Стадии и зоны литогинеза

1. Подчеркнуть сложность и неоднозначность вопроса, несмотря на то, что это один из важнейших вопросов литологии.

2. Вспомним общий ход осадочного процесса. Разрушение осадочных, магматических, метаморфических пород в источниках сноса (выветривание, гипергенез; подчеркнуть наше понимание термина “гипергенез” в противопоставление бытующему очень широкому) — транспортировка осадочного материала (в виде обломочных зёрен, коллоидов, истинных растворов, по воздуху) — осадконакопление (транспортировка +осадконакопление=седиментогенез) — захоронение и погружение осадочного материала, его изменение в недрах — дальше два пути: либо переплавление, либо вывод в зону выветривания (на разных этапах существования осадочного материала) и разрушение с тем, чтобы образовался новый осадочный материал для повторения осадочного цикла. Даже если произошло переплавление и образование магматической породы, то всё равно рано или поздно она может оказаться в зоне разрушения и дать осадочный материал для нового осадочного цикла.

(Возможно, дать элементы тектоники плит как механизма замыкания цикла).

3. Процессы разрушения пород — учение о корах выветривания.

Транспортировка и осадконакопление — это седиментогенез; изучаются фациальным (фациально–палеогеографическим) анализом.

Отрезок осадочного процесса от осадконакопления до образования метаморфических пород — это и есть литогенез. Это и есть предмет стадиального анализа литогенеза.

4. Рассмотрим верхние и нижние границы стадий диагенеза, катагенеза и метагенеза (как перехода к зоне метаморфизма). Для этого нам надо будет затронуть ещё и зону гипергенеза, которая, как мы договорились, в литогенез не входит.

5. Ещё раз подчеркнём параллелизацию понятий “стадия“и ”зона”. Стадия — время, зона — пространство.

6. Итак, перед нами стоит задача попытаться разобраться в расчленении геологического пространства или, точнее толщи осадочного материала, на литогенетические зоны. Рассмотрим верхнюю и нижнюю границы зоны диагенеза. Имеем морской бассейн, в котором идёт накопление осадка. Дно бассейна устойчиво погружается в результате эпейрогенических тектонических движений. Будем считать, что седиментогенез кончается тогда, когда интересующий нас элементарный осадочный слой оказывается перекрытым другим таким же слоем. Мощность перекрывающего слоя может быть очень малой. Это всё, конечно, условно, потому что в результате действия течений и волнения моря осадок может оказаться взмученным, т.е. по существу вновь введенным в зону седиментогенеза на ощутимую мощность. Тем не менее, фактически можно считать, что осадочная частица вступает в зону диагенеза тогда, когда она перестаёт перемещаться по дну бассейна седиментации и перекрывается элементарным слоем таких же частиц (т.е. мощностью в одну такую же частицу). Более существенно разобраться с нижней границей зоны диагенеза.

М.С. Швецов указал, что есть два пути, по которому можно пойти, пытаясь расчленить литогенез на стадии или зоны. 1) Особенности среды, в которой изменяется осадочный материал; этот путь предполагает выбор исходных предпосылок расчленения путём логики. 2) Качество самого осадочного материала; это путь, предполагающий выбор каких–то характерных свойств осадочного материала, по которым одна зона отличалась бы от другой.

7. Обычно старались идти вторым путём, который, как–будто бы более понятен, удобен. Но, надо сказать, что он не привёл к однозначным результатам, к нахождению универсальных вещественных критериев разделения зон (или стадий), о которых можно было бы с уверенностью сообщить студентам.

Какие же вещественные характеристики осадочного материала брались?

А) Начнём с одной, которую хотели сделать наиболее универсальной, т.е. применить её не только для разграничения зон диагенеза и катагенеза, а для всех зон литогенеза. Это отражательная способность органического вещества угольного ряда (витри­нита). Известно, что чем большей температуре подвергался исходный растительный материал, тем он характеризуется большей отражательной способностью. (Об этом мы дальше будем говорить более подробно). Но здесь отметим лишь, что И.И. Аммосов по ОС витринита выделил в литогенезе 22 стадии. При этом он предложил принять схему, согласно которой диагенезу соответствует степень изменения РОВ до стадии торфа или землистых бурых углей, катагенезу — от бурых плотных матовых до тощих, метагенезу и метаморфизму — до стадий полуантрацитов, антрацитов и графитов. Но ОС РОВ (или витринита), в первую очередь, есть функция температуры. А к температуре не сводится всё разнообразие процессов литогенеза. Поэтому предложение И.И. Аммосова можно рассматривать как схему изменения только ОВ, т.е. как частный случай.

Б) Теперь рассмотрим, какие же ещё вещественные критерии предлагались для проведения межстадиальных (межзональных) границ. Сконцентрируем теперь своё внимание только на границе диагенез–катагенез. Границу между ними предлагали проводить по физическим характеристикам осадочного материала. Это его литифицированность, т.е. окаменелость (литификация=окаменение) (Л.Б. Рухин), пористость, плотность, скорость прохождения ультразвука, консистенция, характер отжимаемости воды.

Что получается?

1) Литификация (имеется в виду твёрдое — уже катагенез, мягкое, пластичное — еще диагенез): карбонат — уже твёрдый, глина — ещё нет (полная литификация глинистых отложений подводного конуса р.Инд достигается на глубине свыше 1 км). Как быть? Кроме того, сами карбонаты весьма разнятся по скорости литификации: в результате т.н. стереофитического седиментогенеза (термин Ю.И. Марьенко) некоторых водорослевых, коралловых, мшанковых, археоциатовых разностей карбонатов, в результате т.н. экзодиагенеза (термин М.С. Швецова, означает диагенез в субаэральных условиях) литификация достигается без погребения под слоями новых осадков. Действительно, представьте себе кораллы. С другой стороны, в разрезе пелагических карбонатов Тихого океана переход уплотнённых илов в литифицированные известняки (по данным глубоководного бурения) фиксируется в интервале глубин (от дна моря) 600–1000 м.

2) Такие же проблемы с другим критерием, который по физическому смыслу очень близок литификации, — с консистенцией: предлагали проводить границу Д–К по переходу осадка из текуче–пластичного состояния в пластично–твёрдое (А.В. Копе­лиович и др.). Если для глин этот переход имеет место примерно на одной глубине, то при переходе к другим видам осадка (например, к тем же карбонатам) это происходит на других, причём весьма разных, глубинах. А, представьте, если в разрезе переслаиваются глины и карбонаты, то получается, что карбонаты уже находятся в зоне катагенеза, а смежные с ними глины — еще на стадии диагенеза. Получается нехорошо.

3) Основываясь на характере уплотнения глин с глубиной, предлагали в качестве критерия границы Д–К брать пористость; она с глубиной у глин отчётливо снижается (почти до нуля). Но в глубоких скважинах фиксируется значительная пористость. В мезозойских песчаниках Западного Предкавказья — 12 % на глубине 5,2–5,7 км; в скв. Берта Роджерс (бассейн Анадарко, США) — в карбонатах 20 % на глубине свыше 8 км. Это связано с тем, что формирование и исчезновение пористости связано не только с гравитационным (геостатическим) уплотнением, но и с другими процессами (растворением, цементацией), что особенно актуально для карбонатных отложений.

В) Границу Д–К предлагали проводить по изменению парагенезов аутигенных минералов с глубиной. Но оказывается, в одном разрезе есть изменение парагенезов, а в другом — нет. Например, в южной части Каспийского моря парагенез аутигенных минералов постоянен в колонке осадков до глубины 1200 м.

Одним словом, при применении вещественных критериев разграничения зон (стадий) диагенеза и катагенеза зона диагенеза оказывается то исчезающе малой, то выражается более чем километровой толщей осадка. Это большая неопределённость, затрудняющая пользование предлагаемыми критериями.

8. Рассмотрим, как следовало бы провести границу Д–К, используя второй путь, указанный М.С. Швецовым, т.е. по особенностям среды преобразования осадочного материала, по главным факторам преобразования осадочного материала, по существу процессов, протекающих на этих стадиях. Реализация этого пути даёт концептуальное представление о границах, т.е. как их можно провести, следуя только логическому желанию, чтобы одна стадия принципиально отличалась от другой.

Такой подход был намечен А.Е. Ферсманом ещё в 1922 г.

Приведём его формулировку стадий диагенеза, катагенеза и гипергенеза. “Если именем диагенеза мы обозначали процессы, стремящиеся к установлению химического равновесия между водным раствором бассейна и осадком, под именем катагенеза — такие же процессы в области установления равновесия в разнородной свите осадочных пород, то под именем гипергенеза мы будем обозначать всё то, что стремится к равновесию между лито– и атмосферою ...” Вдумаемся в эту формулировку. В ней не совсем понятно содержание катагенеза. Расшифруем его. Установление равновесия в разнородной свите осадочных пород, очевидно, определяется комплексов процессов взаимодействия подземных газоводных растворов (т.е. водных растворов с водорастворёнными газами, которые в том или другом количестве есть всегда в природных растворах) разного состава, заключённых в пластах осадочной толщи, между собой и с породами в условиях меняющихся температур и давлений.

9. Рассмотрим с этих позиций границу Д–К.

Исходя из того, что содержанием диагенеза морских отложений является стремление к достижению геохимического равновесия между пластом осадка и наддонной водой седиментационного бассейна, Н.М. Страхов подчёркивал: “... для нормального течения и завершения стадии диагенеза необходимо непрерывное сохранение над осадком водной массы породившего его бассейна”. Таким образом, нижнюю границу зоны диагенеза следует провести по рубежу прекращения диффузионной связи между осадком и наддонными водами, обусловленной процессами встречной диффузии миграции химических элементов через поверхность дна водоёма под влиянием концентрационных градиентов, вызванных в существенной мере активной геохимической деятельностью живого вещества в осадке. Н.М. Страхов на основании вещественно–балансового расчёта, выполненного по данным для Охотского моря, считал, что мощность этой активной зоны осадка, охваченной процессом диффузионного “насасывания” сульфат–иона из наддонной воды, не превышает 5 м.

Надо подчеркнуть, что глубинное положение обсуждаемой границы в значительной степени зависит от состава осадка, качества и количества захоронённого органического вещества, скорости осадконакопления и т.д. В частности, в свете новых данных, приведенная Н.М. Страховым цифра, характеризующая уровень прекращения связи между осадком и наддонной водой, должна быть, очевидно, увеличена для областей глубоководного океанского осадконакопления вследствие замедленного темпа седиментации и уплотнения осадков, способствующего более активному течению диффузионных процессов.

Кроме того, появляются данные о значительно большем, чем полагал Н.М. Стра­хов, глубинном диапазоне активной бактериальной деятельности в осадках, обусловливающей создание градиентов концентрации вещества. Например, в голоценовых (т.е. самых молодых) осадках Балтийского моря зафиксирован интенсивный процесс биогенной сульфат–редукции до глубины 13,7 м от дна. Протекание этого процесса было доказано австралийскими геологами в известковых илах Тиморского моря до глубин 200–250 м от дна.

Все–таки, по–видимому, максимальное значение нижнего рубежа зоны диагенеза обычно не превышает нескольких десятков метров. В области этих глубин иловые воды, для которых свойственна связь с наддонными растворами, превращаются в собственно подземные воды, не связанные с бассейном осадконакопления. С этого момента отложения следует называть не осадками, а породами. Кончается диагенез, начинается катагенез.

Вы скажете, а как же пользоваться этой замечательной концептуальной схемой в реальной практике, как можно определить, когда прекратилась связь осадка с морем, если мы изучаем древнюю породу, а море, которое её породило, ушло 300 млн лет назад? Здесь мы должны сказать, что концептуальная неправомерность проведения границы Д–К по литификационной характеристике вещества, о чём мы говорили, не исключает возможности использования этого критерия в частных литогенетических реконструкциях, т.е. в обычной практике. Во многих случаях (исключая особые обстановки диагенеза некоторых органогенных карбонатов) литифицированность отложений может достигаться лишь после прекращения диффузионной связи осадочного материала с наддонной водой. Поэтому постседиментационные преобразования, протекающие в литифицированном субстрате (т.е. породе), с некоторым “запасом прочности” могут быть отнесены в разряд катагенетических. (Как определить, в литифицированном или нелитифицированном материале происходили изменения, мы узнаем позже). Важно также знать, что нелитифицированность отложений, в которых отмечены вторичные изменения, ещё не является свидетельством диагенетического характера этих изменений, т.к. связь этих отложений с наддонным раствором может уже отсутствовать. Кроме того дальше, рассматривая детально процессы, которые протекают на стадии диагенеза, мы увидим некоторые другие характерные черты диагенетических изменений, которыми геологи пользуются в практике.

Мы сейчас рассмотрели вопрос о нижней границе для морских отложений. Эти соображения справедливы не только для морских, но и для других субаквальных (т.е. образовавшихся в водной среде) отложений: например, озёрных, речных. Сложнее дело обстоит с некоторыми видами отложений, которые образуются в воздушной среде, среде временных потоков или в связи с деятельностью ледников. Действительно, если диагенез ограничивать временем связи осадка с породившей его средой седиментации, то как быть, например, с мореной? Считать концом диагенеза — уход ледника? Надо заметить, что ледниковые отложения многими вообще не считаются осадками в обычном смысле слова. Их называют образованиями или аккумуляциями. Так же непонятно с эоловыми отложениями. Эти вопросы пока слабо разработаны.

10. Стоит заметить, что сложность проведения границы между диагенезом и катагенезом, по-видимому, является одной из причин, того, что западные геологи (США, Канада, Западная Европа) вообще не выделяют стадию катагенеза. У них всё, что после осадконакопления — это диагенез. Но они придают этому слову различные определения в зависимости от факторов и специфики проявления процессов диагенеза (ранний, поздний, эпидиагенез, анадиагенез, диагенез погружения, субаэральный и т.д.).

11. Рассмотрим случай, когда морские отложения претерпели диагенез, попали в зону катагенеза, а затем оказались снова выведенными к дневной поверхности, но уже на суше. Другими словами, рассмотрим геологический разрез суши (континента), где нет моря. Рисунок. Здесь, очевидно, становится актуальным вопрос о границе между зонами катагенеза и гипергенеза (напомним, что последняя — это зона выветривания). Обратимся опять к формулировке А.Е. Ферсмана, где сказано, что “под именем гипергенеза мы будем обозначать всё то, что стремится к равновесию между лито– и атмосферою”. Что такое равновесие между лито– и атмосферой? А.Е. Ферсман исключительную роль в гипергенезе отводил воздушному кислороду: “... Мы всё более и более убеждаемся, что основной процесс, который определяет фон геохимии гипергенных образований, — это соотношение их с кислородом”.

Если следовать взглядам А.Е. Ферсмана, а их разделяет большинство исследователей, то наиболее логично проводить границу между зонами гипергенеза и катагенеза по нижней границе зоны аэрации, т.е. той зоны, где нет постоянных водоносных горизонтов. В зоне аэрации имеются почвенные воды, инфильтрующиеся и верховодка; они объединяются понятием “вадозные воды” и не являются собственно подземными. Содержание кислорода в воздухе зоны аэрации (другими словами, вадозной зоны) значительно выше, чем в подземных водах зоны водонасыщения (другими словами, фреатической зоны), вследствие чего перемещение пород из зоны водонасыщения в зону аэрации сопровождается резким усилением процессов их разрушения (а это и есть выветривание, т.е. гипергенез).

12. Рассмотрим нижнюю границу катагенеза. Здесь тоже достаточно много путаницы. Во–первых, невыразительным является выделение зоны метагенеза, т.е. зоны между зоной катагенеза и зоной метаморфизма. Некоторые исследователи её не выделяют вообще, некоторые называют метагенезом зону метаморфизма, для того, чтобы придать всем зонам (стадиям) единообразные наименования (с окончанием на “генез”). Следуя в вопросе проведения нижней границы катагенеза по первому пути из двух предлагаемых М.С. Швецовым, т.е. рассматривая вопрос о границе концептуально, важно учесть основополагающее замечание Г.А. Каледы: “Границу между эпигенезом (катагенезом — А.М.) и метаморфизмом, по–видимому, следует проводить по глубине, на которой давление и температура приобретают большее влияние на преобразование горных пород, чем активность и подвижность подземных вод”. Весьма важно также мнение В.В. Красинцевой и А.В. Щербакова о существе метаморфизма: “в стадии метаморфизма на первый план выступает температурный фактор совместно с высоким давлением, под действием которых сама вода приобретает качественно отличные свойства, становясь надкритическим флюидом (курсив мой — А.М.) активно воздействующим на вмещающие породы”. Итак, нижняя граница зоны катагенеза должна сопоставляться с поверхностью критической температуры воды и её растворов, которая составляет 374–450°С. При более высоких температурах в условиях любых давлений пар не может перейти в жидкость, а при давлениях свыше 218 атм для физического состояния воды характерно отсутствие различия между жидкостью и газом. Это — вода в надкритическом состоянии. Как же глубоко в геологическом разрезе проходит эта граница? Поскольку бурением эта граница почти нигде не достигнута, то о её положении можно судить по расчётной модели гидрофизической зональности Земли, построенной В.И. Кононовым и В.И. Ильиным. Современная граница распространения жидких структурированных вод погружается от 8 км в районах современных островных дуг до 10–15 км в кайнозойских геосинклиналях, 25 км — в областях палеозойской и мезозойской складчатости, океанических плит, кайнозойских краевых и внутренних прогибах. В районах современного вулканизма данная граница поднимается до отметок 5 км и менее. На докембрийских платформах подошва зоны катагенеза совпадает с глубиной залегания кристаллического фундамента, далеко не достигая тех термобарических отметок, где возможно начало метаморфизма. А подошва зоны катагенеза находится здесь на поверхности фундамента, потому что, по определению, катагенез — это процессы преобразования только осадочных пород.

13. Как же выражается нижняя граница катагенеза в вещественных характеристиках пород? Прежде всего отметим, что названная гидрофизическая граница согласуется с термическими условиями низкотемпературных фаций регионального метаморфизма: фации зеленосланцевая и глаукофановых сланцев характеризуются температурами 300–550°С, что весьма близко к критической температуре воды и её растворов.

Предлагают следующие вещественно–минералогические критерии начала метаморфизма:

а) Массовое появление новообразованного биотита (А.В. Копелиович, А.Г. Кос­совская, В.Д. Шутов)

б) Существенная перекристаллизация кластогенных зёрен, широкое развитие альбита, мусковита, эпидота, появление биотита, возникновение слюдяных кварцитов, пирофиллитовых сланцев, филлитов и мраморов (Н.В. Логвиненко)

в) Перекристаллизация грубых обломочных фракций и начало альбитизации плагиоклазов (Ф.Дж. Тернер)

г) Индекс кристалличности гидрослюды (<4) (Б. Кублер)

д) Исчезновение детритогенной текстуры и минеральной ассоциации, типичной для осадочных пород, появление текстур течения (А. Шюллер)

е) Возникновение ассоциации пирофиллит – парагонит – псевдомоноклинный каолинит – гидрослюда 2М (Г.Б. Нисанян и И.Х. Петросов)

ж) Полная потеря пористости породами (В. Энгельгардт), что, как мы уже говорили, совершенно неопределенно

з) Антрацит–графитовая стадия углефикации РОВ (И.И. Аммосов, Н.Б. Вассое­вич, В.И. Горшков)

Некоторые исследователи (Н.В. Логвиненко, О.В. Япаскурт) выделяют стадию метагенеза (промежуточную между катагенезом и метаморфизмом) по массовому появлению мусковита и хлорита и началу бластеза (перекристаллизация обломочных зёрен в твёрдом состоянии).

14. Подведём кратко итоги (рисунок)

Зона диагенеза — зона иловых вод — переходный этаж от наземной гидросферы к подземной.

Зона гипергенеза — зона аэрации (вадозная) — переходный этаж от атмосферы к подземной гидросфере.

Зона катагенеза — зона, содержащая собственно подземные воды — главный компонент подземной гидросферы (жидкие структурированные воды).

Зона метаморфизма — зона, где вода находится в надкритическом состоянии.

Зона метагенеза — зона, целесообразность выделения которой (между зонами катагенеза и метаморфизма) в настоящее время ещё недостаточно веско обосновано.