11. Общая схема диагенеза н.М. Страхова

Осадок, только что сформированный в морском бассейне седиментации, чаще всего представляет собой рыхлое или текучее тело, сильно обводненное, богатое микроорганизмами и состоящее из химически весьма разнородного твердого, жидкого и газообразного материала. Важнейшая черта осадка — отсутствие физико-химического равновесия между многими, входящими в его состав реакционноспособными компонентами; это — неуравновешенная и неустойчивая физико-химическая система. В осадке имеются, cодной стороны, бóльшее или меньшее количество свободного кислорода и богатых кислородом веществ, способных отдавать его (SO₄^2–,Fe₂O₃, Н₂О, гидроокислы марганца и др.), а с другой, — живые организмы (бактерии), нуждающиеся в кислороде для поддержания существования, и мертвое органическое вещество, являющееся субстратом для их жизнедеятельности. Находящаяся в осадке вода, сначала не отличающаяся по составу от наддонной воды, в одних случаях не насыщена по ряду химических соединений (SiО₂, фосфаты, алюмосиликаты и др.), имеющихся в осадке в виде минералов; начинается процесс их растворения. В других случаях иловый раствор насыщен теми же или иными химическими веществами, и достаточно незначительного изменения геохимических условий, чтобы началось осаждение твердого вещества. Глинистые минералы содержат разнообразные поглощенные катионы, которые были приобретены глинистым веществом еще в источниках сноса и на путях транспортировки; набор этих катионов обычно не отвечает составу иловой воды и потому начинает изменяться при соприкосновении с нею.

Поглощенные катионы сорбированы глинистым веществом и могут сравнительно легко обмениваться на катионы контактирующего с ним раствора; поэтому эти катионы называются также обменными. Состав поглощенных катионов выражается в мг-экв иона на 100 г навески глинистого вещества.

Сразу же после попадания осадочных частиц на дно водоема начинаются процессы уравновешивания метастабильной физико-химической системы осадка, приспособления его реакционноспособных компонентов друг к другу. Эти процессы и составляют существо диагенеза. Достижение равновесия осуществляется в ходе ряда взаимосвязанных физико-химических процессов. Самый ранний из них — поглощение организмами свободного кислорода из иловой воды (окислительный этап диагенеза). После некоторого погружения осадка, когда в системе не остается свободного кислорода, бактерии начинают использовать для жизнедеятельности кислород, входящий в состав сульфатов, гидроокислов железа, марганца, ванадия, хрома; эти соединения при этом восстанавливаются. Среда осадка из окислительной превращается в восстановительную: начинается восстановительный этап диагенеза.

Разложение органического вещества способствует газообразованию (СО₂,H₂S, СН₄,NH_3, Н₂,N₂и др.). Один из важнейших процессов — бактериальная редукция сульфатов — сопровождается образованием углекислого газа, увеличение концентрации которого в системе способствует растворению карбонатных и кремнистых минералов, полевых шпатов и др. Длительное растворение этих соединений приводит к насыщению иловых вод продуктами этого процесса.

В пресноводных условиях транспортировки обломочного материала из источников сноса в бассейн седиментации комплекс обменных катионов глинистых минералов характеризуется соотношением: Са > Na. Это объясняется тем, что таково соотношение этих катионов в пресных водах суши. В обстановке морского бассейна осадконакопления, куда поступает обломочный материал, и в осадке зоны диагенеза состав поглощенного комплекса глин меняется на обратный (Na> Са) в результате взаимодействия с морской водой, в которой натрия гораздо больше, чем кальция.

В результате всех этих процессов поровая вода осадка меняет свой состав. Она в большей или меньшей степени лишается кислорода и сульфатов, обогащается гидрокарбонатами, железом, марганцем, кремнеземом, фосфором, органическим веществом, углекислым газом, сероводородом, метаном, аммиаком. Значения Ehснижаются до –150...–300 мВ, рН находятся в пределах от 6,8 до 8,5. Формируется геохимическая среда, резко отличная от наддонной среды. Это определяет течение двух важных процессов.

Первый — “обмен веществ” между наддонной водой седиментационного бассейна и иловым раствором. Он осуществляется благодаря возникновению концентрационных градиентов между иловым раствором и наддонной водой. Снижение концентрации SO₄^2–в иловом растворе в связи с сульфат-редукцией приводит к диффундированию этого иона из наддонной воды в осадок. Газы и другие химические элементы и соединения, генерирующиеся в осадке вследствие разложения органического вещества, диффундируют в наддонную воду. “Обмен веществ” между осадком и наддонной водой может распространяться на разную глубину в зависимости от многих факторов.

Второй процесс — аутигенное минералообразование. Концентрация некоторых химических соединений, находящихся в растворе, достигает состояния насыщения. Эти соединения выпадают в осадок, образуя диагенетические минералы. Процессы минералообразования тесно связаны с “обменом веществ” между осадком и наддонной водой. Это можно проиллюстрировать на следующем примере. Углекислый газ, который активно генерируется в осадке в ходе разложения органического вещества и способствует вначале удержанию в растворенной форме карбонатов, начинает медленно диффундировать в наддонную воду; удаление СО₂из системы, насыщенной по карбонатным минералам, приводит к их кристаллизации.

Наиболее распространенными новообразованными минералами стадии диагенеза являются карбонаты (кальцит, арагонит, доломит, магнезиальный кальцит), сульфиды железа (пирит, марказит, гидротроилит, грейгит, мельниковит), фосфаты (подолит, коллофанит, керченит), алюмосиликаты (глауконит, каолинит, гидрослюда, монтмориллонит, хлорит, смешаннослойные фазы), окислы и гидроокислы железа, марганца, кремния. В эвапоритовых осадках образуются гипс, ангидрит, целестин, барит, галит и др.

Диагенетические минералы встречаются в виде рассеянных мелких зерен в массе осадка, часто формируют пелитоморфные агрегаты, колломорфные выделения, пленки, образуются метасоматически по аллотигенным минералам (это касается, в первую очередь, алюмосиликатов), слагают цементирующую массу осадка, псевдоморфозы по растительным остаткам, конкреции (стяжения, желваки, глобули, бобовины), конкреционные прослои.

Карбонатные, сульфидные, фосфатные, кремневые конкреции являются исключительно характерными диагенетическими новообразованиями. Обычно (но не всегда) они формируются на завершающих этапах диагенеза. Неоднородность физико-химиче­ских условий (по рН, Eh, концентрации химических компонентов) вызывает перераспределение вещества — миграцию его из одних участков осадка в другие. В последних происходит концентрирование вещества и минералообразование в виде своеобразных стяжений. “Затравками” для формирования стяжений служат первичные неоднородности осадка — раковины, растительные остатки, обломочные зерна. Так, в общих чертах, образуются конкреции, детальному рассмотрению которых посвящена гл. 15.

Параллельно с физико-химическими процессами изменяются механические свойства отложений: осадки в некоторой мере уплотняются, теряют иловые растворы, которые по наиболее проницаемым зонам отжимаются обратно в бассейн седиментации, а также мигрируют в толще осадков. Одни виды осадочного материала (в основном карбонаты) литифицируются в результате химических, в том числе конкрециеобразовательных процессов, другие (в основном глины) несколько уплотняются механически.

Источником энергии для протекающих физико-химических процессов на стадии диагенеза является органическое вещество, энергетические ресурсы которого формируются на стадии седиментогенеза. Таким образом, движущей силой процессов диагенеза служит внутренняя энергия самой системы осадка; эта энергия высвобождается в ходе уравновешивания системы.

Мы рассмотрели самую общую схему диагенеза. Надо, однако, иметь в виду, что существует множество отклонений от нее, которые зависят от ряда причин. Например, мы говорили об окислительном и восстановительном этапах диагенеза. Но в условиях, когда в осадке имеется большое количество органического вещества, окислительный этап может практически вообще отсутствовать. Мы говорили о восстановлении сульфатов как об одном из наиболее важных диагенетических процессов. Это справедливо для рассмотренной схемы диагенеза морских отложений, где иловые растворы содержат достаточно много сульфат-иона. А в диагенезе пресноводных озерных осадков процесс сульфат-редукции может быть почти не выражен из-за низкой концентрации сульфатов в воде. Подобные примеры можно продолжать. И мы это отчасти сделаем в последующих главах настоящего раздела.