Диагенез  терригенных  осадков

Основными компонентами терригенных осадков являются глинистые минералы, кварц, полевые шпаты и слюды. Рассмотрим основные особенности диагенеза этих видов осадочного материала.

1. Диагенез  глинистого  материала

1) Общие сведения о глинистых минералах

Глинистые минералы — минералы, которые слагают так называемую глинистую (или пелитовую) фракцию осадка (<0,001, иногда <0,01 мм) — одни из наиболее распространённых образований. В то же время, они — одни из наиболее сложных и разнообразных в структурном отношении. Практика показывает, что многие геологи слабо разбираются в особенностях их строения. А это важно знать, чтобы ориентироваться в вопросах стадиального анализа, связанных с преобразованием глинистых минералов. Поэтому вспомним основные сведения о структуре и особенностях главных глинистых минералов. Важно иметь представление хотя бы о четырёх основных (наиболее распространённых) глинистых минералах. Это гидрослюда (или иллит), каолинит, монтмориллонит (смектит), хлорит. Мы для упрощения назвали их как бы в единственном числе. На самом же деле это, скорее, группы минералов: гидрослюды, монтмориллониты, хлориты. Кроме того, надо иметь представление о смешаннослойных минералах, вермикулите, глауконите и некоторых других. Итак, рассмотрим кратко кристаллохимические сходство и различия основных глинистых минералов.

Глинистые минералы являются слоистыми алюмосиликатами, т.е. они имеют слоистую структуру. Эти минералы состоят из двух типов слоёв (рисунок), в основе которых лежат два основных структурных элемента: кремнекислородный тетраэдр (в нём ион кремния окружён четырьмя ионами кислорода) и алюмокислородногидроксильный октаэдр (в нём ион алюминия, иногда магния или железа окружён шестью ионами кислорода или гидроксила). Тетраэдры, соединяясь вершинами, образуют тетраэдрический слой. Октаэдры, соединяясь боковыми рёбрами, образуют октаэдрический слой. Минералы группы каолинита характеризуются двухэтажной решёткой, состоящей из одного октаэдрического и одного тетраэдрического слоёв (1 : 1). Эта решётка не расширяется в зависимости от изменяющегося содержания воды или замещения алюминия на магний или железо в октаэдрическом слое. Каолинит — неразбухающий глинистый минерал. Другая группа глинистых минералов характеризуется трёхэтажной решёткой: октаэдрический слой расположен между двумя тетраэдрическими слоями (2 : 1). В монтмориллонитах между этими трехэтажными ячейками располагаются вода (межслоевая) и катионы. Межслоевые промежутки изменяются в зависимости от содержания воды: минералы имеют разбухающую решётку. Трёхэтажные ячейки могут также объединяться ионами калия, который, благодаря соответствующему ионному радиусу и координационным свойствам, связывает структуру воедино так плотно, что расширение невозможно. Получается минерал иллит, или гидрослюда, неразбухающий минерал. Минералы группы хлорита также имеют трехэтажную структуру, но здесь между трехэтажными ячейками внедрен октаэдрический слой, в котором алюминий замещён на магний (бруситовый слой). Есть разбухающие и неразбухающие хлориты. Известно множество так называемых смешаннослойных глинистых минералов. В их структуре упорядоченно или неупорядоченно чередуются структурные ячейки основных глинистых минералов. Такие смешанно­слойные минералы называются монтмориллонит–гидрослюдистыми, монтмориллонит–хлоритовыми, хлорит–гидрослюдистыми и т.п. минеральными фазами. Свойства смешаннослойных минералов зависят от количества структурных ячеек (слоёв) разного типа. Например в смешаннослойных минералах типа монтмориллонит–гидрослюда чем больше монтмориллонитовых слоёв, тем минерал больше разбухает и наоборот. Вермикулит — разбухающий глинистый минерал, содержащий большое количество воды, близкий по структуре к хлориту и монтмориллониту и образующийся обычно из биотита. Глауконит — минерал, близкий к гидрослюде, но содержащий больше железа и меньше алюминия. Велегож Парк – место в котором расположились на сегодняшний день элитные поселки коттеджные, идущие по Симферопольскому шоссе.  Ознакомится с инфраструктурой и продаваемой недвижимостью в данном регионе вы сможете на сайте velegozh-park.ru.

Важно отметить, что благодаря тому, что в основе структуры глинистых минералов лежат, как мы уже рассмотрели, одни и те же кристаллохимические элементы, эти минералы весьма склонны к различным переходам одного в другой. Причём эти переходы во многом определяются вхождением катионов и воды в межслоевые пространства минералов. Кроме того, из–за высокой дисперсности глинистых минералов и особенностей их структуры, эти минералы весьма склонны к адсорбции и катионному обмену.

2) Сложности стадиального анализа глинистого материала

Проблемы выполнения стадиального анализа глинистого материала, т.е. определения когда произошло то или другое изменение глинистых минералов, связаны, во–первых, с их высокой дисперсностью. Их практически невозможно определять под обычным поляризационным микроскопом, их можно наблюдать в электронном микроскопе, но и в нём очень трудно определять глинистые минералы. Главным методом определения глинистых минералов является рентгеновский. При этом геолог обычно имеет дело со смесью глинистых минералов, т.е. с глинистой фракцией. Во–вторых, при изучении глинистых фракций из древних пород, всегда возникает проблема, а когда глинистый минерал претерпел то или другое изменение. Дело в том, что эти изменения могут осуществляться ещё в корах выветривания, затем в ходе транспортировки глинистого материала в бассейн седиментации, затем на стадии диагенеза, что нас больше всего сейчас интересует, а затем на стадии катагенеза. Вместе с тем, многолетние исследования глинистых минералов в самых разных обстановках дали возможность выявить основные закономерности их литогенетической истории.

История появления глинистых минералов в осадочных породах связана с тремя основными механизмами. А) Поступление глинистых минералов в бассейн седиментации из источников сноса и преобразование их в другие глинистые минералы в седиментогенезе и на разных стадиях литогенеза. Б) Образование глинистых минералов по другим минералам (слюдам, полевым шпатам, кварцу и особенно пирокластическому материалу). В) Синтез глинистых минералов из растворов. Прежде чем начать рассмотрение преобразований глинистых минералов на стадии диагенеза, коснёмся некоторых особенностей их поведения на более ранних этапах осадочного процесса.

3) История глинистых минералов до начала диагенеза

Основная масса исходных глинистых минералов появляется в бассейне седиментации из источников сноса. Т.е. глинистые минералы осадочных пород в основной своей массе аллотигенные. Вместе с тем, они могут претерпевать изменения в ходе транспортировки и в самом бассейне седиментации. Глинистые материалы образуются как при выветривании осадочных пород, где в основном по полевым шпатам и слюдам образуются каолинит, вермикулит, гидрослюда и где имеются изначально присутствующие в породах глинистые минералы, так и при выветривании кристаллических пород. Если выветриваются кислые породы (гранит, гнейсы), выше горизонта механического разрушения располагается гидрослюдистый горизонт, а ещё выше — каолинитовый. При выветривании основных и ультраосновных пород (базальты, габбро, перидотиты, дуниты) над зоной механического разрушения залегает горизонт, сложенный в основном монтмориллонитом. Здесь может быть примесь гидрослюды. Выше располагается каолинитовый горизонт.

Близкий состав глинистых минералов источников сноса и современных морских осадков свидетельствует о том, что глинистые минералы в процессе седиментогенеза не испытывают настолько глубоких изменений, чтобы легко преобразовываться из одного в другой. Однако есть определённые различия в поведении глинистых минералов в морской и пресноводной среде. Отметим, что с пресной водой минералы контактируют на путях транспортировки в конечный водоём седиментации и в самих конечных бассейнах пресноводного типа, а с морской водой они контактируют при попадании в морской бассейн осадконакопления. Если в пресной воде происходит вынос калия из гидрослюд и магния из хлоритов, то в морской среде, где относительно много этих катионов, идёт обратный процесс, в результате которого некоторые глинистые минералы восстанавливают ранее утраченные ими свойства. Здесь уместно ввести два понятия, которые будут нами дальше употребляться. Процесс выноса из глинистого минерала характерных для него катионов (например калия из гидрослюды и магния из хлорита), что ведёт к утрате кристаллического совершенства минерала и чаще всего к появлению монтмориллонитовых слоёв, будем называть деградацией глинистого минерала. Наоборот, приобретение глинистым минералом характерных катионов, будем называть его аградацией. Так, потеря гидрослюдой калия ведёт к превращению совершенной гидрослюды в смешаннослойный минерал типа гидрослюда–монтмориллонит. Это деградация. Приобретение смешаннослойным минералом монтмориллонит–гидрослю­да или же монтмориллонитом калия ведёт к превращению глинистого минерала в минерал с бульшим количеством гидрослюдистых слоёв (пакетов) и в конечном счёте в гидрослюду. Это аградация. Каолинит в конечных водоёмах пресноводного типа практически не изменяет своей кристаллической структуры. Однако при переносе в эти водоёмы его частицы нередко теряют свою псевдогексагональную форму и его структура становится менее совершенной. Не происходит существенных преобразований каолинита и в морской среде; лишь некоторыми исследователями допускается тенденция превращения сильно деградированного каолинита в гидрослюду и хлорит. С монтмориллонитом в процессе переноса и накопления в пресноводной среде существенных изменений не происходит. В морской среде может иметь место некоторая хлоритизация монтмориллонита из–за высокой концентрации здесь магния. Вообще же надо иметь в виду, что основная масса монтмориллонита образуется при преобразовании пеплового материала. Однако трудно сказать, происходит это на стадии седиментогенеза или в диагенезе.

Таким образом, общей закономерностью поведения глинистых минералов в период их транспортировки в бассейн седиментации и самого накопления в этом бассейне является весьма слабое изменение. Можно отметить лишь их некоторую деградацию на путях переноса в пресной воде и в конечных водоёмах пресноводного типа и некоторую аградацию гидрослюд и хлоритов в морской среде, которая отличается относительно высокой концентрацией калия и магния, которые являются характерными минералообразующими минералами для гидрослюды и хлорита.

4) Глинистые минералы в зоне диагенеза

Учитывая ранее указанные сложности в распознавании того, какие же изменения происходят с глинистыми минералами на разных стадиях осадочного процесса, очевидно, что наиболее достоверные сведения о поведении глинистых минералов на стадии диагенеза можно получить, изучая их в зоне современного диагенеза, т.е. в колонке осадков современных водоёмов. О чём же свидетельствует такого рода изучение?

А) В колонках осадков дельты Миссисипи длиной до 3 м не было обнаружено изменений комплекса глинистых минералов (Grim, Jons, 1955).

Б) При исследовании глинистых минералов в колонке осадков глубиной до 10 м из северо–восточной части Черного моря (возраст осадков 10–12 тыс. лет) были обнаружены лишь слабые признаки деградации гидрослюд, т.е. их монтмориллонитизации с глубиной (Бутузова, 1960).

В) В скважине Аляты–море была установлена неизменность глинистых минералов при переходе от жидких современных илов к глинам бакинского яруса (Ратеев, 1964).

Г) Исследованием осадков Атлантического океана у побережья Северной Каролины в колонке до 10 м, отвечающей возрастному интервалу порядка 2 млн лет, не было обнаружено каких–либо следов изменения комплекса глинистых минералов за исключением возрастания степени кристалличности с глубиной (Murrey, Sayyab, 1955).

Эти данные показывают, что в обстановках типично морского, океанического, прибрежно–морского (дельта) диагенеза не происходит существенных изменений с глинистыми минералами.

Однако установлено, что существуют обстановки, где образование и преобразование глинистых минералов в зоне диагенеза идёт весьма интенсивно и своеобразно. Что же это за обстановки?

А) Обстановки, где накапливаются массы пеплового материала, в результате вулканических извержений. Пепловые осадки могут преобразовываться в монтмориллонит, гидрослюду и каолинит, серицит (гидромусковит).

Б) Обстановки накопления эвапоритовых отложений. Здесь образуется сложный комплекс глинистых минералов. Причём исходным веществом для образования глинистых минералов в обстановке весьма минерализованных иловых растворов служит практически любой имеющийся в осадке алюмосиликатный материал. Образуются Fe–иллит (железистая гидрослюда), Mg–хлорит, Fe–хлорит, вермикулит, корренсит, серпентин, тальк, гидроталькит, смешаннослойные хлорит–монтмориллонитовые и другие минералы. Причём установлены определённые индикаторные глинистые минералы для разных стадий осолонения бассейна (доломитово–сульфатной, галитовой, калийно–магнезиальной).

В) Обстановки зарастающих озёр и торфяных болот. Здесь происходит активное разрушение монтмориллонита и превращение его в каолинит, хлорит превращается в вермикулит. Активность преобразований глинистых минералов увеличивается по мере увеличения количества разлагающегося растительного материала в осадке. Установлено, что в случае проникновения морских вод в зону диагенеза, что отмечается в условиях заболоченных озёр морских побережий процесс преобразования глинистых минералов может поменять свою направленность – иногда при этом синтезируются монтмориллониты, оказываются устойчивыми хлориты.

Приведенные данные показывают, что специфика среды диагенеза и исходного материала провоцирует преобразование и образование глинистых минералов: в первом случае это неустойчивый в условиях земной поверхности и кристаллохимически близкий к глинистым минералам пирокластический материал, во втором — высокая химическая агрессивность высокосоленой гидрогеохимической среды, в третьем — сильнокислые условия, сопровождающие разложение растительного материала.

Глауконит. Важным глинистым  минералом является глауконит. Он довольно широко распространён, и для геологов является азбучной истиной, что глауконит характеризует морскую обстановку. Глауконит, являющийся разновидностью гидрослюды, возникает и как продукт изменения других минералов и как самостоятельное новообразование на рубеже окислительных и восстановительных обстановок диагенеза. По данным крупнейшего специалиста в области геологии глин Милло, глауконит встречается: 1) в качестве продукта выполнения раковин фораминифер, 2) в виде самостоятельных зернистых выделений без какой–либо видимой связи с организмами или ранее существовавшими минералами, 3) как продукт замещения спикул кремневых губок, 4) в виде аутигенного образования в трещинках зёрен полевого шпата, а также в виде каёмок из инкрустационных выделений кварца и оболочек фосфоритовых желваков, 5) как продукт замещения копролитов, 6) как продукт изменения биотита, гидрослюды и др. минералов.

Глауконит в виде значительных скоплений в Беларуси встречается в меловых–палеогеновых отложениях, где имеется довольно мощная песчаная зелёного цвета толща, ассоциирующая с отложениями писчего мела, и в кембрийских отложениях (зелё­ные песчаники).

Палыгорскит и сепиолит. Ещё два довольно редких глинистых минерала, которые, являются магнезиальными цепочечными силикатами, и которые распространены в надсолевой толще девона Припятского прогиба. Их образование произошло, по–видимо­му, в довольно специфических условиях на стадии диагенеза пепловых осадков в гидрогеохимической среде, осолонённой в результате растворения нижележащих эвапоритовых отложений, содержащих магнезиальные соли (карналлит).

Шамозит. В условиях морского осадка возможно образование шамозита (высо­кожелезистого хлорита). Это может иметь место при сочетании значительных количеств железа и малокислородной среды, что осуществимо при присутствии в осадке органического вещества. В таких условиях гидрат окиси железа при наличии аморфных кремнезёма и глинозёма может трансформироваться в богатые железом хлориты (ша­мозиты). При этом важно, чтобы в осадке не было большого количества сульфидной серы, т.к. в этом случае железо будет связываться в первую очередь в пирит.

Состав комплекса обменных катионов глинистых минералов. Важной особенностью глинистых минералов является комплекс обменных катионов (поглощённый комплекс). Это те катионы, которые сорбированы глинистым минералом и которые могут сравнительно легко обмениваться на другие. Существенно знать, что в пресноводной обстановке состав поглощённых катионов (он выражается в мг–экв иона на 100 г навески глинистого вещества) характеризуется соотношением Са > Na. Это объясняется тем, что таково соотношение этих катионов в пресных водах суши. В морской же обстановке поглощённый комплекс глин обратный: Na > Са, т.к. в морской воде натрия гораздо больше, чем кальция. Это важно знать, чтобы ориентироваться, как изменялась среда, в которой находилось глинистое вещество на протяжении его переноса, седиментогенеза и диагенеза.