СТАДИЯ КАТАГЕНЕЗА И МЕТАГЕНЕЗА
СТАДИЯ КАТАГЕНЕЗА
Изменение осадочных пород в стратисфере называют катагенезом. Процессы изменения осадочных пород в стратисфере происходят при повышенных температуре и давлении в присутствии подземных вод и грунтовых растворов.
Катагенез в отличие от диагенеза по своей природе процесс неорганический (физико-механический и физико-химический). Живое вещество, и в частности бактерии, являющиеся одним из факторов преобразования осадков при диагенезе, во время катагенеза не играют существенной роли.
В стадию катагенеза происходят уплотнение пород и различные процессы минералообразования: коррозия и растворение, регенерация, образование новых минералов из растворов или путем метасоматического замещения, дальнейшее изменение обломочных зерен, перекристаллизация и т. п.
Наиболее распространенными минералами стадии катагенеза являются: сульфиды железа и тяжелых металлов; окислы; сульфаты; карбонаты; силикаты. Характерная черта многих минералов катагенеза – их значительные размеры (медленная и длительная кристаллизация). Это обычно зерна и зернистые агрегаты, иногда кристаллы, имеющие правильную форму.
Ряд минералов образуется по обломочным зернам, приурочен к ним и представлен кристалликами идеально правильной формы (минералы двуокиси титана и некоторые другие по цветным слюдам).
Некоторые минералы образуют каемки нарастания на обломочных зернах, облекают их, выполняют поры, капиллярные трещины, трещины отдельностей, пустоты и образуют конкреции и секреции.
Процессы уплотнения. Давление вышележащих толщ по-разному действует на глинистые и зернистые, сцементированные и несцементированные породы.
Глинистые породы, насыщенные водой, воспринимают нагрузку на твердые частицы – скелет и заключенную в порах воду. Под воздействием нагрузки вода медленно вытесняется из пор и частицы сближаются между собой. Постепенно давление на твердые частицы увеличивается и при полном отжиме воды полностью воспринимается ими. Этот процесс начинается еще во время диагенеза, но благодаря небольшой мощности покрывающих осадков проявляется в самом зачаточном виде.
До определенного предела процесс этот является обратимым: снятие нагрузки (при возможности фильтрации воды) приводит к увеличению пористости и влажности. После отжима гравитационной воды в породе сохраняется пленочная и гигроскопическая вода, прочно удерживаемая поверхностью частиц. Удаление этой воды происходит при значительно большем давлении.
Глинистые частицы имеют чешуйчатую или листоватую форму и под давлением ориентируются параллельно наиболее развитой поверхности, вследствие чего могут плотно прилегать друг к другу, образуя агрегаты с ничтожной пористостью. Глинистые и слюдистые частицы обладают также способностью к пластическим деформациям. Это очень хорошо проявляется в смешанных песчано-глинистых породах – деформации глинистых и слюдистых минералов между жесткими кварцевыми песчинками.
В зернистых породах (песчано-алевритовых и др.) под давлением происходит уменьшение пористости благодаря смещению частиц. Пески под давлением стремятся уложиться по тетраэдру, занять минимальный объем. Параллельно с уменьшением пористости происходит удаление из пор воды. Давление нагрузки вышележащих толщ в зернистых породах с самого начала полностью воспринимается твердыми частицами – скелетом. При высоком давлении дальнейшее уменьшение пористости возможно за счет раздробления зерен.
В зависимости от формы и размеров поверхностей соприкосновения давление на контакте зерен может возрастать в десятки раз по сравнению с исходным. Высокое давление на контакте зерен при наличии растворов способствует растворению и внедрению их друг в друга. Это явление получило название гравитационной коррозии. Растворенное вещество осаждается на поверхности частиц, образуя регенерационные каемки и заполняя поры. Таким путем происходят конформация (приспособление поверхности зерен друг к другу – механическое и химическое с растворением), инкорпорация (внедрение одного зерна в другое) и образование микростилолитовых швов и микростилолитового сочленения зерен.
Растворению подвергается кварц, обломки эффузивов, вулканического стекла, различных кремнистых пород и др.
В сцементированных породах давление передается на контакты зерен и цемент. Значительное уплотнение за счет уменьшения пористости здесь невозможно или происходит в весьма ограниченной степени (когда не все поры заполнены цементом).
В зернистых породах с цементом из галита, гипса, кальцита цементирующее вещество, благодаря пластичности, течет в твердом состоянии, заполняя пустые поры. Аналогичное явление возможно в породах с глинистым цементом. В породах с кварцевым цементом уплотнение не наблюдается.
Физико-механические процессы приводят к уплотнению горных пород – увеличению объемного веса и уменьшению пористости; одновременно уменьшается содержание воды и изменяется отношение пород к воде. Однако высокий объемный вес и малая пористость не всегда следствие одного уплотнения, а могут быть результатом полной цементации.
Процессы уплотнения всех остальных пород происходят аналогично уплотнению глинистых либо зернистых пород, рыхлых или сцементированных.
Превращение торфа и сапропеля в ископаемый уголь сопровождается очень большим уплотнением. Однако это уплотнение можно рассматривать как механический процесс только на начальной стадии. Дальнейшее уплотнение сопровождается дегидратацией молекул органических соединений, отщеплением боковых цепей и удалением летучих компонентов (процесс физико-химический).
Таким образом, процесс уплотнения осадочных пород начинается как физико-механический и заканчивается как физико-химический. В одних случаях глинистые и зернистые породы уплотняются как породы несцементированные, в других – как сцементированные. Возможны и такие условия, когда в начальной стадии они уплотняются как породы несцементированные, а в конечной – как сцементированные. Уплотнение может замедляться и полностью приостанавливаться.
Процессы минералообразования. Характер процессов минералообразования определяется термодинамическими условиями, составом пород и составом подземных вод.
В стадию катагенеза при повышенной температуре и давлении в присутствии щелочных растворов происходят химические и физико-химические реакции: растворение неустойчивых минералов – пироксенов и амфиболов, основных плагиоклазов. Затем начинается растворение кварца и кремнистых пород. Растворение сопровождается регенерацией здесь же или растворенное вещество выносится в соседние пласты. Одновременно происходит гидрослюдизация слюд и кислых плагиоклазов с образованием гидрослюд, смешанно-слойных минералов и далее монтмориллонита. Взаимодействие поровых растворов с кальцитом приводит к образованию карбонатов кальция, магния и железа. Местами наблюдается массовое осаждение карбонатов в порах и по трещинам. В кислых условиях среды образуется каолинит в глинистых породах и в цементе зернистых, корродируются и растворяются карбонаты и фосфаты. Все эти процессы еще напоминают процессы диагенеза (отчасти выветривания) или являются их естественным продолжением.
При высоком давлении (1000-2000 атм) и более высокой температуре (100-200°С) в присутствии щелочных растворов значительно большей концентрации (уплотнение почти закончено, зерна максимально сближены) наблюдаются более интенсивные изменения: массовое растворение обломочных зерен кварца и полевых шпатов с выносом кремнезема в поры и смежные участки Начинается интенсивная гидрослюдизация и хлоритизация глинистых минералов, перекристаллизация пелитоморфных и микрозернистых карбонатов (седиментогенных и диагенетических) – образование зернистых карбонатов.
В стадии катагенеза можно выделить два этапа: начальный, или ранний, и глубинный, или поздний, катагенез.
Начальный этап характеризуется наличием в глинистых и цементе зернистых пород неизменного глинистого вещества, унаследованного от стадии диагенеза или образовавшегося уже при катагенезе, широким развитием процессов внутрислоевого растворения неустойчивых минералов, коррозией кварца и полевых шпатов и образованием различных карбонатов. Текстуры и структуры осадочных пород заметно не изменяются. В зависимости от продолжительности этапа глубина зоны раннего катагенеза изменяется от 1000 до 5000 м. Процессы минералообразования на раннем этапе протекают при повышенных, но все же невысоких давлении и температуре (давление до 1000 атм, температура до 100-120°С). Дальнейшее повышение давления приводит к максимальному сближению зерен, их раздроблению и массовому растворению.
Поздний катагенез характеризуется массовым растворением под давлением обломочных зерен кварца, полевых шпатов, обломков горных пород (с регенерацией и микростилолитизацией), интенсивной гидрослюдизацией и хлоритизацией глинистого вещества, перекристаллизацией карбонатов и т. п. Пористость пород сильно уменьшается – до 3-5%. Текстуры осадочных пород сохраняются, структуры испытывают заметные изменения: появляются конформные, регенерационные структуры, стилолитовые, структуры перекристаллизации в известняках, ориентированные структуры в глинистых породах.
В результате этих изменений глины переходят в аргиллиты, не размокающие в воде, пески и рыхлые песчаники в плотные и крепкие песчаники, ракушечники в плотные известняки, происходит перекристаллизация мела, мергелей и известняков. Каменные угли переходят в спекающиеся (коксовые и паровично-спекающиеся). Поздний катагенез осуществляется при температуре до 200°С и давлении до 2000 атм.
Процессы начального катагенеза осуществляются сходно в геосинклиналях и на платформе (зона неизмененного глинистого цемента), поздний катагенез в геосинклиналях несколько отличается от аналогичного процесса на платформах благодаря большей мощности осадков и некоторому влиянию стресса.
СТАДИЯ МЕТАГЕНЕЗА
Глубокие изменения осадочных пород, происходящие в нижних частях стратисферы, по своему характеру близкие начальным стадиям регионального метаморфизма называются метагенезом.
Метагенез происходит в геосинклиналях при мощности осадочной толщи свыше 7000-8000 м, давлении 2000-3000 атм, температуре 200-300° С и наличии минерализованных растворов. Процессы метагенеза, проявляются и на платформе в осадочных породах докембрия, где минералообразование шло при более низких температурах и давлении, но многие сотни миллионов лет.
Метагенез по своей природе процесс физико-химический. Уплотнение в метагенезе не играет существенной роли. Однако движение масс при складчатости вызывает появление тонкой трещиноватости – многочисленных поверхностей кливажа скольжения, создавая этим новые пути для миграции растворов.
В зоне метагенеза широко развиты процессы растворения и регенерации, перекристаллизации, реакции взаимодействия растворов и минералов породы с привносом и выносом вещества (метасоматоз).
В стадию метагенеза образуются: окислы; карбонаты; силикаты.
Ряд минералов возникает в виде каемок регенерации на обломочных зернах – циркон, турмалин, эпидот, цоизит, клиноцоизит, титанит. Некоторые из них образуют отдельные кристаллы и скопления – турмалин, эпидот, сфен.
В стадию метагенеза широко развиты процессы направленной коррозии, кристаллизации и перекристаллизации под воздействием стресса.
В результате метагенетических изменений глинистые породы превращаются в глинистые, аспидные, филлитоподобные сланцы, зернистые породы – в песчаники-кварциты, кварцито-песчаники и кварциты, известняки – в мраморизованные известняки, ископаемые угли – в тощие угли и антрациты.
Метагенез представляет собой глубокие структурно-минералогические преобразования пород в новых условиях их существования – в нижней части стратисферы. Степень и характер преобразований определяются составом пород и растворов, глубиной погружения и интенсивностью орогенических движений (интенсивностью стресса).
В стадии метагенеза можно наметить два этапа.
Первый этап – ранний или начальный, происходящий на глубинах свыше 7000-8000 м при температуре 200-300° С и давлении 2000-3000 атм. Для него характерно развитие кварцитовидных песчаников, глинистых сланцев, частично перекристаллизованных известняков, тощих каменных углей и антрацитов. Наблюдается интенсивная гидрослюдизация и хлоритизация глинистых минералов. Однако еще сохраняются реликты обломочного биотита, текстуры осадочных пород, структуры перестраиваются, пористость пород невысокая – 2-4%. Появляется кливаж течения (ориентировка чешуйчатых минералов перпендикулярно давлению стресса) и кливаж разрыва.
Второй этап – поздний, или глубинный, метагенез, происходит на глубинах свыше 9 000-10000 м при температуре 300° С и выше и давлении 3000 атм и более. Для него характерны кварцито-песчаники и кварциты, аспидные и филлитоподобные сланцы, мраморизованные известняки, антрациты и графитизированные антрациты. В породах появляется гидрослюда, близкая к серициту, серицит, иногда мусковит; обломочный биотит переходит в пакеты хлорита и мусковита. Появляются структуры, характерные для метаморфических пород – сланцеватые, линзовидно-сегрегационные, полосчатые, шиловидные, стилолитовые. Интенсивно проявляется направленная коррозия и кристаллизация под воздействием стресса, кливаж течения и кливаж разрыва. Пористость пород 1-2%.
