Цементация песчаников

Химически осажденный материал, образующий цемент многих песчаников, является важнейшим компонентом этих пород. При полном заполнении пор цемент составляет от 1/4 до 1/3 объема породы. В толще сцементированных песчаников мощностью 100 м содержится, к примеру, столько цементирующего материала, что, будучи выделенным, он образовал бы пласт мощностью 25—30 м. Кроме того, цементация служит последней ступенью при формировании песчаника; наши представления не могут считаться полными и удовлетворительными, пока мы всесторонне не исследовали происхождение цемента и способ его осаждения.

Выпадение цемента влияет и на пористость, и на проницаемость породы и поэтому представляет большой интерес при изучении движения флюидов через породу и при оценке общего количества этих флюидов. Полная цементация ведет к образованию столь плотного песчаника, что он не способен ни удерживать в себе, ни пропускать такие флюиды, как пластовые воды, нефть или природный газ.

Известно, что цементом в породе могут служить многие минералы. Однако часть из них встречается сравнительно редко и в количественном отношении не играет важной роли. Наиболее распространенным цементирующим материалом является кремнезем (главным образом кварц). Обычно кварц отлагается в виде оболочек, нарастающих на зернах обломочного кварца. При некоторых специфических условиях кремнезем отлагается в виде опала или халцедона, а не кварца. Песчаники с опалоподобным цементом имеют преимущественно молодой возраст. Факторы, определяющие выпадение опалового, а не кварцевого цемента, полностью не выявлены, однако, по-видимому, это связано с ионной концентрацией. Песчаник Огаллала в Канзасе, сцементированный опалом, интерпретируется как случай замещения опалом кальцитового цемента. Предполагается, что источником кремнезема послужили связанные с песчаной формацией слои вулканического пепла. Тесные ассоциации песков, сцементированных опалом, с пепловыми слоями, по-видимому, являются достаточно распространенными. Это отмечено, в частности, для третичной формации Гейдан (Катахула) в Техасе.

В качестве цемента широко представлены также различные карбонатные минералы, часто кальцит. Доломит встречается реже, а сидерит — еще меньше, хотя и не до такой степени, как считается: он редко виден в обнажениях по той простой причине, что является очень неустойчивым в атмосферных условиях. Многие песчаники с железистым цементом фактически являются сидеритовыми. Исследование некоторых пятнистых песчаников показало, что каждое пятно, заполненное лимонитовым цементом, образовалось в результате окисления сидерита, остатки которого сохранились в центре некоторых заполненных лимонитовым цементом участков (рис. 7-28).

Цементом могут служить окись железа и, очень редко, сульфид железа. Среди более редких силикатов цемент может быть представлен в незначительном количестве полевым шпатом (рис. 7-29), каолинитом и другими глинистыми минералами и цеолитами. Хотя глины могут быть привнесены в процессе осадконакопления, часть каолинита представляет собой крупнокристаллическое выполнение пор, т. е. образованное позже. Цеолиты весьма обычны в вулканомиктовых песчаниках или песчаниках, содержащих вулканическое стекло. Изредка цементирующими материалами служат барит и ангидрит, имеющие лишь местное значение.

Изучение Тэлманом цементов песчаников подтвердило существовавшее прежде мнение, что кремнезем является наиболее распространенным цементом древних песчаников, тогда как в мезозойских и более молодых песчаниках кремнистый и карбонатный цементы представлены приблизительно равными долями. Значение подмеченной особенности неясно. Карбонатный цемент древних песчаников был замещен силикатным, возможно, это связано с выщелачиванием карбонатов.

Взаимоотношения цемента и обломочного каркаса в песке очень интересны и важны. Если минеральный состав цемента одинаков с составом обломочных зерен, конечным продуктом вторичного разрастания минеральных зерен будет агрегат взаимопроникающих кристаллов — кварцит (в случае преимущественно кварцевого состава породы). Если же цемент минералогически отличается от обломочных зерен, могут образовываться разнообразные структурные соотношения (рис. 7-30). Например, кальцит в частично сцементированном песчанике может отлагаться в виде друзовой «рубашки» зерен, или в виде межзерновой кристаллической мозаики, а в редких случаях — в форме крупных пойкилобластовых зерен, включающих множество обломочных зерен (рис. 7-30,б). Опаловый и халцедоновый цемент могут образовывать агатоподобную оболочку на зернах каркаса или гроздьевидную структуру с радиально-лучистыми волокнами. Другие виды цемента, например каолиновый, могут встречаться в виде блокового поликристаллического выполнения пор.

В некоторых случаях, особенно при карбонатном цементе, происходит реакция между цементом и зернами каркаса. Цемент разъедает обломочные зерна, что проявляется в неправильном и изрезанном контакте цемента с зернами. Местами этот процесс заходит так далеко, что от первоначальных зерен остается лишь несколько небольших ориентированных участков с одновременным погасанием. Такой коррозии с замещением карбонатами подвержены кремни, полевые шпаты и даже кварц.

Обычно цемент заполняет (частично или полностью) поры в песке (рис. 7-30,а), В отдельных случаях карбонатный цемент занимает чрезвычайно большой объем в песчанике, равный объему обломочного кварца или даже превышающей его; в этом случае кварцевые зерна как бы «плавают» в цементе (рис. 7-30,б). Некоторые исследователи объясняют это перекристаллизацией обломочных карбонатов, предположительно накапливавшихся вместе с обломочным кварцем, в Вальдшмидт — разрастанием цемента, сопровождавшимся раздвиганием зерен. Как уже отмечено, это явление может частично вызываться коррозией и замещением детритовых зерен карбонатами.

Некоторые песчаники имеют цемент нескольких типов. В таких случаях важно определить парагенезис или относительный возраст цементирующих веществ. Вальдшмидт считал, что для песчаников Скалистых гор, изученных им, можно установить определенный порядок осаждения. Кальцит следует за кварцем; в случае трех цементирующих минералов за кварцем следует доломит, за которым, в свою очередь, осаждается кальцит. В случае четырех минеральных типов цемента за перечисленными тремя минералами следует ангидрит. В некоторых песчаниках, содержащих три типа цемента, последовательность такова: кварц, доломит и ангидрит. Хилд, наблюдая палеозойские песчаники Западной Виргинии, пришел к выводу, что карбонаты осаждаются позже кварца, однако Гилберт установил, что в третичных песчаниках Калифорнии доломит, а в некоторых случаях и кальцит, выпали раньше кварца.

В общем последовательность выпадения нескольких цементирующих минералов устанавливается исходя из принципа, что минералы, отложившиеся первыми, имеют лучшую форму, т. е. ближе к эвгедральным, и прилегают к стенкам пор. Минералы, отложившиеся позже, должны занимать оставшееся незаполненным пространство и приспосабливаться к форме ранее образовавшихся кристаллов. Однако правильно ли допущение, что минералы формировались в свободном пространстве? Хаддинг, Кайе и Свинефорд описали песчаники, первоначально сцементированные кальцитом, который позже, частично или полностью, был замещен кварцем. Доказательством такого замещения являются редкие включения кальцита в массе вторичного кварца. Поэтому возможно, что эвгедральность не может служить точным признаком для определения относительного возраста.

He решены пока проблемы: как и когда пески цементируются, каково происхождение цементирующего материала? Долгое время считалось, что цементирующий материал привносится в песчаники циркуляцией атмосферных или артезианских вод, из которых осаждаются кремнезем и карбоваты. Известно, что подземные воды действительно переносят эти вещества в растворенном состоянии и что эти вещества выпадают из раствора. Подробно эту проблему исследовал Ван-Хайз. Он предположил, что кремнезем (или иной цементирующий материал) был растворен в зоне выветривания и вновь отложился в песке в виде цемента. Ван-Хайз подчеркивал, что содержание кремнезема в подземных водах было очень низким. Содержание кремнезема в водах из толщ магматического происхождения колеблется от 10 до 70 мг/л. Принимая величину 20 мг/л, Ван-Хайз подсчитал, что для цементации 1 км3 песка (при пористости 26%) потребовалось бы 130 000 км3 осредненных подземных вод. Поскольку некоторые песчаники, особенно залегающие в глубоких структурных бассейнах, насыщены солеными водами, многие исследователи считают, что циркуляции атмосферных вод в них не было никогда и, следовательно, нужно искать другой источник их цемента.

Учитывая это, Джонсон предполагал, что кремнезем выделяется из реликтовых вод. Реликтовая вода, по существу, является захваченной морской водой, а поскольку морская вода в среднем содержит кремнезема меньше, чем грунтовая (около 4 мг/л), то становится ясным, что реликтовые воды песчаников могли обеспечить лишь незначительное и в целом недостаточное количество кремнезема. По мнению Джонсона, источником кремнезема являлись реликтовые воды глин. Глинистые сланцы первоначально были более пористыми, чем пески, они претерпели сильное уплотнение. Содержавшиеся в них флюиды должны были выделиться, и переслаивающиеся с ними песчаники действительно могли служить путями миграции вод. В условиях повышенных температур, присущих большим глубинам, воды глинистых сланцев могут содержать кремнезема, способного отлагаться в песчаниках, больше, чем обычно. Поровые воды современных глубоководных глин иногда пересыщены кремнеземом (до 80 мг/л), но такое высокое содержание кремнезема, по-видимому, является следствием растворения диатомовых обломков. Однако более вероятный источник кремнезема — постседиментационное превращение монтмориллонитовых и (или) смешанных иллит-монтмориллонитовых глинистых сланцев в иллит, процесс, при котором высвобождается кремнезем. Глубокое захоронение отложений способствует этому процессу; наблюдаемое общее преобладание иллита в древних глинистых сланцах дает основание предполагать, что этот механизм действовал в крупном масштабе.

Установленный Фюхтбауэром факт, что кварцевая цементация в песчаниках доггера увеличивается в направлении зоны выклиливания глин, свидетельствует в пользу концепции выделения перенасыщенных кремнеземом вод из глин. Однако многие сцементированные песчаники залегают, не переслаиваясь с глинами. Как же произошла их цементация?

Поиски, связанные с объяснением цементации посредством артезианских и отжатых из глин вод, привели некоторых исследователей к необходимости «заглянуть» внутрь формации. Вальдшмидт, Гилберт и другие высказали предположение о внутрислоевом происхождении кремнезема. Вальдшмидт пришел к выводу, что кварцевый цемент песчаников образуется при растворении кремнезема на контактах зерен и последующем его осаждении в пустотах. Концепция Вальдшмидта, по существу, является принципом Рикке, примененным к неметаморфическим породам. В качестве доказательства действия этого процесса Вальдшмидт рассматривает взаимопроникающие контакты кварцевых зерен. Вогнуто-выпуклые контакты между зернами кварца, похожие на гальку с вмятинами в некоторых конгломератах, и зубчатые (микростилолитовые) границы между некоторыми зернами являются очевидными доказательствами выводов Вальдшмидта. Если его концепция верна, то можно ожидать, что существует какая-то зависимость интенсивности растворения и последующей цементации от глубины погружения и, как следствие, увеличения температуры и давления, что усиливает процесс. Ряд исследователей показал или постулировал такую зависимость, она в первом приближении выражается уменьшением пористости с глубиной. Особый интерес представляет работа Тэйлор. Тэйлор производила прямые наблюдения изменения характера и величины контактов зерен с увеличением глубины и пришла к выводу, что песчаники подвергаются процессу «конденсации», в результате чего контакты отдельных зерен меняют свой характер, т. е. переходят от тангенциальных к вогнуто-выпуклым, а затем — к сутурным; при этом число видимых в шлифах контактов, приходящихся на одно зерно, увеличивается от 1,6 (в неуплотненных песках) до 2,5 на глубине 880 м и до 5,2 на глубине 2544 м (рис. 7-31). Тэйлор считала, что эти изменения вызываются внутрипластовым растворением, а также течением кварцевых зерен. В последнем случае произойдет сокращение объема пор и потребуется небольшое химическое осаждение. Широко представлены признаки давления, такие как изогнутые слюды и растрескавшиеся кварцевые зерна, но доказать течение самой твердой массы трудно, а вогнуто-выпуклые контакты могут быть результатом растворения. С другой стороны, исследование зависимости между растворением под давлением и величиной давления, проведенное Сивером на пенсильванских песчаниках восточной части США, не дало убедительных результатов. Эксперименты Фэрберна, Максвелла и других показали, что растворение кремнезема и вторичное его осаждение в замкнутой системе является реальностью и что цементация песков может быть осуществлена посредством такого внутреннего перераспределения.

Петрографические доказательства растворения на контактах зерен не всегда убедительны. Взаимопроникновения зерен практически не наблюдается. В большинстве случаев, когда наблюдаются зубчатые границы, первоначальные контуры зерен кварца различить трудно или невозможно. Более того, Зиппель недавно доказал, что первичные обломочные зерна в некоторых песчаниках отчетливо видны при применении метода катодолюминесцентной микроскопии и что взаимопроникновения зерен не наблюдалось. Можно почти определенно говорить, что вторичный кварц образовался не в результате контактового растворения.

Пай, а также Голдштейн полагали, что некоторая, возможно большая, часть силикатного цемента образовалась при растворении частиц тонкой фракции, которые могли когда-то содержаться в песке. Хорошо известен случай, когда в одном растворе мелкие частицы могут растворяться при одновременном росте крупных частиц. Поэтому возможно, что крупные зерна песчаника могут расти за счет мелких, но поскольку тонкие частицы в этом процессе разрушаются, трудно привести доказательства этого предположения. Хилд предположил, что кремнезем образуется путем внутрипластового растворения по стилолитовым швам. Стилолиты в песчаниках встречаются чаще, чем обычно считается, растворение вдоль таких швов может обеспечить часть кремнезема, необходимого для цементации.

Крынин, который считал, что ни виутрипластовое растворение, ни движение подземных вод не могут обеспечить цементацию, после изучения девонских песчаников Орискани и других песчаников Центральных Аппалачей сделал вывод, что «...возможно около 95% «вторичного» кремнезема в отложениях Орискани (и во многих, если не в большинстве, других кварцитов и кремней) в действительности имеют первичное, почти одновременное с осадконакоплением происхождение». Крынин считал, что осаждение силикатного цемента «происходило на дне моря сразу же после отложения песчаных зерен». Он не приводит доказательств в поддержку своего предположения, отсутствие же современной цементации морских песков в процессе их накопления делает его гипотезу несостоятельной.

Гидротермальные воды, в частности воды некоторых горячих источников, особенно богаты кремнеземом, содержание которого иногда превышает 500 мг/л. Сомнительно, чтобы такие воды играли существенную роль в цементации песков в большом масштабе, хотя отмечены отдельные случаи цементации, в частности, осаждение вторичных полевых шпатов вблизи магматических тел.

Карбонатный цемент выдвигает те же проблемы, что и силикатный Главными из них являются: источник карбонатов и время замещения. Артезианские грунтовые воды содержат растворенные карбонаты и, как предполагается, они могли обеспечить цемент для сцементированных карбонатами песчаников.

Некоторые современные пески сцементированы in situ. Примером является пляжный известковистый песчаник. Однако это в основном карбонатный песок и здесь, возможно, происходит самоцементация. В песчаниках, извлеченных из отложений внешнего континентального шельфа близ залива Делавэр, обнаружен арагонитовый цемент, обусловленный морской подводной цементацией. Морская вода, заключенная в порах морских песков, может быть пересыщена карбонатами, но количество осаждающихся карбонатов недостаточно для цементации песков. Значительная часть карбонатных цементов осаждалась позже, чем кварц, и следовательно, неодновременно с процессом седиментации, и не связана прямо с обстановкой осадонакопления.

Очевидно, что источником получения карбонатов является также вещество раковин, которое может растворяться и осаждаться в виде цемента. Цементация вблизи скоплений раковинного материала или внутри двустворчатой раковины демонстрирует в небольшом масштабе процесс перераспределения карбонатов. Наиболее вероятным объяснением поздней карбонатной цементации служит растворение карбонатных зерен под давлением в самом песчанике или в прилегающих пластах известняков или песчаников при этом возможен перенос материала на некоторое расстояние поровыми водами.

Остается много нерешенных вопросов. Что определяет тип — арагонитовый, кальцитовый, доломитовый, сидеритовый — карбонатного цемента? Еще одна проблема связана с песчаниками, характеризующимися наличием нескольких цементирующих минералов; ни одна из теорий цементации песчаников не предлагает удовлетворительного объяснения этого вопроса. Дальнейших исследований требует распределение цемента. Почему песок в одном месте плотный, а в другом пористый? Связано ли это с первичной цементацией или с последующей децементацией? Ответы на эти вопросы связаны с изучением зависимости между количеством и типом цемента в песчаниках и такими важными геологическими факторами, как структура и палеотечения. Уорнер, например, считал, что цемента в песчаниках эоценовой формации Дачесне-Ривер в горах Юинта становится больше в направлении «вверх по течению», определяемом по косой слоистости, и что тип цемента (кальцитовый или кварцевый) зависит от пород области сноса, при этом кальцитового цемента больше там, где исходными породами были преимущественно известняки. По-видимому, существует также связь между количеством цемента и структурой. Очевидна необходимость картирования цементов песчаников.