Читая каменную летопись Земли...: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

Седиментационные процессы удивительно многообразны. Осаждение частиц — это лишь одна сторона медали. Другая заключается в новообразовании и кристаллизации как в толще воды или в воздушной среде, так и на дне в самом осадке или на поверхности коренного субстрата. Кристаллизация солей в воздухе происходит чаще всего в зоне заплеска осолоненных лагун или на приливно-отливных равнинах. Вода испаряется в воздухе, и на Землю со звоном сыплются мелкие кристаллики соли. Нечто похожее наблюдается при выбросе магмы. Все же основная масса солей образуется при испарении концентрированных рассолов, называемых рапой. Как правило, это имеет место в замкнутых мелководных водоемах аридных зон, где испарение значительно превалирует над поступлением воды. Кристаллы гипса, галита, доломита, карналлита и др. зарождаются прямо в рассоле, из которого затем выпадают на дно.

Очень широко распространены в природе различные корки и стяжения. В пустынях часто встречаются слоистые карбонатные корки — каличе, связанные, как полагают, не в последнюю очередь с деятельностью микроорганизмов. Вблизи источников теплых или горячих минерализованных вод возникают натечные формы карбонатов — травертины. Известны корки железистого, марганцевого и кремнистого состава. Чаще всего они образуются в субаквальной среде. В специфических условиях глубоководных рассольных впадин, открытых в Красном и Средиземном морях, на поверхности твердых субстратов — выступов магматических и древних осадочных пород — вырастают причудливые гипсовые розочки (впадина Баннок в Ионическом море) или арагонитовые корки волокнистого строения (впадина Атлантис в Красном море).

Многие наслышаны об удивительных натечных образованиях в подземных пещерах — сталактитах и сталагмитах. Первые в виде причудливых каменных сосулек свисают со сводов пещер, вторые, более приземистые и шишковатые, поднимаются им навстречу со дна. И те и другие имеют кальцитовый состав и растут за счет выпадения карбоната кальция из капель воды, стекающих по сталактитам или срывающихся со сводов пещеры вниз. Каждая капля оставляет несколько молекул труднорастворимого карбоната. В результате за десятки и сотни тысяч лет в подземных гротах возникают целые каскады, огромные занавеси из кальцита наподобие тех, что украшают зал Тбилиси в Новоафонской пещере. Этим монументальным творениям природы нет равных по красоте.

Мир осадочных новообразований богат и весьма причудлив. Об оолитовых микростяжениях уже рассказывалось. Помимо них, однако, существует целая гамма близких по размерам (0,07-0,8 мм и более), но отличающихся по составу стяжений, характерных для морских осадков, — глауконитовых, бертьериновых, хлорит-смектитовых и др. Самые известные твердые осадочные стяжения образуются на поверхности дна некоторых глубоководных котловин океана и содержат примеси меди, никеля, а иногда и кобальта. Эти стяжения — конкреции округлой или овальной формы — лежат на поверхности рыхлого осадка, иногда так плотно друг к другу, что дно становится похожим на мостовую.

Юность камня

Под диагенезом понимают все те процессы, которые ведут к превращению рыхлого осадка в породу, в камень. Поэтому синонимом этого слова в русском языке является окаменение, хотя последнее и не полностью отражает всю совокупность метаморфоз, происходящих с осадками. По ассоциации с онтогенезом живых организмов этот период существования камня может быть определен как «юность» (или «возмужание»). Она протекает на фоне постепенного уплотнения осадка и сокращения его объема за счет удаления седиментационных, а затем и части поровых вод. В этом смысле «возмужание» в неживой природе — процесс, обратный тому, что происходит с живым организмом, который на этой фазе развития растет и увеличивается в объеме.

Уплотнение протекает под нагрузкой перекрывающих (более молодых) осадочных образований. Поэтому для завершения данною процесса необходимо накопление все новых и новых масс осадков. Если последнее застопорилось или прекратилось вовсе, то останавливается или, во всяком случае, резко замедляется дальнейшее уплотнение. Тогда осадок на неопределенное время может остаться незрелым, хотя возраст его будет исчисляться миллионами лет. Он так и состарится, не став настоящей породой, хотя со временем будет по некоторым параметрам приближаться к ней. Впрочем, такие случаи редки, так как находящиеся близ земной поверхности рыхлые образования неминуемо уничтожаются эрозией. Поэтому в осадочных толщах достаточно древнего возраста рыхлые отложения встречаются редко. Как правило, это несцементированные пески или реликтовые почвы, сохранившиеся только потому, что были перекрыты другими окаменевшими осадками — глинами, известняками или мергелями.

В отложениях разного состава и уплотнение протекает неодинаково. В песках и в других зернистых осадках обломочного происхождения оно реализуется достаточно быстро, если в них есть или успевает образоваться цементирующее вещество. Каркас будущей породы возникает после того, как отдельные зерна вступают в плотный контакт с соседними. Далее уплотнение идет до достижения наиболее компактной упаковки зерен и частичного их растворения на контактах (плагиоклазы и другие неустойчивые компоненты). Глины уплотняются за счет изменения пространств венной ориентации отдельных чешуек и их агрегатов, их упорядочения. Последнее достигается при упаковке чешуй глинистых минералов преимущественно параллельно поверхности раздела вода-осадок, или, как говорят геологи, параллельно напластованию. При этом вследствие компактности упаковки постепенно достигается наименьший объем. Лишняя вода между отдельными чешуйками выдавливается из осадка вверх, в менее плотный осадок, и вниз, в так называемые коллекторские горизонты (ими обычно служат пески и гранулярные карбонатные, реже кремнистые отложения).

По мере погружения в недра давление вышележащих осадков все более возрастает. Чешуйки глинистых минералов плотнее соприкасаются друг с другом, а седиментационная вода полностью изгоняется из глины. Количество вытесняемой воды по мере возрастания геостатического давления (давления вышележащих отложений) со временем уменьшается. В целом процесс уплотнения глинистых осадков описывается гиперболической кривой, отражающей следующую закономерность. В начале процесса окаменения при небольшой нагрузке вышележащих наносов осадок теряет много влаги; в дальнейшем же увеличение нагрузки на порядок, а потом и на два дает все более скромный результат. Это и понятно, так как в глине остается со временем все меньше свободной воды, а та, которая в ней находится, связана с чешуйками слоистых минералов различными силами, т. е. является адсорбированной. Чтобы преодолеть эти силы, требуется все большее давление и, кроме того, более высокая температура среды.

На определенном этапе глинистый осадок теряет способность течь и формоваться (из него не вылепишь фигурки, не сделаешь какую-либо форму), а через некоторое время и вовсе перестает размокать в воде. На этом завершается превращение осадка в породу. Стадия диагенеза пройдена. В обычных условиях это происходит при погружении в недра на глубины 500–800 м. Плотность глины, в начале процесса уплотнения не превышавшая 1,4–1,5 г/см³, возрастает до 2–2,1 г/см³. Соответственно пористость уменьшается с 60–70 до 18–20 %. Чешуйки глинистых минералов плотно прилегают теперь друг к другу, словно кирпичи в фундаменте дома, между которыми почти не остается зазоров. Глина становится непроницаемой для флюидов, даже для многих газообразных, исключая метан.

Мы так подробно описываем диагенез глинистых осадков потому, что они в количественном отношении преобладают в осадочных разрезах земной коры. К тому же процессы окаменения протекают в них дольше, нежели в других образованиях, литификация которых заканчивается обычно раньше. На фоне длительного уплотнения глин, продолжающегося нередко миллионы лет, особенно быстрыми кажутся диагенетические трансформации кремнистых осадков. С этим явлением столкнулись буровики с американского судна «Гломар Челленджер» в начале осуществления программы глубоководного бурения в океанах. Среди рыхлых и слабоуплотненных образований, слагающих верхний слой чехла абиссальных котловин, бур то и дело натыкался на крепкие породы. При их преодолении снашивались или сбивались коронки. Тогда, в конце 60-х — начале 70-х годов, еще не был разработан механизм смены бурового инструмента в море, позволяющий продолжать бурение ствола в той же точке, где оно было приостановлено. По этой причине проходка многих скважин прекращалась задолго до достижения расчетной глубины. Оказалось, что бур натыкался под дном морским на горизонты крепчайших кремней, наличие которых в разрезе прекрасно фиксировалось сейсмическими методами. Эти кремни были, по существу, уже породой, тогда как окружавшие их осадочные образования находились еще в процессе окаменения.

Стоит напомнить, что кремнистые осадки изначально сложены скелетными остатками кремнестроящих организмов — диатомей, радиолярий, силикофлагеллят и др. Эти осадки характеризуются высокой пористостью и служат каналами для выведения воды, которая выдавливается на соседних, более тонких по размерности отложениях. Вода эта поначалу недосыщена кремнеземом, поэтому растворяет многие органические остатки. Часть растворенного кремнезема оседает тут же в поровом пространстве осадка. Затем из окружающих илов начинает поступать вода, обогащенная кремнеземом, так как там с течением времени происходит разрушение ряда малоустойчивых минералов, содержащих в структуре кремний. Вследствие изменений pH и Eh на границе двух сред кремнезем оседает в горизонте-коллекторе, В результате этого последний быстро теряет проводящие свойства (проницаемость) и трансформируется в непроницаемые и очень плотные образования — кремни. В этом случае переход от осадка к породе произошел не столько из-за уплотнения, сколько в результате процессов перерастворения и осаждения вещества, часть которого привнесена извне, из соседних горизонтов разреза.

Таким образом, диагенез — это не только уплотнение, но и сложный ряд физико-химических реакций, приводящих к перераспределению вещества как внутри осадков одного типа, так и между осадками разного состава. Осаждение новых минералов из иловых (седиментационных) вод особенно часто наблюдается на границе между двумя разными типами осадков. Здесь же садятся многие растворимые фазы, мигрировавшие вместе с вытесняемой водой. Например, под прослоем вулканического пепла в колонках осадков из Ионического моря очень часто обнаруживается прослой фиолетового цвета, обогащенный оксидами марганца, выделившимися из поровых вод. Толщина таких прослоев может достигать 3–5 см.

В других условиях на границе между пластами разного состава, а иногда и внутри самих пластов начинается формирование конкреций. В одно место как бы стягиваются вещества, находящиеся в избыточной концентрации в перовой воде. Вокруг определенного центра, которым может оказаться линза грубого материала или карбонатная раковина, образуется «рубашка» карбонатного, кремнистого или железистого состава. За одним слоем с течением времени нарастает другой, и постепенно за тысячи лет возникает очень плотное осадочное образование шаровидной или дискообразной формы с размерами от нескольких сантиметров до полуметра в диаметре. По плотности и крепости конкреция резко отличается от вмещающей породы. Если она сформировалась в еще мягком осадке, т. е, в диагенезе, то границы пласта, в котором расположена конкреция, над ней и под ней изгибаются. Пласт как бы раздувается в толщину в этом месте.

Интересно, что в глубоководных условиях, главным образом на подножии континентальных склонов и в абиссальных котловинах океана, уплотнение многих осадков, в первую очередь глинистых, происходит гораздо медленнее, чем на континенте или на его подводном продолжении, хотя на осадок здесь давит огромный столб воды (4–6 тыс. даже 8-10 тыс. м, что соответствует 400-1000 атм). Превращение осадка в породу завершается в этих условиях на гораздо больших глубинах в недрах осадочного чехла: 1200–1500 м вместо 500–800 м на континентах. Описываемое явление получило название парадокса глубоководного диагенеза. Оно объясняется несколькими причинами, в частности затрудненностью оттока выдавливаемых из осадков седиментационных вод, так называемым взвешивающим эффектом и др. Важно отметить, что благодаря незавершенному диагенезу в океане встречаются очень древние осадочные образования, в том числе мелового и даже позднеюрского возраста (140-80 млн лет), которые все еще не преобразовались в породу. Такой феномен неизвестен на суше.

Пора зрелости

Осадок, став камнем, приобретает новые черты. У юноши в период возмужания появляются усы и борода, а вот в песках, еще недавно сыпучих и рыхлых, Армируется цемент. Благодаря ему они становятся породой — песчаником. В качестве цемента часто образуется кальцит, кристаллы которого вырастают в порах между зернами терригенных минералов в результате выпадения карбоната кальция из воды, постоянно мигрирующей по песчаникам. В недрах они служат коллекторами — проводниками флюидов. Формирование карбонатного цемента — это прелюдия к целой цепи превращений, происходящих в песчаниках в пору зрелости. К наиболее значительным относятся: новообразование глинистых минералов, вырастающих в крупных порах; разложение неустойчивых компонентов, например полевых шпатов, и коррозия кварцевых зерен; вдавливание этих зерен одно в другое на контактах; наконец, появление каемок обрастания вокруг кварцевых зерен. Изучение этих явлений важно потому, что все они влияют на структуру порового пространства, ведь песчаники служат коллекторами не только воды, но также нефти и газа.

Изменения, наблюдающиеся в песчаниках, алевролитах и других обломочных породах, во многом обусловлены процессами, протекающими в их постоянных спутницах — глинах. Правда, глины, как разборчивые невесты, отдают иногда предпочтение известнякам или кремнистым породам. А вот песчаники с этими породами встречаются относительно редко. Так что песчаникам и глинам волею судьбы приходится сосуществовать. Глинам в этом союзе принадлежит главная роль. В зрелую пору песчаники явно находятся «под каблуком» у глин. Впоследствии распределение ролей между ними несколько меняется.

Глины, став породой, приобретают особую функцию, в чем-то сравнимую со способностью всего живого к деторождению. Многие из них, но далеко не все, при определенных обстоятельствах способны генерировать углеводороды, как жидкие (нефтяные), так и газообразные. Недаром геологи-нефтяники называют глины нефтематеринскими породами. Речь, конечно, идет о глинах, изначально обогащенных органическим веществом, иначе говоря, углеродистыми остатками растений и животных, содержащими как извлекаемые (фульво- и гуминовые кислоты, битумоиды), так и не извлекаемые растворителями компоненты. Последние названы керогеном, В его состав входят аминокислотные остатки, нуклеотиды, жирные кислоты, фрагменты клеточных мембран, в том числе целлюлоза, гемицеллюлоза и хитин. Органические соединения располагаются между чешуйками глинистых минералов и зачастую образуют с ними сложные органо-минеральные комплексы. Из них-то при определенных условиях и образуются углеводороды.

Способность глин генерировать микронефть не в последнюю очередь связана с выделением при катагенезе больших количеств воды, находящейся в особом переуплотненном состоянии, близком к состоянию жидкого кристалла. Как уже указывалось выше, вода эта заключена в межслоевых промежутках слоистых силикатов глин и в отличие от седиментационных вод, занимающих поры в осадке или породе, является чистой в химическом отношении. Это очень важное обстоятельство, ибо такая вода, да еще разогретая в недрах до температуры в несколько десятков, а то и до 100–150 °C, оказывается весьма агрессивным химическим агентом, обладающим повышенной растворяющей способностью.

Межслоевая вода образует своего рода слои близ поверхности трехэтажных пакетов разбухающих разностей глинистых минералов и связана с ней, а также с межслоевыми катионами определенными связями. Поэтому она очень устойчива по отношению к геостатическим нагрузкам и остается в межпакетных промежутках даже при давлении в несколько сот атмосфер. Нарушение структуры межслоевой воды вызвано повышением температуры в недрах. Известно, что, чем дальше в глубь земной коры, тем выше температура. В одних районах это повышение, называемое геотермическим градиентом, составляет всего 1–2° на 100 м, в других — на порядок выше. Геотермический градиент определяется тектонической активностью литосферы. На платформах он невелик, в передовых прогибах и меж-горных впадинах горно-складчатых областей обычно значительно выше. Но особенно резко с глубиной погружения осадков температура возрастает в районах рифтогенеза или раскрытия океанского дна. Например, в осадках Красноморского рифта уже на глубинах 0,3–0,5 км от поверхности дна температура, вероятно, достигает 80-100 °C. Отсюда следует, что одна и та же температура в разных регионах должна фиксироваться в совершенно различных диапазонах осадочного чехла.

Критической для межслоевой воды температурой считается 80-100 °C (до 120 °C). Упорядоченная структура этой воды разрушается, и она выходит из межслоевых промежутков в микропоры, еще сохранившиеся в глинистой породе. К этому времени они частично или полностью забиты вторичными минеральными образованиями или молекулами органического происхождения. Вода растворяет наименее устойчивые компоненты и выделяется из глины в песчаники или алевролиты. По ним она мигрирует в область разгрузки, где пополняет запасы грунтовых вод либо выходит на поверхность в виде родников и источников. По пути наверх из воды выделяются те минеральные фазы, которые были растворены в микропорах глинистой породы. Образуются и другие минералы. Поэтому пустотное пространство песчаников и других зернистых пород становится ареной новообразований. Здесь в микроскопических формах происходят, по существу, те же процессы, что и в подземных карстовых пещерах, где вырастают сталактиты и сталагмиты. Микрокристаллы и агрегаты минералов формируются в порах на путях миграции флюидов. Это удлиненно-пластинчатые иллиты и смектиты, прекрасно окристаллизованные шестигранные пластинки каолинита, которые наложены одна на другую и напоминают стопки монет. Реже встречаются веретеновидные сростки вермикулита, зато широко распространены яснокристаллический кальцит, ромбоэдры доломита, а вблизи границы раздела глина-песчаник выделения пирита, сидерита и других железистых минералов.

Случается и обратное. Чистая и агрессивная в химическом отношении межслоевая вода растворяет различные минеральные фазы в составе цемента. Может наблюдаться и коррозия породообразующих минералов — полевых шпатов, кварца и слюд. Возникающее при этом дополнительное поровое пространство называется вторичной пористостью.

Не менее фундаментальные превращения происходят в глинистых породах. По мере удаления межслоевой воды часть трехслойных пакетов со структурой смектита теряет способность к разбуханию. Эта перестройка сопровождается довольно сложными замещениями как в кристаллической решетке (часть кремния в тетраэдрах замещается алюминием), так и в межслоевых промежутках, где место кальция и натрия постепенно занимает калий. Он-то и стягивает «намертво» соседние пакеты. В промежутки, где засел К⁺, уже не могут проникнуть ни вода, ни тяжелые органические молекулы. В результате возникают минеральные структуры с промежуточными свойствами: хотя часть трехэтажных пакетов еще не утратила способности набухать, другие уже жестко сцеплены друг с другом. Подобные минералы, называемые смешанослойными, широко распространены в глинах на стадии катагенеза. По мере погружения в недра в их составе все больше увеличивается количество неразбухающих пакетов, построенных по типу иллита, и уменьшается доля разбухающих смектитовых разностей. К моменту завершения катагенетической стадии эволюции осадочных пород из глинистых образований полностью исчезают разбухающие фазы, а каолинит начинает превращаться в диккит.

Не менее серьезные трансформации наблюдаются и в других осадочных породах, в частности в известняках и силицитах. В известняках широким фронтом идет перекристаллизация первоначальных органогенных компонентов — раковин и других форменных элементов организмов, которая обычно сопровождается доломитизацией кальцита. Возникшие при этом кристаллы доломита занимают меньший объем по сравнению с кальцитом. В зоне больших температур и давлений, где под воздействием поровых растворов определенная часть кальцита растворяется, образуются зачастую новые пустоты, лишь отчасти занятые доломитом. Таким образом, катагенез — этап изменения осадочных пород при их погружении в зону воздействия повышенных температур и давлений — завершается значительными изменениями структуры и минерального состава этих пород. С катагенезом связано образование таких важнейших для экономики полезных ископаемых, как нефть и газ, появление (развитие) ряда оруденений, облагораживание углей.

Переход в новое состояние

При проходке глубоких поисково-разведочных скважин на нефть и газ в диапазоне 4–5 тыс. м начинают проявляться признаки старения осадочных пород. Для геологов-нефтяников они заключаются в резком сужении пор и сокращении порового пространства в горизонтах песчаников и алевролитов. Керн разделяющих их глинистых пород выглядит иначе, чем на глубинах 2–3 тыс. м. Плотность их резко возрастает (до 2,2–2,4 г/см³). Они покрываются микротрещинами, по которым крошатся на кусочки, легко раскалываются на пластинки в направлении слоистости. Такие породы полностью теряют способность к размоканию в воде. Их даже называют уже не глинами, а аргиллитами. В известняках вместо множества мелких зерен и обломков, разделенных пустотами, формируются крупные ясно очерченные кристаллы кальцита, плотно прилегающие друг к другу, а на их границах нередко возникают так называемые стилолитовые швы — структуры растворения на пути перемещения флюидов, а также микротрещины.

Глинистые породы в основном утрачивают способность генерировать жидкие углеводороды (микронефть), хотя метан и его ближайшие гомологи еще поступают в горизонты-коллекторы. Впрочем, этих последних становится все меньше и меньше. Под воздействием огромных давлений зерна и обломки пород в песчаниках вдавливаются на контактах друг в друга с образованием инкорпорационных структур, а растворенный кремнезем отлагается рядом, наращивая зерна, в основном кварца, со стороны еще сохранившихся пустот. Благодаря этому вокруг кварцевых зерен появляются каемки обрастания. Эта новая, относительно чистая фаза отчетливо видна в шлифах: прежние границы зерен трассируются мельчайшими пузырьками флюидов, захваченных в плен при осаждении новой фазы. Вследствие сдавливания и обрастания пустотное пространство песчаников резко сокращается, а в его цементе, если он имеет глинистый состав, появляются хорошо окристаллизованные мусковит, хлорит и биотит. Нередко отмечается образование микроклина и адуляра — минералов из группы полевых шпатов.

По основным параметрам песчаник все более приближается к кварциту или гнейсу — породам метаморфическим, широко распространенным в глубоких недрах Земли, а именно в той части литосферы, которую именуют фундаментом. На платформах граница между осадочным чехлом и фундаментом обычно четко выражена, тогда как в передовых прогибах, разделяющих платформы и горно-складчатые пояса, провести ее труднее, в основном из-за того, что породы в подошве осадочного чехла по физико-механическим параметрам приближаются к породам фундамента, который нацело сложен древними (метаморфическими) и магматическими породами, в том числе и интрузивными, т. е. выделившимися из застывших на глубине магматических расплавов.

Точный рубеж, где первично-осадочная порода переходит в метаморфическую, установить очень сложно из-за широкой гаммы переходных состояний. Этот переходный этап, на котором завершается преобразование осадочных пород в метаморфические, был назван метагенезом (от слова «мета» — переходный, меняющийся). Довольно четкие количественные критерии разработаны лишь в отношении глинистых пород, главным образом благодаря применению дифрактометрического метода исследования. Дело в том, что по мере усиления возрастных изменений в породе многообразная гамма глинистых минералов сводится к двум наиболее широко распространенным формам — иллиту и хлориту.