Литология

Карбонатные породы

Общая характеристика карбонатных пород

Карбонатные породы (карбонатолиты) – осадочные образования, более чем на 50% состоящие из карбонатных минералов – кальцита, арагонита, доломита, сидерита, магнезита, анкерита и др. (Фролов В.Т., 1993). Цвет чаще всего белый и светло-серый, примесь железа дает красный и розовый, а примесь органического вещества – темно-серый и черный.

Классификация карбонатных пород

Основная классификация проводится по минеральному составу:

1. 1) известняки – кальцит или арагонит (редко);
2. 2) доломиты;
3. 3) сидериты;
4. 4) магнезиты;
5. 5) анкериты;
6. 6) родохрозиты.

Известняки

Основные структурные компоненты

Основными компонентами современных карбонатов и древних известняков являются: зерна (аллохемы), ил (микрит), цемент и реже терригенные зерна. Карбонатные зерна подразделяются на биогенные и абиогенные.

Биогенные карбонатные зерна

Биогенные зерна можно подразделить на цельноскелетные и биокласты (обломки скелетов). Преобладающая часть карбонатных частиц образуется из твердых частей скелетов беспозвоночных известковых организмов. Организмы могут образовывать свои твердые карбонатные скелеты из арагонита, низкомагнезиального и высокомагнезиального кальцита.

В раковинах моллюсков наблюдается сложное чередование кальцитовых и арагонитовых слоев, образующих различные геометрические узоры. Раковины двустворчатых моллюсков состоят из двух или трех слоев кальцита, арагонита или обоих минералов. Раковины гастропод также имеют слоистую кальцитовую или арагонитовую структуру. Большинство головоногих моллюсков также имеют слоистую раковину. Исключение составляют белемниты, имеющие радиально-волокнистую структуру.

Раковины брахиопод целиком состоят из кальцитовых (тонких первичных и толстых вторичных) слоев, образующих фибровую структуру. В раковинах некоторых брахиопод может встречаться третий внутренний призматический слой. У ряда видов брахиопод в большом количестве встречаются иглы, и при определенной ориентировке в шлифах невнимательный наблюдатель может поначалу спутать их с оолитами.

Скелеты кораллов, включая наружные стенки, пластинки, септы и др., построены из крошечных кальцитовых (табуляты, ругозы) или арагонитовых (шестилучевые кораллы) нитей, имеющих различную ориентировку.

Раковины фораминифер обычно построены из кальцита и имеют микрогранулярную, фарфоровидную, радиально-волокнистую, игольчатую и монокристаллическую структуру.

Остатки иглокожих состоят из петлевидных кальцитовых элементов и имеют весьма характерную поровую структуру. Отдельные частицы остатков иглокожих под микроскопом при скрещенных николях выглядят как монокристаллы кальцита.

Скелеты трилобитов состоят из микроскопических призм кальцита, вытянутых перпендикулярно краям щитка. Раковины остракод похожи по структуре, но тоньше.

Известковые бентосные водоросли имеют разнообразную структуру. Вертикальные ветвеобразные формы первоначально разрушаются до частиц гравийной размерности. Многие водоросли обладают ячеистой внутренней структурой.

Известковые планктонные водоросли представлены в больших количествах в пелагических отложениях начиная с юры. Первоначально, при жизни, клетку водоросли окружали мельчайшие диски круглой до овальной формы, называемые кокколитами. Для кальцитовых кокколитовых пластинок типичен максимальный диаметр от 2 до 20 мкм.

Абиогенные карбонатные зерна

Интракласты – и литокласты. Это обломки уплотненного ила либо полностью сцементированных карбонатных и глинисто-карбонатных пород. Первые из них образуются непосредственно в бассейне осадконакопления, вторые могут быть также принесенными издалека (экстракластами).

Пеллеты и пелоиды. Многие организмы пропускают через себя ил, чтобы извлечь питательные вещества. Использованный ил выбрасывается в виде фекальных пеллет – яйцеобразных аморфных комочков длиной от 0,1 до 3 мм и толщиной от 0,05 до 1 мм. Более крупные фекальные комки именуются копролитами. В древних породах фекальные пеллеты трудно отличить от аморфных комков, образовавшихся при микритизации обломков, и от интракластов. Поэтому для овальных микрозернистых частиц лучше использовать термин пелоид.

Оолиты и онколиты. Оолиты представляют собой сферические или слегка яйцеобразные округлые карбонатные частицы, обладающие ядром из обломочного материала и имеющие концентрическую слоистую оболочку из арагонита или высокомагнезиального кальцита. Оолиты размером более 2 мм называют пизолитами.

Карбонатный ил (микрит) и цемент

Карбонатный ил (микрит). Многие из современных накоплений карбоната в шельфовых обстановках содержат ил (частицы размером менее 60 мкм), который является в основном результатом дезинтеграции скелетных компонентов сверлящими микроорганизмами и путем механического истирания в зоне волнений. Часть микритовых частиц образуется путем непосредственной кристаллизации арагонита из морской воды. Он является, таким образом, сингенетическим материалом.

Цемент представляет собой кристаллический агрегат кальцита. Он кристаллизуется в поровом пространстве на стадии диагенеза и является эпигенетическим. В отличие от обломочных и глинистых пород, которые долгое время могут оставаться рыхлыми, карбонатные осадки подвержены ранней цементации, так как карбонат кальция легко растворяется и отлагается из растворов.

Классификация известняков

Классификация известняков основана на соотношении вышеперечисленных структурных компонентов. Классификаций существует несколько. Отечественные литологи выделяют следующие главные классы и виды (Япаскурт О.В., 2008):

1. Известняки биоморфные цельноскелетные – коралловые, мшанковые, водорослевые, брахиоподовые, двустворковые, остракодовые, фораминиферовые и др.
2. Известняки биоморфно-детритовые, сложенные более чем на 50% фрагментами скелетов – брахиоподовые, мшанковые, криноидные, полидетритовые (смешаные).
3. Известняки биоморфные пелоидные, состоящие более чем на 50% из пеллет, копролитов и подобных им комковатых частиц.
4. Известняки сфероагрегатные – оолитовые, пизолитовые, сферолитовые.
5. Известняки обломочные. Подразделяются на виды в соответствии с размерами и формой кластических зерен – наподобие классификации пород обломочных, т.е. со структурами: брекчиевыми, конгломератовыми, дресвяными, гравийными, песчаными, алевритовыми и пелитовыми (выделение последних проблематично – Р.Щ.).
6. Известняки кристаллически-зернистые, или криптогенные (т.е. неясного генезиса, вторично перекристаллизованные – вплоть до превращения их в мраморы).

В отечественной практике для обозначения микрозернистого известняка часто используется термин «пелитоморфный».

Классификация Фолка (Folk, 1959) основана на различных сочетаниях кристаллического цемента («спарита»), илового матрикса («микрита») и зерен («аллохем»).
Усовершенствованная классификация Фолка (Folk, 1962) учитывает степень «зрелости» осадка (промытость от ила, сортировку и окатанность зерен).

Наиболее распространена за рубежом и всё шире используется в нашей стране классификация Данхэма (Dunham, 1962), дополненная классификацией Эмбри и Клована для рифовых известняков (Embry, Klovan, 1971). Классификация Р.Х. Данхэма учитывает энергетический уровень среды. Все известняки разделены на две большие группы: в первой группе первичные структуры не распознаются вследствие их полной перекристаллизации; ко второй группе отнесены породы с распознаваемыми первично-осадочными структурами. Вторая группа далее разделена на: 1) породы, у которых первичные компоненты были скреплены во время седиментации (баундстон), и 2) породы, у которых компоненты не были скрепленными во время их накопления. Последние включают четыре типа: 1) породы, у которых зерна (биогенные, обломочные, пеллетовые или оолитовые) опираются друг на друга, а между ними отсутствует иловый матрикс – грейнстон, 2) такие же породы, но с микритовым матриксом в порах, – пакстон, 3) породы, в которых зерна в количестве более 10% взвешены в микритовом матриксе – вакстон, 4) микритовые (илистые) отложения с примесями биогенных, обломочных, пеллетовых или оолитовых зерен в количествах менее 10% – мадстон. Первоначальная схема (Dunham, 1962) не включала разделение баундстона на бафлстон, байндстон и фреймстон, которое учитывает тип организмов, образующих каркас. Эти подтипы, наряду с добавлением рудстона (который является известняковым конгломератом) и флотстона (поддерживаемый матриксом известняковый конгломерат) были добавлены Эмбри и Клованом (Embry, Klovan, 1971) и Джеймсом и Бурком (James, Bourque, 1992).

Условия образования известняков

Можно выделить три группы карбонатных осадков:

1. Шельфовые карбонаты умеренных зон распространены широко и являются сугубо биогенными.
2. Шельфовые карбонаты тропической и субтропической зон. Среди карбонатов преобладают биогенные, однако в ряде мест важную роль играет хемогенный СаСО₃.
3. Океанические биогенные пелагические карбонаты. Широко распространены в океанах (за исключением северной части Тихого океана, Арктики и Антарктики). Эти биогенные карбонатные илы накапливаются на глубинах, не превышающих 3,5-5 км.

Карбонатная седиментация на шельфе контролируется температурой, соленостью, балансом СО₂, глубиной воды, местным режимом течений, проникновением света, эффективной продолжительностью дня, характером субстрата, мутностью воды. Однако в глобальном масштабе главнейшими контролирующими факторами являются температура и соленость.

Древние карбонатные фации

Стандартные фациальные пояса Уилсона. Распределение фаций на основе исследования эпиконтинентальных карбонатов Уилсон (Wilson, J.L., 1975) представил в виде девяти стандартных поясов. Все девять поясов не обязательно присутствуют.

1. Бассейновые фации представлены переслаиванием глинистых и известковых илов. Известковый ил может поступать с прилегающих платформ и из пелагиали. Низкое содержание кислорода ограничивает развитие бентосных зарывающихся организмов, сохраняются слоистость и высокие концентрации C_орг.
2. Фации открытого моря – мадстоны и мергели – формируются в водах с высоким содержанием кислорода ниже базиса нормальных волн, но при периодическом влиянии штормов.
3. У подошвы платформы, на краю склона, пелагические и гемипелагические отложения переслаиваются с рифовой осыпью.
4. Отложения переднего склона рифа – мадстоны, пакстоны и брекчии – в основном состоят из обломков, происходящих с прилегающих краев платформы.
5. Постройки или рифы могут быть представлены иловыми холмами, биокластическими бугристыми рифами и твердыми каркасными рифами.
6. Пески края платформы образуются в подвижных водах с преобладанием волнового или приливно-отливного режима.
7. Фации открытой платформы формируются в мелких водах лагун и заливов и состоят из битурбированных микритов, переслаивающихся со слоями штормовых карбонатных песков.
8. Фации замкнутой платформы включают осадки, отложенные в прудах, лагунах и на приливно-отливных низинах.
9. Эвапориты развиваются в супралиторальных обстановках в аридном климате.

Постседиментационные преобразования протекают иначе, чем у пород глинистых и обломочных. У известняков нет никакой зависимости между глубинами их погружения в стратисфере и изменениями пористости. Уже в условиях начальных стадий литогенеза в субаэральных и мелководно-морских условиях в течение очень краткого промежутка времени образуется крепко сцементированный спаритовым кальцитом так называемый «бич-рок» с почти нулевой пористостью. И наоборот, на глубинах сотен и первых тысяч метров благодаря воздействию глубинных вод может развиваться пористость вторичного растворения – жеодовая и межкристаллическая. В конечном итоге на стадиях глубинного катагенеза и начального метагенеза возникают мраморизованные, кристаллически-зернистые породы с так называемыми «теневыми» седиментогенными структурами. В известняках широко развиты процессы перекристаллизации, доломитизации, загипсования либо ангидритизации, а также окремнения.

Доломиты

Доломиты – породы, более чем на 50% сложенные минералом доломитом:

CaMg(CO₃)₂

По структуре доломиты подразделяются на яснозернистые и пелитоморфные. Среди первых можно выделить кристаллически-зернистые, биоморфные (реликтовые), обломочные (брекчиевидные) и др.

В проблеме происхождения много неясных вопросов, в том числе:

1. 1) почему в древних толщах доломитов много, а современные доломиты редки?
2. 2) почему в морской воде отношение Ca2+ к Mg2+ равно 5,7, а доломит из морской воды не осаждается?

Неспособность доломита к выпадению в осадок из морской воды объясняется трудностями кристаллизации. Для возникновения его в условиях низких температур необходимо очень много времени. В экспериментах выпадение в осадок минералогически совершенного доломита происходит только при Т= 200°C. Было выявлено три основных способа образования доломита в природе.

1. «Эвапоритовая модель остаточного рассола». В условиях себхи из поровых вод вначале осаждается гипс или ангидрит. В результате отношение Mg²⁺/Ca ²⁺ становится ≥10. Арагонит замещается протодоломитом, который затем перекристаллизовывается в доломит.
2. Модель смешения грунтовых вод с солеными на границе море/суша или в лагунах. Смешение пресных метеорных вод с 5—30% морской воды приводит к недонасыщению раствора в отношении кальцита при росте насыщения доломитом.
3. Глубинная катагенетическая доломитизация.

В шлифах доломит распознается по большей степени идиоморфизма по отношению к кальциту, образуя хорошо ограненные ромбоэдры, часто зональные. Отличить доломит от кальцита позволяет реакция окрашивания подкисленным раствором ализарина-красного: кальцит окрашивается, доломит – нет.

Ионный радиус Mg²⁺ меньше, чем у Са²⁺, поэтому объем вещества при доломитизации уменьшается. Это улучшает породные коллекторские свойства. Стопроцентная доломитизация известняка повышает его пористость на 12 %.

Сидериты

Сидериты – породы, сложенные в основном одноименным минералом FeCO₃ либо родственным ему сидероплезитом (FeCO₃ >` 80 %, MgCO₃ – до 20 %); иногда с примесью кристаллов анкерита Ca(Fe,Mg)(CO₃)₂.

Они образуют конкреционные стяжения в глинах, аргиллитах и алевролитах, иногда в песчаниках и углях. Обычно содержат примеси: глинистых частиц, обломков кварца и силикатных минералов алевритовой размерности, фрагментов унифицированного и тонкодисперсного ОВ, пирита и других сульфидов.

Макроструктура сидеритов чаще всего пелитоморфная, реже яснозернистая. На свежем сколе имеют стально-серый цвет. Однако на поверхности обнажений сидерит покрывается пленками оксидов Fe³⁺, а потому выглядит окрашенным в охристые или красно-бурые тона.

В большинстве своем сидеритовые конкреции и конкреционные тела образовывались в глеевой (т.е. без H₂S) обстановке. Такая обстановка создается обилием ОВ, захороненного в глинистых или кремнистых илах.

Магнезиты

Магнезиты – породы с кристаллически-зернистыми структурами, образованные агрегатами одноименного минерала MgCO₃. В большинстве своем они имеют постседиментационный генезис. В частности, магнезиты рифейского возраста Южно-Уральского месторождения Сатка и других подобных объектов возникли за счет преобразования доломитов при позднем катагенезе. Допускают возможность седиментогенного формирования рифейских и палеозойских магнезитов в особых условиях сверхаридного климата.

Манганолиты

Карбонаты марганца – родохрозиты МnСO₃, часто кальциевые родохрозиты (МnСа)СО₃, олигониты (MnFe)CO₃ и манганокальциты (кутнагориты) (СаМn)СО₃ – бесцветные или розоватые, часто с черными дендритами и пятнами окислов марганца, пелитоморфные землистые и сферолитовые, оолитовые и пизолитовые, слагают пласты мощностью обычно менее 1 м или до 2—3 м. Залегают среди кремневых, например спонголитовых, пород и с приближением к берегу сменяющиеся окисными манганолитами.

Мергели

Мергели – смешанные карбонатно-глинистые и глинисто-карбонатные породы – развиты широко. К мергелям относят смеси, содержащие карбонатного вещества (известкового либо доломитового) от 75 до 25%.

Практическое значение

Все карбонатные породы – полезные ископаемые.

Известняки – удобрение, стройматериалы, сырье для производства извести, цемента, флюс в металлургии, литографский камень в печатном деле, писчий мел; широко применяются в сахарной, химической, текстильной, бумажной, кожевенной, парфюмерной и другой промышленности.

Доломиты во многом применяются там же, где и известняки, но служат также и для получения магния, огнеупоров, в том числе и огнеупорной одежды.

Сидериты – железная руда, утяжелитель для приготовления буровых глиняных растворов.

Магнезиты – сырье для получения магния и огнеупоров.

Родохрозиты – основная руда на марганец.

Вопросы для самопроверки.

1. Каковы структурные типы доломитов?
2. Каковы основные гипотезы происхождения доломитов?
3. Как сказывается доломитизация на пористости пород?
4. Каковы основные минералы сидеритов?
5. Каково происхождение сидеритов?
6. Каково происхождение магнезитов?
7. Каковы основные минералы манганолитов?
8. Какие породы относятся к мергелям?
9. Каково практическое значение карбонатных пород?