Диагенетические процессы в калькаренитах
Рассмотрим сначала калькарениты смешанного состава, в которых первичные зерна представлены органогенными и неорганогенными обломками. Органогенные обломки могут быть как арагонитовыми, так и кальцнтовыми; последние частично представлены фрагментами поликрпсталлических кальцитовых раковин и частично — монокристаллами кальцита из скелетных частей иглокожих.
Первичная пористость в таких осадках может быть межзерновой и внутризерновой. Количество внутризерновой пористости в основном зависит от содержания пористых скелетных фрагментов.
Петрографические исследования многих доплейстоцековых морских калькаренитов, которые в обнажении полностью сцементированы, показали, что органогенные фрагменты, первоначально имевшие арагонитовый состав, сейчас имеют кальцнтовый. Строение кристаллов кальцита такое же, какое наблюдается при росте кристаллов от стенок полости внутрь нее. Это означает, что арагонит переходил в раствор и оставалась полость с формой органогенного обломка, которая впоследствии выполнялась кальцитом. Таким образом становится очевидным, что на какой-то диагенетической стадии в породе создаются новые поры. Хотя в породах, изучаемых в обнажениях, поры заполнены минеральным веществом, вполне вероятно, что в сходных породах, залегающих на глубине, они могли остаться открытыми.
Во многих калькаренитах кристаллические мозаики кальцитовых слепков с прежних арагонитовых раковин имеют два различимых структурных типа. В каждом слепке можно видеть узкую зону из тонких кальцитовых кристаллов, которая следует по стенкам прежних пор, а остальная часть представлена мозаичным агрегатом более крупнокристаллического кальцита. He имеется никакого явного перехода между этими типами кристаллов, и эти две структуры настолько различны, что создается впечатление, что они отвечают двум совершенно различным эпизодам в истории заполнения полостей растворения. За пределами слепков кальцитовый цемент, который сейчас занимает прежние межзерновые поры, представлен кристаллами двух габитусов (фиг. 40).
Структура породы в том виде, как она сформировалась в конце этой первой стадии цементации, указывает на то, что объем первичной межзерновой пористости был сокращен путем развития каемок кальцитового цемента, а новые поры были образованы путем растворения арагонитовых фрагментов раковин. Поэтому возникают вопросы: что было источником карбоната кальция для первой стадии цементации и что ограничивало развитие кальцитового цемента на этой первой стадии? По-видимому, выполнение полостей растворения прежних фрагментов арагонитовых раковин и развитие межзернового цемента, и выполнение внутризерновых пор протекают в течение двух отдельных стадий. Этот вывод часто находит подтверждение в тех случаях, когда некоторые составляющие зерна претерпевают деформацию при уплотнении под воздействием давления нагрузки. Внешние оболочки оолитов иногда частично отслаиваются, и там, где это имело место, часто находят каемки кальцитового цемента, которые облекают поверхность оолитов только в тех местах, где их оболочки не нарушены (фиг. 41). Такое распределение означает, что оторочки кальцитового цемента образовались до того, как оолиты разрушились в результате уплотнения. Ясно, что это разрушение не могло иметь места после образования более крупного кристаллического цемента на второй стадии. Таким образом устанавливаются три отдельных процесса. Первый — это растворение органогенных арагонитовых фрагментов с образованием пор и образование каемок кальцитового цемента и инкрустаций в порах растворения; второй процесс — уплотнение, третий — выполнение всех остальных пор.
Петрографические исследования позволяют определить состояние породы при завершении первой стадии диагенеза. Это может иметь значение для поисков нефти, так как известно из практики разбуривания нефтеносных площадей, что в некоторых известняковых коллекторах породы прошли только первую стадию диагенетических изменений, отмеченных выше. Поэтому важно более детально познакомиться с этой ранней стадией диагенеза.
Если карбонатный песок нормально перекрывается более поздним осадком и поровые воды имеют прежний состав, то источник цемента можно обнаружить только в пределах самой породы. Тот факт, что вместо прежних арагонитовых раковин в настоящее время имеются только полости растворения, заставляет предполагать, что кальцитовый цемент поступал за счет карбоната кальция, ранее присутствовавшего в виде арагонита. Хотя содержание карбоната кальция в породе не изменялось бы при таком его перераспределении в пределах породы, смена арагонита (ромбическая сингония) на кальцит (гексагональная сингония) теоретически должна приводить к увеличению объема примерно на 8%. Таким образом, песок, в котором было 30% арагонитовых остатков организмов, 30% кальцитовых фрагментов и 40% межзерновых пор, растворение арагонита приводило бы к появлению примерно 32,5% кальцитового цемента. Это означает, что пористость должна была бы уменьшаться до 37,5% в результате этого минерального изменения. Во многих органогенных известняках отношение содержания кальцитового цемента первой стадии к содержанию первичного арагонита явно свидетельствует в пользу рассмотренной концепции развития цемента на первой стадии диагенеза.
Хотя эти ранние диагенетические процессы не ведут к заметному изменению пористости, они сильно влияют на перераспределение пор. Первичные поры уменьшаются в объеме в результате развития цемента первой стадии, а новые поры образуются путем растворения арагонитовых раковин.
Очертания прежних арагонитовых раковин подчеркиваются внутренними и внешними оторочками из агрегатов кальцитовых кристаллов. Если эти оторочки развиты полностью и хорошо, то они должны теоретически изолировать поры растворения от остальных компонентов породы. Поэтому вновь развитая пористость была бы неэффективной, а эффективной была бы только та пористость, которая сохраняется от первичной межзерновой пористости, Первоначально эта пористость составляла 40%, но если допустим в качестве примера, что межзерновая цементация первой стадии в настоящее время занимает 24% по объему, то межзерновая пористость должна была уменьшиться до 16%. Поэтому хотя общая пористость изменяется очень слабо, эффективная пористость может быть значительно сокращена.
Пустоты растворения арагонитовых раковин имеют очень тонкую структуру, и часто в шлифах можно видеть, что в действительности эти пустоты несут разрушения, вызванные уплотнением. В отдельном шлифе можно отметить только немного разрушенных пор растворения, но это не означает, что кажущиеся ненарушенными в этом шлифе поры не могли быть нарушены ниже или выше плоскости шлифа. Такая трещиноватость около пор обусловливает их связь с межзерновыми порами и таким образом неэффективная пористость становится эффективной. Однако уплотнение должно привести к уменьшению общего объема породы и таким образом уменьшить в некоторой степени общую пористость. Степень изменения пористости и величина «конечной» эффективной пористости породы будет зависеть от соотношения между степенью уплотнения и количеством пор растворения.
Теперь нам важно оценить пути влияния кальцитового цемента первой стадии на проницаемость известняков. Толщина оторочек кальцитового кристаллического цемента вокруг каждого зерна почти постоянна: как это можно видеть в шлифе, они незначительно уменьшают площади поперечного сечения межзерновых пор. Однако эти оторочки цемента также окаймляют стенки небольших каналов, посредством которых сообщается большинство пор. В этих случаях кальцитовые оторочки резко уменьшают площадь поперечного сечения каналов и, как следствие, значительно влияют на проницаемость. Таким образом, хотя диагенетические изменения первой стадии могут не приводить к значительному уменьшению общей пористости, которую имел первичный осадок, они могут привести к значительному уменьшению проницаемости.
Однако простая картина развития кальцитового цемента первой стадии может усложняться при наличии в первичном осадке скелетных остатков иглокожих. Каждый скелетный элемент какого-либо иглокожего организма в прижизненном состоянии представляет собой монокристальное образование кальцита и сохраняется в осадке в таком же виде. Цемент, который развивается около фрагментов иглокожих, представляет собой по-существу регенерационную каемку кальцита, которая выросла в той же кристаллографической ориентировке, какую имел кальцит в первичном фрагменте. В известняках, в которых фрагменты иглокожих смешаны с поликристаллическими зернами, часто обнаруживается, что объем кальцитовых каемок первой стадии, развитых вокруг фрагментов иглокожих, намного больше, чем объем кальцита, слагающего оторочки кристаллического кальцита вокруг других зерен (фиг. 42).
Фрагменты иглокожих, сложенные монокристаллами кальцита, явно обладали способностью к более быстрому росту, чем зарождающиеся на поверхности других зерен кальцитовые кристаллы. Суммарный результат этих конкурирующих типов цементации заключается в том, что если для образования цемента имеется определенное количество карбоната кальция, то оно перераспределяется неравномерно. Масса цемента отлагается в виде оболочек нарастания на обломках иглокожих, и только тонкие каемки кристаллического кальцита развиваются вокруг других зерен. В каналах, ограненных зернами, эти тонкие каемки цемента незначительно уменьшают их поперечное сечение, так что проницаемость почти не ухудшается.
Полезно рассмотреть случай двух карбонатных песков с одинаковой первичной пористостью и одним и тем же содержанием материала для кальцитового цемента, но различающихся тем, что в одном осадке присутствуют рассеянные обломки иглокожих, а в другом их нет. При завершении первой стадии диагенеза обе породы должны были бы иметь одинаковое количество цемента и одну и ту же пористость. Однако так как в первой породе цемент распределен неравномерно, то она должна иметь значительно большую проницаемость, чем другая порода.
Хотя предыдущие рассуждения частично имеют субъективный характер, во многих калькаренитах, которые вскрываются на глубинах буровыми скважинами, отмечаются описанные особенности. Следовательно, вполне вероятно, что простое перераспределение карбоната кальция, присутствовавшего ранее в виде арагонита, с образованием цемента первой стадии — это один из характерных ранних диагенетических процессов, который изменяет свойства известняков.
Диагенетнческие кристаллические постройки многих известняков заметно отличаются от построек, рассмотренных выше, и они в целом отражают различные диагенетические изменения. Вряд ли возможно рассмотреть все эти различия в деталях, но на некоторых из них мы сейчас остановимся подробнее.
Уже упоминалось о механическом разрушении различных компонентов карбонатных песков вследствие уплотнения под воздействием перекрывающих отложений. Однако в некоторых известняках, по-видимому, уплотнение зерен приводит к сложной картине растворения вдоль поверхностей контакта между зернами. Этот процесс растворения под давлением был рассмотрен выше при описании кварцевых песков. Вполне вероятно, что кристаллические решетки становятся напряженными под давлением в местах контакта зерен. Это напряжение ослабляется при растворении кальцита, и перешедший в раствор карбонат кальция снова осаждается в виде цемента в соседних порах. Напряжение в местах контакта можно продемонстрировать просто на двух кусочках пластика, если зажать их вместе между двумя поляроидами. Когда в обоих поляроидах направления колебаний будут располагаться под прямым углом, то можно видеть, как от точек соприкосновения между двумя зажатыми кусочками пластика веерообразно расходятся затененные участка, обусловленные оптическим напряжением.
Если в криноидных известняках развивается растворение под давлением, то часто можно видеть, что чешуйки не всегда переходят в раствор равномерно в местах контакта. Местами какая-либо чешуйка может быть более глубоко внедрена в другую, хотя при этом показывает только слабое растворение. Каждая чешуйка криноид в прижизненном состоянии — это монокристальное образование кальцита, а кальцитовые кристаллы характеризуются неодинаковой растворимостью по различным кристаллографическим направлениям.
Это можно продемонстрировать на примере спайного ромбического осколка кальцита, если его медленно растворять в слабой кислоте. Этот кальцит быстро растворяется в направлении кристаллографической оси, но очень медленно в направлении главной плоскости. Поэтому следует ожидать, что когда две чешуйки контактируют таким образом, что кристаллографическая ось одного кристалла кальцита ориентирована перпендикулярно главной плоскости другого, то последний будет внедряться в первый за счет его растворения.
Контакты между чешуйками, характеризующиеся процессами растворения под давлением, обычно не простираются в окружающий цемент. Это означает, что растворение под давлением началось до того, как порода подверглась значительной цементации. Обычно утверждается, что ионы кальция и карбоната, которые высвобождаются при растворении в местах контакта зерен, снова осаждаются в соседних порах. Таким образом в породе цемент постепенно развивается за счет нее самой pari passu под воздействием растворения под давлением. Последнее само по себе должно вести к уменьшению пористости, а сопутствующее переотложение кальцита в виде цемента приводит к еще более резкому ее уменьшению.
В любой толще известняков только в некоторых пластах отмечается воздействие растворения под давлением, заставляющее предполагать, что этот процесс имел место в тех пластах, которые не прошли стадию ранней цементации.
