3. Методы стадиального анализа

Методы, применяемые в стадиальном анализе литогенеза, можно подразделить на две группы — получение исходной информации и методы пользования ею. Ниже рассмотрим обе группы.

Вначале кратко коснемся общих методологических принципов и подходов, на которых базируется стадиальный анализ. Как и другие геологические дисциплины, он опирается на принцип актуализма,т. е. “настоящее — ключ к познанию прошлого”. К примеру, для реконструкции условий диагенетического окаменения древнего морского осадка важно знать, как этот процесс протекает в осадках современных морей. Литогенез — это процессы, протекающие в ходе длительной геологической истории. Поэтому стадиальный анализ литогенеза немыслим без исторического подхода. В связи с тем, что познавать литогенетические изменения лучше и удобнее путем их изучения и сопоставления для разных разрезов и регионов, стадиальный анализ опирается на сравнительный подход. Наконец, поскольку литогенетические преобразования осадочного материала протекают под действием температуры, давления, подземных вод, газов, органического вещества, при стадиальном анализе требуются учет и изучение этих характеристик. А это значит, что одним из основополагающих принципов стадиального анализа является комплексный подход. Таким образом, методологической основой стадиального анализа литогенеза служит комплексный сравнительно-исторический подход, или метод.

3.1. Методы получения исходной информации

Это, главным образом, методы изучения структуры, текстуры и состава вещества. Причем, хотя стадиальный анализ литогенеза — часть литологии, изучающей главным образом твердое вещество, для выполнения стадиального анализа на современном уровне нередко требуется применение также методов изучения растворов, газов, органического вещества, в том числе живого (бактерий). Не будет большим преувеличением сказать, что специалист в области стадиального анализа литогенеза должен быть одновременно литологом, минералогом, гидрогеологом, геохимиком. Кратко рассмотрим основные методы получения исходной информации.

Визуальное (без микроскопа) изучение пород (осадков).Важной частью этого приема, стоящего в начале любого литологического исследования, является описание и фотодокументирование пришлифовок и полировок образцов пород. Уже на этом первом этапе исследования геолог может получить важную стадиально-литогенетическую информацию: оценить твердость породы, размокаемость ее в воде, увидеть в породе поры, каверны, трещины, определить минералы, заполняющие эти пустоты, обнаружить конкреции, деформацию слоистости вокруг них и т. д. (рис. 2).

И

Рис. 2.  Литогенетические особенности пород, легко устанавливаемые при визуальном изучении:

а — кальцит в трещине, рассекающей доломитовую породу, Припятский прогиб, скв. Северо-Домановичская, 4, гл. 3366—3375 м, средний девон, керн, ум. 1,6; б — каверна, заполненная галитом в доломитовой породе, Припятский прогиб, скв. Савичская, 9, гл. 3198—3206 м, верхний девон, керн, ум. 1,5

зучение петрографических шлифов.Это один из основных методов стадиального анализа. В шлифах возможно более точное и детальное, чем без микроскопа, определение минералов, их формы, последовательности образования, структуры пород. Объектом стадиального анализа служат как аутигенные (образованные на месте), так и аллотигенные (привнесенные водой или ветром в бассейн осадконакопления) минералы. В последнем случае анализируются особенности постседиментационного преобразования минералов (следы их растворения, деформации и т. д.). Важным моментом стадиального анализа, выполняемого по петрографическим шлифам, служит установление минеральных парагенезов (парагенезисов).

Н

Рис. 3.  Примеры парагенезов:

а — трещина в известняке, в которой кристаллизовались сначала доломит (у стенки), а затем ангидрит, Припятский прогиб, скв. Найдовская, 1, гл. 2134—2141 м, верхний девон, шлиф, николи параллельны (н =), ув. 30; б — развитие пирита по кристаллам ангидрита в доломитовой породе, Припятский прогиб, скв. Мармовичская, 7, гл. 3288—3291 м, верхний девон, шлиф, н =, ув. 70

апомним, что минеральным парагенезом называют совместное нахождение минералов, связанное общими генетическими причинами. Минералы, входящие в парагенез, могут кристаллизоваться как одновременно, так и последовательно. Нередко под парагенезом ошибочно понимают просто совместное нахождение минералов. Так, находящиеся вместе в песчанике аллотигенный кварц и аутигенный кальцит, цементирующий обломочные зерна, не являются парагенезом, поскольку их природа совершенно разная. На рис. 3, а показан парагенез доломита и ангидрита, выполняющих трещину в породе. Хотя эти минералы образовались неодновременно (доломит раньше), их генетическая связь в данном случае обусловлена кристаллизацией обоих из подземных растворов с высокой минерализацией. Другой пример парагенеза — избирательная пиритизация ангидрита в карбонатной породе (рис. 3, б). Здесь совершенно ясна генетическая связь ангидрита и пирита: сульфатная сера первого минерала преобразуется при восстановлении в сульфидную серу второго.

Полезным техническим приемом при изучении петрографических шлифов является их фотодокументирование. Наличие картотеки фотографий шлифов позволяет при необходимости быстро восстановить в памяти наиболее важные особенности пород, запечатленные ранее при микроскопическом изучении.

Электронная микроскопия. Существует ряд модификаций этого метода исследования вещества. В зависимости от цели и объекта изучения применяются просвечивающая, растровая (сканирующая) микроскопия, исследование под электронным микроскопом угольных и других реплик. Электронно-микроскопический анализ применяется главным образом для изучения мелких деталей (рис. 4).

Р

Рис. 4.  Фотоснимки, сделанные с помощью растрового электронного микроскопа, показывающие тонкие детали структуры минералов:

а — микрокристаллический ангидрит, слагающий совершенно однородную (сливную) породу, Припятский прогиб, скв. Сосновская, 28, гл. 2756—2762 м, верхний девон, ув. 1400; б — кристаллографиче­ски совершенные наросты на обломочном зерне кварца, Припятский прогиб, скв. Туровская, 5, гл. 2576—2587 м, верхний протерозой, ув. 70

ентгеновская дифрактометрия.Этот метод позволяет выполнять минералогическую диагностику вещества, что особенно важно при изучении дисперсных глинистых минералов. Кроме того, рентгенодифрактометрический анализ применяется для определения степени совершенства кристаллической структуры минералов, что, в свою очередь, важно для идентификации аллотигенных и аутигенных минералов и оценки интенсивности литогенетической преобразованности отложений. Наконец, рентгеновское изучение минералов дает сведения об их химическом составе:

например, о содержании магния в кальците, степени отклонения состава доломита от идеального (стехиометричность доломита) и другие.

Термический анализ (дериватография).Данный метод применяется для определения минералогического состава пород, изучения органического вещества, позволяет оценивать содержание воды в породах.

Методы определения химического состава твердого вещества.Для определения макрохимического состава пород и минералов применяются чаще всего стандартный (силикатный) химический и рентгенофлуоресцентный (инструментальный) анализы. Точность второго ниже, а производительность гораздо выше, чем первого. Для определения микроколичеств химических элементов в породах и минералах используются следующие анализы:

• эмиссионный спектральный;

• атомно-абсорбционный;

• пламенно-фотометрический;

• нейтронно-активационный;

• масс-спектрометрия с индуктивно связанной плазмой.

Наиболее распространенным является эмиссионный спектральный анализ, наиболее чувствительным — нейтронно-активацион­ный; в западных странах сейчас активно культивируется масс-спектрометрия с индуктивно связанной плазмой.

Все перечисленные методы определения химического состава могут применяться как к породам или осадкам в целом, так и к мономинеральным фракциям. Изучение мономинеральных фракций более плодотворно при выполнении стадиального анализа литогенеза, так как в этом случае геохимическая информация относится к конкретным минералам, которые образовались на определенных этапах развития породы или осадка. Если же анализируется химический состав породы (осадка) в целом, возникает сложный вопрос, какие минералы являются носителями того или другого химического элемента.

Для получения мономинеральных фракций применяются разные способы. Эффективным является использование специальных сепараторов и концентрационных столов. Часто практикуются разделение минералов в тяжелых жидкостях и ручной отбор материала из трещин, гнезд, каверн или полиминеральных смесей. Иногда концентрирование намеченных к изучению минералов осуществляется путем удаления остальных компонентов породы растворителями (например, для получения доломита из карбонатной породы она обрабатывается трилоном-Б или слабым раствором уксусной кислоты с целью выщелачивания кальцита).

Изучение химического состава мономинеральных фракций может выполняться также методом вытяжек. Суть его состоит в химическом анализе растворов, которые выщелачивают определенные компоненты пород. В зависимости от растворимости минералов, которые хотят изучить с помощью метода вытяжек, применяют водные, уксуснокислые, солянокислые вытяжки.

Нередко представляет интерес изучение состава не только мономинеральной фракции в целом, но и состава отдельных минеральных зерен. Это дает возможность реконструировать изменения химического состава минералообразующей среды в ходе образования или преобразования одного зерна (например при его обрастании регенерационной каймой). Для достижения этих целей существуют сложные инструментальные методы микрозондового точечного анализа и сканирования химического состава по пло- щади зерна.

Методы определения химического состава природных вод.Макро- и микрокомпоненты природных вод определяются в основном теми же методами, которые применяются и для изучения химического состава твердой фазы. В одних случаях анализ осуществляется с окончанием в твердой фазе (например, выпариванием получают сухой остаток раствора, который затем подвергается эмиссионному спектральному анализу). В других (атомно-абсорб­ционный, пламенно-фотометрический и др. методы) — анализ от начала и до конца ведется в жидкой фазе.

Метод стабильных изотопов.Этим видом анализа, который требует сложной пробоподготовки и реализуется на масс-спект­рометрах, изучаются породы, минералы, подземные воды, газы, органическое вещество. Изотопный метод многое дает для понимания генезиса геологических объектов. Чаще всего исследуется изотопный состав углерода, кислорода, серы пород и минералов, водорода и кислорода растворов.

Изотопный состав элемента, обозначаемый, например, для кислорода символом  ¹⁸O, представляет собой соотношение легкого и тяжелого изотопов в исследуемом образце (обр) и стандарте (станд):

 ¹⁸O (‰) = ( ¹⁸O/ ¹⁶O_обр : ¹⁸O/ ¹⁶O_станд – 1) · 1000.

В качестве международных стандартов изотопного состава кислорода приняты: для природных растворов — средняя проба тщательно перемешанной воды, отобранной из центральных частей Тихого, Атлантического и Индийского океанов (обозначается SMOW); для пород и минералов — окаменелость Belemnitella americana из позднемеловой формации Пи-Ди в Южной Каролине, США (обозначается PDB).

Смысл применения метода стабильных изотопов определяется тем, что есть ряд природных процессов, которые сопровождаются фракционированием, т. е. разделением изотопов некоторых элементов. Например, в процессе испарения с поверхности воды предпочтительнее отрываются молекулы, содержащие легкие изотопы кислорода ( ¹⁶O) и водорода ( ¹Н). Поэтому водяной пар имеет более легкий изотопный состав кислорода и водорода, чем испаряющаяся вода, которая в относительно повышенных количествах накапливает ¹⁸O и ²H (D). Вода, получающаяся при конденсации пара, характеризуется облегченным изотопным составом кислорода и водорода. В результате, если стандартная морская вода имеет значение  ¹⁸O, близкое к нулю, то пресные воды на континенте характеризуются обычно отрицательными величинами этого показателя, а  ¹⁸O морской воды, подвергшейся испарению в лагунах, где осаждается соль, может составить +7...+11 ‰. Близкие изотопные соотношения свойственны и подземным водам, которые произошли от соответствующих видов поверхностных вод. Изотопный состав кислорода карбоната кальция (кальцита), кристаллизующегося из воды, наследует изотопный состав кислорода воды и зависит от температуры, при которой шла кристаллизация; в некоторых случаях изотопный анализ кислорода карбонатов помогает оценить температуру минералообразовательного раствора.

Для использования данных о соотношении изотопов углерода ( ¹³С/ ¹²С) важнейшим моментом является то, что органическое вещество и его производные, например, СО₂, получающийся при его разложении, и кальцит, кристаллизующийся с участием этого СО₂, характеризуются значительно более легким изотопным составом, чем СО₂ атмосферы и кальцит, образующийся с его активным участием, к примеру на морском мелководье.

В осадочной геохимии изотопов серы ( ³⁴S/ ³²S) широко используется их свойство фракционировать в процессе восстановления сульфата до сульфида: второй обычно оказывается изотопно более легким, чем первый.

Методы анализа газов.Ведущим методом определения состава газов в настоящее время является хроматографический. Применяются также объемный метод, инфракрасная спектроскопия, масс-спектроскопия.

Методы изучения органического вещества.Определение общего содержания органических веществ в породах и растворах основано на оценке количества окислителя (марганцовокислый калий, перекись водорода и др.), идущего на окисление образца. Методы изучения состава органических веществ очень сложны. Они включают экстракцию органических компонентов и их последующее определение путем применения спектроскопии в ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной областях, спектроскопии ядерно-магнитного резонанса, масс-спектрометрии и др. Для изучения живого органического вещества (бактерий), которое тоже участвует в литогенетических преобразованиях, применяются специальные микробиологические методы.

Метод поровых (горных) растворов.Осадочные породы и осадки содержат некоторое количество водного раствора, который находится в порах и удерживается силами взаимодействия с твердыми частицами. Этот раствор может быть извлечен путем отжима на специальных прессах. Для отпрессовывания поровых растворов из сильно литифицированных пород требуется очень высокое давление. Знание состава получаемых растворов, который определяется химическим анализом и нередко существенно отличается от состава свободных подземных вод из той же части разреза, дает возможность приблизиться к пониманию условий преобразования осадочного материала.

Определение пластовых температуры и давления. Важными параметрами литогенетического преобразования отложений являются температура и давление в изучаемом разрезе. Эту информацию получают при испытании скважин с использованием температурных датчиков и манометров.

Палеотермометрия.Информацией не менее важной для стадиального анализа, чем современная пластовая температура, являются сведения о древней пластовой температуре (палеотемпературе) в изучаемом интервале разреза. Палеотемпература может быть ниже и выше современной температуры. Для определения палеотемператур применяется ряд методов, наиболее распространенные

из которых витринитовый, методы гомогенизации и декрепитации включений в минералах и изотопный.

Витринитовый метод определения палеотемператур основан на монотонном возрастании отражательной способности одного из компонентов органического вещества — витринита — с ростом температуры, которая воздействовала на это вещество. Этот метод, дающий возможность определить максимальную температуру, которой подвергались породы в ходе своей истории, будет более детально рассмотрен в 18.5.

Суть методов гомогенизации и декрепитации включений в минералах состоит в следующем. При образовании минералов в дефектах их кристаллической решетки возникают включения (вакуоли) газоводных растворов, которые являются реликтами минералообразующей среды. Если после своего образования минерал попал в условия, где температура ниже, чем та, при которой он кристаллизовался, объем раствора уменьшится больше, чем объем включения и возникнет парогазовая фаза, находящаяся в равновесии с жидкостью. Включение станет двухфазным (раствор + газовый пузырек) (рис. 5). При лабораторном нагревании т

Рис. 5.  Газово-жидкие включения (вакуоли) в галите; в самом крупном из них хорошо виден газовый пузырек, Припятский прогиб, скв. Савичская, 9, гл. 3206—3215 м, верхний девон, шлиф, н =, ув. 110

онких сколов или специально приготовленных плоскопараллельных пластинок минералов, содержащих двухфазные включения, газ опять начнет растворяться, и при температуре, близкой к температуре образования минерала, включение станет однофазным (произойдет гомогенизация). Определение температур гомогенизации осуществляется на специальных установках, состоящих из нагревательного столика и микроскопа. Если продолжать нагревание препарата после гомогенизации включения, рас­ширение раствора приведет к увеличению давления и разрыву сплошности минерала между вклю-чением и поверхностью препарата. Произойдет “взрыв”, или декрепитация включения. Чем ближе находится включение к поверхности препарата, тем ближе окажется температура декрепитации к температуре гомогенизации. Существуют звуковой и вакуумный способы регистрации момента декрепитации. Важно отметить, что методы гомогенизации и декрепитации включений в минералах дают температуру образования изучаемого минерала, в отличие от витринитового метода, позволяющего оценить максимальную температуру, имевшую место в данном глубинном интервале.

В основе изотопного метода определения температур образования минералов лежит зависимость изотопного состава кислорода карбонатов от изотопного состава кислорода и температуры раствора, из которого шла кристаллизация. При образовании карбонатных минералов из растворов с одинаковым изотопным составом кислорода более легкий состав будет у минерала, кристаллизовавшегося из раствора с большей температурой (рис. 6). Недостатком метода является то, что изотопный состав кислорода воды, из которой шло образование изучаемого минерала, почти всегда неизвестен. Поэтому изотопный ме- тод палеотемпературных оценок требует введения в расчетные формулы вероятных (модельных) значений¹⁸O раствора.

И

Рис. 6.  Взаимосвязь между изотопным составом кислорода воды (¹⁸O_в, ‰ SMOW), кристаллизующегося из нее карбоната кальция (¹⁸O_CaCO3, ‰ PDB) и ее температурой (по К. Пьерре и Дж. Роухи)

зучение химического и газового состава включений в минералах.Для стадиального анализа литогенеза огромное значение имеет знание гидрогеохимической и газогеохимической обстановки образования минералов. Такого рода информацию можно получить, изучая включения в минералах, представляющие собой реликты газогидрогеохимической среды минералообразования. Для получения данных о химическом составе жидкой фазы включений применяют ультрамикрохимический анализ особым образом получаемых водных вытяжек и растворов, экстрагированных из включений специальными капиллярами, а также метод криометрии, основанный на зависимости температуры замерзания раствора от концентрации и состава находящихся в нем солей. Газовый состав включений определяют на хроматографах или масс-спектрометрах, соединенных с установками для механического или термического вскрытия включений.