Кристаллические структуры эндогенного происхождения

Строго говоря, практически все породы, даже глины, кристаллические, но термин кристаллические обычно сохраняется за теми породами, которые представляют собой агрегаты взаимопроникающих кристаллов. Такие породы называются гранулярнокристаллические, или сахароидные. Аркозы, сцементированные кальцитом, также являются кристаллическим агрегатом, хотя так и не называются. Элементами каркаса такой породы являются зерна кварца или полевого шпата, каждое зерно явно кристаллического происхождения, но, принимая во внимание обломочную природу этих зерен, порода характеризуется кластической, а не кристаллической структурой Однако карбонатный цемент обладает четким кристаллическим строением.

Терминология, применяемая к кристаллическим текстурам и структурам осадочных пород, не унифицирована, Фридман рассмотрел этот вопрос и отметил большие колебания в применении терминов, кроме того, для описания осадочных пород используется терминология, заимствованная из петрографии кристаллических изверженных и метаморфических пород, и эта практика достойна осуждения. Поэтому Фридман предложил новую группу терминов, применение которых ограничено карбонатными породами, что очень неудачно, поскольку аналогичные структуры устанавливаются и у гипса, ангидрита и других кристаллических отложений.

В настоящей книге использована терминология, применяющаяся при изучении метаморфических пород отчасти потому, что не хотелось усложнять и без того сложную терминологию, но главным образом потому, что мы считаем диагенетические процессы — перекристаллизацию, замещение и внутреннюю перестройку (неоморфизм) — в конечном счете метаморфическим преобразованием породы. He существует разрыва между диагенезом и метаморфизмом, как принято считать, и все преобразования в твердой фазе считаются метаморфическими, независимо от того, происходят они при нормальных или повышенных значениях температуры и давления. Структуры и текстуры в обоих случаях те же самые, поскольку процессы происходят аналогичные.

Кристаллические элементы. Основными компонентами кристаллической структуры являются отдельные кристаллические элементы. Если они крупные, то структура называется макрокристаллическая, если мелкие — микрокристаллическая, промежуточная структура — мезокристаллическая. Кристаллические структуры, характер которых с трудом определяется под микроскопом, называются криптокристаллическими. Было сделано несколько попыток дать количественные значения предлагаемым терминам (табл. 3-12). Некоторые из них, например микрит, микроспаррит и спаррит, применялись для характеристики кристаллического строения известняков. Они рассматриваются в главе, посвященной известнякам.

Следует принимать во внимание не только размер кристаллов, но и их выдержанность по размеру. Если размеры зерен равные, применяется термин равно зернистая структура, а при неравенстве зерен — разнозернистая. Иногда выдержанность кристаллических зерен по размеру нарушается и выделяются крупные кристаллы, размер которых на порядок выше окружающих. Такие кристаллы аналогичны порфиробластам гранатов или ставролита в кристаллических сланцах и называются этим термином (порфиротопы по Фридману или порфирокристаллическая текстура Фемистера). Например, в некоторых слоях ангидрита встречаются крупные, хорошо заметные кристаллы гипса, заключенные в микрокристаллический ангидритовый матрикс.

Если в крупный кристалл включены мелкие кристаллы другого минерала, структура называется пойкилобластическая (пойкилотопная по Фридману и пойкилохристаллическая Фемистера). Аналогичное строение наблюдается в песчаниках, в которых кальцитовый цемент обладает единой кристаллографической ориентировкой на значительной площади и включает множество песчаных зерен (песчаных кристаллов). Таким же образом крупные кристаллы барита могут содержать песчаные зерна (розетки барита).

Форму кристаллических элементов можно характеризовать по признакам степени выраженности наружных граней кристаллов и их симметрии. Te, у которых кристаллические грани не выражены, называются ангедральными (anhedral), а ограниченные хорошо выраженными гранями — эвгедральными (euhedral). Для кристаллов, охарактеризованных единичными гранями или имеющих неполные кристаллические очертания, применяются термин субгедральные (subhedral).

Важно также происхождение границ между кристаллами в кристаллическом агрегате. Границы между кристаллическими элементами могут быть прямые, изогнутые, фестончатые, зазубренные или сутурные. Спрай детально изучил проблему границ между зернами и ее значимость, Батхерст и Фолк рассматривали этот вопрос применительно к кристаллическим структурам карбонатных пород. Характер границ может указывать на относительный возраст минералов или служит признаком взаимного растворения (микростилолитовые границы), замещения и коррозии (фестончатость) и т. п.

Структура цемента. Структура цемента это структура материала, заполняющего поры. В этом отношении кристаллические структуры осадочных образований отличаются от структур метаморфических пород. Два варианта являются наиболее характерными. В первом случае каркас породы химически инертный и не вступает в реакцию с цементирующим веществом или растворами, из которых осаждается цемент. Во втором случае каркас и цемент взаимодействуют друг с другом и в результате сам каркас изменяется. При инертном каркасе вопрос заключается в осаждении минерала на поверхности одновременно со свободным ростом в поровом пространстве. В общем виде осажденные материалы образуют скопления в виде друзы кристаллов на стенках пор. Кристаллы растут от стенки к центру поры, некоторые из них занимают главенствующую роль и подавляют рост остальных (рис. 3-44). В итоге кристаллы, растущие с различных поверхностей, смыкаются, и пора оказывается заполненной. В других случаях цементирующий материал (кальцит или барит) образует крупные кристаллические агрегаты, не связанные с поровой системой, и цемент приобретает единую кристаллографическую и оптическую ориентировку на значительной площади и включает множество обломочных зерен (пойкилобластовая структура).

Когда зерна каркаса вступают в реакцию, наблюдается несколько иное строение цемента. В отдельных случаях зерна каркаса растут или увеличиваются за счет химического осаждения материала из поровых растворов. По сути дела, зерна каркаса являются «зародышами» кристаллов, т. е. ядрами растущих кристаллов. Это подтверждается «вторичным разрастанием» кварца, полевого шпата и даже кальцита в песчаниках, сложенных обломками криноидей. В этом случае цемент образует единое оптическое и кристаллографическое целое с зернами каркаса. В конечном итоге образуется кристаллическая гранулярная структура. В некоторых случаях зерна каркаса корродированы цементом и частично замещены. В отельных исключительных случаях не устойчивые зерна каркаса разрушены или даже разложены и образуют микрокристаллический агрегат. Карбонатные обломки многих известняков обнаруживают микритовые оторочки, а неустойчивые обломки пород в некоторых песчаниках превращаются в эпиматрикс (по Дикки неону).

Структуры перекристаллизации. Многие осадочные породы подвержены перекристаллизации при нормальных значениях температуры и давления. Это характерно в частности для карбонатных пород, но может происходить и в гипсах, ангидритах и даже кремнях. Раковины, скелетные обломки и цемент, сложенные арагонитом, бывают пере-кристаллизованы в кальцит. Переход ангидрита в гипс или обратное явление — хороший пример такого типа перекристаллизации, так же как и микрокристаллическая структура кремня, которая возникает в результате неокристаллизации кремниевого геля. В отдельных случаях процесс перекристаллизации носит истинный характер (переход арагонита в кальцит), в других он связан с гидратацией или дегидратацией породы (переход опала в халцедон или гипса в ангидрит). В ряде случаев добавляется новый материал (кальцит к доломиту).

Кристаллизация или перекристаллизация в твердом состоянии приводит к образованию структур в основном «метаморфических» или кристаллобластических по характеру. Кристаллы, растущие таким образом, заполнены включениями, которые либо концентрируются в центре новообразованного кристалла, либо распределяются зонально. Породы, кристаллическое строение которых обусловлено диагенетическими изменениями, как и их метаморфические аналоги, обладают реликтовыми структурами и текстурами. Они сохранили следы первоначальных структур и текстур, которые оказались не полностью уничтоженными в результате постседиментационной перестройки породы. В такой породе могут быть установлены следы слоистости, оолиты, органические остатки и даже обломочные структуры.

Перекристаллизация может происходить выборочно (затрагивать только отдельные компоненты породы) или быть всеобщей, захватывая породу целиком. Превращение арагонитовых раковин в кальцитовые иллюстрирует первый случай, полная доломитизация является примером второй ситуации. Перекристаллизация может приводить к уменьшению размера зерен, но чаще она приводит к грубой структуре породы.

Исследователь осадочных пород сталкивается с трудноразрешимыми вопросами, например: как различать материалы, подобные матриксу (эпиматрикс), образующемуся при разложении элементов каркаса, и микрокристаллический матрикс, образующийся при перекристаллизации внутрипоровых глинистых материалов (ортоматрикс, по Дикинсону)? Крупнокристаллический цемент известняков образуется при осаждении материалов в поровой системе, но порода такого же типа может возникнуть в результате перекристаллизации внутрипорового карбонатного ила. Эти вопросы рассмотрели Диккинсон на примере некарбонатных песчаников, Фолк и Батерст — на примере карбонатных пород. Эти вопросы также рассматриваются нами в главах, посвященных песчаникам и известнякам.

В некоторых породах процесс роста кристаллов осуществляется не полностью, новообразованные материалы встречаются в форме крупных порфиробластов. В других случаях минеральные новообразования принимают форму мелких сферолитов.

Структуры замещения и парагенетические ассоциации. Минералы, осажденные химическим путем и обладающие кристаллической структурой или текстурой, могут образовываться одновременно с накоплением осадка, или позже, возможно при выпадении из растворов в поровом пространстве породы или отчасти замещая ранее существовавшие минералы как обломочного, так и химического происхождения. Поэтому для того чтобы понять эволюцию осадочной породы, необходимо: 1) отличить обломочные минералы от химически образованных, 2) определить последовательность выделения нескольких химически осажденных минералов, 3) уточнить характер размещения осажденного материала, накопление его в пустотах или при замещении. Для установления таких различий исследователю нужны критерии, а также необходима оценка этих критериев для расшифровки истории эволюции породы. Большей частью это структурные критерии, связанные с формой кристаллов, характером границ зерен и подобными показателями

Для полного понимания истории эволюции породы обязательным условием является определение относительного возраста или парагенеза нескольких присутствующих минералов. Проблема парагенеза минералов и связанная с нею проблема замещения одного минерала другим многие годы привлекала внимание петрографов и исследователей рудных месторождений. В частности, последние, на основании кропотливых наблюдений структур руд и пород, выявили многие критерии, относящиеся к проблемам относительного возраста и замещения.

Рекомендуем также ознакомиться с работами Граута, Бастина и др., в которых эти критерии собраны, проанализированы и оценены. Оки более понятны в применении к конкретным случаям. Множество подобных случаев описано в рассмотренных работах и проиллюстрировано соответствующими зарисовками или микрофотографиями.

Большинство микроструктур и взаимоотношений минеральных зерен, установленных в различных породах и рудах, присутствуют и в осадочных породах.

Относительный возраст двух соприкасающихся минералов отчасти определяется по структуре породы. Минералы обломочного каркаса очевидно более ранние по сравнению с теми, которые заполняют пустоты в каркасе. Некоторые исследователи, однако утверждают, что цементирующие минералы образовались одновременно с обломочными, которые они связывают в породу. Минералы, заполняющие каверны или трещины, так же как пустоты, очевидно, более поздние, чем вмещающая порода. Когда пустота заполнена несколькими минералами, их относительный возраст определяется характером взаимных контактов. В общем виде поздние образования нарастают на более ранние. Поскольку на ранних стадиях минералы растут в свободных полостях или в пустотах, заполненных флюидом, они приобретают четкие грани; последующие минеральные заполнения будут повторять форму пространства между ранними кристаллами и поэтому будут лишены кристаллографических очертаний. К сожалению, правильная форма — недостаточный критерий раннего формирования кристалла. Если ограненный кристалл образовался в процессе замещения, то он будет более поздним по времени, чем окружающий его минерал. Хорошо ограненные кристаллы кварца, устанавливаемые в известняках, прекрасно иллюстрируют изложенное положение. Следовательно, необходимо различать кристаллические образования, растущие в растворе, и кристаллы, образованные при замещении в затвердевшем матриксе.

Существует множество критериев процесса замещения, к ним относится и образование автоморфных кристаллов, секущих ранние элементы текстуры, например, слоистость, органические остатки и оолиты. Минералы, образованные при замещении, содержат включения замещенного материала. Эти незамещенные остатки могут иметь общую кристаллографическую ориентировку или могут быть распределены по реликтовому или «призрачному» рисунку, унаследованному от замещенной текстуры. Фестончатые контакты, так же как остатки, ограниченные чрезвычайно изрезанным контуром, указывают на замещение. Наибольшую известность получило явление псевдоморфизма в качестве критерия процесса замещения. Псевдоморфные замещения органических текстур (растительной ткани, раковин и т. п.) и кристаллические псевдоморфозы (например, кварц по доломиту) — наиболее частые и убедительные свидетельства замещения. Внимательный наблюдатель сможет найти и использовать другие критерии для определения относительного возраста и процесса замещения. Очень важно, чтобы такие соотношения были тщательно выяснены.

Строение жил. В жилах наблюдаются разнообразные структуры и текстуры. Кварцевые жилы описаны Адамсом, а жилы в карбонатных породах — Граутом.

Одни выполнены равнозернисгыми кристаллами, другие характеризуются незаполненными кавернами, или друзами. Поперечно-волокнистые жилы кварца, кальцита и гипса встречаются довольно часто и они образованы волокнистыми кристаллами, расположенными перпендикулярно стенкам жилы, а некоторые изменены в результате деформации. Гребневая текстура имеет аналогичное строение; в ней кристаллы образуют призматическую форму, а не волокнистую. Участками такие кристаллы имеют облик пламени; в них видны признаки роста удлиненных кристаллов от исходной точки. Подобное строение сменяется истинной радиальной текстурой кристаллического нарастания.