритах действует и процесс растворения под давлением, который иногда приводит к образованию стилолитов. Польский ученый Е. Клапчински описал горизонтальные стилолиты в ангидритовых породах цехштейна (верхняя пермь) Польши. Здесь различаются зубчатые стилолиты и менее выраженные швы растворения (псевдостилолиты). Они подчёркиваются тонкими (1–3 мм) слойками доломито–глинистого вещества, оставшегося на месте растворения ангидрита. Стилолиты находятся на расстоянии 10–15 мм друг от друга.

В том случае, когда в зону катагенеза попадает  гипс,  он превращается в ангидрит, что сопровождается выделением из породы воды (дегидратация), которая пополняет ресурсы подземных вод зоны катагенеза и участвует в преобразованиях пород.

Соляные  породы  в зоне катагенеза очень сильно преобразуются. Это связано с рядом особенностей слагающих их минералов. Многие соляные минералы содержат кристаллизационную воду (являются кристаллогидратами) и поэтому неустойчивы в условиях относительно высоких температур зоны катагенеза. Выделение химически связанной (кристаллогидратной) воды способствует активной перекристаллизации соляных минералов, при этом сохраняются наиболее устойчивые безводные минеральные модификации. При перекристаллизации из минералов происходит также удаление воды, содержащейся в жидких включениях минералов. Поэтому минералы глубокозалегающих соляных пород обычно содержат мало жидких включений. Процессы перекристаллизации приводят к укрупнению размеров зёрен, в частности образуются крупно– и гигантокристаллические (шпатовые) галит и сильвин. Развитие высоких давлений способствует уплотнению пород, сближению минеральных зёрен, их пластической деформации.

В условиях повышенных температур и, главным образом, высоких давлений зоны катагенеза каменная соль на определённых участках приобретает новые физические свойства: переходит порог упругих деформаций, становится пластичной и начинает вести себя как жидкость. Эта своеобразная жидкость начинает отжиматься в зоны пониженных давлений, в общем случае вверх. При этом образуются соляные купола огромной мощности, иногда соль полностью вытесняется из зон своего первоначального залегания. Это процесс соляной тектоники, или галокинеза. Процесс соляной тектоники бывает настолько мощным, что отжимающаяся соль иногда протыкает весь осадочный разрез почти до дневной поверхности (подобрать яркий рисунок). Не стоит и говорить, что в процессе соляной тектоники происходит полная переработка существовавших до этого структур и текстур каменной соли. Соляная тектоника оказывает огромное влияние на ход развития всего бассейна и региона в целом. При этом, по существу, создается новая структура геологического разреза. Перемещающиеся соляные массы захватывают, деформируют и химически преобразуют вышележащие толщи пород, создают условия для формирования нефтяных и газовых месторождений, разрушают уже существующие залежи углеводородов. В зонах соляных куполов происходит засоление подземных вод. На поверхности земли выше соляных куполов иногда образуются соляные озёра (например, Эльтон и Баскунчак). И всё это следствия катагенетического преобразования соляных пород.