Экспериментальное моделирование процесса осадконакопления

Введение. Главные типы экспериментальных фильтратов выветривания и их геохимические особенности. Сравнительное изучение фильтратов, полученных в лаборатории при выветривании кристаллических пород, позволяет сделать следующие выводы (табл. 110 и 111):

1. Постоянный вынос кремнезема и катионов оснований при всех типах выветривания обусловливает обязательное присутствие в фильтратах выветривания кремнезема, щелочей и щелочных земель.

2. Наоборот, полуторные окислы выносились только в очень специфических экспериментальных условиях разложения; фильтраты выветривания в таких случаях содержали их в больших количествах. Во всех остальных случаях полуторные окислы в фильтратах полностью отсутствовали.

Согласно геохимическому распределению SiO2 — R2O3 — основания, в подвижной жидкой фазе экспериментального выветривания можно выделить три крупные группы фильтратов.

1. Фильтраты, полученные при выветривании под действием чистой воды. Они характеризуются полным отсутствием железа и таких типичных для геохимии экзогенных процессов анионов, как CO2, NO2, SO3, Cl и др. По этой причине подобные фильтраты состоят почти исключительно из кремнезема и катионов оснований. Что касается соотношения этих двух групп соединений, то здесь существует отчетливо выраженное генетическое неравновесие между SiO2 и основаниями. Главную роль всегда играет кремнезем, тогда как роль магния и кальция можно считать второстепенной. Поэтому отношения SiO2/MgO и SiO2/Mg+CaO в фильтратах рассматриваемой группы всегда высокие (табл. 142).

2. Ко второй группе относятся углекислые и сероводородные фильтраты. Важно отметить присутствие в растворе ионов закисного железа (FeII), анионов (CO2 — SO3 или S). В этих условиях гораздо интенсивнее выносится магнии и кальции и отношения SiO2/MgO и SiO2/Mg+CaO гораздо ниже, чем в фильтратах первой группы (табл. 142). В данном случае ведущую роль играют кальций, магний и частично закисное железо.

3. К третьей группе можно отнести фильтраты уксусного выветривания, которые характеризуются присутствием полуторных окислов и анионов органической кислоты. Здесь мы имеем дело с кислым фильтратом, где алюминий и железо играют ведущую роль, в то время как другие соединения, такие, как кремнезем и основания, являются второстепенными.

Итак, очевидно, что экспериментальное выветривание кристаллических пород во всех без исключения случаях приводит к образованию фильтратов, которые содержат кремнезем и катионы оснований. Однако в зависимости от типа процесса главную роль в дренажных водах играет какая-либо одна из трех групп соединений. Это позволяет выделить три экспериментальных геохимических типа фильтратов выветривания кристаллических пород (табл. 143):

- кремнийсодержащие воды, где ведущий компонент представлен кремнеземом;

- кальциево-магнезиальные воды, также содержащие большое количество кремнезема, над которым, однако, количественно преобладают кальций и магний;

- алюможелезистые воды, очень кислые, характеризующиеся содержанием в растворе значительного количества полуторных окислов.

Как показали исследования, из этих трех типов фильтратов образовались три совершенно различных типа экспериментальных осадков (табл. 143):

- кремнистые образования;

- новообразованные глинистые компоненты;

- образования кислого типа накопления:

Образования кислого типа накопления. Коллоидная взвесь уксусного фильтрата. По-видимому, лучше начать с рассмотрения этого особого случая, хотя в ходе эксперимента были получены недостаточно полные данные, поскольку он длился только шесть дней.

Полученные результаты позволяют сделать следующие замечания:

1. Соединения, вынесенные из породы в форме солей органических кислот, накапливаются в колбе-приемнике уже в сильно уксуснокислой среде. Фильтрат уксуснокислого типа быстро приобретает свойства буферного раствора. Постепенно, по мере привноса различных катионов, pH фильтрата в колбе быстро повышается до величины 4,8, а затем стабилизируется; это значение соответствует pH уксусной кислоты. Таким образом, в этом случае мы имеем дело с кислой средой накопления вынесенных соединений, характеризующейся постоянной величиной pH 4,8.

2. Соли уксусной кислоты — уксуснокислый алюминий и железо — малоустойчивы в растворе; обычно они гидролизуются (особенно, если температура среды повышается) и выпадают в осадок в форме гидроокислов. Такой процесс оформления гидроокислов начинается в массе коллоидной хлопьевидной взвеси (фиг. 37, кривая I). Следует отметить, что в фильтрате этого опыта не наблюдалось никакой взаимосвязи между кремнеземом, который присутствовал в достаточно большом количестве (например, отношение SiO2/Al2O3 = 2,1), и гидроокислами, которые слагали хлопьевидную взвесь. По данным Сиффера, главным препятствием на пути возникновения новообразованных силикатов является сильная кислотность фильтрата. Поэтому вполне естественно, что в таких условиях в среде накопления были получены главным образом свободные гидраты полуторных окислов с некоторой примесью кремния.

К вопросу о генезисе осадочных гидроокислов железа. Для образования осадочных гидроокислов путем их химического осаждения требуется транспортировка большого количества окисного железа или алюминия во время выветривания пород, а также стабильность этих соединений в растворах на путях их переноса на значительные расстояния. Что же происходит в действительности в экзогенных условиях земной поверхности?

В очень небольшом масштабе перемещение полуторных окислов в растворе осуществляется в тех случаях, когда воды, вызывающие разложение, подкислены вулканическими эманациями. Полуторные окислы транспортируются в форме минеральных солей (сульфатов, хлоридов), устойчивых и малочувствительных к окислительно-восстановительным условиям, которые повсеместно встречаются на поверхности Земли. В качестве примера можно привести воды некоторых японских рек, которые у самых истоков подкисляются серными эманациями и в которых железо проявляет постоянную значительную миграционную способность в течение всего года (табл. 144; составлена по данным Кобаяси [148]).

Во всех остальных случаях, т. е. когда выветривание определяется климатическими и биоклиматическими факторами, транспортировки полуторных окислов в растворах не происходит. Известно, что интенсивная миграция, наблюдающаяся в самых поверхностных горизонтах, не может быть продолжительной из-за (недолговечности) органических соединений, которые обычно служат переносчиками. Вот почему происходит очень интенсивная аккумуляция гидроокислов в иллювиальном горизонте нормальных подзолов. Иногда подобные накопления полностью отсутствуют, но такие почвы встречаются очень редко (подзол Ранкера, гумусовые подзолы, выделенные Обером). Изучение состава речных вод северных широт, который является лучшим показателем выноса при выветривании, также подтверждает это предположение, поскольку чаще всего алюминий в воде отсутствует. Что касается железа, природные кислотные комплексы которого более устойчивы, то в таких же условиях оно может переноситься по водопроницаемым горизонтам достаточно далеко и достигать бассейнов накопления. Например, в Финляндии и даже в Ландах во Франции, в районах развития подзолов, известны кислые озера, где в настоящее время осаждаются гидраты окиси железа в ассоциации с некоторым количеством кремнезема и органического вещества. Все это позволяет предположить, что возникновение более или менее чистых осадочных гидроокислов железа является следствием преобразования подзолового типа, происходящего в поверхностных условиях, особенно если в этом процессе принимают участие относительно устойчивые органические соединения.

Будущие геохимические исследования непременно должны коснуться этого вопроса, так как, вероятно, существует тесная связь между такими поверхностными процессами и генезисом некоторых месторождений железа, в частности полосчатых руд, характерных для отложений докембрия.

Кремнистые образования. Экспериментальный кремневый гель. Экспериментальное выветривание с чистой водой независимо от термогидрологических условий опытов и состава исходных пород всегда приводило к появлению упаренных фильтратов одного и того же типа и состава.

В целом фильтраты всегда были обогащены кремнеземом по сравнению с исходной кристаллической породой, причем обогащение было тем большим, чем меньше кремнезема первоначально содержала эта порода (базальт), хотя в абсолютных количествах самым кремнистым был фильтрат, полученный при выветривании гранита (76,6%). Кроме того, для фильтратов характерно полное отсутствие железа и наличие некоторого количества алюминия, что обусловлено выносом этого элемента при относительно высокой температуре и интенсивном дренаже. И наконец, в состав фильтратов всегда входили катионы оснований, особенно щелочи.

Эти фильтраты представляют собой белую опалесцирующую отчетливо щелочную (pH да 9) жидкость. Рентгеновское изучение подтвердило аморфный характер взвеси, а под электронным микроскопом была обнаружена ее глобулярная структура (фото 18). Ни в одном опыте, независимо от его длительности, не наблюдалось самопроизвольного зарождения кристаллической взвеси. С помощью длительного отстаивания и центрифугирования удалось разделить фильтрат и уточнить химический состав каждой из его фаз — коллоидной и жидкой. В качестве примера можно привести состав коллоидной фазы фильтрата выветривания лавы из Вольвика в основном эксперименте с чистой водой (табл. 145).

Таким образом, кремнезем и алюминий концентрируются во взвешенной фазе, тогда как основная часть кальция, калия и натрия остается в растворе. Следовательно, здесь мы имеем дело с настоящим кремневым или алюмо-кремневым гелем, возникающим постепенно в результате полимеризации вынесенного мономолекулярного кремнезема. Такая полимеризация начинается в тот момент, когда концентрация превысит содержание, обеспечивающее реакцию равновесия:

По данным Краускопфа, при температуре около 100°C равновесие полимеризация — деполимеризация устанавливается при концентрации кремнезема, равной примерно 350 мг/л. Именно такие условия существуют в колбе-приемнике экстрактора «Сокслет», когда испарение достигает максимума (объем раствора 200 см3), а содержание в растворе кремнезема равно 70 мг. Так, например, в опыте с трахиандезитом, когда вынос SiO2 составлял 14,5 мг в день, полимеризация должна была теоретически начаться на 5-й день, что в действительности и наблюдалось.

Таким образом, фильтраты выветривания обнаруживают значительный избыток SiO2 по сравнению с другими элементами. Эксперимент показал, что в процессе упаривания и повышения концентрации SiO2 кремнезем блокирует все процессы формирования новообразований в фильтрате. В результате происходит только полимеризация (образование коллоидной взвеси) кремнезема при «бездеятельности» всех других катионов, содержащихся в фильтрате. В этих условиях возникает почти чистый кремневый гель, который легко осаждается на дне колбы-приемника.

Использование полученных данных в седиментологии. Как известно, в условиях земной поверхности при некоторых процессах выветривания кристаллических пород и в особенности при их латеритизации происходит обычно более интенсивный вынос кремнезема, чем других элементов. Последующее поведение свободного SiO2 зависит от его концентрации в различных обстановках литосферы, которая определяется главным образом гидродинамическими условиями. Некоторая часть извлеченного при выветривании кремнезема в одних случаях выпадает из раствора очень близко от поверхностных горизонтов (аллофан в почвах на вулканических лавах), тогда как в других выпадение ее происходит гораздо глубже (пеликаниты на гранитах Украины, фарфоровидные глины Нигера). Однако окончательным этапом миграции всегда были бассейны накопления. Так, например, в пределах тропической зоны известны осадочные накопления бессточных впадин, где обломочные осадки окружены опаловыми диатомовыми образованиями (формация Сножель в бассейне озера Чад и реки Нигер). Гораздо труднее проследить, что происходит с кремнеземом, когда он достигает океана. Известно, что он мгновенно рассеивается, так как среднее содержание SiO2 в морской воде составляет всего около 2 ч. на млн.. Поэтому необходимо более детально изучать осадки бессточных бассейнов тропической области, особенно образовавшиеся за счет размыва кристаллических и вулканогенных пород. В этом отношении очень интересно озеро Рудольф в Восточной Африке, которое расположено в пределах зоны бурых тропических почв. Здесь по коллекторам происходит транспортировка заметного количества кремнезема (20—30 мг/л). Содержание растворенных компонентов в водах озера, собранных в центральной части залива Фергюссона, приведено в табл. 146.

Хорошо видно, что среда накопления в этих условиях, так же как и в лабораторных, была отчетливо щелочной, а содержание растворимого или псевдорастворимого кремнезема было очень высоким. Можно предположить, что в результате должна была происходить постоянная полимеризация кремнезема с накоплением осадка на дне озера. К сожалению, донные осадки этого водоема до сих пор не изучены.

Аррениус во время океанографических исследований в экваториальной зоне восточной части Тихого океана обнаружил рыхлый осадок кремнистого состава, нацело лишенный радиолярий и диатомей. Это позволило выделить новый тип морских осадков — коллоидный кремневый ил, который напоминает гель, полученный экспериментально при полимеризации кремнезема по мере его накопления в колбе-приемнике.

Что касается перехода со временем этих кремневых гелей в кристаллические кремнистые образования, то такой переход, по данным Милло, зависит от количества катионов, присутствующих в первичном геле. Так, гель может преобразоваться в опал в среде, содержащей примеси (чужеродные катионы в достаточном количестве), в халцедон — в более стерильной среде и, наконец, в кварц — в очень чистой среде кристаллизации.

«Глинистые новообразованные осадки». Экспериментальные парагенезы. Опыты в присутствии CO2 и H2S дали фильтраты одного и того же типа, состав которых не зависел от состава исходной породы. В таких фильтратах самопроизвольно возникли новообразованные (аутигенные) глинистые минералы (табл. 147).

Новообразованные глинистые минералы. Как показали исследования, новообразованные глинистые минералы всегда были триоктаэдрическими по структуре и железо-магнезиальными по составу. Другими словами, фильтраты, полученные в результате углекислого и сероводородного выветривания, содержали заметное количество кремнезема и отличались от растворов гидролизного выветривания высоким содержанием Mg и Ca и в особенности присутствием довольно значительного количества закисного железа.

По этой причине отношение SiO2 /триоктаэдрические структурные катионы (Mg — FeII), которое для фильтрата основного опыта (чистая вода — гранит) составляло 51,0, снизилось до 7,5 в опыте с CO2 и до 6,1 в присутствии H2S (табл. 148). Таким образом, создавались условия, близкие к равновесным, что благоприятствовало формированию аутигенных глинистых минералов.

Напротив, в опыте с чистой водой в раствор поступало гораздо меньше MgO по сравнению с одновременно выносившимся кремнеземом. Однако при искусственном введении в фильтрат магния в форме ацетата возникали такие же глинистые минералы, как и в опытах с CO2 и H2S (табл. 149).

Полученные данные позволяют сделать следующие выводы:

1. Триоктаэдрические Mg- или FeII — Mg-глинистые минералы свободно формируются в водной среде при условии, что отношение SiO2/(Mg — Fe)O в растворах выветривания близко к равновесному. В случае избытка SiO2 в фильтрате такие процессы идти не могут; образуется аморфный кремневый гель.

2. Новообразованные глинистые минералы всегда относятся к типу разбухающих трехслойных минералов, что отлично совпадает с данными других экспериментов, где синтезируемые при pH > 8 глинистые минералы характеризовались разбухающей структурой 2:1 независимо от содержания алюминия в среде.

3. Триоктаэдрические железо-магнезиальные глинистые минералы могут быть получены только в неаэрируемых водах выветривания (восстановительная или инертная среда), тогда как образование магнезиальных глинистых минералов не зависит от степени аэрации среды при соблюдении всех остальных условий.

Соединения кальция. Интенсивный вынос магния и закисного железа всегда сопровождался заметным повышением выноса кальция. Ho поскольку Ca не участвовал в построении структур глинистых минералов, он в этих условиях давал самостоятельные кристаллические несиликатные соединения.

В опыте с CO2 были непосредственно получены карбонаты кальцитового, реже арагонитового состава. В этих случаях наблюдался парагенез железо-магнезиальных глинистых минералов и карбоната кальция. В опыте с H2S наряду с глинистыми минералами происходила кристаллизация сульфатов за счет испарения фильтрата на воздухе и окисления первоначально выпавших сульфидов. В результате была получена смесь гипса, полугидрата и ангидрита, содержащая некоторое количество свободной серы. Таким образом, образование сульфатов кальция было результатом диагенеза в окислительной среде.

Выводы. Осадочное новообразование может происходить самопроизвольно в водах выветривания при условии, что они в достаточной мере обогащены магнием и кальцием или магнием, двухвалентным железом и кальцием по сравнению с кремнеземом. Магний и железо объединяются при построении решеток глинистых силикатов, тогда как кальций одновременно образует различные кристаллические соли. Таким образом, ассоциация глинистые минералы (Fe — Mg) — соединения кальция представляет собой истинный минералогический парагенез, который может быть первичным (глинистые минералы — кальцит) или вторичным (глинистые минералы — гипс).

Следовательно, можно считать, что в процессах экспериментального новообразования глинистых силикатов ведущую роль играет магний, что подтверждает ранее высказанное предположение Милло, основанное на данных изучения происхождения глинистых пород.

Сопоставление экспериментальных и природных данных. Магнезиальные разбухающие глинистые минералы были получены автором косвенным путем (в присутствии хлористого натрия как катализатора) при добавлении Mg в упаренный кремнийсодержащий фильтрат. Если пользоваться литологической терминологией, то можно сказать, что эти глинистые минералы возникали в среде с соленостью 36% при концентрации магния 5%. Эти минералы вполне сопоставимы с теми, которые характеризуют бессточные эвапоритовые водоемы, встречающиеся в природе (табл. 150, по данным Кларка).

В озерах подобного типа описано формирование аутигенных магнезиальных глинистых минералов (озера Трансвааля в Южной Африке, озера центральной Австралии, залив Кара-Богаз-Гол). Кроме того, парагенезис глинистые разбухающие минералы — карбонаты, полученный в опыте с CO2, характерен для ряда хороню известных карбонатных формаций. Нередко такая ассоциация встречается в сочетании с глинистыми минералами, богатыми железом (например, зеленые пласты бассейна Лоррэн).

И наконец, парагенезис разбухающие глинистые минералы — гипс — сера, полученный в опыте с H2S, напоминает новообразования в современных осадках (озера-такыры, описанные Ратеевым, озеро Эйр в Австралии, изученное Бонитоном). Кроме того, такой парагенезис можно встретить в некоторых древних осадочных толщах, например в гипсоносных горизонтах триаса или в гипсоносных глинах олигоцена Франции.

Таким образом, минеральные новообразования, полученные экспериментально, и образования, которые возникли в природных условиях, имеют ряд общих черт.