Замещение доломитом углекислого кальция

Большинство доломитов образовалось путем замещения отложений углекислого кальция, который был представлен либо арагонитом, либо кальцитом. Это замещение было возможно либо в среде осадконакопления, либо в течение диагенеза осадков, либо во время более поздней тектонической деятельности. Замещение обычно избирательно, но оно может быть и повсеместным. Доломиты замещения образуют широкий ряд пород, различающихся по петрографическим особенностям: размеру кристаллов, степени развития кристаллов, степени селективного замещения, характеру контактов между кристаллами, степени сохранности или изменения осадочных структур и текстур, степени замещения первичных отложений углекислого кальция и по степени нового превращения доломита в кальцитовую (дедоломитизированную) породу. Селективная доломитизация в седиментационной обстановке может контролироваться минеральным составом первичных осадков, а кроме того, она частично или даже в значительной мере отражает характер распределения ископаемой фауны, структуры и текстуры первичных отложений и такие особенности осадочных пород, как плоскости напластования. Все эти первичные черты пород в свою очередь зависят от физических, химических и биологических условий среды осадконакопления. Более того, так как не все доломиты формируются в осадочной (т. е. сингенетичной) обстановке (о чем особенно следует напомнить после акцента, сделанного в предыдущем описании доломитов современных и плейстоценовых осадочных бассейнов), селективная доломитизация может зависеть от последующих постседиментационных геологических явлений. Некоторые из этих явлений обусловливают литификацию осадков, другие, несомненно, возможны после литификации. Таким образом, селективная доломитизация может происходить одновременно с литификацией породы или после нее.

Селективная (а также повсеместная) доломитизация может протекать в несколько стадий; она может начаться в седиментационную и наиболее ярко проявиться в диагенетическую стадию, когда воды, богатые магнием, реагируют с карбонатными породами. Очень мало известно о процессах селективной доломитизации и обычно остается неясным, почему доломиты замещают одни прослои известняков и не замещают другие.

Некоторые авторы настаивают на том, что все доломиты образуются путем замещения. Они утверждают, что даже доломитовые ромбоэдрические кристаллы, обнаруженные в белых облаковидных взвесях в озерах Южной Австралии, которые большинство геологов обычно рассматривает как «первичные», образуются в результате почти одновременного замещения арагонита. Эти представления основаны на данных изотопного состава, которые, вероятно, слишком скудны, чтобы быть неоспоримыми. Как будет показано, в этой главе, доломитовые кристаллы замещения наследуют некоторые реликтовые структурные признаки замещаемого вещества. Поэтому предположение о почти одновременном замещении образующегося арагонита доломитом заслуживало бы весьма серьезного внимания, если бы в доломитовых ромбоэдрических кристаллах удалось обнаружить реликты иглоподобных кристаллов арагонита.

Многие детали процесса замещения остаются нерешенными. Неясен и сам механизм замещения: заключается ли он в одновременном растворении замещаемого минерала и отложении замещающего минерала, или в ионном обмене, или во вхождении ионов магния в решетку замещаемого минерала различными способами? В случае замещения доломитом арагонита или кальцита происходят такие изменения, которые заключаются в более существенной структурной перестройке, чем простой обмен ионов.

Замещение происходит путем обмена объема на объем, который не может быть выражен единым химическим уравнением или путем обмена молекулы на молекулу (выраженного с помощью химического уравнения). Превращение кальцита в доломит путем обмена молекулы на молекулу приводит к уменьшению объема на 12%, что должно сопровождаться увеличением пористости и (или) брекчированием замещенных пород. Такие изменения невозможны в тех случаях, когда замещение происходит путем обмена объема на объем; таким образом, по мнению многих геологов, образуются доломиты замещения.

Доказательства образования доломита путем замещения основываются на: а) органогенных доломитовых органических остатках, имевших первоначально арагонитовый или кальцитовый состав; б) доломитовых кристаллах, сохранивших типичные осадочные признаки углекислого кальция, такие, как ооиды, псевдоооиды, пеллеты, частицы с оторочкой, агрегаты частиц и т. п.; в) гнездах доломита в известняках; г) кремнях, сохранивших структуры отложений углекислого кальция в тех участках, где доломиты имеют кристаллическое сложение и не несут признаков структур, унаследованных от отложений карбоната кальция.

Термин замещение относится к разряду описательных; он означает только то, что минерал а находится сейчас в положении, первоначально занятом минералом Ъ, без указания на способ этого замещения. В противоположность ему немецкое слово Verdrangung (вытеснение) имеет более конкретный смысл. Verdrangung означает, что минерал а помещен в положение минерала b под воздействием некой силы и занял положение минерала b непосредственно после приложения этой силы. Поэтому, строго говоря, термин доломит замещения не является полным синонимом немецкого слова Verdrangungdolomit. Если замещение сопровождается привносом извне нового материала, обычно применяется термин метасоматоз.

Органогенные остатки, состоящие из доломита, но первоначально выделенные в виде высокомагнезиального или низкомагнезиального кальцита или арагонита, — убедительное доказательство генезиса доломита путем замещения. He все органогенные материалы в одинаковой степени восприимчивы к доломитизации. Иногда первоначальный минеральный состав органогенного материала определяет развитие доломитизации, и во многих случаях доломитизация обусловливает диагенетические процессы. Высокомагнезиальный кальцит органогенных остатков, обнаруженных в известковых красных водорослях, может доломитизироваться первым, как это было установлено на атолле Эниветок или на банке Плантадженет близ Бермудских островов. Однако на Мальорке, одном из Балеарских островов в западной части Средиземного моря, и на Фунафути и острове Северный Бородино (Китадайто) в Тихом океане эти же самые ископаемые остатки устойчивы относительно доломитизации. На Мальорке в плейстоценовых известняках доломит предпочтительно замещает друзовые агрегаты кальцита, который заполнил пустоты, образовавшиеся в результате выщелачивания первичных арагонитовых зерен, покрытых оторочкой. В этих породах кораллиновые водоросли доломитом не замещены. Возможно, что перед доломитизацией высокомагнезиальный кальцит замещается низкомагнезиальным. Раковины, имевшие первоначально арагонитовый состав, например раковины гастропод, цефалопод и скелеты кораллов, замещаются доломитом раньше, чем органогенные остатки брахиопод, остракод, трилобитов и морских ежей, состоящие из низкомагнезиального кальцита. Эта последовательность доломитизации обусловлена первичным минеральным составом; однако если арагонитовые раковины сначала замещаются низкомагнезиальным кальцитом, они становятся менее восприимчивыми к доломитизации, чем органогенные остатки, состоявшие первоначально из низкомагнезиального кальцита. Это же справедливо для минеральных компонентов известкового ила и ооидов; арагонитовый известковый ил и ооиды легко доломитизируются, хотя они менее подвержены доломитизации, если еще раньше были замещены кальцитом. Поэтому образование доломитов замещения может зависеть от тончайших деталей первоначального распределения арагонита в известковых отложениях.

Рифы обычно подвергаются доломитизации одним или несколькими из следующих трех способов: 1) известковые водоросли, обычно ассоциирующиеся с рифами, состоят из высокомагнезиального кальцита, который легко превращается в доломит; 2) рифы и связанные с ними осадки первично пористые и поэтому становятся ареной миграции интерстициальных флюидов; 3) многие (но не все) рифы образовались в мелководных тропических морях, в которых климат обычно способствовал повышению солености морской воды вследствие испарения как вод бассейна, так и интерстициальных вод. Такие высокоминерализованные воды представляют собой активные агенты процесса доломитизации.

Последний из трех перечисленных процессов, а именно интенсивное испарение морской воды с образованием сверхсоленых рассолов, по-видимому, наиболее легко логически объясним на основании имеющегося фактического материала. Так, при объяснении доломитизации рифов имеется в виду тот же процесс, которым объясняли образование доломита в грабене Солт-Флат в западном Техасе и арагонита в Мертвом море на основании определений изотопных составов углерода и кислорода. Изотопный анализ доломита из нижней части атоллов Фунафути, Северный Бородино и Эниветок в Тихом океане показал, что он обогащен тяжелыми изотопами кислорода. Это обогащение можно объяснить реакцией высококонцентрированных рассолов с рифовыми отложениями. Доломитизация могла произойти в мелководных ограниченных лагунах на задних склонах рифов и на низинах приливной зоны или ниже уровня малой воды. На банке Плантадженет близ Бермудских островов плохо упорядоченный богатый Ca доломит образовался за счет органогенного карбонатного песчанистого материала, который имел тот же химический состав, что и современный Бермудский риф. Доломитизированные отложения обогащены тяжелыми изотопами кислорода, что соответствует гипотезе доломитизации путем взаимодействия карбонатных отложений с рассолами, образовавшимися в результате испарения морской воды. Изотопные анализы, подобные упомянутым, помогли созданию у геологов ясного представления о том, что доломитизация, будь то в озерах межгорных бассейнов, в рифовых обстановках, или в тектонически контролируемых обстановках, заключается в реакции рассолов с кальцитовыми или арагонитовыми осадками или с известняками.

Известны многочисленные примеры доломитизированных рифов от плейстоценового до кембрийского возраста, залегающих на поверхности или на глубине.

Исключением из общего правила преимущественной доломитизации рифов служат рифовые известняки Формоза (средний девон) юго-восточной части Онтарио, Канада. Рифы здесь, включающие до 50% плоских пластинчатых строматопороидей и кораллов табулят, представлены чистыми известняками со средним содержанием CaCO3 — 99,13%. Однако окаймляющие отложения представлены доломитовыми известняками.

Доломитизации могут подвергнуться характерные известковые отложения, большинство которых первоначально имеет арагонитовый состав. Если типичные структуры известковых осадков сохраняются в доломитах, они надежно свидетельствуют об их генезисе путем замещения. Сферические частицы с оторочкой, такие, как ооиды, псевдоооиды и различные пеллеты, известны только в известковых отложениях. Эти частицы имеют очень четкие структуры, которые сохраняются даже в случае полной доломитизации отложений.

Образование гнезд доломита в известняке может быть связано почти со всякими первичными осадочными текстурами органического или неорганического происхождения или с любыми полостями, например с системами трещин или со стилолитами. Доломит может быть приурочен только к конкретному участку отложений вследствие селективной доломитизации, обусловленной наличием некоторых первичных текстур. Доломиты могут также образовывать ответвления во вмещающей породе от некоторого проницаемого канала, по которому мигрировали растворы, обусловившие доломитизацию.

Различные примеры доломитизации, описанные в ранних работах, сведены Ван Туилом; Осмонд рассмотрел типы неоднородных доломитов и классифицировал неоднородности строения доломитов. Было выделено пять главных групп доломитов (с различными подгруппами в каждой): органогенная, осадочная, внутриформационно-деформационная, осадочно-диагенетическая и диагенетическая.

Доломитизации могут подвергнуться осадки, заполнившие ходы роющих организмов, тогда как прилегающая основная масса может оказаться неизмененной. Причина этого явления неизвестна; возможно, она заключается в изменении размера или химического состава зерен, проходящих через пищевод роющих организмов.

Доломиты могут приурочиваться к стилолитовым швам или к другим полостям пород. Стилолиты обычно служили барьерами для потока флюидов, направленного перпендикулярно им, и проводящими каналами для флюидов, мигрирующих вдоль стилолитовой поверхности.

Полная доломитизация очень мелкозернистого известкового ила может привести к образованию мелкозернистого доломита, почти неотличимого от мелкозернистого первично хемогенного доломита. Однако в кремнях, заместивших известковые осадки до того, как они подверглись доломитизации, могут сохраниться реликты первичного осадка даже в том случае, если в прилегающих доломитизированных участках они полностью разрушены.

Первичные зерна известковых отложений, заместившихся доломитом, изменяются по размеру от мелких до крупных. Доломитизации подвергается как мелкозернистый, так и крупнозернистый материал и, наконец, и тот и другой.

В отложениях члена D формации Араб (верхняя юра) Саудовской Аравии доломит замещает преимущественно мелкозернистые первичные осадки углекислого кальция. Для этих пород наблюдается обратная зависимость между содержанием доломита и количеством зерен крупнее песчаной фракции. Более того, в смешанных отложениях, сложенных зернами песчаной и илистой фракций, доломит сначала замещает мелкие зерна, а песчаные частицы могут оставаться неизмененными (или замещенными только в том случае, если частицы илистой фракции уже полностью доломитизированы). Другие примеры доломитов, образовавшихся в результате замещения первичного известкового ила, известны в сланцах Флорена (пермь) в Канзасе, в пермских отложениях гор Гуадалупе в юго-восточной части Нью-Мексико, в формации Шунда (миссисипий) в западной части Канады, в погребенных девонских породах нефтеносного бассейна Андрус в Техасе, а также в первоначально мелкозернистых пеллетовых известковых илистых отложениях ордовика в центральной части Виргинии и перми в юго-западной части Оклахомы. Хоббс считает, что доломиты образовывались преимущественно в отложениях с высокой начальной пористостью и низкой начальной проницаемостью.

Некоторые доломиты, напротив, приурочены к первоначально крупнозернистым отложениям. Возможно, что такие доломиты образуются позднее (они будут «вторичными» — позднедиагенетическими в противоположность «почти одновременным» — раннедиагенетическим, в связи с миграцией флюидов, обусловленной уплотнением осадков). Среди девонских рифовых отложений на западе Канады существенной доломитизации подверглись рифовые цепочки Римби — Ледак — Медобрук, тогда как изолированные рифы Голден-Спайк, Уиллингдон и Редуотер очень слабо доломитизированы. По-видимому, такая выборочная доломитизация обусловлена легкостью просачивания интерстициальных вод, обеспечивших доломитизацию отложений. Иллинг связывает эти движения флюидов с выдавливанием вод вниз из уплотнявшихся перекрывающих сланцев Дюверней и Айретон; соответственно он предполагал, что рифы подвергались доломитизации именно потому, что они были пористыми и проницаемыми. Первоначальная проницаемость обусловливает также миграцию морской воды вверх на незаливных прибрежных низинах; поэтому какой-либо доломит, образовавшийся благодаря первоначальной проницаемости отложений, не обязательно будет «вторичным» в смысле Иллинга. В Элленбергских отложениях центральной части Техаса доломиты «почти одновременного замещения» (раннедиагенетические) строго приурочены к тем участкам, которые предположительно первоначально были наиболее проницаемыми, хотя многие из них в результате последующих реакций оказались непроницаемыми. В тех местах, где доломиты Лоун-Маунтин-Долостоун клинообразно переслаиваются с известняками формации Робертс-Маунтинс (силур) в районе Пит-Хенсон-Крик в центральной части Невады, доломитизация продвинулась дальше от границы общих фаций в тех отложениях, которые первоначально имели более крупнозернистое сложение.

Доломит встречается как среди мелкозернистых, так и среди более крупнозернистых компонентов известняков Мадисон (миссисипий) в нефтеносном бассейне Бивер-Лодже в округе Уильямс в Северной Дакоте. Здесь доломит наиболее часто развит по границам более крупных зерен и в участках основной массы на контакте с крупными зернами в линзочках первоначально более крупнозернистого осадка. Доломит встречается и в очень тонкозернистых участках пород, первоначально менее проницаемых. В одном пласте хорошо сортированного известняка, состоявшего из чередующихся прослоев очень мелкозернистых и среднезернистых отложений, доломит заместил только очень мелкозернистые прослои. Tayc предполагает, что доломит замещал сначала мелкозернистые отложения близ контактов с более крупнозернистыми и более проницаемыми участками осадков.

Как уже отмечалось выше, селективная доломитизация определяется во многом или даже в большей степени минеральным составом карбоната кальция, чем размером его зерен. В действительности минеральный состав известковых осадков может быть связан с гранулометрическим, так что в зависимости от конкретных условий эти два фактора могут действовать в одном и том же или в противоположных направлениях. В свою очередь минеральный состав многих, если не большинства, карбонатных отложений зависит от характера распределения организмов. Организмы отражают условия среды осадкообразования. Следовательно, на характер доломитизации обычно прямо или косвенно влияют условия осадконакопления. Однако во многих районах это влияние седиментационных условий на доломитизацию затушевывается внедрением доломитизирующих растворов по разломам или трещинам; этот аспект рассматривается в разделе, посвященном эпигенетическим доломитам.

Многие пористые доломиты образовались путем замещения известковых илов; эти илы, содержащие большое количество плавающих песчаных частиц, наиболее легко подвергаются доломитизации. Идиоморфнозернистая структура образуется путем роста беспорядочно ориентированных одинаковых по размеру кристаллов доломита и выщелачивания незамещенного кальцита. Следовательно, пористость образуется не вследствие доломитизации, как иногда утверждалось, а в результате растворения углекислого кальция. Эта пористость может быть стерта в результате осаждения более позднего доломита с ксеноморфнозернистой структурой или кальцитового цемента.

Вследствие многочисленных минеральных превращений, происходящих в отложениях углекислого кальция, и влияния минерального состава на характер доломитизации образующиеся доломиты отличаются большим разнообразием. Например, известковый арагонитовый ил, включающий раковины, сложенные первичноосажденным низкомагнезиальным кальцитом, может селективно доломитизироваться, тогда как раковины останутся неизменными. Если впоследствии кальцит растворится, возникнет пористый доломит, сохраняющий только пустотелые отпечатки ископаемых. Напротив, если арагонит илистой массы сначала замещается кальцитом, доломитизации могут подвергнуться только первично кальцитовые раковины, а новообразованная кальцитовая основная масса может остаться неизмененной. Любые арагонитовые раковины, которые еще раньше заместились кальцитом, могут также противостоять доломитизации, как и кальцитизированный ил. Возможно, что именно такого рода минералогические изменения обусловили особенности поведения обломков известкового ила в отложениях формации Чипультепек (нижний ордовик) в центральной части Аппалачей близ Блэксберга в Виргинии. Известковый ил, который стал настолько прочным, что мог разламываться на обломки, после этого может быть почти невосприимчивым к доломитизации, хотя до фрагментации он может в первую очередь претерпевать доломитизацию.

На Фунафути скважиной вскрыто несколько горизонтов доломитизиро-ванных коралловых отложений. Согласно Куллису, доломит здесь не замещал непосредственно арагонит; вместо этого арагонит коралловых построек сначала заместился кальцитом, затем в интерстициях отложился первичный яснокристаллический доломит и, наконец, уже кальцитовые коралловые постройки заместились доломитом.

Различная восприимчивость отложений к доломитизации позволила Диксону сформулировать критерии, позволяющие четко различать ранне- и позднедиагенетические доломиты или доломиты замещения, связанные с тектоническими факторами. При раннедиагенетической доломитизации арагонитовые раковины, например раковины цефалопод и гастропод, и известковый ил обычно доломитизируются раньше кальцитовых органогенных остатков кораллов ругоз, криноидных пластинок и брахиопод. Однако при более поздней доломитизации (после цементации осадков и после замещения арагонита кальцитом) наблюдается обратная последовательность замещения: ранее устойчивый первоначально кальцитовый биогенно-детритусовый материал доломитизировался прежде органогенных остатков, состоявших вначале из арагонита.

Приведенные примеры показывают, что имеются характерные типы доломитов замещения и что в конкретных географических и геологических условиях можно предсказывать нахождение доломита того или иного типа. Однако характер доломитизации весьма различен в разных районах и в пределах данного района в разных формациях. Поэтому, хотя при знании местных условий и можно предсказать характер доломитизации, общие правила для малоизученных районов нельзя сформулировать. Если учесть количество петрологических переменных факторов, влияющих на характер доломитизации, то никого не удивит, что такие правила невозможно учесть.