2. Химическая дифференциация

Если сущность химической дифференциации — разделение в пу­тях миграции веществ по химическому составу и образование более или менее чистых хемогенных осадков — понятна и проста, то поря­док осаждения и причины, или силы, управляющие этим разделени­ем, спорны и сложны.

Идеи химического разделения веществ в зоне осадкообразования высказывались почвоведами, а затем в 20-30-х годах геохимиками В.М. Гольдшмидтом (1931) (рис. 3.14, а), А.Е. Ферсманом (1934) и другими, литологом Л.В. Пустоваловым (1934). Но термин “химическая диффе­ренциация” и четкую формулировку его дал Л.В. Пустввалов только в 1940 г. Химическую дифференциацию он фактически сводил к последо­вательному выпадению из путей миграции соединений в порядке возра­стания их растворимости (рис. 3.14, б,в), т.е. геохимической подвижно­сти. Так, еще на континенте из путей миграции выпадает основная часть растворенного железа, а более растворимые соединения марганца сдвинуты в сторону моря, и их главные месторождения (Никополь, Чи- атура, Лаба, Мангышлак, Восточный Урал и др.) приурочены не к кон­тинентальным, а к прибрежно-морским осадкам, где они часто ассоции­руются с кремнеземом (спонголитами). Основная масса кремнезема также выпадает не на суше, а в прибрежной зоне моря, может быть, бо­лее мористой по сравнению с марганцевой: диатомиты, радиоляриты, спонголиты, трепела, опоки. Часть кремнезема связывается с соедине­ниями железа и глиноземом и дает силикаты железа (глауконит, шамо­зит и др.), в которых нередко преобладает двухвалентное железо, более подвижное, чем его трехвалентная форма. Внешне и далее все стройно: если глауконит чаще связан с песчаной фацией осадков, шамозит — с алевритовой, то сидерит, уже только двухвалентное железо, — с глини­стой. Позже и дальше от берега выпадает карбонат кальция, что дока­зывается его смешением с самыми тонкими продуктами механической дифференциации — глинистым веществом (мергели), и расположением дальше от берега зоны чистых известняков. Следовательно, здесь исся­кает поток терригенного вещества даже в самой подвижной форме. По­скольку соединения магния в карбонатной форме более растворимы, они должны выпадать после извести, что и определяет их место в ря­ду подвижности. Это доломит, который в большей своей массе осаждается при повышенной солености. При дальнейшем возра-

О

транспортирующей, энергии Вод \ _а )Вешчение величины pH J'

Понижение

</l

{

Татария

Приуралье

	Al Ocr.Si	11 Ffe Mn	Доло­ мит	Na
Si	(Fe)	Ca	Mg	(K,Ca,Mg)
	Agl К * '	t '

о Э «)5

=5 S О О.

?ййь *^г I

§.**

о

CJ

ДоломитоВо- гипсоВый пояс

Пояс медистых песчаников

<ь §

г I

к. 5;

| I

1 S

,*N (а

Сили- KapSo- Окислы каты ноты

-Л. А-

Сернокислые и галоидные соли

в» j=

“■ Z

I ^

£ £

£|г

S3

S3

I?

<2^

^т

д о 5 ьа

g <tJ

5 о

о d ri о «в v У,и

Z О* о)

Z Z

Рис. 3.14. Схема химической дифференциации вещества при переносе и

осаждении:

а о— разделение вещества (по В.М. Гольдшмидту, 1931; из JI.B. Пустовалова,

1940) ; б — схема осадочной дифференциации в верхнепермском море в направле­нии от Урала к г. Казани (по JI.B. Пустовалову, 1937): 1 — продукты механической дифференциации; 2 — продукты химической дифференциации; в — схема осадоч­ной дифференциации вещества (поЛ.В. Пустовалову, 1934-1937)

стании солености осаждаются гипс или ангидрит, а затем хлориды — га­лит, другие сульфатно-галлоидные соли — калия, магния, натрия.

JI.B. Пустовалов видел подтверждение своей схемы химической диф­ференциации в верхнепермских отложениях восточной части Русской платформы — от Урала до Казани (см. рис. 3.14, б). Кроме того, он мак­симально обосновал это химическими данными (1940, с. 262-263, 275 и

др.). Впервые непонятный калейдоскоп осадочных образований получил стройное обоснование, и в нем вскрылась своя логика, а геологи-практи­ки получили метод поисков месторождений полезных ископаемых. Схе­ма была принята геологами сразу как в СССР, так и за рубежом. Поло­жительное значение идей и схемы осадочной химической дифференциа­ции Л.В.Пустовалова для становления литологии и всей геологии трудно переоценить. В учебниках по полезным ископаемым она воспроизводит­ся до настоящего времени.

Парадокс состоит в том, что схема сразу же подверглась справедли­вой критике, которая была обобщена на первом Всесоюзном литологиче­ском совещании и особенно в трудах Н.М.Страхова (1951-1963). Во- первых, в схеме недоучитывается влияние климата, играющего не меньшую, а может быть, и бблыпую роль, чем тектонический фактор. Им определяется состав осадков суши, а также в большей мере и океа­нов как непосредственно, через широтную (климатическую) зональ­ность, так и через материал, сносимый с суши. Поэтому ряд химической дифференциации Л.В.Пустовалова получился вообще нереальным: ни­где на Земле нельзя найти фациального профиля, который бы начинался рудами железа и заканчивался эвапоритами, т.е. солями. Это искус­ственный ряд, в котором смешаны отрезки совершенно разнородных по­следовательностей — самостоятельных рядов дифференциации гумид­ного и аридного климатов. Вероятно, чувствуя эту искусственность, Л.В.Пустовалов пытался выйти из нее еще более искусственными по­строениями — отрывом от соответствующего этапа развития фазы выпа­дения солей, нередко им отодвигавшуюся на десятки миллионов лет по­сле выпадения начальных и средних компонентов ряда в конец геотекто­нического цикла или даже в новый цикл (из каледонского в герцинский и т.д.). При этом не учитывалось, что растворенный материал в океане быстро обезличивается, смешиваясь с огромными запасами солей в гид­росфере. Лишь климат регулирует выпадение не только хлоридов и сульфатов, но и большинства карбонатов, а также проявляется и в судь­бе терригенного материала. Н.М.Страхов показал, что надо разрабаты­вать самостоятельные схемы дифференциации для всех типов литогене­за, так как одной схемой их не описать. Например, угли, бокситы, лате- ритные железные руды образуются только в гумидном климате, а мед­ные, свинцовые и цинковые руды, доломиты, соли — только в аридном.

Во-вторых, недоучитывается жизнь и органическое вещество. Л.В.Пустовалов, как и многие другие геохимики, считал, что жизнь только тоща существенно проявится в седиментологии, когда будет в со­гласии с химическими условиями и химической дифференциацией. На­пример, биогенная садка кремнезема, извести и других биогенных ком­понентов будет эффективной лишь при насыщении ими морской воды. В противном случае вода все равно сведет на нет работу биоседиментации, растворив осадок. Это яркий пример беспомощности точных наук, не способных подняться выше, до правильной оценки биологического или геологического уровня организации материи, и понять явления и про­цессы, которые кажутся им невозможными и запрещенными и которые обусловлены комбинацией многих независимых факторов или действием одного, антиэнтропийного фактора, например жизни. Последняя создает 186

осадок и в агрессивной (например, недонасыщенной этим компонентом) среде, если выделяет его в массовом количестве (рифы, кремневые осад­ки и др.), и, кроме того, может менять химизм среды, т.е. сама является первичной химической доминантой (Биогеохимия ..., 1983; Биология ..., 1977; Биохимия ..., 1983; Богоров, 1974; Бордовский, 1964; Куллини, 1981; Керрингтон, 1966; Формирование ..., 1973). Пышный расцвет жиз­ни определяется многими факторами, а химики нередко выбирают в ка­честве доминирующего (определяющего) второстепенный. Например, наличие в морской воде кремнезема или извести для построения скелета. Они считают, что если вода ими не насыщена, то раковины после осаж­дения растворятся, да и сам биос не будет развиваться в массовом коли­честве. На самом деле доминирующими факторами для развития жизни являются питательные вещества, температурные и газовые условия. А материал для скелета они добудут, даже если его нет в воде. Например, они могут разлагать силикаты взвешенных глинистых частиц и строить свой кремневый скелет, как это доказали опыты с диатомеями, развива­ющимися в дистиллированной воде с глинистой взвесью. Кроме того, би­огенные кристаллики часто защищены кератиновыми и другими оболоч­ками, затрудняющими их растворение в агрессивных средах.

Органическое вещество в осадке определяет почти все процессы син­генеза и диагенеза и новое минерало- и породообразование.

В-третьих, в схеме не учитываются формы переноса реками основных компонентов осадка и конкретные механизмы их осаждения. Это не обяза­тельно кристаллизация или осаждение из истинных растворов, а коагуля­ция коллоидных растворов, концентрация в осадке в стадию сингенеза и диагенеза и конденсация при перемыве, выпадение из механических взве­сей (руды железа, марганца и др.) и т.д. Все это создает концентрации сое­динений в разных фациях поперечного профиля берег — центр водоема. Часто химически выделившаяся твердая фаза распределяется и осаждается дальше уже по законам механической дифференциации.

В-четвертых, химическая дифференциация определяется наличием конкретных геоморфологических ловушек, которые перехватывают ма­териал на разных отрезках пути, например глиноземный — в карстовых воронках, железорудный — в лагунах и других западинах дна, а это не учитывается в схеме. Если над какой-то точкой морского дна образова­лась твердая фаза (например, известь при пересыщении ею морской во­ды) , это не означает ее выпадение в осадок. Если нет ловушки, твердая фаза будет сброшена в более глубокие зоны.

В-пятых, влияние тектонического режима оценивается односторон­не, часто переоцениваются активные его стадии и недооцениваются пас­сивные, во время которых формируется большинство хемогенных и руд­ных образований.

Можно было бы продолжить перечень факторов осадконакопления и химической дифференциации, которые существенно меняют последова­тельность выпадения хемогенных осадков, предусмотренную в схеме Л.В. Пустовалова. Но отметим ее общую слабую методологическую сто­рону — автогенетичность: фактически единственной причиной хими­ческой дифференциации автор считает собственные свойства вещества и химических элементов, а более узко — их растворимость. Выше мы ви-

At

to­

te)

Opr.

'u.%)

к

(“X p. V

Fe Mn (Co,Ni (Ba. Cr, As) Co)

. 'i CdCDj (доломит, Sc)

Доломит Органогенные

'аСвзойычное содержание ^w j В породе

ШИ*—bpr.-W*

Wv-^eS&Sb. ^и"-™ч^г

<-Kopa ЗыдетриВания

Шельфовая зона

3?

I*

шяьаг

i ,z

Континент

		Доломи		ногенные | известняки 1
			M.-OUQKU.— s*	r5-обычное
		Горючие
				С-органогенный кларк
				Мп-кларк
				р-кларк
				Fe-кларк
		/Л	:ь1,калианые аи соли	А^-кларк
	гЛ
J gf	Расчлене ныйкет нент -Кантоне	?, Лагун­ная зона нт —*	ШолыроВая зона	Море ►

содержание 8 породе кларк

llllll П ГГГП

Р

Горюч. Си сл.

(ИМ)

д

Ь Zn Р Si0₂ СШ₃ Дол. CaSO* NaCl К-Mg KCl (U,V, (Set) (Sr) (B,F) соли

P.s) (B,Br)

дели, как много других факторов управляют ею, часто действуя в раз­ных, в том числе и противоположных направлениях. Все это определяет сложность и многообразие процесса осаждения и его малую предсказуе­мость. Теория химической дифференциации Л.В.Пустовалова превра­щается фактически в теорию автогенеза, как бы данную на все време­на и на все условия и обстановки.

В химической дифференциации следует различать две фазы: 1) выпа­дение из раствора в твердую фазу и 2) переход из путей миграции в осадок

• собственно накопление, или седиментацию. В целом накопление опре­деляется климатом, рельефом и тектоническими условиями, свойствами самого вещества и физико-химическими условиями (pH, Eh, концентра­ция вещества и его состав и др.), формами переноса, биосом и органиче­ским веществом вообще, режимом и скоростью седиментации, разбавле­нием другими компонентами (интеграцией), сингенезом и др. (Алекин, 1966, 1970; Беляева, 1980; Бруевич, 1978; Вейль, 1977; Виноградов, 1967; Волков, 1984; Гаррелс, Крайст, 1968; Хорн, 1972).

Учитывая многие из этих факторов, Н.М.Страхов (1960-1962) предло­жил раздельные схемы дифференциации для гумидного и аридного типов седиментогенеза (рис. 3.15, а,б). Он различает кларковые и рудные кон­центрации веществ в осадках, которые часто имеют разные законы рас­пределения и способы накопления (Кеннет, 1987; Климатическая ..., 1981; Исследования ..., 1979). Фациальный профиль аутигенного осад­кообразования гумидного типа (рис. 3.15, а,б) с девона доныне начинает­ся бокситами на континентах и в прибрежной зоне, за которыми следует максимум углей в прибрежной зоне, рудные накопления железа, фосфо­ра, марганца, доломитов, известняков, также тяготеющих к приберего- вой зоне моря или шельфу вообще. На внешнюю часть шельфа и верх­нюю часть материкового склона падают максимумы кремненакопления (спонголиты, диатомиты, радиоляриты) и горючих сланцев. Все кларко­вые накопления имеют максимумы в центральных частях океанов и мо­рей, причем для извести они фактически становятся и породообразующи­ми (кокколитовые, фораминиферовые и птероподовые илы).

Хотя последовательность многих осадков повторяет схему химической дифференциации Л.В.Пустовалова, видны и существенные отличия. Во- первых, в ней указаны начальные образования — угли и бокситы, а также фосфориты, горючие сланцы. Во-вторых, показаны несколько максимумов для бокситов, горючих сланцев, силицитов и известняков, причем макси­мум накопления последних оказывается сдвинут к берегу по сравнению с кремневым и совпадает с железорудным. В-третьих, последовательность выпадения доломитов и известняков иная; первые осаждаются раньше, еще в лагунной области, а не так, как это показано на схеме Л.В.Пустовалова. В целом более сложная картина дифференциации биохемогенных осадков более правильна, реалистична и отражает многофакторность седиментогене­за. В гумидной зоне последний остается незавершенным: не все, что мо-

Рис. 3.15. Общий фациальный профиль аутигенного осадкообразования во влажном (а,б) изасушливом (в,г) климате,поН.М.Страхову (1952). Орг.в-во — органическое вещество (угли, горючие сланцы, торф и др.); Р.з. —редкие земли; горюч.сл. —горючие сланцы; дол. —доломиты

билизовано в корах выветривания или подано гидротермами, реализует­ся в виде осадков. При обилии влаги наиболее растворимые соединения

• сульфаты и галоиды, а также значительная часть карбонатов — оста­ются в гидросфере, пополняя ее солевой состав.

В засушливом климате схема дифференциации иная (рис. 3.15, в,г). Отсутствуют гумидная рудная триада (алюминий, железо, марганец) и угли, но развивается своя, медно-полиметаллическая (медь, свинец, цинк) рудная триада, характерная для красноцветных формаций (Гла- зовский, 1987; Страхов, 1962, 1963). Правда, они почти не образуют по­род, и рудный компонент остается небольшой примесью к карбонатным, глинистым или песчаным породам. Но из-за низких кондиций они тем не менее представляют крупные залежи руд типа медистых песчаников и других рудных формаций. Рудных концентраций достигают горючие сланцы, кремневые и особенно карбонатные осадки, а также фосфори­ты, которые не отмечены в схеме Н.М. Страхова. И здесь доломит сдви­нут относительно известковых осадков в лагунную область, хотя в до­кембрии и нижнем палеозое он накапливался и в центральной части мо­рей, вероятно все же ограниченных, неокеанических размеров. Еще бо­лее приконтинентальны соли — сульфатолиты и хлоридолиты, хотя они накапливались не только в типично лагунной, но и в центральной части морей, впрочем небольших размеров. Образование фосфоритов в арид­ной зоне не уступает по масштабам гумидным фосфоритам и совершает­ся в заливной и проливной частях неглубоких наплитных морей, какие были типичны для Северной Африки в позднем мелу и палеогене (Ма­рокко, Алжир, Тунис и др.). Осадочный процесс в засушливых областях полностью завершен: все, что мобилизовано, выпадает в осадок, вклю­чая и самые растворимые соединения.

Осадочная химическая дифференциация вулканических или гидро­термальных областей — самостоятельный тип, отличающийся от гу­мидного ряда иным набором соединений и обратной геохимической зо­нальностью: у выхода источников часто отлагаются закисные, например сульфидные, соединения, а по мере их разноса они все более окисляются (Гидротермальные ..., 1974; Мархинин, Стратула, 1977; Набоко, 1959, 1963; Никитина, 1979; и др.). Ряд заканчивается окисными формами, например лимонитовыми рудами и железомарганцевыми конкрециями и корками (ЖМК). ЖМК формируется как на кларковом, так и на ано­мально повышенном фоне этих накоплений (рис. 3.16). Между фацией сульфидов железа, меди, свинца, цинка и других металлов, арсенидов и сурьмяных соединений и окисной фацией располагаются, часто весьма тесно, на небольшом пространстве (километры — первые десятки кило­метров) , фации серы (или сульфуритов), сульфатов, каолина, опалитов (трепела, порцелланиты, кремни, яшмы). Но часто, разбавляясь повер­хностной водой, гидротермальные выносы растворов обезличиваются в общем солевом составе гидросферы.