25.04.2018

Общие сведения об известняках


Известняками называются породы, содержащие свыше 50% карбонатных минералов, большая часть которых представлена кальцитом или арагонитом. Встречаются известняки белого, темно-серого, желтого, голубого и иногда черного цвета. Серую окраску известнякам придает небольшая примесь глинистого материала или органического вещества, зеленоватую — примесь глинистых минералов, глауконита или тонкодисперсных минералов закисного железа, красноватую или буроватую — присутствие минералов окисного железа. Как утверждал Рухин, крупнозернистые известняки обычно характеризуются более светлыми окрасками (связанные с сильно окислительными обстановками), чем мелкозернистые разновидности (цвет которых часто свидетельствует о более глубоководных условиях, возможно восстановительных обстановках раннего диагенеза). Примеси в известняках представлены рядом магнезиальных карбонатов, доломитом, кремнеземом, глауконитом, гипсом, флюоритом, сидеритом, сульфидами, окислами железа и марганца, фосфатами, глинистыми минералами и органическим веществом.

Породы, содержащие немного менее 50% СaCO3, называются известковыми песчаниками, известковыми глинистыми сланцами и т. д. Карбонатная составляющая таких пород часто подвергается дифференциальному выветриванию, так что по внешнему облику они становятся похожими на известняки); нерастворимые компоненты — кварцевые зерна и другие минералы, обычно незаметные в породе, легко обнаруживаются на выветрелых поверхностях. В некоторых известковых эоланитах, содержащих менее 30% СaCO3, развиты признаки карста и другие особенности известняков.
Доломитами называются такие породы, которые сложены в основном минералом доломитом [CaMg (GO3)2]. Этот минерал в чистом виде содержит 45,7% вес. MgCO3 и 54,3 вес. % СaСO3 (или 47,8% CO2, 21,8% MgO и 30,4% CaO) (фиг. 1). В качестве примесей в доломитовых породах присутствуют гипс, ангидрит, сульфиды железа, целестин, опал, халцедон, окислы железа, магнезит, флюорит и органическое вещество. Внешне доломиты очень похожи на известняки и поэтому их очень трудно различить на глаз. (Доломитовую породу некоторые авторы называют «долостоуном»; авторы настоящей главы признают целесообразным применение такого названия. Однако этот термин применяется не повсеместно, так как из контекста обычно бывает ясно, идет ли речь о минерале или о породе.)

Большей частью осадочные карбонатные породы представляют собой осадки морских обстановок, среди которых первое место занимают неритовые обстановки паралиагеосинклиналей и автогеосинклиналей. Kpомe того, углекислый кальций отлагается в глубоководных средах и образует коралловые постройки в абиссальных глубинах; однако эти скопления извести невелики по сравнению с объемом осадков карбоната кальция на банках, платформах и шельфах. Нет почти никаких сведений, которые позволяли бы предполагать широкое развитие глубоководных карбонатов в домеловое время. Данные, взятые Воганом более 40 лет назад из сообщений экспедиции на «Челленджере» о современных глубоководных осадках, свидетельствуют о том, что в них содержится в среднем 32,2% карбоната кальция, который присутствует большей частью в виде раковин глобигерин и птеропод, а также в виде кораллового ила и песка. Как отмечал Твенхофел: «Эта концентрация (извести) в глубоководных осадках должна быть уравновешена осадкообразованием в других участках; возможно, это осуществляется за счет дефицита извести в осадках континентальных и дельтовых обстановок». Вероятно, глубоководные осадки палеозоя и докембрия были бедны CaСO3, так как известь выделяющие планктонные организмы были редки или не существовали.
Н.М. Страхов и другие указывают, что эволюция карбонатного осадконакопления во многих отношениях отличается от эволюции других образований, например железных руд (фиг. 2). Так как карбонатные породы, по Н.М. Страхову, встречаются преимущественно на платформах, а не в ортогеосинклиналях, а с течением времени мелководные платформенные участки разрастались за счет более глубоких геосинклиналых зон, накопление карбонатов становилось все более мощным в течение последних геологических периодов. Однако остается неясным, изменилась ли и в какой степени за это время скорость карбонатонакопления. Во все более древних докембрийских толщах количество карбонатных пород уменьшается, однако следует учитывать, что сохранившиеся породы представляют собой более глубокие геосинклинальные фации, тогда как осадки соответствующих неритовых фаций могли наиболее легко подвергнуться эрозии. В течение геологической истории возникали эпохи существования обширных эпиконтинентальных морей, благоприятных для накопления неритовых карбонатных осадков (например, ордовик, мел), и эпохи общей регрессии морей, неблагоприятные для образования карбонатов (например, некоторые периоды верхнекаменноугольного времени, триас). В тех докембрийских карбонатных породах, осадочные черты которых не были затушеваны интенсивным метаморфизмом, очень часто встречаются признаки жизнедеятельности известковых водорослей (например, Collenia и др.). Даже в тех случаях, когда карбонаты полностью замещены кремнеземом, в них все еще можно распознать реликты известковых водорослей; никакие гидротермальные процессы не могли бы воспроизвести характерные формы роста этих водорослей в виде «цветной капусты». Некоторые докембрийские мраморы включают графит, который, возможно, свидетельствует об органической жизни в первичном осадке.

Высокое отношение Mg/Ca и более низкий pH в водах докембрийского моря, возможно, препятствовали образованию твердых защитных и скелетных построек в организмах или сильно задерживали их образование. Поэтому карбонатные породы докембрия, очевидно, обязаны своим происхождением не организмам, выделяющим раковины, а биохимическому регулированию pH вод в лагунах водорослями и непосредственному химическому осаждению карбонатов из морских вод. Водоросли становятся одними из главных известьвыделяющих организмов еще в раннем докембрии (так, известковые водоросли встречаются в самых древних докембрийских породах Родезии); однако только в кембрии карбонаты стали извлекаться животными организмами в больших количествах. Поэтому химическое или биогеохимическое осаждение карбонатов со временем было подавлено биогенным накоплением этих осадков.

Скопления карбонатов в современных морях возникают в результате механических, органических, химических и других неорганических процессов; широко развитые скопления чистых и относительно чистых известняков, особенно их тонкозернистых разновидностей, представляют средне или весьма мелководные морские обстановки. Некоторые из этих осадков образовались только химическим путем, другие — при участии физико-химических биогенных процессов. Ракушняки, сложенные твердыми частями организмов, образуются в настоящее время и слагают наиболее мощные и распространенные карбонатные органогенно-обломочные толщи. Доломиты, доломитовые известняки и высокомагнезиальные карбонаты не образуют мощных осадочных толщ в современных морях; немногие проявления этих карбонатов, описанные Олдерманом и Скиннером, Сэбинсом, Скиннером и др., Тафтом, Тафтом и Гарбаухом, фон дер Борхом и др. и другими авторами, свидетельствуют о мелководных морских условиях их образования и весьма специфической среде осаждения, например о большой величине отношения Mg/Ca.
Картина доломитообразования значительно прояснилась благодаря современным наблюдениям, методам исследования и анализам, однако в этом направлении предстоит провести еще большие работы. Так, все еще неясно, было ли возможным в палеозойских морях непосредственное химическое осаждение доломита (первичного доломита) в «природных» условиях при низких температурах и давлениях. He получили своего разрешения и многие вопросы, касающиеся вторичной доломитизации, например вопрос о зависимости между пористостью и степенью доломитизации. Недавно некоторые из этих проблем были детально рассмотрены Чилингаром и др., выделившими самые ранние диагенетические, раннедиагенетические, позднедиагенетические и эпигенетические (по отношению к стадии литификации) доломиты. В диагенезе Фэйрбридж выделил синдиагенетическую, анадиагенетическую и эпидиагенетическую стадии (фиг. 3,4,5).
Страхов различает четыре типа доломитовых фаций: 1) доломиты, образующиеся в краевых осолоненных участках крупных морских бассейнов (преимущественно на платформах); 2) доломиты мелководных, осолоненных центральных участков морей на платформах; 3) доломиты, представляющие собой осадки морей с нормальной соленостью, например доломитизированные рифы верхнего триаса в Восточных Альпах, и 4) доломиты, образующиеся в лагунах и морских заливах засушливой зоны, характеризующихся разбавлением пресными (речными) водами.

Теодорович выделяет следующие главные типы доломитов: 1) нормально морские известковые доломиты и доломитовые известняки замещения, 2) первичные «пелитоморфные» (мелкозернистые) доломиты и ангидрит-доломитовые породы; 3) известковые доломиты сильно осолоненных морей, рифовых лагун и периодически высыхающих литоральных участков отложения известковых илов и 4) первично хемогенные, мелкозернистые известководоломитовые илы, которые накапливаются в континентальных озерах в районах засушливого и сезонно жаркого климатов. Доломиты второго типа образуются в осолоненных лагунах и могут либо переслаиваться с пластами и линзами ангидрито-гипсовых пород, либо могут представлять собой первичные более или менее гомогенные сульфат-доломитовые породы.
При рассмотрении картины распределения палеозойских доломитов Фэйрбридж указывал на то, что в неэвапоритовых фациях в направлении открытого моря доломитизированные осадки обычно сменяются недоломитизированными известняками с признаками отложения в более холодных и глубоких водах. Переслаивание этих фаций указывает на эвстатические ритмические колебания. Прибрежные доломитизированные карбонатные отложения обогащены терригенной нерастворимой примесью и водорослевыми желваками, содержащими повышенные количества магния, тогда как в недоломитизированных пластах такие желваки отсутствуют. Во многих работах была показана прямая зависимость между степенью доломитизации пород и содержанием обломочного материала, указывающего на близость берега (фиг. 6, см. также фиг. 7 и 8). Этот критерий имеет большое значение при составлении палеогеографических карт. Однако в этом направлении также еще предстоит провести большую работу.

В некоторых глубоководных известняках мы можем видеть повышенное содержание нерастворимого остатка, однако эти породы не столь же легко подвергаются доломитизации. Вероятно, нерастворимый остаток здесь представлен аутигенным кварцем или кремнем, которые образовались за счет тонкозернистой кремнеземистой пыли или за счет остатков пелагических радиолярий и диатомей.
Современные моря характеризуются необычной разбросанностью обстановок накопления карбонатов. Неизвестно, однако, каких-либо участков, в которых одновременно образовывались бы различные морские известняки, включая эвапориты и доломитовые минералы. Поэтому для выяснения картины осадконакопления в «эвапоритовой обстановке» изучались условия отложения осадков в некоторых озерах. Такие исследования недавно были проведены на Большом Соленом озере и Соленых равнинах в штате Юта на западе США. Хотя в этом районе развиты только современные и плейстоценовые озерные карбонатные отложения, тем не менее их исследование способствует пониманию некоторых химических, физических, физико-химических и органических процессов, которые в несколько ином виде могли протекать в морских обстановках геологического прошлого. Например, мощные залежи солей разного химического состава могут образоваться в морских бассейнах на различных глубинах. Океанические воды, поднимающиеся на мелкие шельфы, в разных точках своего пути становятся насыщенными в отношении различных солей и при определенных условиях Eh и pH могут образовывать перекрывающие друг друга литофации. Выше очень мелководного шельфа, который тектонически может оказаться вполне устойчивым, постепенное насыщение вод может привести к очень четко выраженной осадочной дифференциации. В конкретной обстановке углекислый кальций может не достигать участков накопления отложений с обычным или высоким содержанием солей; сернокислый кальций также может отсутствовать или присутствовать в сравнительно малых количествах. Однако тектонические движения могут привести к изменению условий осадочной обстановки, что обусловит переслаивание, а также переплетение различных фаций; например, мы можем наблюдать толщу, сложенную микритовыми и водорослевыми известняками, доломикритами, мягкими водорослевыми доломикритами, битуминозными известняками и доломитами, глинистыми известняками и доломитами, серией ангидритовых и гипсовых (гипситы) пород, каменной солью и другими отложениями, которые образовались в изолированных или полуизолированных участках бассейнов. Временами обломочный материал мог привноситься с соседних участков суши, о чем свидетельствуют, например, примеси красноцветного ила и алеврита и красноцветные осадки, обогащенные хлористым натрием.

Большие массы океанических вод циркулируют через участки отложений шельфов и находятся на глубине от нескольких сантиметров до десятков метров. Циркуляция вод поверх прибрежных шельфов, поднятий, рифов, хребтов или других мелководных участков может способствовать их пересыщению солями, обусловливая таким образом последовательное осаждение растворенных солей. Обычно первым должен осаждаться углекислый кальций; при постепенном, но медленном увеличении глубины вод может происходить непрерывное раздельное осаждение других солей. Последнее зависит в основном от соотношения мощности слоя испарившейся воды к мощности всей толщи.

Это не означает, что такой процесс происходит в глубоководных участках открытого моря, хотя он вполне осуществим над порогами участков неритовой зоны, рельеф которых сильно изрезан. Углубление замкнутого бассейна может предотвратить перемешивание большей части концентрированных растворов с менее глубокими водами и тем самым обусловить захват солей. В глубоких участках такого бассейна могли преобладать застойные условия, а мощность осадков темноокрашенной (местами битуминозной) каменной соли могла достигать как 33, так и 330 м.

Исследователи, занимающиеся петрологией и петрографией карбонатных пород, издавна подозревали, что химизм современной морской воды отличается от химизма барровых морских бассейнов, в которых накопились известные палеозойские и мезозойские залежи солей, переслаивающиеся с карбонатами и фациально замещающиеся ими. По-видимому, в отложениях глубоких бассейнов осадки углекислого и сернокислого кальция преобладают над скоплениями хлористого натрия, а современные локальные гипсово-ангидритовые отложения почти полностью лишены карбонатов. Однако на мелководных шельфах и платформенных участках хлористый натрий может слагать наиболее обширные залежи; в таких участках могли господствовать условия, которые приводили к отложению мощных скоплений массивного гипса (gyprock — гипсит), который после погребения мог превратиться при умеренных давлениях в ангидрит. Кроме того, в этих толщах могут присутствовать битуминозные известняки и (или) доломиты и «красноцветные отложения». Однако красноцветные осадки имели терригенный источник и просто представляют собой примесь обломочного материала, привнесенного в осадочный бассейн. В таких платформенных толщах соли калия почти или совсем отсутствуют. Единственный логический вывод, который можно сделать на основании детального изучения древних эвапоритовых бассейнов, заключается в том, что ни одно из этих месторождений солей не свидетельствует о полном испарении морского бассейна. Поэтому вполне вероятно, что большая часть растворов солей, концентрация которых превышала уровень насыщения хлористого натрия, сбрасывалась обратно в океан придонными течениями (фиг. 9). Этот механизм применим также к растворам хлористого натрия частично изолированных бассейнов, в которых отлагались такие соли Ca и Mg, как CaCO3, MgCO3 и CaSO4. На различных платформах и шельфах, особенно на тех структурах, которые испытывают умеренные тектонические подвижки (опускание), имеются эвапоритовые бассейны, осаждение солей в которых происходило в порядке, обратном их растворимости, т. е. CaCO3, CaMg (CO3)2, CaSO4*2Н2О, NaCl, MgCl2, KCl и т. д. Однако следует отдавать себе отчет в том, что участки отложения каждой из солей двумерны, т. е. смещены по площади, так что максимальная мощность каждой солевой формации может быть измерена только по профилю, который позволяет проследить латеральные смещения во времени; короче говоря, пласты солей включают латеральные и вертикально-латеральные фациальные соотношения.
Поверх мелководного шельфа, где испарение достигает большой интенсивности по сравнению с глубиной вод, насыщенными в первую очередь становятся поднимающиеся воды близ границы щельфа, что приводит к отложению осадков углекислого кальция обычно в виде пояса, протягивающегося параллельно этой границе. В направлении к суше этот пояс обычно сменяется отложениями массивного гипса, тогда как тяжелые растворы хлористых солей возвращаются обратно в бассейн придонными течениями. Постепенное испарение поднимающихся вод в направлении к суше может также сопровождаться стратификацией растворов различных солей по плотности в более глубоких участках бассейна (или на нестабильном шельфе), а порядок выпадения солей из растворов будет соответствовать их ионным отношениям в растворе. Такие условия приводили бы к химическому осаждению карбонатов у внешнего края бассейна, сульфатов — в пограничной зоне и хлоридов — в центральной части бассейна. Однако это теоретическое распределение осадков редко достигается, и в неритовых фациях часто наблюдается цикличность осаждения большинства, если не всех, солей, возможное в такой обстановке; даже в центре бассейна в одном цикле могут присутствовать все разновидности осадков.

В более глубоких участках некоторых бассейнов карбонатные и сульфатные осадки имеют тонкослоистые текстуры и могут быть битуминозными, особенно осадки, образующиеся в начальные стадии осадконакопления. Благодаря указанным особенностям текстуры и состава эти осадки резко отличаются от рифовых карбонатов, «первичных» и других доломитов и пестроцветных и волнистослоистых гипсов мелководных обстановок. Некоторые из приведенных положений перечислены в табл. 1 с целью попытки реконструировать палеогеографические фациальные обстановки. Выдвинутые выше положения, по-видимому, можно иллюстрировать пермо-триасовой осадочной толщей северо-западной и южной частей Аризоны, США, которая отложилась на территории, включающей связанные платформенную, шельфовую и бассейновую обстановки. Кроме того, эти положения, по-видимому, согласуются с обстановками, реконструированными Макки для формаций Торовип и известняков Кэйбаб северной Аризоны и южной части Юты, где в осадочных толщах выделяются типичные циклотемы, сложенные карбонатами, гипсами и красноцветными отложениями. Идеальная циклотема в этих пермских отложениях имеет по Макки следующее строение:

5 — красноцветные отложения и гипс,

4 — хемогенные известняки,

3 — морские известняки с моллюсками или брахиоподами,

2 — хемогенные известняки,

4 — красноцветные отложения и гипс.
Геологи, изучавшие петрологию и петрографию осадочных карбонатных пород, включая современные карбонатные осадки, особенно осадки мелководных морских обстановок, создали сложную систему описательных терминов, многие из которых дают представление об условиях осадконакопления. Хотя эта вводная часть не предназначена для обзора всех терминов, отметим, что геологам уже не приходится обращаться к терминологическому словарю, чтобы понять такие хорошо известные сейчас названия, как калькаренит, кальцисилтит, туфогенный карбонат, кораллово-водорослевый известняк, мшанково-водорослевый известняк, икряной камень (гроздьевидный агрегат), твердый водорослевый известняк, микрит, доломикрит, доларенит, ракушняк и многие другие. Номенклатурные термины и названия пород — это рабочие термины петрографов осадочников, и молодому исследователю следует весьма близко освоить этот язык.

В любом исследовании карбонатных пород обязательно стремятся проводить классификацию и «приклеивать ярлыки». В настоящее время в опубликованном виде имеются многочисленные классификации известняков и доломитов и каждая из этих схем имеет определенное достоинство. Вполне очевидно, что каждая из предложенных классификаций основана на личном опыте ее автора; этот опыт накоплен в какой-либо конкретной провинции или каком-либо географическом районе. У геологов, подобно другим исследователям, часто наблюдается тенденция к провинциализму; поэтому каждый автор склонен считать, что его новая схема лишена тех недостатков, которые имелись в предыдущих схемах. Исследователь должен сначала научиться распознавать те трудности, с которыми он встретится при будущих исследованиях, если он будет чрезмерно строго придерживаться только одного способа классификации своих материалов. Опытные петрологи и петрографы давно поняли, что классификацию современных карбонатных осадков нельзя заключить в жесткие рамки и что сейчас нельзя создать единой классификации карбонатных образований, которая отразила бы все возможные аспекты генезиса, среды отложения, диагенеза и других осадочных процессов, участвовавших при формировании древних осадочных карбонатных пород.





Яндекс.Метрика