2. Диагенез песчаного и алевритового материала

Песчаный материал в терригенных осадках представлен, главным образом, кварцем, полевым шпатом и слюдами. Начнём рассмотрение со слюд, которые в структурном отношении близки к глинистым минералам и которые, преобразуясь, как правило, превращаются в глинистые минералы и пополняют их массу в осадочной породе.

1) Изменения слюд

Общие сведения. Слюды, особенно биотит, довольно легко подвергаются преобразованиям на постседиментационных этапах литогенеза и служат удобным материалом для стадиального анализа. Изменения слюд носят постепенный характер, причём, постепенность их преобразования заметна даже под поляризационным микроскопом (по плеохроизму и интерференционной окраске). Постепенность трансформаций слюд предопределена тем, что, как и большинство глинистых минералов, они являются слоистыми силикатами, у которых силы связи в пределах слоя существенно больше, чем между слоями. Межслоевые промежутки слюд — наиболее слабое и уязвимое звено, с которого и начинается трансформация этих минералов. Эти межслоевые промежутки могут сравнительно легко изменяться от одного структурного типа минерала к другому без существенной перестройки всей структуры в целом. Весь процесс превращения одного минерала в другой при таком преобразовании происходит не скачкообразно, когда все межслоевые промежутки одного сорта одновременно замещаются межслоевыми промежутками другого сорта, а через серию смешаннослойных образований, в которых в пределах одного кристалла сосуществуют межслоевые промежутки разного типа.

Говоря о направленности изменения слюд в ходе всего литогенеза, т.е. от диагенеза вплоть до метаморфизма, важно подчеркнуть, что слюды сначала преобразуются в гидрослюды, а затем эта тенденция инверсирует, т.е. гидрослюды превращаются в слюды.

Укажем на основные продукты преобразования слюд в литогенезе и, в частности, в диагенезе.

Гидромусковит — продукт первой стадии выветривания мусковита, щелочные элементы на 20–25 % замещены водой.

Серицит — тонкочешуйчатый мусковит или гидромусковит.

Гидробиотит — отличается от биотита меньшим содержанием калия, магния, железа, алюминия и кремния, но зато существенной его частью является вода. Гидробиотиты — биотиты и флогопиты, в которых часть щелочей вынесена и замещена водой, а магний выщелочен весьма мало.

Вермикулиты — биотиты и флогопиты, из которых щелочи совсем или почти совсем удалены, а магний мало затронут выщелачиванием.

Биотит через гидробиотит переходит в вермикулит.

Диагенез. Преобразование биотита начинается на стадии диагенеза. Изучение современных донных осадков юго–восточной части Тихого океана показало, что по биотиту происходит образование глауконита, наблюдаются постепенные переходы от листочков биотита к частично или полностью глауконитизированным зёрнам (Логви­ненко и др., 1973). Диагенетические изменения биотита в нижнемеловых отложениях Ирана проявляются в его разрушении до гематита и вермикулита (Forster et al., 1975). В докембрийских отложениях Приднестровья биотит в диагенезе преобразовывался в окислы железа и глауконит (Копелиович, 1965). При исследовании угленосной формации карбона Карагандинского бассейна (Коссовская и др., 1964) установлено, что биотит теряет почти весь калий на самой ранней стадии своего изменения. Сохраняются лишь контуры разбухших пластин биотита, почти полностью перешедшего в хлорит или каолинит. В условиях прибрежно–морских фаций, фаций заливов и мелкого опреснённого моря с невысоким содержанием калия в воде изменения биотита могут через гидробиотит доходить до монтмориллонита. Определённым своеобразием отличается диагенетическая переработка слюд в условиях солеродных водоёмов (Пастухова, 1965). Изменения биотита включает хлоритизацию и гидрослюдизацию (гидратацию, образование гидробиотита). Все преобразования происходят в пределах пластин самого биотита. При гидратации биотит частично обесцвечивается, понижается его двупреломление, происходит значительный вынос железа, которое в пределах пластинки или рядом образует точечную вкрапленность гидроокислов железа. При хлоритизации биотит становится светло–зеленоватым, двупреломление его резко понижается, он становится почти изотропным. Интересно, что эти изменения в толщах, где гидрогеохимическая среда не является столь сильно солёной, имеют место лишь на стадии катагенеза, когда температура и давление уже достаточно высоки; это мы будем рассматривать позже. Очевидно, высокая солёность растворов активизирует процесс изменения биотита, как бы компенсируя роль температуры и давления. Мусковит в отличие от биотита в зоне диагенеза солеродных водоёмов почти не испытывает изменений. Отмечается лишь незначительное расщепление и некоторая деформация его пластинок.

2) Кварц и полевых шпаты в зоне диагенеза

Изменения кварца и полевых шпатов в зоне диагенеза довольно невелики. Они состоят, в основном, в разрушении этих минералов. Реже проявляются такие процессы, как обрастание обломочных зёрен кварца и полевых шпатов, их регенерация, новообразование.

Обрастание зёрен кварца плёнкой гидроокислов железа. На самом раннем (окис­лительном) этапе диагенеза может иметь место процесс обрастания кварцевых зёрен гидроокислами железа. Этот процесс был описан А.В. Копелиовичем в докембрийских терригенных толщах Приднестровья. По мнению этого исследователя, обрастание связано с электрическими зарядами, которые возникают на поверхности минералов при перемещении относительно них поровых растворов. Установлено, что зёрна кварца в водных растворах электролитов (а морская вода — в данном случае речь идёт о диагенезе морского осадка — типичный электролит) заряжаются отрицательно, а золи гидроокислов железа обладают положительными зарядами. В результате взаимного притяжения разноимённо заряженных частиц коллоидное железо перемещается к зёрнам кварца, коагулирует и нарастает на них в виде тончайших “рубашек”.

Разрушение зёрен кварца и полевого шпата. Процесс разрушения этих минералов в осадке во многом обусловлен активной генерацией в зоне диагенеза углекислоты (углекислого газа) в связи с разложением органического вещества. Увеличение содержания СО₂ в растворе, по экспериментальным данным, способствует растворению кварца. Растворение (разрушение) зёрен кварца и полевых шпатов выражается в следующих признаках. а) Корродированность зёрен (изъеденность контуров, иногда остаются лишь трудно узнаваемые реликты — показать на рисунке). б) Пелитизация зёрен. Говорят о том, что зёрна пелитизированы; от слова “пелит”, т.е. глинистые частицы. Процесс пелитизации свойственен полевым шпатам. Это по существу процесс замещения обломочных зёрен глинистыми минералами или, как мы уже говорили, инконгруэнтное растворение с образованием глинистых фаз. Эти глинистые фазы представлены чаще всего каолинитом; они видны под микроскопом в виде замутнённости зёрен полевых шпатов, в отличие от “свежих” зёрен (показать на рисунке). в) Заме­щение зёрен карбонатными минералами. Показать на рисунке. Если речь идёт о морском осадке, то его поровый раствор почти всегда находится в состоянии, близком к насыщению по карбонатам, в частности по кальциту. И при небольших изменениях рН, что связано с газогенерацией, в первую очередь СО₂, возможно или выпадение карбоната или его растворение. Фактически в одних участках осадка происходит растворение, в другие — выпадение. Сочетание растворимостей кварца и полевых шпатов, с одной стороны, и карбонатов, с другой, таково, что при одних и тех же условиях (рН) кварц и полевые шпаты способны растворяться, а карбонаты кристаллизоваться. Учитывая всё вышесказанное, неудивительно, что процесс замещения кварца и полевых шпатов карбонатами — весьма распространён. Процесс замещения не всегда протекает по механизму одновременного растворения замещаемой фазы и кристаллизации замещающей фазы, т.е. метасоматически. Может быть так называемое отсроченное замещение: сначала образуются поры выщелачивания в зерне полевого шпата, а потом они залечиваются карбонатом. Реальность процесса замещения обломочных зёрен карбонатом в диагенезе можно проиллюстрировать, к примеру, изучением диагенетического минералообразования в плиоценовых и четвертичных отложениях южной части Каспийского моря (Тимофеева, 1964). На глубине 3–4,5 м в осадках наблюдалась такая сильная коррозия зёрен кварца кальцитом, что они оставались в осадке лишь в виде разобщённых реликтовых зёрен. Ещё активнее растворяется кварц в осадках солеродных водоёмов, где рН воды сильно щелочная. В содовых озёрах с водой, имеющей рН > 10, растворение обломочного кварца приводит к накоплению в озёрных илах кремнезёма в количестве до 15 % (Пастухова, 1965).

Регенерация и новообразование кварца и полевых шпатов. Куда же девается тот материал, который получается от разрушения кварца и полевых шпатов? А надо сказать, что силикатный материал высвобождается на стадии диагенеза не только от разрушения этих минералов. Источниками такого материала являются также: а) кремне­зём, который высвобождается при растворении скелетов кремневых организмов (губок и радиолярий, показать на рисунке замещение радиолярии карбонатом); б) алюмосили­катное вещество, частично высвобождающееся при переработке пирокластического материала; в) алюмосиликатное вещество, высвобождающееся частично при преобразованиях глинистых минералов и слюд; г) алюмосиликатное вещество, высвобождающееся при разрушении неустойчивых в условиях земной поверхности минералов изверженных пород (пироксены, амфиболы и др.), которые всегда в большей или меньшей степени имеются в терригенном осадке; основная стадия их разрушения — это катагенез, однако начинают разрушаться они уже в диагенезе. Наличие такого материала и соответствующих условий, связанных со значительной неоднородностью осадка, приводит к трём основным видам новообразований. а) Регенерация зёрен кварца. (Показать на рисунках “полную” кайму и одностороннюю кайму из книги Гулиса, чтобы потом разъяснить разницу). Этот процесс, весьма характерный для стадии катагенеза, на стадии диагенеза встречается довольно редко. Однако важно указать на отличие регенерационной каймы, формирующейся в диагенезе, от регенерационной каймы, формирующейся в катагенезе. Диагенетическая регенерационная кайма развивается по всему (или почти по всему) периметру обломочного зерна кварца (минеральный репер диагенеза). Это связано с образованием каймы нарастания в ещё слабо литифицированных отложениях, где возможны свободные перемещения растворов, т.е. где есть примерно одинаковый доступ строительного материала ко всему зерну. В катагенезе же, где породы уже обладают чаще всего жёстким каркасом, кайма часто образуется с какой–либо одной стороны или нескольких сторон зерна, граничащих со свободным пространством (поры). [Кстати, стоит упомянуть, почему вообще имеет место явление регенерации — обломочное зерно, имеющее заданный кристаллохимический (структурный) мотив, является как бы затравкой для роста того же кристалла]. б) Формирование кремневых конкреций. Силикатный материал, который освобождается на стадии диагенеза, может быть источником формирования кремневых конкреций, специфических обособленных или располагающихся по особой системе изометричных крупных и мелких образований, весьма характерных для стадии диагенеза (может быть, большинство видов конкреций как раз и являются едва ли не единственным минеральным продуктом, который может быть достоверно отнесён к стадии диагенеза). Кремневые конкреции встречаются в терригенных отложениях, которые мы сейчас рассматриваем (например, в песчано–глинистых угленосных породах карбона Днепровско–Донецкой впадины. Однако они наиболее характерны для карбонатных отложений. Учитывая это, а также исключительную важность этих продуктов диагенеза, мы будем рассматривать процесс образования кремневых и других конкреций в отдельной лекции. в) Формирование рассеянного кремнистого вещества. Тот силикатный материал, который высвобождается в осадке на стадии диагенеза, иногда выпадает хаотически в осадке в виде небольших изометричных выделений, сгустков, пятен. Его можно наблюдать под микроскопом. Представлен этот материал не обязательно кварцем, а также менее совершенными структурными модификациями кремнезёма (опал, халцедон). Минералогические различия этих модификаций кремнезёма мы рассмотрим позднее. Кремнистое вещество может выпадать не только в хаотически–рассеянном виде в осадке, а выполнять образующиеся на стадии диагенеза литогенетические трещины, о которых мы говорили, рассматривая роль и величину давления на стадии диагенеза (показать на рисунке литогенетические трещины с кремнезёмом из моей ранней книги).

Подводя итоги рассмотрению диагенетических преобразований глинистых минералов, слюд, кварца и полевых шпатов в терригенных осадках, можно сделать вывод, что эти преобразования в целом ещё довольно незначительны. Они только начинают процессы литогенеза, которые более интенсивно проявляются на последующих стадиях, где важную роль в преобразовании силикатных и алюмосиликатных минералов играют температура и давление.

Подтема 4.3. Диагенез карбонатных и эвапоритовых осадков