Литология

Стадиальный анализ постседиментационных преобразований

Цель стадиального анализа – «...восстановление (путем снятия вторичных наслоений) первичных признаков осадка, из которых развивалась порода» (Страхов, 1957).

Физические и химические изменения отложений после осаждения называются диагенез. Эти процессы происходят при относительно низких температурах, как правило, ниже примерно 250°С и на глубине до 5000 м.
Литификация – это процесс превращения осадка в осадочные породы, и включает в себя как химические, так и физические изменения, которые происходят после первоначального осаждения. Некоторые осадки немедленно литифицируются, другие отложения очень долго не становятся консолидированными, оставаясь рыхлым материалом через миллионы лет после осаждения.

Гравитационное уплотнение – процесс, приводящий к компактной упаковке компонентов породы. Водонасыщенные пористые осадки переходят в плотные образования. Диагенез сопровождается обильным выделением воды из уплотняющихся илов в более пористые слои. Эти воды переносят ионы через поры.

Уплотнение осадков контролируется давлением. Можно различать общее давление и поровое давление. Если поры не связаны между собой, то это геостатическое давление, оно зависит от веса толщи пород. Когда поры связаны между собой (и с поверхностью), то это гидростатическое давление, оно зависит от веса столба воды. На глубине существуют зоны недоуплотненных осадков. Горизонты быстро отложившихся илов, изолированные водонепроницаемыми пластами, будут находиться под избыточным давлением. Находящиеся под избыточным давлением горизонты представляют сложную проблему для нефтяного бурения.
Ещё 3 дополнительных фактора, создающих избыточное давление:

• акватермальное давление за счет расширения воды при нагревании в замкнутом поровом пространстве;
• дегидратация монтмориллонита (при погружении он переходит в иллит с выделением воды);
• генерация метана (в поровое пространство поступает метан, образующийся при биохимических и термохимических процессах).

Уплотнение приводит к уменьшению пористости, проницаемости и электрической проводимости и увеличению общей плотности и скорости распространения сейсмических волн.
Разные осадки уплотняются по-разному: тонкозернистые насыщенные водой илы уплотняются сильнее, чем песчаные осадки.

Коррозия минералов

В местах точечных контактов локализуются максимально высокие давления, которые способны активизировать процесс химического растворения. У песчаников в результате сочетания механического уплотнения с растворением минеральных частиц возникают своеобразные структуры – структуры гравитационной коррозии: конформные, инкорпорационные и микростилолитовые (сутурные).

Аутигенез

Песчаные горизонты служат каналами миграции для вод, выжимаемых из соведних уплотняющихся иловых пачек. Таким образом, источник ионов, участвующих в аутигенном минералообразовании, может находиться вдалеке от того места, где происходит цементация. В процессе погребения песчаных отложений зерна полевых шпатов и обломки вулканических пород более всего подвержены изменению и растворению под действием кислых поровых вод. Полевые шпаты разрушаются до иллита и далее до каолинита. При этом высвобождаются ионы Si⁴⁺ и K⁺. обломки основных вулканитов разрушаются до смектитов, а вулканические стекла расстекловываются. Позднее из поровых растворов могут кристаллизоваться цеолиты. Таким образом, у песков, первоначально обогащенных полевыми шпатами и обломками вулканитов, в процессе погружения и уплотнения будет постепенно образовываться глинистый цемент. Свыше 90% всех песчаников содержат аутигенные глинистые минералы.

Песчаники, сцементированные карбонатом, распространены довольно широко. Кальций, железо и магний поставляются поровыми флюидами в результате преобразования смектита в иллит из из смежных уплотняющихся алеврито-глинистых илов. Обычными минералами карбонатного цемента являются кальцит, железистый кальцит, железистый доломит, анкерит и сидерит.

Хорошо известная форма проявления аутигенеза – регенерация кварца, полевых шпатов, карбонатов, эпидота, граната и др. или фрагментов скелетных остатков (в основном членики криноидей). Регенерация обычно наблюдается в кварцевом песке, сцементированном кремнеземом; при исследовании шлифов обнаруживается форма кристалла кварца, образованного вокруг обломочных зерен кварца, при этом форма первоначального зерна выделяется немного более темным ободком внутри нового кристалла.

Кристаллобластез

Кристаллобластез – это процесс перекристаллизации породообразующих компонентов в твердом состоянии, без фазовых переходов, но при участии межкомпонентных растворов (так называемой кристаллизационной среды). Он нуждается в притоке извне энергии динамотермальной активации. Кристаллобластез на начальных этапах метагенеза затрагивает в основном краевые участки обломочных зерен и кварцевые регенерационные каемки. Сущность процесса сводится к бластическому замещению кварца кварцем, в результате движения границ зерен. (Япаскурт, 1999)

Зарисовки шлифов песчаников из различных зон катагенеза и метагенеза (Япаскурт, О.В., 1999).
Состав обломков: Q – кварц; Pl – плагиоклаз; L – литокласты; Bi – биотит.
Аутигенные образования: q – кварц (поровый и регенерационный); h – хлорит; s – гидрослюда и серицит; а – альбит; lm – ломонтит; са – кальцит; е – эпидот.
Структуры: k – конформные; i – инкорпорационные; rg – рекристаллизационно-грануляционные бластические; b – полоски Бёма (в кварце).
А – начальный катагенез; Б, В – поздний (глубокий) катагенез; Г – ранний метагенез (в некоторых зернах кварца появляются неясные пластинки, отделенные линиями включений, известные под названием полосок Бёма); Д – поздний метагенез (появляются шиповидные вростки серицита); Е – поздний метагенез.

Задачи лабораторного исследования вещества осадочных отложений:

• 1) оценка взаимоотношений между разновозрастными парагенетическими ассоциациями минеральных, органических компонентов и структур;
• 2) установление этапов их сменяемости (коррелируемых с событиями в геологической истории);
• 3) выявление и осмысление минеральных и структурно-текстурных признаков конкретных процессов формирования, изменения либо разрушения породных компонентов.

Стадиальное исследование образцов

В осадочной породе процессы постседиментационного преобразования на дометаморфической стадии, как правило, не доходят до окончательного завершения, и не достигается полного равновесия минеральных фаз. Визуальные наблюдения дают возможность наблюдать искажения крупно- и среднемасштабных седиментогенных текстур, макроструктур (участки перекристаллизации), а также наличие вторичной трещиноватости, брекчирования или прожилкования. Важно описание соотношения прожилков с текстурными плоскостями и между собой, а также внутренней структуры прожилков. Вещество прожилков отражает ту гидрохимическую среду, которая была на стадиях глубинного катагенеза или метагенеза. Очень важны наблюдения над зальбандами: отсутствие околожильных метасоматитов говорит об одинаковой температуре вмещающих пород и термальных растворов и наличии химического равновесия между ними (Япаскурт, О.В., 1999).

Стадиальное исследование шлифов

Схема филогенетических минеральных рядов

Эта схема графически воссоздает стадийные изменения главнейших минеральных компонентов. В начале каждого такого ряда обозначается исходный компонент, а в конце — продукт его преобразования. Между исходным и конечным минералами может размещаться целая ассоциация переходных разностей.

Постседиментационные изменения карбонатов

Кальцит подвергается растворению под давлением нескольких сотен метров перекрывающих пород, образуя поверхности растворения, известные как стилолиты. В небольшом масштабе (от миллиметра до сантиметра) стилолиты обычно представляют собой весьма неровные поверхности, которые выделяются скоплениями глины, оксидов железа или других нерастворимых компонентов породы. Обычно они образуются горизонтально под давлением вышележащих пород, но могут также образовываться под углом к напластованию в ответ на тектонический стресс. В более крупном масштабе горизонтальные поверхности растворения под давлением создают внутри известняковой толщи кажущиеся поверхности напластования, которые могут быть подчеркнуты концентрацией глины, но не обязательно отражают перерыв в осадконакоплении. Эта кажущаяся слоистость имеет диагенетическое происхождение, но она может быть более ярко выражена, чем истинные поверхности напластования, представляющие первичные перерывы или изменения в осадконакоплении. Растворение под давлением может привести к удалению большого количества карбоната кальция и концентрировать глинистые компоненты нечистого илистого известняка, оставляя цепочки конкреций известняка в волнисто-слойчатом аргиллите (т.н. «узловатые» или «петельчатые» известняки).

Доломитизация

Механизм образования доломита в результате реакции морской и поровой воды с кальцитом и арагонитом был предметом многочисленных дискуссий, и был предложен ряд различных моделей, все из которых могут быть применимы в различных обстоятельствах. Все модели имеют определенные общие черты: исходная порода должна быть известняком, вода, которая вступает с ней в реакцию, должна быть морской или поровой, полученной из морской воды, и для крупномасштабной доломитизации должно быть обильное и продолжительное поступление этих вод. Процессу доломитизации также, по-видимому, благоприятствуют повышенные температуры и повышенная или пониженная соленость по сравнению с морской водой (Nichols, G.,, 2009).

Выводы

1. Физические и химические изменения отложений после осаждения называются диагенез.
2. Литификация – это процесс превращения осадка в осадочные породы.
3. Гравитационное уплотнение – процесс, приводящий к компактной упаковке компонентов породы.
4. Уплотнение осадков контролируется давлением. Можно различать общее давление и поровое давление.
5. Разные осадки уплотняются по-разному: тонкозернистые насыщенные водой илы уплотняются сильнее, чем песчаные осадки.
6. Cтруктуры гравитационной коррозии образуются в результате сочетания механического уплотнения с растворением минеральных частиц.
7. Хорошо известная форма проявления аутигенеза – регенерация кварца, полевых шпатов, карбонатов и др.
8. Кристаллобластез – это процесс перекристаллизации породообразующих компонентов в твердом состоянии, без фазовых переходов, но при участии межкомпонентных растворов.
9. Кальцит подвергается растворению под давлением нескольких сотен метров перекрывающих пород, образуя стилолиты.
10. Доломитизация происходит в результате реакции морской и поровой воды с кальцитом и арагонитом.

Вопросы для самопроверки

1. При каких условиях протекает процесс диагенеза?
2. На каких стадиях постседиментационных преобразований протекает гравитационное уплотнение?
3. На каких стадиях постседиментационных преобразований протекает кристаллобластез?
4. От чего зависят гидростатическое и геостатическое давления?
5. Каковы результаты гравитационного уплотнения?
6. Какие микроструктуры возникают в результате гравитационной коррозии?
7. Что представляют собой стилолиты?
8. Какие условия благоприятствуют доломитизации?