Диагенез карбонатных пород

Известняки более чем какие-либо другие распространенные осадочные породы подвержены изменениям как до, так и после консолидации. Наиболее значительны те изменения в структуре и составе, которые ведут к образованию доломитов и к замещению кремнеземом, фосфатами и т. д. В одних случаях это замещение заключается в проникновении в породу посторонних материалов; л других они сопровождаются перестройкой материала, уже присутствующего в породе, — этот процесс назван диагенетической дифференциацией.

Ho даже в обычных известняках, не претерпевших существенного изменения в составе, происходят преобразования, сопровождающиеся трансформацией мягкого и обычно пористого карбонатного осадка в плотный твердый известняк с небольшой пористостью или вообще лишенный пористости. Эти изменения мы сейчас рассмотрим. Для этого важно провести различие между теми свойствами, которые можно непосредствен но наблюдать — крупнозернистая мозаика, стилолиты или закономерные разрастания кристаллов, и теми процессами, которые мы предполагаем — перекристаллизация, растворение, замещение и т. д Превращение известкового осадка в литифицированную кристаллическую породу является разновидностью метаморфизма, так как образующиеся структуры похожи на структуры обычных метаморфических пород. Поэтому изучающим эту проблему следовало бы ознакомиться со структурами метаморфических пород, и уж, конечно, изучающие строение известняков должны быть знакомы с монографией Бруно Зандера.

Вопросы диагенеза и доломитизации известняков широко освещены в специальной литературе. Привлекают внимание раздел журнала «Седиментология». посвященный литификации карбонатных осадков, симпозиум по доломитизации и диагенезу известняков, Бермудская конференция по карбонатным цементам, а также одна из ранних, но до сих пор заслуживающих внимания классических работ по доломитам и доломитизации Ван-Туйла. Добавим к этому бесчисленное множество статей, посвященных этому вопросу, на некоторые из них мы ссылаемся в следующем разделе. Диагенетическая структура карбонатных пород, а также предполагаемые процессы, создающие ее, схематически отображены на рис. 10-49.

В этом разделе мы акцентировали внимание на явлениях, связанных с диагенезом — заполнении порового пространства, закономерных разрастаниях кристаллов, микритовых оторочках и т д., а также на предполагаемых процессах, приведших к развитию этих явлений, однако следует четко понимать, что диагенетические изменения, имеющие место в карбонатных отложениях, являются сложным процессом. Изменения могут быть избирательными; такая селективность, в частности, относится к первичной минералогии скелетных элементов или ооидов. Кроме того, они могут быть комплексными, поскольку протекают в течение длительного периода времени, охватывающего как время осадконакопления, так, частично, и стадию после воздымания. Восстановление истории диагенетических преобразований может быть весьма сложной задачей.



Карбонатные цементы составляют значительную часть скрепляющих материалов, которые связывают известняки в единое целое. До недавнего времени наши знания, касающиеся литификации карбонатных осадков, основывались на микроскопических анализах строения цемента в древних породах. В значительной степени они основываются на них и сейчас. Однако изучение седиментационных процессов, происходящих в современных плейстоценовых карбонатных осадках, данные по химическому составу карбонатных цементов и связанных с ни ми вод очень много прибавили к пониманию процесса цементации. Детальное изучение цементации карбонатов явилось темой симпозиума и нашло отражение в докладе Бриккера.

Свежеотложенный карбонатный осадок содержит множество крупных и мелких пор и пустот. Общая пористость некоторых карбонатных осадков может составлять 75—80%. В карбонатных песках эта межзерновая пористость сильно уменьшается при выпадении цемента в межпоровых пустотах каркаса, а в карбонатных илах сокращается при уплотнении и растворении под давлением на контакте зерен. Цементация может проявляться в виде друзовидных оболочек на зернах, иногда волокнистых с радиальным расположением и более крупной зернистостью к центру пор, с прямыми границами между отдельными кристаллическими индивидами. Первичный цемент, например в пляжевых породах, может быть арагонитовым или в некоторых случаях Mg-кальцитовым, но в древних породах цемент кальцитовый.

В некоторых известняках цемент представлен закономерными нарастаниями на обломочных зернах каркаса, они выглядят как единые кристаллы, как, например, скелетные элементы иглокожих. Эти вторичные разрастания состоят из чистого кальцита и отличаются от перъоиачальных обломков, которые содержат многочисленные включения. Кристаллическая мозаика, образованная закономерным (синтаксиальным) разрастанием, отличается наличием плоскостных межзерновых границ.

Более крупные пустоты (например, связанные со скелетными структурами, а также пустоты рифовых пород) частично заполнены механическими осадками. Тонкий карбонатный ил или алеврит попадают в каверну и покрывают ее дно. Остальная часть каверны впоследствии заполняется осажденным кальцитом, который сначала оседает на стенках, а затем заполняет все пустотное пространство. При подобном сложном заполнении формируется геопетальная структура. Геопетальное строение типично для многих известняков и является ориентиром при определении кровли крутонаклонных и перевернутых пластов. Обычно пустоты заполняются кальцитом, но в некоторых случаях присутствует доломит. Наблюдениями установлено, что если одновременно присутствуют доломит и кальцит, то раньше отложился доломит, а не кальцит.

По вопросу о времени цементации происходило много споров. Иногда цементация идет одновременно с отложением осадка, как, например, в пляжевой породе. Пляжевая порода, образовавшаяся при простом заполнении пор, образуется в современных условиях в литоральной зоне, в основном в тропических областях. В общем цемент состоит из нарастаний на микритовых зернах, иногда присутствуют волокнистые нарастания, обычно арагонитовые.

Рифовые породы обычно цементируются, находясь еще под водой, то же происходит и с другими морскими осадками. Подводные цементы, по-видимому, представлены волокнистым арагонитом или магнезиальным кальцитом, особенно в зернистых и пеллетовых известняках. Цементация происходит также и после воздымания территории под действием циркулирующих метеорных вод. Образовавшийся при этом цемент обычно представлен обедненным магнием стабильным кальцитом, с более низкими изотопными отношениями кислорода и углерода, чем в морском цементе.



Карбонатные породы особенно подвержены растворению. Растворение обычно становится заметным при удалении раковин или других скелетных элементов, или в редких случаях при удалении ооидов или во всех других случаях, когда форма оставшихся пустот указывает на их происхождение. Избирательное растворение ооидов приводит к образованию так называемой «оолитовой пористости». В других случаях при растворении остаются неправильной формы мелкие или крупные каналы. Крупные каналы представлены хорошо известными известняковыми кавернами и пещерами. Пористость, образующаяся при растворении, со временем может уменьшиться при новом заполнении пустот осажденными карбонатами. Последней стадией заполнения пещер являются натечные образования — сталактиты и сталагмиты.

Более распространенным, хотя и менее эффектным продуктом растворения, точнее растворения под давлением, являются стилолитовые швы; их особенности и происхождение рассматривались нами ранее. Как отмечалось, образование стилолитовых швов может сопровождаться удалением значительного объема породы, сокращением стратиграфической мощности, в некоторых случаях достигающем 40%. Многие карбонатные породы изобилуют микростилолитами — мелкими стилолитами, которые отчетливо видны в шлифах. Они маркируют границы между зернами или между ископаемыми остатками или же между зернами (и окаменелостями) и матриксом породы.



Во многих известняках отмечается увеличение размеров зерен и степени кристаллизации с увеличением возраста отложений. Этот процесс Фолк назвал агградационным неоморфизмом (в противоположность деградационному неоморфизму или уменьшению размеров зерен). В одних случаях процесс увеличения размеров зерен захватывает лишь единичный элемент породы; в других случаях он охватывает всю породу. Для первого случая примером резкого увеличения размеров зерен является синтаксиальная каемка за мещения — оболочка или разрастание кристаллического элемента (например, криноидной чешуйки), которые могут продолжаться в матрикс, где находился этот элемент. Вторичная кайма, увеличивающая объем первоначального обломка, может расти только при замещении окружающего матрикса. Другим примером неоморфизма, проявляющегося в новом разрастании кристаллов, являются радиально построенные сферолиты, присутствующие в некоторых тонкозернистых известняках. Более часто встречается крупнокристаллическая мозаика, которая захватывает обломки раковин, оолиты и похожа на матрикс. Она стирает первоначальные структурные особенности породы. Эта мозаика характеризуется искривленными и спутанными границами между зернами.

В целом различие между осажденным в порах и неоморфным кальцитом относительно четкое, но в некоторых случаях это не так. Ранее упоминалось о желваковых известняках. Являются ли «микритовые острова» измененными пеллетами в яснокристаллическом цементе или они представляют собой реликты неполной перекристаллизации тонкозернистого известняка? Считается, что даже цемент некоторых калькаренитов неоморфный и является продуктом перекристаллизации микритовой основной массы, тогда как яснокристаллический кальцит в калькарените предположительно может являться либо цементом, либо неоморфным образованием; это приводит к заключению, что вакковые породы без обломочного костяка предположительно неоморфные. Яснокристаллический кальцит, заполняющий верхние части каверн и трещины, несомненно является цементом, а не неоморфным образованием (хотя бывает, что жилки являются жилами замещения). Батхёрст указывал, что в кальцитовом цементе тройные соединения зерен наблюдаются гораздо чаще, чем в неоморфном кальците. В таком тройном сочленении (контакт трех межкристаллических границ) каждый из трех углов равен 120°. Для роста яснокристаллического цемента характерны ориентировка кристаллов нормально к поверхности и увеличение размера кристалла при удалении от поверхности; эти черты отсутствуют в неоморфном кальците

Механизм, лежащий в основе преобразования тонкозернистого карбоната в крупнокристаллический, еще не ясен. Этой проблеме уделили внимание Батхёрст и Фолк. В одних случаях неоморфная мозаика образуется при превращении арагонита в кальцит, например, в некоторых ооидах или раковинах. В других эта мозаика образуется при собирательной перекристаллизации карбонатных илов или микрита. Этот процесс заключается в росте одних кристаллов за счет других. Если эти кристаллы достаточно широко рассеяны, то наблюдается первичная стадия, характеризующаяся псевдопорфировой структурой (порфироидный неоморфизм, по Фолку). Если же центры первичного роста расположены близко друг к другу, увеличивающиеся кристаллы вскоре приходят в соприкосновение и порфироподобная структура не образуется; вместо нее развивается неоморфная структура собирательной перекристаллизации.



В общем случае неоморфизм ведет к образованию укрупненной структуры пород — обычно к увеличению размеров кристаллов, подобно тому, что наблюдается при превращении известняка в мрамор. Ho в отдельных специфических случаях диагенез приводит к уменьшению размеров зерен или к превращению крупных кристаллов в мозаику более мелких зерен. Для обозначения этого процесса был предложен термин микритизация.

Наиболее четко результаты этого процесса видны на примере микритовых каемок некоторых ооидов или скелетных зерен, которые можно наблюдать даже в современных отложениях. Эту микротовую каемку легко спутать с аккреционной микритовой оболочкой. Зона микритового изменения, в отличие от аккреционного слоя, имеет неправильную линию контакта с ядром зерна. Аккреционный слой, в свою очередь, образует резкую линию контакта с поверхностью зерна и более однороден по мощности; иногда в нем даже можно наблюдать два или более слоев. Батхёрст связывал микритовые изменения со сверлящим воздействием водорослей; образующиеся при этом пустоты заполнялись микритовым карбонатом. В древних карбонатных породах также наблюдаются микритовые оболочки, происхождение которых, возможно, сходно с описанным.

Уардлоу описал превращение калькеренита в кальцит при перекристаллизации, сопровождавшейся уменьшением зерен. Он объяснил это главным образом деформациями при перекристаллизации — явлениями, типичными для метаморфических пород, хотя некоторые известняки, претерпевшие подобное изменение, были весьма слабо деформированы.



Карбонатные пески, подобно своим кварцевым аналогам, могут слабо уплотняться, либо вообще не уплотняться, в то время как карбонатные илы, подобно обычным илам, склонны к уплотнению. Однако многие исследователи полагают, что известковые илы весьма слабо уплотняются из-за ранней цементации. Обоснования этой точки зрения различны, но, пожалуй, наиболее убедительным доказательством является включение в кальцилютиты неразбитых и нераздробленных мельчайших раковин. Хотя свежеотложенные известковые илы рано теряют воду, они сохраняют высокую первичную пористость.

Однако, по вопросу уплотнения имеется ряд противоречивых суждений. Терцаги указывала на опрокинутое залегание пластов на флангах рифов, которое она объясняла большим уплотнением этих пород по сравнению с ядром рифа. Проводимые ею опыты по уплотнению современных карбонатных илов подтвердили эту точку зрения. Биггс отмечал, что хрупкие ископаемые остатки сохранились в кремнистых стяжениях, в то время как их аналоги во вмещающих известняках раздроблены. Этот факт он объяснил тем, что окремнение происходило до того как известковые илы подверглись уплотнению. Таким образом, вопрос об уплотнении еще остается открытым; возможно, что те известковые илы, которые не претерпели ранней цементации, уплотнялись, а другие уплотнению не подвергались.



Хорошо известно о замещении известняков кремнеземом, разнообразными железистыми минералами, фосфатами и другими веществами Подобные замещения обычно невелики, только в исключительных случаях известняк может заместиться целиком. Наиболее широко распространенным и частым является замещение, связанное с образованием доломита.

Проблема происхождения доломита вызывает много споров, литература по этому вопросу весьма обширна. Вероятно, доломиты полигенны (рис. 10-50), Большинство доломитов явно замещены известняками. Доказательствами замещения служат идиоморфные грани доломита на контакте с кальцитом и даже с обломочным кварцем и глауконитом, включения обломочного кварца в эвгедральных кристаллах доломита, пересечение оолитов, ископаемых структурных форм и т. д. эвгедральными кристаллами доломита, завуалированные палимпсестовые признаки первоначально кальцитовой, биокластической или оолитовой структур, текстурный контроль распределения доломита, пересечение стратиграфических поверхностей поверхностью контакта кальцит — доломит. Косвенным доказательством замещения служит тот факт, что никакие организмы не вырабатывают доломит; однако раковины или ракушечниковые рифовые пласты целиком сложены доломитом.

Замещение доломитом происходило почти при сохранении объемов и не являлось замещением молекулы на молекулу. Для последнего требуется повсеместное снижение объема со 100% к 88% при соответствующем увеличении пористости. Штейдтман показал, что известняки и доломиты не сильно различаются по пористости, хотя Лэндес описал случай, когда только доломитовые участки формации являлись пористыми (и нефтеносными). Пористость этих доломитов объяснялась избирательным выносом кальцитовых компонентов из неполностью до ломитизированной породы.

Хотя происхождение многих, если не большинства, доломитов в результате замещения является установленным фактом, время замещения остается не ясным. Оно могло происходить в обстановке осадконакопления до захоронения осадка. Примером могут служить древние доломитизированные рифы атолла Фунафути. Замещение могло иметь место и после захоронения, но до воздымания, а также после захоронения и воздымания. Принципиальным доказательством раннего замещения служит стратиграфическое постоянство многих доломитовых пластов. Трудно поверить, что тонкий пласт площадью во многие квадратные километры мог быть доломитизирован в результате циркуляции вод, в то время как выше и ниже залегающие пласты не испытывали их действия. С другой стороны, поздняя доломитизация может быть доказана, если распределение доломитов ограничено участками трещиноватости или контролируется какими-либо иными структурными факторами. Другим аргументом в пользу поздней доломитизации является наблюдение Дейли — чем древнее породы, тем сильнее они обогащены магнием. Чем древнее порода, тем более вероятен ее контакт с высокомагнезиальными водами и ее доломитизация. Однако Дейли и некоторые другие авторы придерживались точки зрения о том, что состав древних морей был иным, чем в более позднее время, и следовательно, древние породы были более доломитовыми, чем молодые. He остается никаких сомнений в том, что доломиты образовались в результате как ранних, так и более поздних процессов замещения.

Что являлось источником магния и какова была природа флюидов, необходимых для замещения? Там, где доломитизация была частичной, им мог явиться несмешивающийся, обогащенный магнием кальцит органического происхождения. Некоторые водорослевые известняки содержат MgCO3 (до 24%) в виде твердого раствора в кальците. Извлечение этого материала само по себе было бы недостаточным для превращения известняка в доломит, но его могло быть достаточно для образования рассеянных в известняке кристаллов доломита или, возможно, для образования крапчатых доломитов. Таким образом, в тех случаях, когда крапчатые доломиты превращались в твердые, присутствуют две генерации доломита.

Для образования большинства доломитов было необходимо поступление магния из внешних источников. Эпигенетическое замещение, связанное с разломами и другими структурными факторами, вызывалось действием содержащих магний связанных вод или циркуляцией метеорных вод. Вероятно, более ранняя, синхронная с осадконакоплением доломитизация является результатом взаимодействия известкового карбонатного осадка и магнезиальной морской воды. Ho если это так, почему же тогда не все известковые осадки, контактирующие с морской водой, превращаются в доломит? Экспериментальные работы и наши наблюдения над современными доломитовыми формациями показали, что доломитизирующие флюиды были гораздо сильнее обогащены магнием, чем обычная морская вода. Возможно, что этими флюидами являлись воды частично изолированных бассейнов, находящихся, например, в условиях аридного климата, которые обогащались магнием при постоянном подтоке вод нормальной солености и в результате осаждения карбоната кальция и сульфатов. При таком типе обогащения должна была образовываться тяжелая рапа, которая проникала вниз через пористый осадок и доломитизировала те осадки и рифы, с которыми она контактировала. Эта «подточная» гипотеза применялась сначала по отношению к формированию эвапоритов, а позднее Адамсом и Родсом — к образованию доломитов. Ею объясняется образование доломитов и переднерифовых известняков. Тесная связь многих рифов с эвапоритовыми минералами и отложениями убеждает в правильности гипотезы образования рассолов и доломитизации.

He все доломиты, однако, обладают неопровержимыми признаками замещения. Многие из них тонкозернистые, тонкосланцеватые, содержат трещины усыхания, имеют косую слоистость, знаки ряби, содержат ограниченный комплекс фауны, отличающийся от фауны, содержащейся в известняках. В некоторых случаях эти доломиты имеют резкий контакт с известняками; известковый материал может даже заполнять трещины в доломитовых илах, доломит может также содержать известковые интракласты. Известковые строматолиты могут быть окружены тонкослоистыми доломитами и не иметь никаких следов замещения доломитом. Являются ли эти доломиты первичными в том смысле, что слагающие их зерна были доломитовыми в момент формирования структуры породы? Разные исследователи придерживаются концепции о первичности доломитов: Слосс указывал на эвапоритовое происхождение определенных тонкосланцеватых, совершенно не содержащих органических остатков доломитов, тесно связанных со слоистым ангидритом; Сандо пришел к подобным выводам по отношению к тонкослоистым доломитам, переслаивающимся с известняками Бикмантаун (ордовик) штата Мэриленд. Хотя в известняках Бикмантаун нет ангидрита, здесь был обнаружен доломит с включениями мелкой гальки подстилающих известняков. Трудно не согласиться с заключением о первичности этих доломитов. Сарин также считал, что доломиты нижней части свиты Бикмантаун, ритмически переслаивающиеся с известняками, первичные. Страхов полагал, что доломиты могли осаждаться из «пересыщенных» морских вод. Тонкое переслаивание доломитов с известняками, при мощности слойков порядка 1 мм, указывает на первичность доломитов.

Экспериментальные работы и наблюдения над современными доломитами показали, что воды, из которых осаждался доломит, не являлись обычными морскими водами. Они, вероятно, были сильнее обогащены магнием (по сравнению с кальцием) и имели повышенное значение pH, а также температуру выше нормальной. По-видимому, эти условия лучшим образом могли быть реализованы в мелководных, пересыщенных солью лагунах или приливно-отливных отмелях в областях с теплым аридным климатом. Повышенная соленость сдерживала развитие нормальной фауны и вела к осаждению сопутствующих эвапоритовых сульфатов; трещины усыхания и развитие строматолитов — еще один признак мелководной или даже субаэральной обстановки. Периодическое опреснение вод вело к отложению известняков с нормальной фауной.

Для более обширного обзора проблемы доломитов, кроме классической работы Ван-Туйла, отсылаем также к работам Фэрбриджа, Фридмана и Сандерса и Мичарда, а также к материалам симпозиума.

Дедоломитизация. Хотя замещение известняков доломитами встречается очень часто, обратный процесс, заключающийся в замещении доломита кальцитом, редок. Замещение ромбиков доломита кальцитом, называемое дедоломитизацией, установлено несколькими исследователями. Эвами привел блестящий пример замещения доломитовых порфиробластов кальцитовой мозаикой. Опыты Де Гроота но дедоломитизации показали, что для протекания этого процесса требуются растворы с высоким отношением кальция к магнию, быстрое течение вод и температура до 50°С. Эти ограничения отвечают приповерхностным условиям.

Другие замещения. В некоторых случаях при диагенезе известняков происходит замещение их различными формами кремнезема и реже замещение фосфатами, разнообразными железосодержащими минералами, в особенности пиритом и другими веществами. Эти замещения могут протекать весьма интенсивно и в некоторых случаях быть полными; они рассмотрены преимущественно в разделах, посвященных кремням, железосодержащим формациям и фосфоритам.

Возможно, здесь следует отметить, что при обычных обстоятельствах процесс замещения является результатом перераспределения материалов, уже присутствующих в осадке, и не требует привноса их извне. Это, в частности, справедливо для кремнезема. При диагенезе кремнезем принимает различные формы, например, рассеянный кремень, в частности, кремнезем с отпечатками доломита, кремневые желваки, окремнелые ископаемые остатки, эвгедральные кристаллы кварца, в которых может быть, а может и отсутствовать обломочное ядро, халцедоновые сферолиты и т. д. Многие аспекты диагенеза кремнезема в известняках были описаны Уилсоном.



Как отмечалось, диагенетические изменения в известняках разнообразны и сложны. В особых случаях можно установить время последовательных изменений — парагенезис. Однако остается вопрос, являются ли диагенетические преобразования общими для большинства известняков или каждая парагенетическая последовательность фактически единственна в своем роде? Является ли временная связь между кремнеземом и доломитом или между одной генерацией цемента и другой, или между вторичным кальцитом и доломитом универсальной или эти соотношения разнообразны и отражают историю преобразования конкретного известняка? Возможно, доля истины есть и в том, и в другом предположении. Арагонит почти всегда замещается кальцитом и никогда наоборот. В общем кальцит и (или) арагонит замещаются доломитом. Доломит лишь очень редко замещается кальцитом и никогда арагонитом. Обогащенный магнием кальцит ведет к образованию обедненного магнием кальцита и никогда наоборот. Как отмечал Фриман, порядок заполнения порового пространства таков, что за кальцитом следует доломит, обратного не бывает. Тем не менее в настоящее время невозможно сформулировать нормальный диагенетический ряд или даже указать различные пути, по которым может протекать диагенез. Решение подобной задачи требует большого объема исследований, касающихся того что происходило и, возможно, лучшего теоретического понимания того, что могло произойти.

Зен и Петерсон предположили, что ассоциация минералов в некоторых, в особенности в тонкозернистых, известняках является равновесной. Зен, изучавший осадки Перуанского желоба, полагал, что химическое равновесие между несколькими глинистыми минералами и карбонатами достигается в достаточно короткое время. Если это так, то многокомпонентная система средней сложности подобного рода может быть с успехом проанализирована с использованием термодинамических методов. Петерсон применил этот подход к изучению минеральной ассоциации верхнемиссисипских известняков штата Теннесси и пришел к заключению, что «ассоциация минералов образуется за счет минерального парагенезиса, обусловленного первоначальным валовым составом осадка». Эта концепция означает, что ныне присутствующие глинистые минералы — результат установившегося равновесия после отложения осадка, — не являются, таким образом, надежным индикатором материала источников сноса.